มาตรวิทยา คืออะไร?

ประวัติความเป็นมาของมาตรวิทยา

“การวัดที่ไม่ได้มาตรฐาน ค่าที่ได้ก็ไร้ความหมาย” ย้อนกลับไปในปี 2900 ก่อนคริสตศักราช บันทึกแรกของมาตรฐานการวัดเกิดขึ้นในราชวงศ์อียิปต์ เมื่อมีการสลักสร้างหินแกรนิตสีดำให้มีความยาวหนึ่งศอก (Cubit) โดยใช้ความยาวของแขนจากศอกไปจนถึงปลายนิ้วกลางของฟาโรห์เป็นเกณฑ์ ซึ่งภายหลังคนงานก่อสร้างนำไปใช้ก็ประสบความสำเร็จในการสร้างพีระมิดที่มีความยาวฐานผิดเพี้ยนน้อยกว่า 0.05 เปอร์เซ็นต์
ยิ่งเมื่อยุคสมัยมีการพัฒนา มาตรฐานการวัดอื่นๆ ก็ยิ่งเกิดขึ้นด้วยวิธีการที่แตกต่างกันไป อย่างในโรมันและกรีกที่มีมาตรฐานการวัดเกิดขึ้นมากมายตามแต่ละท้องที่ แต่ด้วยความยากลำบากในการเทียบกัน และภายหลังการล่มสลายของจักรวรรดิและเข้าสู่ยุคมืดก็ทำให้มาตรฐานเหล่านั้นเลือนหายไปตามกาลเวลา ในคริสตศักราช 1996 อังกฤษได้จัดตั้งคณะศาลเพื่อกำหนดมาตรฐานการวัดความยาว และได้ออกกฎหมายเกี่ยวกับการวัดซึ่งประกอบไปด้วยการตวงสุราจำพวกไวน์และเบียร์ในปี 1215 

สำหรับมาตรฐานการวัดในปัจจุบันมีรากฐานมาจากแรงกระตุ้นทางการเมืองในช่วงการปฏิวัติฝรั่งเศส ที่ต้องการให้หน่วยวัดทั่วทั้งประเทศสอดคล้องกัน ดังนั้นมาตรฐานการวัดความยาวจากวัสดุธรรมชาติจึงถือกำเนิดขึ้น และในเดือนมีนาคม คริสตศักราช 1791 นั้นเองที่หน่วยวัด “เมตร” ถือกำเนิดและนำไปสู่การสร้างระบบเมตริกด้วยเลขฐานสิบในปี 1795 ซึ่งหลายประเทศก็ได้นำเอาระบบเมตริกนี้ไปใช้ในช่วงระหว่างปี 1795 ถึง 1875
ด้วยเหตุนี้เองเพื่อให้แน่ใจได้ว่าทุกประเทศทั่วโลกจะมีมาตรฐานการวัดที่ตรงกันจึงได้มีการจัดตั้งสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (BIPM) ตามสนธิสัญญาเมตริกขึ้น ซึ่งถึงแม้ว่าสำนักงานดังกล่าวเดิมทีแล้ว ถูกจัดตั้งขึ้นเพื่อกำหนดหน่วยวัดและมาตรฐานการวัดให้เป็นสากล แต่ขอบเขตการทำงานในภายหลังก็ขยายไปจนถึงมาตรฐานการวัดค่ากระแสไฟฟ้า ความเข้มของแสง และปริมาณการแผ่รังสีไอออไนซ์ และในปีคริสตศักราชที่ 1960 ระบบเมตริกก็ถูกพัฒนาไปเป็นระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) ด้วยมติที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัดครั้งที่ 11

สาขาของมาตรวิทยา

สำนักงานช่างตวงวัดระหว่างประเทศได้ให้ความหมายของคำว่ามาตรวิทยา (Metrology) เอาไว้ว่า “เป็นวิทยาศาตร์ศาสตร์ของการวัดที่ครอบคลุมทั้งทางด้านทฤษฎีและปฎิบัติทดลอง กับค่าความไม่แน่นอนของการวัดในสาขาใดๆ ทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี” มาตรวิทยาถือเป็นศาสตร์ที่มีความสำคัญและกว้างมาก โดยมีกิจกรรมหลักสำคัญ 3 ประการ คือ การนิยามหน่วยวัดที่เป็นที่ยอมรับของนานาชาติ การทำให้หน่วยวัดนั้นสามารถนำมาใช้ได้จริง และกระบวนการสร้างสายโซ่ของการสอบกลับได้โดยนำเอาค่าการวัดไปเทียบกับมาตรฐาน พื้นฐานสำคัญเหล่านี้ถูกนำไปปรับใช้ในมาตรวิทยาที่ระดับแตกต่างกันไปตามสาขาย่อย อันได้แก่ มาตรวิทยาเชิงเทคนิค มาตรวิทยาเชิงอุตสาหกรรม และมาตรวิทยาเชิงกฎหมาย

มาตรวิทยาเชิงเทคนิค (Scientific metrology)
มาตรวิทยาเชิงเทคนิคเกี่ยวข้องกับการสร้างหน่วยวัดและพัฒนามาตรฐานวิธีการวัดใหม่ๆ ทำให้หน่วยวัดเป็นจริงในทางปฏิบัติและสามารถสอบกลับได้ มาตรวิทยาสาขานี้ถือเป็นสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูงสุด ทั้งนี้ตามปกติแล้วสำนักงานชั่งตวงวัดจะมีฐานข้อมูลความสามารถในการวัดและการสอบเทียบเครื่องมือกับค่ามาตรฐานที่สามารถสอบกลับได้ของทุกสถาบันทั่วโลกซึ่งจะมีการตรวจประเมินโดยผู้เชี่ยวชาญ โดยจะสามารถแยกประเภทการวัดออกเป็น 9 สาขาอันได้แก่ เสียง ไฟฟ้าและแม่เหล็ก ความยาว มวลและปริมาณที่เกี่ยวข้อง แสงสว่างและการกระจายของคลื่นแสง การแผ่รังสีของไอออนแตกตัว เวลาและความถี่ อุณหภูมิ และเคมี
นอกจากนี้มาตรวิทยาเชิงเทคนิคยังเป็นสาขาที่มีความสำคัญในการนิยามหน่วยวัดใหม่ โดยในเดือนพฤษภาคม ปีคริสตศักราช 2019 ถือเป็นวันที่ไม่มีหน่วยฐานใดถูกกำหนดด้วยวัตถุทางกายภาพ เนื่องจากความต้องการที่จะให้ทุกหน่วยฐานนั้นได้มาจากค่าคงตัวทางฟิสิกส์ จึงทำให้มวลของกิโลกรัมต้นแบบ (IPK) ถูกยกเลิกการใช้และถือเป็นจุดสิ้นสุดของการนิยามหน่วยด้วยวัตถุลง ในกรณีของการนิยามหน่วยกิโลกรัมใหม่นั้น ด้วยมาตรวิทยาเชิงเทคนิคและการพัฒนาของตาชั่งคิบเบิลที่อาศัยการวัดน้ำหนักด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ก็ทำให้นักวิทยาศาตร์สามารถนิยามหน่วยกิโลกรัมใหม่ได้ด้วยค่าคงตัวของพลังค์ (Plank constant)

มาตรวิทยาเชิงอุตสาหกรรม (Industrial metrology)
มาตรวิทยาเชิงอุตสาหกรรมเกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้การวัดกับอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต สร้างความมั่นใจว่าเครื่องมือวัดที่ใช้นั้นมีความเหมาะสม มีการควบคุมคุณภาพและการสอบเทียบเครื่องมือวัดอย่างถูกต้อง เนื่องจากประสิทธิภาพและความถูกต้องของการวัดนั้นจะส่งผลโดยตรงต่อมูลค่าและคุณภาพของสินค้าหรือผลิตภัณฑ์ รวมไปถึงต้นทุนการผลิต อีกทั้งมาตรวิทยาสาขานี้ยังนับเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการพัฒนาทางเศรษฐกิจและอุตสาหกกรรม และยังเป็นตัวบ่งชี้ถึงสภาพเศรษฐกิจของประเทศนั้นๆอีกด้วย ทั้งนี้การยอมรับความสามารถทางมาตรวิทยาในอุตสาหกรรมนั้น สามารถเกิดขึ้นได้จากสามวิธีหลัก อันได้แก่ การปฎิบัติตามข้อตกลงต่างๆ ที่มีการยอมรับร่วมกัน การได้รับการรับรองจากหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง หรือการตรวจประเมินจากผู้เชี่ยวชาญ (Peer review)

มาตรวิทยาเชิงกฎหมาย (Legal metrology)สำหรับมาตรวิทยาเชิงกฎหมายจะเกี่ยวข้องกับกิจกรรมที่เกิดขึ้นตามข้อตกลงในกฎหมาย ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวัด หน่วยวัดและวิธีการวัดโดยหน่วยงานที่มีอำนาจหน้าที่เกี่ยวข้อง ซึ่งส่วนใหญ่แล้วบทกฎหมายต่างๆ ก็มักจะถูกร่างขึ้นด้วยจุดประสงค์เพื่อการป้องกันทางด้านสุขภาพ ความปลอดภัยของสาธารณะ สิ่งแวดล้อม การจัดเก็บภาษีอากร และเพื่อปกป้องผู้บริโภคและการค้า ด้วยเหตุนี้เององค์การระหว่างประเทศด้านการชั่งตวงวัดทางกฎหมาย (OIML) จึงถูกจัดตั้งขึ้นเพื่อช่วยให้ข้อกำหนดทางกฎหมายระหว่างประเทศมีความสอดคล้องกันและไม่เกิดอุปสรรคทางการค้า ทำให้มั่นใจได้ว่าเครื่องมือวัดที่ผ่านการรับรองในประเทศหนึ่งจะตรงตามมาตรฐานและสามารถยอมรับได้ในอีกประเทศหนึ่ง ทำให้สามารถขายสินค้า รวมไปถึงอุปกรณ์เครื่องมือวัดได้

แนวคิดหลัก

การนิยามหน่วยวัด (Definition of units) ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) ประกอบไปด้วย 7 หน่วยฐาน อันได้แก่ ความยาว มวล เวลา กระแสไฟฟ้า อุณหูมิอุณหพลวัติ ปริมาณสสาร และความเข้มของการส่องสว่าง ซึ่งตามข้อตกลงแล้วหน่วยฐานแต่ละหน่วยจะมีความอิสระและไม่ขึ้นอยู่กับอีกหน่วยฐาน แต่ในความเป็นจริงแล้วกลับมีความเกี่ยวข้องกันอยู่ เช่นกรณีการใช้หน่วยฐานหนึ่งเพื่ออธิบายนิยามของอีกหน่วยฐาน เป็นต้น

หน่วยฐานเอสไอ

ปริมาณ  ชื่อหน่วย สัญลักษณ์ นิยาม
ความยาว เมตร m ความยาวที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศ ในช่วงเวลา 1/299,792,458 วินาที
มวล กิโลกรัม kg นิยามจากค่าคงตัวของพลังค์ เท่ากับ 6.62607015×10−34 Js
เวลา วินาที s ระยะเวลา 9,192,631,770 คาบในการแผ่รังสีที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะระดับไฮเพอร์ไฟน์ของสถานะพื้นของอะตอมซีเซียม-133 ที่สถานะพื้น
กระแสไฟฟ้า แอมแปร์ A ปริมาณกระแสไฟฟ้าคงที่ที่ถ้าให้กับลวดตัวนำตรงและขนานกัน 2 เส้น ที่มีความยาวอนันต์และมีพื้นที่หน้าตัดน้อยมากจนไม่ต้องคำนึงถึง แล้ววางห่างกัน 1 เมตรในสุญญากาศจะมีแรงระหว่างตัวนำทั้งสองเท่ากับ 2×10 −7 นิวตันต่อความยาว 1 เมตร
อุณหภูมิอุณหพลวัติ เคลวิน K 1/273.16 ของอุณหภูมิอุณหพลวัติของจุดร่วมสามสถานะของน้ำ
ปริมาณของสสาร โมล mol ปริมาณของสารในระบบซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบมูลฐานอะตอมที่เทียบเท่าคาร์บอน-12 ปริมาณ 0.012 กิโลกรัม
ความเข้มของการส่องสว่าง แคนเดลา cd ความเข้มส่องสว่างในทิศทางที่กำหนดของแหล่งกำเนิดที่แผ่รังสีของแสงความถี่เดียวที่มีความถี่ 540×1012 เฮิรตซ์ และมีความเข้มของการแผ่รังสีในทิศทางนั้นเท่ากับ 1/683 วัตต์ต่อสเตอเรเดียน

 

เนื่องจากหน่วยฐานถูกใช้เป็นจุดอ้างอิงสำหรับการวัดทั้งหมดที่ใช้หน่วย SI ดังนั้นหากค่าอ้างอิงเปลี่ยนแปลงไปย่อมทำให้ค่าที่ได้จากการวัดก่อนหน้าเกิดความคลาดเคลื่อน ยกตัวอย่างเช่นหากมวลกิโลกรัมต้นแบบเกิดความเสียหาย แตกหักไปบางส่วน มวลต้นแบบก็ยังคงจะถูกพิจารณาเป็นมาตรฐานการวัดในหน่วยกิโลกรัม ซึ่งก็เท่ากับว่าค่าที่ได้จากการวัดก่อนหน้านั้นทั้งหมดจะหนักมากขึ้นกว่าปกติ และด้วยความสำคัญของการทำซ้ำได้ของผลการวัดด้วยหน่วยฐาน SI สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศจึงได้ริเริ่มนิยามหน่วยฐานด้วยค่าคงที่ทางฟิสิกส์ ด้วยเพราะสามารถทำให้การเป็นไปได้จริงในทางปฎิบัตินั้นมีความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำได้ของการวัดสูงขึ้น
และด้วยการเปลี่ยนนิยามของหน่วยฐานที่เกิดขึ้นในวันที่ 20 พฤษภาคม 2019 หน่วยฐานอันได้แก่ กิโลกรัม แอมแปร์ เคลวิน และโมล ก็ถูกเปลี่ยนนิยามใหม่โดยใช้ค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่มีค่าแน่นอนอย่าง ค่าคงตัวของพลังค์ (h) ประจุมูลฐาน (e) ค่าคงที่บ็อลทซ์มัน (k) และค่าคงตัวอาโวกาโดร (NA) ตามลำดับ

การทำให้หน่วยวัดเป็นไปได้จริงในทางปฎิบัติ (Realisation of units)

เป็นการทำให้หน่วยวัดสามารถใช้ได้จริง โดยมี 3 วิธีการที่เป็นไปได้ตาม คำศัพท์มาตรวิทยานานาชาติ (VIM) ที่บัญญัติไว้ได้แก่ การทำให้เป็นจริงจากนิยามของหน่วยวัด การทำให้เป็นจริงจากการทำซ้ำได้ของผลการวัด และการทำให้เป็นจริงด้วยการใช้วัตถุเพื่อเป็นมาตรฐานในการวัด

มาตรฐานการวัด

มาตรฐานการวัด คือ วัตถุ ระบบ หรือการทดลองใดๆ ที่มีนิยามความสัมพันธ์กับหน่วยวัดและปริมาณทางกายภาพ ซึ่งถือเป็นค่าอ้างอิงหลักในระบบการวัดและชั่งตวง โดยสามารถแบ่งออกเป็น 3 ระดับ อันได้แก่ มาตรฐานปฐมภูมิ มาตรฐานทุติยภูมิ และมาตรฐานขั้นใช้งาน
สำหรับมาตรฐานปฐมภูมิที่มีคุณภาพสูงสุดจะไม่มีการใช้มาตรฐานใดมาเป็นตัวอ้างอิง ในขณะที่มาตรฐานทุติยภูมิจะมีการสอบเทียบโดยใช้มาตรฐานปฐมภูมิอ้างอิง และมาตรฐานขั้นใช้งานซึ่งจะถูกใช้ในการสอบเทียบหรือตรวจการทำงานของเครื่องมือวัดอื่นๆนั้น จะใช้มาตรฐานทุติยภูมิเป็นเกณฑ์ในการสอบเทียบ
ด้วยลำดับขั้นของมาตรฐานนี้เองที่เป็นตัวรักษาให้ระดับความแม่นยำของมาตรฐานยังคงสูงอยู่เสมอ ยกตัวอย่างเช่น เครื่องมือมาตรฐานความยาวอย่างเกจบล็อค (Gauge block) ซึ่งเป็นแท่งเทียบมาตรฐานที่อาจทำจากเหล็กหรือเซรามิค โดยมีหน้าตัดเรียบขนานกันสองฝั่ง และมีระยะห่างกันที่แม่นยำเทียบเท่ากับความยาวที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศ ในช่วงเวลา 1/299,792,458 วินาที ดังนั้นเกจบล็อคจึงถือเป็นมาตรฐานปฐมภูมิและสามารถนำไปใช้ในการสอบเทียบมาตรฐานทุติยภูมิได้

 

ความสามารถสอบกลับได้ และการสอบเทียบเครื่องมือวัด (Tractability and calibration)

การสอบกลับได้มีนิยามว่าเป็นคุณสมบัติของผลการวัดที่สามารถเชื่อมโยงไปยังค่าอ้างอิงมาตรฐาน โดยไม่มีการขาดช่วงของการสอบเทียบซึ่งจะก่อให้เกิดความไม่แน่นอนของการวัดขึ้น ทั้งนี้การสอบกลับได้ทำให้สามารถเปรียบเทียบผลการวัดไม่ว่าจะกับผลการวัดครั้งก่อนในห้องทดลองเดียวกัน กับผลการวัดเมื่อหนึ่งปีก่อน กระทั่งเทียบกับผลการวัดที่เกิดขึ้นจากเครื่องมือเดียวกันไม่ว่าจะที่ใดในโลก สายโซ่การสอบกลับจะเป็นตัวที่เอื้อให้สามารถเปรียบเทียบการวัดที่เกิดขึ้นกับการวัดที่มีมาตรฐานสูงกว่าจนกระทั่งย้อนกลับไปยังนิยามของหน่วยวัดได้

ความสามารถในการสอบกลับได้มักทำได้เมื่อเครื่องมือวัดมีประวัติการสอบเทียบ ซึ่งหมายถึง การสร้างความสัมพันธ์ระหว่างค่ามาตรฐานการวัดที่ทราบค่าความไม่แน่นอนกับเครื่องมือวัดที่ต้องการสอบเทียบ กระบวนการสอบเทียบนี้เองจะเป็นตัวบ่งชี้ค่าที่ได้จากการวัดและความไม่แน่นอน และสร้างความสามารถในการสอบกลับได้ไปยังมาตรฐานการวัด

Traceability_Pyramid

สำหรับเหตุผลหลักในการสอบเทียบเครื่องมือ ประกอบไปด้วย 4 ประการ อันได้แก่เพื่อให้สามารถสอบกลับเครื่องมือได้ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเครื่องมือวัดหรือกระทั่งมาตรฐานการวัดสอดคล้องกับการวัดอื่นๆ เพื่อตรวจสอบความแม่นยำถูกต้องของเครื่องมือวัด และเพื่อสร้างความน่าเชื่อถือให้กับเครื่องมือ

อาจพูดได้ว่าการสอบกลับได้ของเครื่องมือวัดมีรูปแบบคล้ายกันกับพีระมิด นั่นคือที่บริเวณยอดบนสุดจะเป็นระดับของมาตรฐานนานาชาติ ถัดมาเป็นสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ ซึ่งทำหน้าที่ในการสอบเทียบมาตรฐานปฐมภูมิ ตลอดจนทำให้หน่วยวัดเป็นจริงในเชิงปฏิบัติ ดังนั้นในขั้นนี้จึงสามารถสอบกลับจากมาตรฐานปฐมภูมิไปยังนิยามของหน่วยวัดได้ สำหรับในขั้นถัดลงไปอีกจะเป็นการสอบเทียบในห้องปฎิบัติการการสอบเทียบ และในฐานพีระมิดก็จะเป็นห้องปฎิบัติการเพื่อการทดลองและอุตสาหกรรม

ซึ่งถ้าดูในเรื่องของทิศทางแล้วการทำหน่วยวัดให้เป็นจริงในเชิงปฏิบัติจะเกิดขึ้นตั้งแต่การสอบเทียบจากทางด้านบนของพีระมิดจนกระทั่งถึงฐาน แต่ในทางกลับกันการสอบกลับเครื่องมือจะมีทิศทางย้อนจากฐานพีระมิดไปยังด้านบนสุด ที่เริ่มจากค่าที่ได้จากการวัดในห้องปฏิบัตการทดลองและอุตสาหกรรมเชื่อมโยงกลับขึ้นไปยังนิยามของหน่วยวัดที่อยู่บนสุดของสายโซ่การสอบกลับซึ่งเกิดขึ้นการสอบเทียบเครื่องมือวัด

ค่าความไม่แน่นอนของการวัด (Uncertainty)

ค่าความไม่แน่นอนของการวัด เป็นค่าที่แสดงถึงความเกี่ยวข้องกันระหว่างช่วงของค่าที่อาจเป็นไปได้จากการวัด และความไม่น่าเชื่อถือของผลการวัดเชิงปริมาณ โดยมีองค์ประกอบหลัก 2 ประการ คือ ความกว้างของช่วงความไม่แน่นอนซึ่งหมายถึงช่วงของค่าที่อาจได้จากการวัด และระดับความเชื่อมั่น ที่หมายถึงโอกาสที่ค่าที่ได้จากการวัดจะอยู่ในช่วงของค่าความไม่แน่นอน ทั้งสองส่วนมีความสัมพันธ์กันตามสมการ

Y = y ± U

ตัวประกอบครอบคลุม: k =2
จากสมการ y เท่ากับค่าที่ได้จากการวัด U คือ ค่าความไม่แน่นอน และ k เป็นตัวประกอบครอบคลุมซึ่งบ่งชี้ถึงระดับความเชื่อมั่น ในขณะที่ขอบบนและขอบล่างของช่วงค่าความไม่แน่นอนได้จากการลบหรือบวกค่าความไม่แน่นอนกับค่าที่ได้จากการวัด ทั้งนี้ตัวประกอบครอบคลุม k = 2 ตามปกติจะหมายถึงระดับความเชื่อมั่นที่ค่าจากการวัดจะอยู่ในช่วงค่าความไม่แน่นอนนั้นเท่ากับ 95% สำหรับค่าตัวประกอบครอบคลุมอื่นๆ จะบ่งชี้ระดับความเชื่อมั่นที่สูงหรือต่ำกว่า เช่น k=1 และ k=3 จะหมายถึงระดับความเชื่อมั่นที่ 66% และ 99.7% ตามลำดับ

ค่าความไม่แน่นอนของการวัดจะถูกกำหนดจากการวิเคราะห์ทางสถิติจากการสอบเทียบและค่าความไม่แน่นอนที่อาจเกิดขึ้นจากความผิดพลาดในกระบวนการผลิต ซึ่งสามารถประเมินได้จากประวัติเครื่องมือวัด ข้อกำหนดมาตรฐานสินค้าของผู้ผลิต และเอกสารข้อมูลของเครื่องมือวัดนั้นๆ