تحليل نظام القياس: دليل MSA يركّز على قياس الأشعة فوق البنفسجية

يُعدّ إثبات كفاءة أنظمة القياس أمراً ضرورياً لضمان موثوقية ودقة أجهزة القياس. في تقنية قياس الأشعة فوق البنفسجية، وخاصةً عند استخدام أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية، ومستشعرات الأشعة فوق البنفسجية ومصابيح المعايرة، يكون التحقق من قدرات القياس ذا أهمية محورية. بشكل عام، يؤكد تحليل نظام القياس (MSA) مدى ملاءمة جهاز القياس لمهمة قياس معينة.

لقد طُوِّر إثبات كفاءة أنظمة القياس في الأصل من قِبل صناعة السيارات. ومع ذلك، لا توجد معايير محددة تُعرِّف هذه الإجراءات. وتُستخدم عادةً القيم والصيغ التالية.

تُستخدم طرق إحصائية ومعايير جودة متنوعة لإثبات الكفاءة. وتشمل هذه تقييم قابلية التكرار والخطية والاستقرار لأجهزة القياس.

يُلاحظ أن المصطلحين capability/capable يُستخدمان هنا بمعنى الملاءمة/الملائم. وبالتالي يُعتبر كلا المصطلحين متكافئين.

يقترح تحليل كفاءة معدات القياس MSA ثلاثة إجراءات لهذا الغرض.

• تفحص الطريقة 1 دقة وقابلية تكرار نظام القياس. ويلزم وجود معيار معروف لتحديد الدقة أو الانحراف عن المعيار.
• تفحص الطريقة 2 قابلية تكرار نظام القياس، بما في ذلك تأثير المُشغِّل.
• تُستخدم الطريقة 3 عموماً لأنظمة القياس الآلية.

تحليل كفاءة معدات القياس MSA والأشعة فوق البنفسجية؟

في الممارسة العملية، تُعدّ المعايرة الدورية لأجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية ضرورية لضمان اتساق نتائج القياس ومراعاة احتمال التقادم والتلوّث.

تتوفر المعايير ومصابيح المعايرة في مختبرات المعايرة لدينا، ولهذا يمكن إجراء إثبات الكفاءة كاختبار إضافي وفقاً للإجراء 1.

وهنا، تكون الدقة معروفة من المعايرة، ويتم فحص قابلية التكرار باستخدام، على سبيل المثال، 25 قياساً.

لا يمكن تنفيذ الإجراء 2 إلا من قِبل المستخدم نفسه، حيث لا يمكن محاكاة تأثير وضعية جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية والمُشغِّل على قابلية التكرار في المختبر.

فما الذي يتم إجراؤه في إجراء MSA 1؟

يتم تحديد ما إذا كان جهاز القياس مناسباً للاستخدام المقصود في ظل ظروف التشغيل. وفي الممارسة العملية، تُستخدم الطريقة 1 مع أو بدون معيار. ويُعدّ التطبيق مع معيار مفيداً لأنه معروف ومستقر من حيث الزمن ودرجة الحرارة.

يتم تقييم قيمتين مميزتين، يُشار إليهما بـ C_gk و C_g، وتُقارَن قابلية التكرار بالتفاوت المسموح به. والصيغ هي:

في إدارة الجودة، يُسمى نفس الإثبات كفاءة نظام القياس: وهو يجيب عن سؤال ما إذا كان تشتّت الجهاز صغيراً بدرجة كافية بالنسبة لتفاوت الخاصية.

هذا يعني:

T = التفاوت المسموح به

x_g = القيمة المتوسطة للقيم المقاسة لجهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية

x_m = القيمة الاسمية للمعيار

s_g = الانحراف المعياري للقيم المقاسة لجهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية

إذا لم يتوفر معيار لأسباب تتعلق بالقياس، يُستغنى عن حساب

C_gk. وفي هذه الحالة، وبمساعدة جسم قياس مناسب، يمكن تحديد

قابلية التكرار C_g فقط.

إذا كان هناك مرجع معياري (normal)، يمكن تسجيل انحراف القيمة المتوسطة كمكوّن إحصائي، ويتم تحديد ما يُسمى بمعامل القدرة c_gk. أما إذا لم يوجد مرجع معياري، فيُحدَّد معامل القدرة C_g اعتمادًا على المكوّن العشوائي وحده. وفي هذه الحالة، يُزاد نطاق تشتّت نظام القياس إلى 4 أضعاف الانحراف المعياري s_g، ويُعدَّل عامل الترجيح الخاص بالتفاوت.

تشير قيم C_gk وC_g الأكبر من 1.33 إلى أن جهاز القياس دقيق بما يكفي بالنسبة لنطاق التفاوت وله تشتّت منخفض بما يكفي. يمكن إعادة ترتيب معادلة C_gk وC_g، ويتبيّن أنه عند C_g = 1.33 يشغل نطاق التشتّت البالغ أربعة انحرافات معيارية 15 % كحد أقصى من التفاوت.

من العوامل الأخرى المؤثرة في جودة القياس ارتفاع درجة تكرار القياس، وإمكانية الإرجاع المترولوجي إلى معايير المعايرة الوطنية والدولية، وانخفاض حالات عدم اليقين في القياس. تتيح المعايرة تصحيح انحراف جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية عن المرجع المعياري، بحيث يتم تقليل هذا الانحراف إلى أدنى حد.

مثال: القيمة المستهدفة 100 W/m² بتفاوت مقداره ± 10 W/m²

وبذلك يكون التفاوت 20، أي من -10 إلى +10 W/m².

وفقًا لمواصفة MSA، يجب أن يتمتّع جهاز القياس بدقة تحليل (resolution) لا تتجاوز 5 % من التفاوت المحدَّد (±). وبناءً عليه، إذا كان التفاوت ±10 W/m²، يجب ألا تقل دقة التحليل عن 1 W/m².

يُستخدم الآن نحو 25 قياسًا للتحقّق من كفاية درجة تكرار القياس. ولهذا الغرض، ينبغي أن تقع القيم المقاسة ضمن نطاق التفاوت وبالقرب من القيمة المستهدفة تقريبًا. يتم حساب القيمة المتوسطة والانحراف المعياري (على سبيل المثال في برنامج EXCEL باستخدام الدالة =STABW.N(..)) من القياسات الـ25.

مثال (بدون مرجع معياري):

تم إجراء 25 قياسًا، وكان الانحراف المعياري لها 0.3 W/m².

معامل القدرة c_g في هذا المثال هو: c_g = 0.2 * 20 / (4 * 0.3) = 3.33

القيمة c_g أكبر من 1.33، وبالتالي يُعتبر إثبات قدرة نظام القياس ناجحًا.

وبعبارة مبسّطة، يتم وضع التفاوت المطلوب في علاقة مع 4 أضعاف الانحراف المعياري ثم تقييمه.

نطاق القياس والخطّية في تحليل MSA

من العناصر الأخرى لإثبات القدرة الخطّية والاستقرار.

لاختبار الخطّية، يجب أن يستجيب مستشعر الأشعة فوق البنفسجية بشكل خطّي عبر نطاق القياس المطلوب. 

في اختبار القدرة/الخطّية، يتم التمييز بين الحالتين التاليتين:

• إثبات الخطّية باستخدام عدة مراجع معيارية (مثل مراجع الطول)
• بدون مرجع معياري: يتم التحقّق من الخطّية بشكل منفصل

إلى جانب المعايرات، نقدّم أيضًا اختبار خطّية مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية في المختبر. تُستخدم لهذا الغرض أجهزة استقبال مرجعية للمقارنة أو طرق إضافة المصدر.

والخلفية هنا هي أن المعايرة تُجرى عادةً عند نقطتين: 0 وعند شدة الإشعاع الساقط المستهدفة. ويتم ذلك وفقًا للمعايير الدولية. ومن الناحية الرياضية، ينتج عن ذلك معادلة تحتوي على ثابت مجهول يمكن حلّه بواسطة نقطتين.

في جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية، عادةً ما يتم ضبط حساسية الجهاز عبر مقاومة متغيّرة (بوتنشيومتر) أو عامل معايرة. وهذا يقابل ثابتًا "مجهولًا".

لذلك يتحقّق اختبار الخطّية من هذا الافتراض ضمن نطاق القياس. كما يتم الكشف عن الأخطاء الناتجة عن الانحراف الصفري (offset) والتشبّع (saturation).

لأسباب تقنية، لا يمكننا مع ذلك تلبية جميع نقاط الاختبار بدقة تامة، حيث لا يمكن تعتيم معظم مصابيح الأشعة فوق البنفسجية دون تغيير طيفها. يسعدنا مناقشة النطاق معكم.

يُعدّ الاستقرار والاستقرار طويل الأمد أمرين مهمين لإجراء قياسات موثوقة للأشعة فوق البنفسجية. ويمكن ضمان ذلك وتوثيقه من خلال قياسات مقارنة ومعايرات منتظمة.

باختصار، يصف الدليل الإرشادي حول "إثبات قدرة أنظمة القياس" خطوات مهمة للتحقّق من الصحة وضمان الجودة لأجهزة القياس. ويمكن للتطبيق المتّسق لهذه الخطوات أن يضمن موثوقية ودقة أنظمة قياس الأشعة فوق البنفسجية.

بمجرد وصف خصائص جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية باستخدام تحليل نظام القياس وفقًا للطريقة 1، يمكن بسهولة تحديد التأثيرات الأخرى في الموقع أثناء الاستخدام وفقًا للطريقة 2.

ما هي عدم اليقين في القياس المطلوبة للتحكّم في عمليات الأشعة فوق البنفسجية؟
لا توجد قيمة ثابتة – فالمهم هو النسبة إلى تفاوت العملية. الطريق المعتاد هو دراسة القدرة باستخدام Cg وCgk: القيم من 1.33 فما فوق تعني أن نظام القياس يتشتت بأقل من واحد على أربعين من التفاوت. بالنسبة لتفاوت قدره ±10% من الجرعة المستهدفة، يقابل ذلك قابلية تكرار أقل بكثير من واحد بالمئة. يجب التمييز بين هذا وبين عدم اليقين الموسّع في القياس المذكور في شهادة المعايرة (k = 2)، الذي يدخل كإسهام منهجي؛ وفي مختبر المعايرة المعتمد وفق ISO 17025 التابع لشركة Opsytec يبلغ ≥ 2.8%. بالنسبة للتحكّم اليومي في العملية، تُعد قابلية التكرار الأهم؛ أما بالنسبة للإثبات أمام العملاء والمدققين، فإمكانية الإرجاع المترولوجي هي الأهم.

ما الفرق بين إجراءات MSA رقم 1 و2 و3؟
يفحص الإجراء رقم 1 دقة وقابلية تكرار نظام القياس بمفرده، ويتطلب لذلك معيارًا معلومًا. يفحص الإجراء رقم 2 قابلية التكرار بما في ذلك تأثير المشغّل. يُطبَّق الإجراء رقم 3 بشكل عام على أنظمة القياس الآلية. بالنسبة لأجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية، يمكن إجراء الإجراء رقم 1 في مختبر المعايرة، لأن المعايير ومصابيح المعايرة متوفرة هناك. أما الإجراء رقم 2 فلا يمكن إجراؤه إلا من قِبل المستخدم: إذ لا يمكن إعادة إنتاج تأثير وضع الجهاز وتأثير المشغّل في المختبر.

ما هي الدقة التي يحتاجها جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية؟
يتطلب MSA دقة لا تتجاوز 5% من التفاوت المقصود. بالنسبة لقيمة مستهدفة قدرها 100 W/m² بتفاوت ±10 W/m²، يكون التفاوت 20 W/m²؛ وبالتالي يجب أن يميّز الجهاز 1 W/m² على الأقل. الجهاز الذي لا يستوفي هذا الشرط يفشل في دراسة القدرة بصرف النظر عن قابلية تكراره – فالدقة تحدد ما يمكن تمييزه أصلًا.

لماذا يتم التحقق من الخطية بشكل منفصل؟
لأن المعايرة تُحدد عادةً نقطتين فقط: الصفر وشدة الإشعاع الساقط المستهدفة. رياضيًا، يحل ذلك معادلة بمجهول واحد – هو استجابة الجهاز، التي تُضبط في الجهاز عبر معامل معايرة أو مقاومة ضبط دقيق (potentiometer). أما ما إذا كان المستشعر يستجيب بشكل خطي عبر نطاق القياس بأكمله فلا يُحدد بهذه الطريقة. يسد فحص الخطية هذه الفجوة، ويكشف في الوقت نفسه عن أخطاء الإزاحة (offset) والتشبع؛ وتُستخدم لذلك في المختبر كاشفات مقارنة أو طرق إضافة المصدر.