Analýza systému měření: Průvodce MSA se zaměřením na měření UV záření

Prokázání způsobilosti měřicích systémů je zásadní pro zajištění spolehlivosti a přesnosti měřicích přístrojů. V oblasti UV měřicí techniky, zejména při použití UV měřicích přístrojů, UV senzorů a kalibračních lamp, má ověření způsobilosti měření zásadní význam. Obecně platí, že analýza systému měření (MSA) potvrzuje vhodnost měřicího přístroje pro konkrétní měřicí úlohu.

Prokázání způsobilosti měřicích systémů bylo původně vyvinuto automobilovým průmyslem. Neexistuje však žádná specifická norma, která by tyto postupy definovala. Obvykle se používají následující hodnoty a formuláře.

Pro prokázání způsobilosti se používají různé statistické metody a kvalitativní kritéria. Mezi ně patří hodnocení opakovatelnosti, linearity a stability měřicích přístrojů.

Upozorňujeme, že pojmy způsobilost/způsobilý jsou zde používány ve smyslu vhodnost/vhodný. Oba pojmy je tedy třeba považovat za rovnocenné.

Analýza způsobilosti měřicího zařízení MSA navrhuje pro tento účel tři postupy.

• Metoda 1 zkoumá přesnost a opakovatelnost měřicího systému. Pro stanovení přesnosti neboli odchylky od standardu je vyžadován známý standard.
• Metoda 2 zkoumá opakovatelnost měřicího systému, včetně vlivu obsluhy.
• Metoda 3 se obecně používá pro automatizované měřicí systémy.

Analýza způsobilosti měřicího zařízení MSA a UV?

V praxi je nutná pravidelná kalibrace UV měřicích přístrojů, aby byly zajištěny konzistentní výsledky měření a zohlednilo se možné stárnutí a kontaminace.

V našich kalibračních laboratořích jsou k dispozici standardy a kalibrační lampy, a proto lze prokázání způsobilosti provést jako doplňkovou zkoušku podle postupu 1.

Přesnost je zde známa z kalibrace a opakovatelnost se kontroluje například pomocí 25 měření.

Postup 2 může provést pouze uživatel sám, protože vliv umístění UV měřicího přístroje a obsluhy na opakovatelnost nelze v laboratoři simulovat.

Co se tedy provádí v postupu 1 MSA?

Zjišťuje se, zda je měřicí přístroj vhodný pro zamýšlené použití za provozních podmínek. V praxi se metoda 1 používá se standardem nebo bez něj. Použití se standardem je výhodné, protože je znám a časově i teplotně stabilní.

Hodnotí se dvě charakteristické hodnoty, které se označují jako C_gk a C_g a porovnávají opakovatelnost s tolerancí. Vzorce jsou:

V managementu kvality se stejný důkaz nazývá způsobilost systému měření: odpovídá na otázku, zda je rozptyl přístroje dostatečně malý vzhledem k toleranci znaku.

To znamená:

T = Tolerance

x_g = Průměrná hodnota naměřených hodnot UV měřicího přístroje

x_m = jmenovitá hodnota normálu

s_g = Směrodatná odchylka naměřených hodnot UV měřicího přístroje

Pokud není z měřicích důvodů k dispozici žádný normál, výpočet

hodnoty C_gk se vynechá. V tomto případě lze pomocí vhodného měřicího objektu určit

pouze opakovatelnost C_g.

Pokud existuje normál, lze odchylku střední hodnoty zaznamenat jako statistickou složku a stanovit tzv. index způsobilosti c_gk. Pokud normál k dispozici není, index způsobilosti C_g se stanoví čistě z náhodné složky. V tomto případě se rozsah rozptylu měřicího systému zvětší na 4násobek směrodatné odchylky s_g a upraví se váhový faktor pro toleranci.

Hodnoty C_gk a C_g vyšší než 1,33 ukazují, že měřicí přístroj je dostatečně přesný vzhledem k tolerančnímu rozsahu a má dostatečně nízký rozptyl. Vzorec pro C_gk a C_g lze upravit a je patrné, že při C_g = 1,33 zabírá rozsah rozptylu čtyř směrodatných odchylek nejvýše 15 % tolerance.

Mezi další faktory kvality měření patří vysoká opakovatelnost, metrologická návaznost na národní a mezinárodní kalibrační standardy a nízké nejistoty měření. Kalibrace umožňuje korigovat odchylku UV měřicího přístroje od normálu tak, aby byla minimalizována.

Příklad: cílová hodnota 100 W/m² s tolerancí ± 10 W/m²

Tolerance tedy činí 20, konkrétně -10 až +10 W/m².

Podle specifikace MSA musí mít měřicí přístroj rozlišení, které nepřekračuje 5 % stanovené tolerance (±). Pokud je tedy tolerance ±10 W/m², rozlišení musí být alespoň 1 W/m².

Nyní se provede přibližně 25 měření, aby se ověřilo, zda je opakovatelnost dostatečná. Za tímto účelem by naměřené hodnoty měly ležet v rámci tolerance přibližně na cílové hodnotě. Z 25 měření se vypočítá střední hodnota a směrodatná odchylka (např. v EXCELU =SMODCH.VÝBĚR.S(..)).

Příklad (bez normálu):

Je provedeno 25 měření, jejichž směrodatná odchylka činí 0,3 W/m².

Index způsobilosti c_g je v tomto příkladu: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Hodnota c_g je vyšší než 1,33, a proto se má za to, že důkaz způsobilosti měřicího systému byl úspěšně proveden.

Zjednodušeně řečeno, požadovaná tolerance se dává do vztahu ke 4násobku směrodatné odchylky a na tomto základě se vyhodnocuje.

Rozsah měření a linearita pro MSA

Dalšími prvky důkazu způsobilosti jsou linearita a stabilita.

Pro zkoušku linearity musí UV senzor reagovat lineárně v celém požadovaném rozsahu měření.

Při zkoušce způsobilosti/linearity se rozlišují následující situace:

• Důkaz linearity na několika normálech (např. délkových normálech)
• Bez normálu: linearita se ověřuje samostatně

Kromě kalibrací proto nabízíme zkoušku linearity UV senzorů v laboratoři. K tomuto účelu se používají srovnávací přijímače nebo metody přídavku zdroje.

Pozadím je skutečnost, že kalibrace se obvykle provádí ve dvou bodech: 0 a při cílové ozářenosti. Toto se provádí v souladu s mezinárodními normami. Z matematického hlediska tak vzniká rovnice s neznámou konstantou, kterou lze řešit pomocí dvou bodů.

U UV měřicího přístroje se citlivost přístroje obvykle nastavuje prostřednictvím odporového potenciometru nebo kalibračního faktoru. To odpovídá „neznámé" konstantě.

Kontrola linearity proto ověřuje tento předpoklad v rozsahu měření. Zjišťují se rovněž chyby způsobené offsetem a saturací.

Z technických důvodů však nemůžeme přesně dodržet všechny zkušební body, protože většinu UV lamp nelze stmívat bez změny jejich spektra. Rádi s Vámi rozsah probereme.

Stabilita a dlouhodobá stabilita jsou důležité pro spolehlivá UV měření. Ty lze zajistit a doložit pravidelnými srovnávacími měřeními a kalibracemi.

Souhrnně lze říci, že směrnice o „důkazu způsobilosti měřicích systémů" popisuje důležité kroky pro validaci a zajištění kvality měřicích přístrojů. Důsledné uplatňování těchto kroků může zajistit spolehlivost a přesnost UV měřicích systémů.

Jakmile je UV měřicí přístroj charakterizován pomocí analýzy měřicího systému podle metody 1, lze další vlivy snadno zjistit přímo na místě při používání podle metody 2.

Jaká nejistota měření je požadována pro řízení UV procesu?
Neexistuje žádná pevná hodnota – rozhodující je poměr k toleranci procesu. Obvyklým postupem je studie způsobilosti pomocí Cg a Cgk: hodnoty od 1,33 výše znamenají, že rozptyl měřicího systému je menší než jedna čtyřicetina tolerance. Pro toleranci ±10 % cílové dávky to odpovídá opakovatelnosti výrazně pod jedno procento. Toto je třeba odlišit od rozšířené nejistoty měření uvedené v kalibračním listu (k = 2), která se uplatňuje jako systematický příspěvek; v akreditované kalibrační laboratoři Opsytec podle ISO 17025 je ≥ 2,8 %. Pro každodenní řízení procesu má největší význam opakovatelnost, pro doklad vůči klientům a auditorům pak metrologická návaznost.

Jaký je rozdíl mezi postupy MSA 1, 2 a 3?
Postup 1 zkoumá přesnost a opakovatelnost měřicího systému samostatně a vyžaduje k tomu známý standard. Postup 2 zkoumá opakovatelnost včetně vlivu obsluhy. Postup 3 se obecně používá pro automatizované měřicí systémy. U UV měřicích přístrojů lze postup 1 provést v kalibrační laboratoři, protože jsou k dispozici standardy a kalibrační lampy. Postup 2 může provést pouze uživatel: vliv umístění přístroje a obsluhy nelze v laboratoři reprodukovat.

Jaké rozlišení potřebuje UV měřicí přístroj?
MSA vyžaduje rozlišení, které nepřekračuje 5 % zamýšlené tolerance. Pro cílovou hodnotu 100 W/m² s tolerancí ±10 W/m² je tolerance 20 W/m²; přístroj tak musí rozlišit alespoň 1 W/m². Přístroj, který tento požadavek nesplňuje, neuspěje ve studii způsobilosti bez ohledu na svou opakovatelnost – rozlišení omezuje, co lze vůbec rozlišit.

Proč se linearita ověřuje samostatně?
Protože kalibrace obvykle stanoví pouze dva body: nulu a cílovou ozářenost. Matematicky se tím řeší rovnice s jednou neznámou – citlivostí přístroje, která se nastaví pomocí kalibračního koeficientu nebo trimovacího potenciometru. Zda senzor reaguje lineárně v celém měřicím rozsahu, tím není stanoveno. Kontrola linearity tuto mezeru odstraňuje a současně odhaluje chyby offsetu a saturace; v laboratoři se pro ni používají srovnávací detektory nebo metody sčítání zdrojů.