Måleprocesanalyse: En MSA-guide med fokus på UV-måling

Dokumentation af målesystemers egnethed er afgørende for at sikre måleinstrumenters pålidelighed og nøjagtighed. Inden for UV-måleteknik, især ved brug af UV-måleinstrumenter, UV-sensorer og kalibreringslamper, er valideringen af måleevnen af central betydning. Generelt bekræfter måleproces analysen (MSA) et måleinstruments egnethed til en bestemt måleopgave.

Dokumentation af egnetheden af målesystemer blev oprindeligt udviklet af bilindustrien. Der findes dog ingen specifik standard, som definerer disse procedurer. Typisk anvendes følgende værdier og formularer.

Til dokumentation af egnetheden anvendes forskellige statistiske metoder og kvalitetskriterier. Hertil hører vurderingen af måleinstrumenternes repeterbarhed, linearitet og stabilitet.

Bemærk, at begreberne egnethed/egnet her anvendes i betydningen anvendelighed/anvendelig. Begge begreber skal derfor betragtes som ligeværdige.

MSA-analysen af måleudstyrets egnethed foreslår tre procedurer til dette formål.

• Procedure 1 undersøger et målesystems nøjagtighed og repeterbarhed. Der kræves et kendt normal for at bestemme nøjagtigheden eller afvigelsen fra normalen.
• Procedure 2 undersøger et målesystems repeterbarhed, inklusive operatørens indflydelse.
• Procedure 3 anvendes generelt til automatiserede målesystemer.

Analyse af måleudstyrets egnethed MSA og UV?

I praksis er regelmæssig kalibrering af UV-måleinstrumenter nødvendig for at sikre ensartede måleresultater og for at tage højde for mulig ældning og tilsmudsning.

Normaler og kalibreringslamper er tilgængelige i vores kalibreringslaboratorier, og derfor kan dokumentationen af egnetheden udføres som en ekstra test efter procedure 1.

Her kendes nøjagtigheden fra kalibreringen, og repeterbarheden kontrolleres ved hjælp af for eksempel 25 målinger.

Procedure 2 kan kun udføres af brugeren selv, da indflydelsen fra UV-måleinstrumentets positionering og fra operatøren på repeterbarheden ikke kan simuleres i laboratoriet.

Hvad gør man så i MSA-procedure 1?

Det fastlægges, om et måleinstrument er egnet til den tilsigtede anvendelse under driftsbetingelser. I praksis anvendes procedure 1 med eller uden normal. Anvendelsen med normal er en fordel, da den er kendt og stabil med hensyn til tid og temperatur.

Der vurderes to karakteristiske værdier, som betegnes C_gk og C_g og sammenligner repeterbarheden med tolerancen. Formlerne er:

Inden for kvalitetsstyring kaldes den samme dokumentation målesystemets egnethed: den besvarer, om instrumentets spredning er tilstrækkelig lille i forhold til karakteristikkens tolerance.

Det betyder:

T = Tolerance

x_g = Middelværdi af måleværdierne fra UV-måleinstrumentet

x_m = Normalens nominelle værdi

s_g = Standardafvigelse for måleværdierne fra UV-måleinstrumentet

Hvis der af måletekniske årsager ikke findes en normal, udelades beregningen

af C_gk. I dette tilfælde kan der ved hjælp af et egnet måleobjekt kun

bestemmes repeterbarheden C_g.

Hvis der findes en normal, kan afvigelsen af middelværdien registreres som en statistisk komponent, og den såkaldte kapabilitetsparameter c_gk bestemmes. Hvis der ikke findes en normal, bestemmes kapabilitetsparameteren C_g udelukkende fra den tilfældige komponent. I dette tilfælde forøges spredningsområdet for målesystemet til 4 gange standardafvigelsen s_g, og vægtningsfaktoren for tolerancen justeres.

C_gk-værdier og C_g-værdier større end 1,33 indikerer, at måleudstyret er tilstrækkeligt nøjagtigt i forhold til toleranceområdet og har en tilstrækkeligt lav spredning. Formlen for C_gk og C_g kan omskrives, og det ses, at ved C_g = 1,33 udgør spredningsområdet på fire standardafvigelser højst 15 % af tolerancen.

Andre faktorer for kvaliteten af en måling omfatter høj repeterbarhed, metrologisk sporbarhed til nationale og internationale kalibreringsstandarder samt lave målingsusikkerheder. Kalibrering gør det muligt at korrigere afvigelsen af et UV-måleinstrument fra normalen. Så denne minimeres.

Eksempel: Målværdi 100 W/m² med tolerance ± 10 W/m²

Tolerancen er derfor 20, nemlig -10 til +10 W/m².

I overensstemmelse med MSA-specifikationen skal måleudstyret have en opløsning, der ikke overskrider 5 % af den angivne tolerance (±). Hvis tolerancen er ±10 W/m², skal opløsningen derfor være mindst 1 W/m².

Ca. 25 målinger anvendes nu til at kontrollere, om repeterbarheden er tilstrækkelig. Til dette formål bør de målte værdier ligge inden for tolerancen omkring målværdien. Middelværdien og standardafvigelsen (f.eks. i EXCEL =STABW.N(..)) beregnes fra de 25 målinger.

Eksempel (uden normal):

Der udføres 25 målinger, som har en standardafvigelse på 0,3 W/m².

Kapabilitetsparameteren c_g i eksemplet er: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Værdien c_g er større end 1,33, og derfor betragtes beviset for målesystemets kapabilitet som bestået.

Enkelt sagt sættes den krævede tolerance i forhold til den 4-dobbelte standardafvigelse og vurderes.

Måleområde og linearitet for MSA

Andre elementer af kapabilitetsbeviset er linearitet og stabilitet.

Til linearitetstesten skal UV-sensoren reagere lineært over det ønskede måleområde. 

I en kapabilitets-/linearitetstest skelnes der mellem følgende situationer:

• Bevis for linearitet på flere normaler (f.eks. længdenormaler)
• Uden normal: linearitet verificeres separat

Ud over kalibreringer tilbyder vi derfor linearitetstest af UV-sensorer i laboratoriet. Sammenligningssensorer eller kildetilføjelsesmetoder anvendes til dette.

Baggrunden for dette er, at kalibrering normalt udføres på to punkter: 0 og ved den ønskede irradians. Dette gøres i overensstemmelse med internationale standarder. Fra et matematisk synspunkt resulterer dette i en ligning med en ukendt konstant, der kan løses ved to punkter.

I UV-måleinstrumentet indstilles enhedens følsomhed normalt via en modstandspotentiometer eller en kalibreringsfaktor. Dette svarer til en "ukendt" konstant.

Linearitetskontrollen kontrollerer derfor denne antagelse i måleområdet. Fejl på grund af offset og mætning opdages også.

Af tekniske årsager kan vi dog ikke opfylde alle testpunkter nøjagtigt, da de fleste UV-lamper ikke kan dæmpes uden at ændre deres spektrum. Vi vil med glæde diskutere området med dig.

Stabilitet og langtidsstabilitet er vigtige for pålidelige UV-målinger. Disse kan sikres og dokumenteres ved regelmæssige sammenligningsmålinger og kalibreringer.

Sammenfattende beskriver retningslinjen om "Bevis for målesystemers kapabilitet" vigtige trin for validering og kvalitetssikring af måleudstyr. Konsekvent anvendelse af disse trin kan sikre pålideligheden og nøjagtigheden af UV-målesystemer.

Når UV-måleinstrumentet er karakteriseret ved hjælp af en målesystemanalyse i henhold til metode 1, kan andre påvirkninger nemt bestemmes på stedet under brug i henhold til metode 2.

Hvilken målesikkerhed er nødvendig for UV-processtyring?
Der findes ikke et fast tal – det afgørende er forholdet til procestolerancen. Den gængse metode er kapabilitetsundersøgelsen med Cg og Cgk: værdier fra 1,33 og opefter betyder, at målesystemet spreder med mindre end en fyrretyvendedel af tolerancen. For en tolerance på ±10 % af måldosis svarer det til en reproducerbarhed langt under en procent. Dette skal holdes adskilt fra den udvidede måleusikkerhed, der er angivet i kalibreringscertifikatet (k = 2), som indgår som et systematisk bidrag; i Opsytecs ISO 17025-akkrediterede kalibreringslaboratorium er den ≥ 2,8 %. I den daglige processtyring er reproducerbarheden vigtigst; for dokumentation til kunder og revisorer er det den metrologiske sporbarhed.

Hvad er forskellen mellem MSA-procedure 1, 2 og 3?
Procedure 1 undersøger målesystemets nøjagtighed og reproducerbarhed for sig selv og kræver en kendt standard hertil. Procedure 2 undersøger reproducerbarheden inklusive operatørens indflydelse. Procedure 3 anvendes generelt på automatiserede målesystemer. For UV-måleinstrumenter kan procedure 1 udføres i kalibreringslaboratoriet, fordi standarder og kalibreringslamper er til rådighed der. Procedure 2 kan kun udføres af brugeren: indflydelsen fra instrumentets placering og fra operatøren kan ikke reproduceres i laboratoriet.

Hvilken opløsning kræver et UV-måleinstrument?
MSA kræver en opløsning, der ikke overstiger 5 % af den tilsigtede tolerance. For en målværdi på 100 W/m² med en tolerance på ±10 W/m² er tolerancen 20 W/m²; instrumentet skal derfor kunne opløse mindst 1 W/m². Et instrument, der ikke opfylder dette krav, dumper kapabilitetsundersøgelsen uanset dets reproducerbarhed – opløsningen sætter grænsen for, hvad der overhovedet kan skelnes.

Hvorfor verificeres linearitet separat?
Fordi kalibrering normalt kun fastlægger to punkter: nul og målirradiansen. Matematisk set løser det en ligning med én ukendt – instrumentets responsivitet, som indstilles i instrumentet via en kalibreringsfaktor eller et trimmepotentiometer. Hvorvidt sensoren reagerer lineært over hele måleområdet, fastlægges ikke herved. Linearitetskontrollen udfylder dette hul og afslører samtidig offset- og mætningsfejl; til dette anvendes sammenligningsdetektorer eller kildeadditionsmetoder i laboratoriet.