Mittausjärjestelmän analyysi: MSA-opas UV-mittauksen näkökulmasta

Mittausjärjestelmien kykytodistus on olennainen mittauslaitteiden luotettavuuden ja tarkkuuden varmistamiseksi. UV-mittaustekniikassa, erityisesti käytettäessä UV-mittauslaitteita, UV-antureita ja kalibrointilamppuja, mittauskykyjen validointi on keskeisen tärkeää. Yleisesti mittausjärjestelmäanalyysi (MSA) vahvistaa mittauslaitteen soveltuvuuden tiettyyn mittaustehtävään.

 Mittausjärjestelmien kykytodistus kehitettiin alun perin autoteollisuudessa. Näille menettelyille ei kuitenkaan ole olemassa erityistä standardia, joka määrittelisi ne. Seuraavia arvoja ja lomakkeita käytetään yleisesti.

Kykytodistuksessa käytetään useita tilastollisia menetelmiä ja laatukriteereitä. Niihin kuuluvat mittauslaitteiden toistettavuuden, lineaarisuuden ja stabiiliuden arviointi.

Huomatkaa, että termejä kyky/kykenevä käytetään tässä soveltuvuuden/soveltuvan merkityksessä. Molempia termejä on siis pidettävä toisiaan vastaavina.

MSA:n mittauslaitteiston kykyanalyysi ehdottaa tähän tarkoitukseen kolmea menettelyä.

• Menetelmä 1 tutkii mittausjärjestelmän tarkkuutta ja toistettavuutta. Tarkkuuden tai standardista poikkeaman määrittämiseksi tarvitaan tunnettu standardi.
• Menetelmä 2 tutkii mittausjärjestelmän toistettavuutta, mukaan lukien käyttäjän vaikutus.
• Menetelmää 3 käytetään yleensä automatisoiduissa mittausjärjestelmissä.

Mittauslaitteiston kykyanalyysi MSA ja UV?

Käytännössä UV-mittauslaitteiden säännöllinen kalibrointi on tarpeen johdonmukaisten mittaustulosten varmistamiseksi ja mahdollisen vanhenemisen ja likaantumisen huomioon ottamiseksi.

Standardeja ja kalibrointilamppuja on saatavilla kalibrointilaboratorioissamme, minkä ansiosta kykytodistus voidaan suorittaa lisätestinä menettelyn 1 mukaisesti.

Tässä tarkkuus tunnetaan kalibroinnin perusteella, ja toistettavuus tarkistetaan esimerkiksi 25 mittauksella.

Menettely 2 voidaan suorittaa vain käyttäjän itsensä toimesta, koska UV-mittauslaitteen sijoittelun ja käyttäjän vaikutusta toistettavuuteen ei voida simuloida laboratoriossa.

Mitä siis tehdään MSA-menettelyssä 1?

Määritetään, soveltuuko mittauslaite käyttötarkoitukseensa käyttöolosuhteissa. Käytännössä menetelmää 1 käytetään standardin kanssa tai ilman sitä. Standardin kanssa tehtävä sovellus on edullinen, koska se on tunnettu ja stabiili ajan ja lämpötilan suhteen.

Arvioidaan kaksi tunnuslukua, joita kutsutaan C_gk- ja C_g-arvoiksi ja jotka vertaavat toistettavuutta toleranssiin. Kaavat ovat:

Laadunhallinnassa samaa todistusta kutsutaan mittausjärjestelmän kyvykkyydeksi: se vastaa kysymykseen, onko mittalaitteen hajonta riittävän pieni tunnusluvun toleranssiin verrattuna.

Tämä tarkoittaa:

T = Toleranssi

x_g = UV-mittalaitteen mittausarvojen keskiarvo

x_m = standardin nimellisarvo

s_g = UV-mittalaitteen mittausarvojen keskihajonta

Jos mittausteknisistä syistä standardia ei ole käytettävissä, laskenta

arvolle C_gk jätetään pois. Tässä tapauksessa sopivan mittauskohteen avulla voidaan määrittää vain

toistettavuus C_g.

Jos normaali on olemassa, keskiarvon poikkeama voidaan kirjata tilastollisena komponenttina ja niin sanottu kykyparametri c_gk määritetään. Jos normaalia ei ole, kykyparametri C_g määritetään puhtaasti satunnaiskomponentista. Tässä tapauksessa mittausjärjestelmän hajonta-aluetta kasvatetaan 4-kertaiseksi standardipoikkeamaan s_g nähden ja toleranssin painotuskerroin säädetään vastaavasti.

C_gk-arvot ja C_g-arvot, jotka ovat suurempia kuin 1,33, osoittavat, että mittalaite on riittävän tarkka toleranssialueeseen nähden ja sen hajonta on riittävän pieni. C_gk- ja C_g-kaava voidaan järjestää uudelleen, ja siitä nähdään, että arvolla C_g = 1,33 neljän standardipoikkeaman hajonta-alue kattaa enintään 15 % toleranssista.

Muita mittauksen laatuun vaikuttavia tekijöitä ovat hyvä toistettavuus, jäljitettävyys kansallisiin ja kansainvälisiin kalibrointistandardeihin sekä pienet mittausepävarmuudet. Kalibroinnin avulla UV-mittalaitteen poikkeama normaalista voidaan korjata. Näin poikkeama minimoidaan.

Esimerkki: Tavoitearvo 100 W/m² toleranssilla ± 10 W/m²

Toleranssi on siis 20, nimittäin -10:stä +10 W/m²:iin.

MSA-määrityksen mukaisesti mittalaitteen resoluutio ei saa ylittää 5 % määritetystä toleranssista (±). Jos toleranssi on siis ±10 W/m², resoluution on oltava vähintään 1 W/m².

Noin 25 mittausta käytetään nyt tarkistamaan, riittääkö toistettavuus. Tätä tarkoitusta varten mitattujen arvojen tulisi sijaita toleranssin sisällä lähellä tavoitearvoa. Keskiarvo ja standardipoikkeama (esim. EXCELissä =STABW.N(..)) lasketaan 25 mittauksesta.

Esimerkki (ilman normaalia):

25 mittausta on tehty, joiden standardipoikkeama on 0,3 W/m².

Kykyparametri c_g esimerkissä on: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Arvo c_g on suurempi kuin 1,33, ja siksi mittausjärjestelmän kykytodistus katsotaan läpäistyksi.

Yksinkertaisesti sanottuna vaadittu toleranssi asetetaan suhteessa 4-kertaiseen standardipoikkeamaan ja arvioidaan.

Mittausalue ja lineaarisuus MSA:ta varten

Muita kykytodistuksen osa-alueita ovat lineaarisuus ja stabiilisuus.

Lineaarisuustestiä varten UV-anturin on reagoitava lineaarisesti halutulla mittausalueella. 

Kyky-/lineaarisuustestissä erotetaan seuraavat tilanteet:

• Lineaarisuuden todistaminen useilla normaaleilla (esim. pituusnormaaleilla)
• Ilman normaalia: lineaarisuus todennetaan erikseen

Kalibrointien lisäksi tarjoamme siis UV-anturien lineaarisuustestauksen laboratoriossa. Tähän käytetään vertailuvastaanottimia tai lähteen lisäysmenetelmiä.

Taustalla on se, että kalibrointi suoritetaan tavallisesti kahdessa pisteessä: 0:ssa ja tavoiteirradianssin kohdalla. Tämä tehdään kansainvälisten standardien mukaisesti. Matemaattisesta näkökulmasta tästä syntyy yhtälö, jossa on tuntematon vakio, joka voidaan ratkaista kahdella pisteellä.

UV-mittalaitteessa laitteen herkkyys asetetaan tavallisesti vastuspotentiometrin tai kalibrointikertoimen avulla. Tämä vastaa "tuntematonta" vakiota.

Lineaarisuustarkistus tarkistaa siis tämän oletuksen mittausalueella. Näin havaitaan myös offsetin ja saturaation aiheuttamat virheet.

Teknisistä syistä emme kuitenkaan voi täyttää kaikkia testipisteitä täsmällisesti, koska useimpia UV-lamppuja ei voida himmentää muuttamatta niiden spektriä. Keskustelemme mielellämme alueesta kanssanne.

Stabiilisuus ja pitkäaikaisstabiilisuus ovat tärkeitä luotettavien UV-mittausten kannalta. Näitä voidaan varmistaa ja dokumentoida säännöllisillä vertailumittauksilla ja kalibroinneilla.

Yhteenvetona ohje "Mittausjärjestelmien kykytodistuksesta" kuvaa tärkeitä vaiheita mittalaitteiden validoinnissa ja laadunvarmistuksessa. Näiden vaiheiden johdonmukainen soveltaminen voi varmistaa UV-mittausjärjestelmien luotettavuuden ja tarkkuuden.

Kun UV-mittalaite on karakterisoitu mittausjärjestelmäanalyysin avulla menetelmän 1 mukaisesti, muut vaikutukset voidaan helposti määrittää paikan päällä käytön aikana menetelmän 2 mukaisesti.

Mikä mittausepävarmuus vaaditaan UV-prosessinohjaukseen?
Kiinteää lukuarvoa ei ole – ratkaisevaa on suhde prosessitoleranssiin. Tavanomainen tapa on kelpoisuustutkimus Cg- ja Cgk-arvojen avulla: arvot 1,33:sta ylöspäin tarkoittavat, että mittausjärjestelmän hajonta on alle yksi neljäskymmenesosa toleranssista. Kun toleranssi on ±10 % tavoiteannoksesta, tämä vastaa toistettavuutta, joka on selvästi alle yhden prosentin. Tämä on pidettävä erillään kalibrointitodistuksessa ilmoitetusta laajennetusta mittausepävarmuudesta (k = 2), joka vaikuttaa systemaattisena osuutena; Opsytecin ISO 17025 -akkreditoidussa kalibrointilaboratoriossa se on ≥ 2,8 %. Päivittäisessä prosessinohjauksessa toistettavuus on tärkein tekijä; asiakkaille ja auditoijille esitettävässä näytössä ratkaisee metrologinen jäljitettävyys.

Mikä ero on MSA-menettelyillä 1, 2 ja 3?
Menettely 1 tutkii mittausjärjestelmän tarkkuutta ja toistettavuutta itsenäisesti, ja siihen tarvitaan tunnettu standardi. Menettely 2 tutkii toistettavuutta mukaan lukien käyttäjän vaikutus. Menettelyä 3 sovelletaan yleensä automatisoituihin mittausjärjestelmiin. UV-mittalaitteille menettely 1 voidaan suorittaa kalibrointilaboratoriossa, koska sieltä on saatavilla standardeja ja kalibrointilamppuja. Menettely 2 voidaan suorittaa vain käyttäjän toimesta: laitteen asemoinnin ja käyttäjän vaikutusta ei voida toistaa laboratoriossa.

Minkä resoluution UV-mittalaite tarvitsee?
MSA edellyttää resoluutiota, joka ei ylitä 5 % tarkoitetusta toleranssista. Kun tavoitearvo on 100 W/m² toleranssilla ±10 W/m², toleranssi on 20 W/m²; laitteen on siis erotettava vähintään 1 W/m². Laite, joka ei täytä tätä vaatimusta, epäonnistuu kelpoisuustutkimuksessa toistettavuudestaan riippumatta – resoluutio rajoittaa sitä, mitä ylipäätään voidaan erottaa.

Miksi lineaarisuus tarkistetaan erikseen?
Koska kalibrointi määrittää normaalisti vain kaksi pistettä: nollan ja tavoiteirradianssin. Matemaattisesti tämä ratkaisee yhtälön yhdellä tuntemattomalla – laitteen herkkyyden, joka asetetaan laitteessa kalibrointikertoimen tai trimmauspotentiometrin avulla. Sitä, reagoiko anturi lineaarisesti koko mittausalueella, ei tällä määritetä. Lineaarisuustarkistus täyttää tämän aukon ja paljastaa samalla offset- ja kylläisyysvirheet; siihen käytetään laboratoriossa vertailudetektoreita tai lähteen lisäysmenetelmiä.