ניתוח מערכת המדידה: מדריך MSA בדגש על מדידת UV

הוכחת יכולת של מערכות מדידה חיונית להבטחת האמינות והדיוק של מכשירי המדידה. בטכנולוגיית מדידת UV, בפרט בעת השימוש במכשירי מדידת UV, בחיישני UV (על-סגול) ובמנורות כיול, לאימות יכולות המדידה חשיבות מרכזית. באופן כללי, ניתוח מערכת המדידה (MSA) מאשר את התאמת מכשיר המדידה למשימת מדידה ספציפית.

הוכחת היכולת של מערכות מדידה פותחה במקור בענף התעשייה הרכבית. עם זאת, אין תקן ספציפי המגדיר הליכים אלה. בפועל נעשה שימוש בערכים וטפסים הבאים.

שיטות סטטיסטיות שונות ואמות מידה לאיכות משמשות להוכחת היכולת. אלה כוללות הערכה של יכולת השחזור (Repeatability), הלינאריות והיציבות של מכשירי המדידה.

יש לשים לב כי המונחים capability/capable משמשים כאן במובן של התאמה/מתאים. שני המונחים נחשבים אפוא כשווי-ערך.

הניתוח יכולת ציוד המדידה במסגרת MSA מציע שלושה הליכים לצורך זה.

• שיטה 1 בוחנת את הדיוק ואת יכולת השחזור של מערכת מדידה. נדרש תקן ידוע לקביעת הדיוק או הסטייה מהתקן.
• שיטה 2 בוחנת את יכולת השחזור של מערכת מדידה, כולל השפעת המפעיל.
• שיטה 3 משמשת בדרך כלל למערכות מדידה אוטומטיות.

ניתוח יכולת ציוד המדידה MSA ו-UV?

בפועל, כיול קבוע של מכשירי מדידת UV נחוץ להבטחת תוצאות מדידה עקביות ולהתחשבות בהזדקנות אפשרית ובזיהום.

תקנים ומנורות כיול זמינים במעבדות הכיול שלנו, ומשום כך ניתן לבצע את הוכחת היכולת כבדיקה נוספת בהתאם לשיטה 1.

כאן, הדיוק ידוע מהכיול ויכולת השחזור נבדקת לדוגמה באמצעות 25 מדידות.

שיטה 2 ניתנת לביצוע רק על ידי המשתמש עצמו, שכן השפעת המיקום של מכשיר מדידת ה-UV והמפעיל על יכולת השחזור לא ניתנת לסימולציה במעבדה.

אז מה נעשה בשיטה 1 של MSA?

נקבע אם מכשיר מדידה מתאים לשימוש המיועד בתנאי הפעלה. בפועל, שיטה 1 משמשת עם או בלי תקן. השימוש עם תקן מועדף, שכן הוא ידוע ויציב מבחינת זמן וטמפרטורה.

שני ערכים אופייניים מוערכים, המסומנים כ-C_gk ו-C_g ומשווים את יכולת השחזור לסבילות. הנוסחאות הן:

בניהול איכות אותה הוכחה נקראת יכולת מערכת המדידה: היא עונה על השאלה אם התפזרות המכשיר קטנה מספיק בהשוואה לסבילות המאפיין.

זה פירושו:

T = טולרנס

x_g = ערך ממוצע של ערכי המדידה של מכשיר מדידת ה-UV

x_m = ערך נומינלי של התקן הייחוס

s_g = סטיית תקן של ערכי המדידה של מכשיר מדידת ה-UV

אם אין התקן ייחוס זמין מטעמי מדידה, החישוב

של C_gk מבוטל. במקרה זה, בעזרת אובייקט מדידה מתאים, ניתן לקבוע רק את

יכולת החזרתיות C_g.

אם קיים תקן, ניתן לרשום את הסטייה של הערך הממוצע כמרכיב סטטיסטי ונקבע פרמטר היכולת הנקרא c_gk. אם אין תקן, פרמטר היכולת C_g נקבע רק מהמרכיב האקראי. במקרה זה, טווח הפיזור של מערכת המדידה מוגדל ל-4 פעמים סטיית התקן s_g ומקדם המשקל עבור הסבילות מותאם בהתאם.

ערכי C_gk וערכי C_g הגדולים מ-1.33 מציינים כי מכשיר המדידה מדויק מספיק בהתייחס לטווח הסבילות ובעל פיזור נמוך מספיק. את הנוסחה עבור C_gk ו-C_g ניתן לסדר מחדש, ומכך ניתן לראות כי ב-C_g = 1.33 טווח הפיזור של ארבע סטיות תקן תופס לכל היותר 15 % מהסבילות.

גורמים נוספים לאיכות המדידה כוללים חזרתיות גבוהה, עקיבות מטרולוגית לתקני כיול לאומיים ובין-לאומיים ואי-וודאויות מדידה נמוכות. כיול מאפשר לתקן את הסטייה של מכשיר מדידת UV מהתקן, כך שהיא מוקטנת למינימום.

דוגמה: ערך יעד 100 W/m² עם סבילות של ± 10 W/m²

לכן הסבילות היא 20, כלומר מ- -10 עד +10 W/m².

בהתאם למפרט MSA, למכשיר המדידה חייבת להיות רזולוציה שאינה עולה על 5 % מהסבילות שהוגדרה (±). כך שאם הסבילות היא ±10 W/m², הרזולוציה חייבת להיות לפחות 1 W/m².

כעת נעשה שימוש בכ-25 מדידות כדי לבדוק אם החזרתיות מספקת. לצורך כך, ערכי המדידה צריכים להיות בתוך תחום הסבילות, בסמוך לערך היעד. הערך הממוצע וסטיית התקן (לדוגמה ב-EXCEL =STABW.N(..)) מחושבים מ-25 המדידות.

דוגמה (ללא תקן):

נלקחות 25 מדידות, שסטיית התקן שלהן היא 0.3 W/m².

פרמטר היכולת c_g בדוגמה הוא: c_g = 0.2 * 20 / (4 * 0.3) = 3.33

הערך c_g גדול מ-1.33 ולכן הוכחת היכולת של מערכת המדידה נחשבת כמאושרת.

במילים פשוטות, הסבילות הנדרשת מוצבת ביחס ל-4 פעמים סטיית התקן ומוערכת בהתאם.

טווח מדידה וליניאריות עבור MSA

אלמנטים נוספים של הוכחת היכולת הם ליניאריות ויציבות.

עבור בדיקת הליניאריות, חיישן ה-UV חייב להגיב באופן ליניארי על פני טווח המדידה הרצוי. 

בבדיקת יכולת/ליניאריות, נבדלים בין המצבים הבאים:

• הוכחת ליניאריות על פני מספר תקנים (לדוגמה, תקני אורך)
• ללא תקן: הליניאריות מאומתת בנפרד

בנוסף לכיולים, אנו מציעים גם בדיקת ליניאריות של חיישני UV במעבדה. לצורך כך נעשה שימוש בקולטני השוואה או בשיטות הוספת מקור.

הרקע לכך הוא שכיול מתבצע בדרך כלל בשתי נקודות: 0 ובעצמת הקרינה של היעד. הדבר נעשה בהתאם לתקנים בין-לאומיים. מבחינה מתמטית, כתוצאה מכך מתקבלת משוואה עם קבוע לא ידוע, שניתן לפתור באמצעות שתי נקודות.

במכשיר מדידת UV, רגישות המכשיר נקבעת בדרך כלל באמצעות פוטנציומטר התנגדות או מקדם כיול. זה מתאים לקבוע "לא ידוע".

בדיקת הליניאריות בודקת אפוא הנחה זו בטווח המדידה. שגיאות הנגרמות מהיסט (offset) ומרוויה (saturation) מתגלות אף הן.

מטעמים טכניים, איננו יכולים לעמוד בכל נקודות הבדיקה בדיוק, שכן את רוב מנורות ה-UV לא ניתן לעמעם מבלי לשנות את הספקטרום שלהן. נשמח לדון עם  לגבי הטווח.

יציבות ויציבות לאורך זמן חשובות למדידות UV אמינות. ניתן להבטיח ולתעד אותן באמצעות מדידות השוואה וכיולים תקופתיים.

לסיכום, ההנחיה בנושא "הוכחת יכולת של מערכות מדידה" מתארת שלבים חשובים לאימות ולהבטחת האיכות של מכשירי מדידה. יישום עקבי של שלבים אלה יכול להבטיח את האמינות והדיוק של מערכות מדידת UV.

כאשר מכשיר מדידת ה-UV אופיין באמצעות ניתוח מערכת מדידה בהתאם לשיטה 1, ניתן לקבוע בקלות השפעות נוספות באתר במהלך השימוש בהתאם לשיטה 2.

איזו אי-ודאות מדידה נדרשת לבקרת תהליכי UV?
אין מספר קבוע – מה שחשוב הוא היחס לסבילות התהליך. הדרך המקובלת היא מחקר יכולת המדידה באמצעות Cg ו-Cgk: ערכים מ-1.33 ואילך פירושם שהמערכת המדידה מתפזרת בפחות מאחד-ארבעים מהסבילות. לסבילות של ±10% מערך המנה הרצוי, זה מתאים לחזרתיות הנמוכה בבירור מאחוז אחד. יש להבדיל זאת מאי-הוודאות המורחבת המדידה המצוינת בתעודת הכיול (k = 2), שנכנסת כתרומה שיטתית; במעבדת הכיול המוכרת ISO 17025 של Opsytec היא ≥ 2.8%. לבקרת תהליך יומיומית, החזרתיות היא החשובה ביותר; להוכחה בפני לקוחות ומבקרים, העקיבות המטרולוגית היא הקובעת.

מה ההבדל בין נהלי MSA 1, 2 ו-3?
נוהל 1 בוחן את הדיוק והחזרתיות של מערכת המדידה בפני עצמה ומחייב תקן ידוע לצורך זה. נוהל 2 בוחן חזרתיות כולל השפעת המפעיל. נוהל 3 מיושם בדרך כלל על מערכות מדידה אוטומטיות. עבור מכשירי מדידת UV, ניתן לבצע נוהל 1 במעבדת הכיול, כי שם קיימים תקנים ומנורות כיול. נוהל 2 ניתן לביצוע רק על ידי המשתמש: לא ניתן לשחזר במעבדה את השפעת מיקום המכשיר ואת השפעת המפעיל.

איזו רזולוציה נדרשת למכשיר מדידת UV?
ה-MSA מחייב רזולוציה שאינה עולה על 5% מהסבילות המיועדת. לערך יעד של 100 W/m² עם סבילות של ±10 W/m², הסבילות היא 20 W/m²; המכשיר חייב אז להבחין ברזולוציה של לפחות 1 W/m². מכשיר שאינו עומד בדרישה זו נכשל במחקר יכולת המדידה ללא קשר לחזרתיותו – הרזולוציה מגבילה את מה שניתן להבחין בו כלל.

מדוע נבדקת הלינאריות בנפרד?
כי הכיול קובע בדרך כלל רק שתי נקודות: אפס ועצמת הקרינה הרצויה. מתמטית זה פותר משוואה עם נעלם אחד – רגישות המכשיר, הנקבעת במכשיר באמצעות מקדם כיול או פוטנציומטר כוונון. אם החיישן מגיב באופן לינארי על פני כל תחום המדידה, זה לא נקבע בכך. בדיקת הלינאריות סוגרת את הפער הזה, ובאותה עת חושפת שגיאות היסט (offset) ורוויה; לצורך זה משתמשים במעבדה בגלאי השוואה או בשיטות הוספת מקור.