Analisi del sistema di misura: una guida MSA con particolare attenzione alla misurazione UV

La dimostrazione della capacità dei sistemi di misura è essenziale per garantire l'affidabilità e la precisione degli strumenti di misura. Nella tecnologia di misurazione UV, in particolare quando si utilizzano strumenti di misurazione UV, sensori UV e lampade di taratura, la validazione delle capacità di misura è di importanza centrale. In generale, l'analisi del sistema di misura (MSA) confirma l'idoneità di uno strumento di misura per un determinato compito di misurazione.

La dimostrazione della capacità dei sistemi di misura è stata originariamente sviluppata dall'industria automobilistica. Tuttavia, non esiste una norma specifica che definisca queste procedure. Vengono tipicamente utilizzati i seguenti valori e moduli.

Per la dimostrazione della capacità vengono utilizzati diversi metodi statistici e criteri di qualità. Questi includono la valutazione della ripetibilità, della linearità e della stabilità degli strumenti di misura.

Si noti che i termini capacità/capace sono usati qui nel senso di idoneità/idoneo. Entrambi i termini devono quindi essere considerati equivalenti.

L'MSA propone per l'analisi della capacità dell'apparecchiatura di misura tre procedure a questo scopo.

• Il metodo 1 esamina la precisione e la ripetibilità di un sistema di misura. È necessario un campione noto per determinare la precisione o la deviazione dal campione.
• Il metodo 2 esamina la ripetibilità di un sistema di misura, incluso l'influenza dell'operatore.
• Il metodo 3 è generalmente utilizzato per i sistemi di misura automatizzati.

Analisi della capacità dell'apparecchiatura di misura MSA e UV?

In pratica, è necessaria una taratura regolare degli strumenti di misurazione UV per garantire risultati di misura costanti e tenere conto del possibile invecchiamento e della contaminazione.

Campioni e lampade di taratura sono disponibili nei nostri laboratori di taratura, motivo per cui la dimostrazione della capacità può essere effettuata come test aggiuntivo secondo la procedura 1.

In questo caso, la precisione è nota dalla taratura e la ripetibilità viene verificata utilizzando, ad esempio, 25 misurazioni.

La procedura 2 può essere eseguita solo dall'utente stesso, poiché l'influenza del posizionamento dello strumento di misurazione UV e dell'operatore sulla ripetibilità non può essere simulata in laboratorio.

Quindi cosa si fa nella procedura MSA 1?

Si determina se uno strumento di misura è idoneo per l'uso previsto in condizioni operative. In pratica, il metodo 1 viene utilizzato con o senza campione. L'applicazione con campione è vantaggiosa poiché è nota e stabile in termini di tempo e temperatura.

Vengono valutati due valori caratteristici, denominati C_gk e C_g, che confrontano la ripetibilità con la tolleranza. Le formule sono:

Nella gestione della qualità, la stessa dimostrazione è chiamata capacità del sistema di misura: risponde alla domanda se la dispersione dello strumento è sufficientemente piccola rispetto alla tolleranza della caratteristica.

Questo significa:

T = Tolleranza

x_g = Valore medio dei valori misurati dello strumento di misura UV

x_m = valore nominale dello standard

s_g = Deviazione standard dei valori misurati dello strumento di misura UV

Se per motivi di misura non è disponibile alcuno standard, il calcolo

di C_gk viene omesso. In questo caso, con l'ausilio di un oggetto di misura idoneo, può essere determinata solo

la ripetibilità C_g.

Se esiste un normale, lo scostamento del valore medio può essere registrato come componente statistica e viene determinato il cosiddetto parametro di capacità c_gk. Se non esiste uno standard, il parametro di capacità C_g viene determinato puramente dalla componente casuale. In questo caso, l'intervallo di dispersione del sistema di misura viene aumentato a 4 volte la deviazione standard s_g e il fattore di ponderazione per la tolleranza viene adattato.

Valori di C_gk e C_g superiori a 1,33 indicano che il dispositivo di misura è sufficientemente preciso rispetto all'intervallo di tolleranza e presenta una dispersione sufficientemente bassa. La formula per C_gk e C_g può essere riorganizzata e si può notare che a C_g = 1,33 l'intervallo di dispersione di quattro deviazioni standard occupa al massimo il 15 % della tolleranza.

Altri fattori per la qualità di una misurazione includono un'elevata ripetibilità, la riferibilità metrologica a standard di taratura nazionali e internazionali e basse incertezze di misura. La taratura consente di correggere lo scostamento di un dispositivo di misura UV dallo standard. In modo che questo venga ridotto al minimo.

Esempio: valore target 100 W/m² con tolleranza ± 10 W/m²

La tolleranza è quindi 20, ovvero da -10 a +10 W/m².

In conformità con la specifica MSA, il dispositivo di misura deve avere una risoluzione che non superi il 5 % della tolleranza specificata (±). Quindi se la tolleranza è ±10 W/m², la risoluzione deve essere almeno 1 W/m².

Vengono ora utilizzate circa 25 misurazioni per verificare se la ripetibilità è sufficiente. A tale scopo, i valori misurati dovrebbero rientrare nella tolleranza approssimativamente al valore target. Il valore medio e la deviazione standard (ad es. in EXCEL =STABW.N(..)) vengono calcolati dalle 25 misurazioni.

Esempio (senza normale):

Vengono effettuate 25 misurazioni, che presentano una deviazione standard di 0,3 W/m².

Il parametro di capacità c_g nell'esempio è: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Il valore c_g è superiore a 1,33 e quindi la prova di capacità del sistema di misura è considerata superata.

In termini semplici, la tolleranza richiesta viene messa in relazione con la deviazione standard 4 volte e valutata.

Campo di misura e linearità per l'MSA

Altri elementi della prova di capacità sono la linearità e la stabilità.

Per la prova di linearità, il sensore UV deve rispondere in modo lineare sull'intero campo di misura desiderato. 

In una prova di capacità/linearità, si distingue tra le seguenti situazioni:

• Prova di linearità su più standard (ad es. standard di lunghezza)
• Senza normale: la linearità viene verificata separatamente

Oltre alle tarature, offriamo quindi prove di linearità dei sensori UV in laboratorio. A tale scopo vengono utilizzati ricevitori di confronto o metodi di aggiunta della sorgente.

Il presupposto è che la taratura viene generalmente eseguita in due punti: 0 e all'irradianza target. Questo avviene secondo standard internazionali. Dal punto di vista matematico, ne risulta un'equazione con una costante incognita che può essere risolta da due punti.

Nel dispositivo di misura UV, la sensibilità del dispositivo viene generalmente impostata tramite un potenziometro resistivo o un fattore di taratura. Questo corrisponde a una costante "sconosciuta".

La verifica della linearità controlla quindi questa ipotesi nel campo di misura. Vengono inoltre rilevati errori dovuti a offset e saturazione.

Per ragioni tecniche, tuttavia, non possiamo soddisfare esattamente tutti i punti di prova, poiché la maggior parte delle lampade UV non può essere regolata in intensità senza modificarne lo spettro. Saremo lieti di discutere con Voi il campo di applicazione.

La stabilità e la stabilità a lungo termine sono importanti per misurazioni UV affidabili. Queste possono essere garantite e documentate mediante misurazioni comparative e tarature regolari.

In sintesi, la linea guida sulla "Prova di capacità dei sistemi di misura" descrive fasi importanti per la validazione e l'assicurazione della qualità dei dispositivi di misura. L'applicazione coerente di queste fasi può garantire l'affidabilità e la precisione dei sistemi di misura UV.

Una volta caratterizzato il dispositivo di misura UV mediante un'analisi del sistema di misura secondo il metodo 1, altre influenze possono essere facilmente determinate sul posto durante l'utilizzo secondo il metodo 2.

Quale incertezza di misura è richiesta per il controllo del processo UV?
Non esiste un valore fisso: ciò che conta è il rapporto con la tolleranza del processo. Il percorso usuale è lo studio di capacità mediante Cg e Cgk: valori a partire da 1,33 significano che il sistema di misura disperde meno di un quarantesimo della tolleranza. Per una tolleranza del ±10 % della dose target, ciò corrisponde a una ripetibilità ben inferiore all'uno percento. Ciò deve essere tenuto separato dall'incertezza di misura estesa indicata nel certificato di taratura (k = 2), che entra come contributo sistematico; nel laboratorio di taratura accreditato ISO 17025 di Opsytec essa è ≥ 2,8 %. Per il controllo quotidiano del processo conta soprattutto la ripetibilità; per la dimostrazione verso clienti e revisori conta la riferibilità metrologica.

Qual è la differenza tra le procedure MSA 1, 2 e 3?
La procedura 1 esamina l'accuratezza e la ripetibilità del sistema di misura da solo e richiede a tal fine uno standard noto. La procedura 2 esamina la ripetibilità includendo l'influenza dell'operatore. La procedura 3 viene generalmente applicata a sistemi di misura automatizzati. Per gli strumenti di misura UV, la procedura 1 può essere eseguita nel laboratorio di taratura, poiché lì sono disponibili standard e lampade di taratura. La procedura 2 può essere eseguita solo dall'utente: l'influenza del posizionamento dello strumento e dell'operatore non può essere riprodotta in laboratorio.

Quale risoluzione deve avere un dispositivo di misura UV?
L'MSA richiede una risoluzione che non superi il 5 % della tolleranza prevista. Per un valore target di 100 W/m² con una tolleranza di ±10 W/m², la tolleranza è di 20 W/m²; il dispositivo deve quindi risolvere almeno 1 W/m². Uno strumento che non soddisfa questo requisito non supera lo studio di capacità indipendentemente dalla sua ripetibilità: la risoluzione limita ciò che può essere distinto in assoluto.

Perché la linearità viene verificata separatamente?
Perché la taratura normalmente stabilisce solo due punti: zero e l'irradianza target. Matematicamente ciò risolve un'equazione con un'incognita: la responsività del dispositivo, impostata nello strumento tramite un fattore di taratura o un potenziometro di regolazione. Se il sensore risponda in modo lineare sull'intero intervallo di misura non viene stabilito da ciò. Il controllo di linearità colma questa lacuna e allo stesso tempo rivela errori di offset e di saturazione; a tale scopo in laboratorio vengono utilizzati rivelatori di confronto o metodi di addizione della sorgente.