측정 시스템 분석: 자외선(UV) 측정에 초점을 맞춘 MSA 가이드

측정 시스템의 능력 입증은 측정 장비의 신뢰성과 정확성을 보장하는 데 필수적입니다. 자외선(UV) 측정 기술에서, 특히 자외선(UV) 측정 장비, UV 센서 및 교정 램프를 사용할 때, 측정 능력의 검증은 핵심적인 중요성을 가집니다. 일반적으로 측정 시스템 분석 (MSA) 은 특정 측정 작업에 대한 측정 장비의 적합성을 확인합니다.

 측정 시스템의 능력 입증 은 원래 자동차 산업에서 개발되었습니다. 그러나 이러한 절차를 정의하는 특정 표준은 존재하지 않습니다. 일반적으로 다음과 같은 값과 형식이 사용됩니다.

능력 입증을 위해 다양한 통계적 방법과 품질 기준이 사용됩니다. 이는 측정 장비의 재현성, 선형성 및 안정성 평가를 포함합니다.

여기서 능력(capability/capable)이라는 용어는 적합성(suitability/suitable)의 의미로 사용된다는 점에 유의하십시오. 따라서 두 용어는 동등한 것으로 간주됩니다.

MSA 측정 장비 능력 분석에서는 이를 위해 세 가지 절차를 제안합니다.

• 절차 1은 측정 시스템의 정확도와 재현성을 검사합니다. 정확도 또는 표준으로부터의 편차를 결정하기 위해서는 알려진 표준이 필요합니다.
• 절차 2는 작업자의 영향을 포함하여 측정 시스템의 재현성을 검사합니다.
• 절차 3은 일반적으로 자동화된 측정 시스템에 사용됩니다.

측정 장비 능력 분석(MSA)과 UV?

실제로는 일관된 측정 결과를 보장하고 노화 및 오염 가능성을 고려하기 위해 UV 측정 장비의 정기적인 교정이 필요합니다.

당사의 교정기관에는 표준 및 교정 램프가 준비되어 있으므로, 절차 1에 따른 추가 시험으로 능력 입증을 수행할 수 있습니다.

이 경우, 정확도는 교정을 통해 알려져 있으며, 재현성은 예를 들어 25회의 측정을 통해 확인됩니다.

절차 2는 사용자 본인만이 수행할 수 있습니다. UV 측정 장비의 위치 및 작업자가 재현성에 미치는 영향은 실험실에서 시뮬레이션할 수 없기 때문입니다.

그렇다면 MSA 절차 1에서는 무엇이 수행됩니까?

측정 장비가 운영 조건 하에서 의도된 용도에 적합한지 여부가 결정됩니다. 실제로 절차 1은 표준의 유무와 관계없이 사용됩니다. 표준을 사용하는 경우가 유리한데, 이는 표준이 시간 및 온도 측면에서 알려져 있고 안정적이기 때문입니다.

C_gk 및 C_g라고 불리는 두 가지 특성값이 평가되며, 이는 재현성을 허용오차와 비교합니다. 공식은 다음과 같습니다:

품질경영에서는 이와 동일한 입증을 측정 시스템 능력이라고 부릅니다. 이는 장비의 산포가 특성치의 허용오차에 비해 충분히 작은지를 답합니다.

이는 다음을 의미합니다:

T = 허용오차

x_g = UV 측정장치 측정값의 평균값

x_m = 표준의 공칭값

s_g = UV 측정장치 측정값의 표준편차

측정상의 이유로 표준을 사용할 수 없는 경우, C_gk의 산출은 생략됩니다.

이 경우 적합한 측정 대상물을 이용하여 반복성 C_g만 산출할 수 있습니다.

정규분포가 존재하는 경우 평균값의 편차를 통계적 성분으로 기록할 수 있으며, 이른바 공정능력지수 c_gk를 산출합니다. 표준이 없는 경우에는 순수한 랜덤 성분으로부터 공정능력지수 C_g를 산출합니다. 이 경우 측정 시스템의 산포 범위는 표준편차 s_g의 4배로 확대되며 공차에 대한 가중 계수가 조정됩니다.

C_gk 값과 C_g 값이 1.33보다 크면 측정 장치가 공차 범위에 비해 충분히 정확하고 산포가 충분히 낮다는 것을 나타냅니다. C_gk 및 C_g에 대한 공식을 재정리하면 C_g = 1.33일 때 표준편차 4배의 산포 범위가 공차의 최대 15 %를 차지한다는 것을 알 수 있습니다.

측정 품질을 좌우하는 다른 요소로는 높은 반복정밀도, 국가 및 국제 교정 표준에 대한 측정 소급성, 그리고 낮은 측정 불확도가 있습니다. 교정을 통해 자외선(UV) 측정 장치가 표준에서 벗어난 정도를 보정할 수 있으며, 이를 통해 편차를 최소화합니다.

예시: 목표값 100 W/m², 공차 ± 10 W/m²

따라서 공차는 20, 즉 -10에서 +10 W/m²입니다.

MSA 규격에 따르면 측정 장치는 지정된 공차(±)의 5 %를 초과하지 않는 분해능을 가져야 합니다. 따라서 공차가 ±10 W/m²인 경우 분해능은 최소 1 W/m²여야 합니다.

이제 약 25회의 측정을 통해 반복정밀도가 충분한지 확인합니다. 이를 위해 측정값은 목표값 부근의 공차 범위 내에 있어야 합니다. 25회의 측정으로부터 평균값과 표준편차(예: EXCEL의 =STABW.N(..))를 산출합니다.

예시 (표준 없음):

표준편차가 0.3 W/m²인 25회의 측정을 수행합니다.

이 예시에서 공정능력지수 c_g는 다음과 같습니다: c_g = 0.2 * 20 / (4 * 0.3) = 3.33

c_g 값이 1.33보다 크므로 측정 시스템의 공정능력 입증이 통과된 것으로 간주됩니다.

간단히 말하면, 요구되는 공차를 표준편차의 4배와 비교하여 평가하는 것입니다.

MSA를 위한 측정 범위 및 선형성

공정능력 입증의 또 다른 요소로는 선형성과 안정성이 있습니다.

선형성 시험에서는 자외선(UV) 센서가 원하는 측정 범위 전반에 걸쳐 선형으로 반응해야 합니다.

공정능력/선형성 시험에서는 다음과 같은 상황을 구분합니다:

• 여러 표준(예: 길이 표준)에 대한 선형성 입증
• 표준이 없는 경우: 선형성을 별도로 검증

따라서 저희는 교정 외에도 실험실에서의 자외선(UV) 센서 선형성 시험을 제공합니다. 이를 위해 비교 수신기 또는 소스 부가(source addition) 방법을 사용합니다.

그 배경에는 교정이 일반적으로 두 지점, 즉 0과 목표 복사조도 지점에서 수행된다는 사실이 있습니다. 이는 국제 표준에 따라 이루어집니다. 수학적 관점에서 보면, 이는 두 지점으로 풀 수 있는 미지 상수를 포함한 방정식을 만들어냅니다.

자외선(UV) 측정 장치에서는 일반적으로 저항 전위차계 또는 교정 계수를 통해 장치 감도를 설정합니다. 이는 "미지"의 상수에 해당합니다.

따라서 선형성 검사는 측정 범위 내에서 이 가정을 검증합니다. 오프셋 및 포화로 인한 오류도 함께 감지됩니다.

다만 기술적인 이유로 모든 시험 지점을 정확히 충족시킬 수는 없는데, 대부분의 자외선(UV) 램프는 스펙트럼 변화 없이는 조광이 불가능하기 때문입니다. 저희는 귀사와 함께 그 범위에 대해 기꺼이 논의해 드리겠습니다.

신뢰할 수 있는 자외선(UV) 측정을 위해서는 안정성과 장기 안정성이 중요합니다. 이는 정기적인 비교 측정과 교정을 통해 보장 및 문서화될 수 있습니다.

요약하면, "측정 시스템의 공정능력 입증"에 관한 지침은 측정 장치의 검증 및 품질 보증을 위한 중요한 단계들을 설명합니다. 이러한 단계를 일관되게 적용하면 자외선(UV) 측정 시스템의 신뢰성과 정확도를 보장할 수 있습니다.

방법 1에 따른 측정 시스템 분석을 통해 자외선(UV) 측정 장치의 특성을 파악하고 나면, 방법 2에 따라 사용 현장에서 다른 영향 요인들을 손쉽게 파악할 수 있습니다.

UV 공정 관리에는 어떤 측정 불확도가 필요합니까?
고정된 수치는 없으며, 중요한 것은 공정 공차와의 비율입니다. 일반적인 방법은 Cg 및 Cgk를 이용한 능력 연구이며, 1.33 이상의 값은 측정 시스템의 산포가 공차의 40분의 1 미만임을 의미합니다. 목표 조사량의 ±10%의 공차의 경우, 이는 1% 훨씬 미만의 반복성에 해당합니다. 이는 교정 성적서에 명시된 확장 측정 불확도(k = 2)와는 별개로 취급해야 하며, 이는 체계적 기여 요소로 작용합니다. Opsytec의 ISO 17025 인정 교정기관에서는 이 값이 ≥ 2.8%입니다. 일상적인 공정 관리에서는 반복성이 가장 중요하며, 고객 및 심사원에 대한 증빙에는 측정 소급성이 중요합니다.

MSA 절차 1, 2, 3의 차이점은 무엇입니까?
절차 1은 측정 시스템 자체의 정확도와 반복성을 검사하며, 이를 위해 알려진 표준이 필요합니다. 절차 2는 작업자의 영향을 포함한 반복성을 검사합니다. 절차 3은 일반적으로 자동화된 측정 시스템에 적용됩니다. UV 측정 장비의 경우, 절차 1은 교정기관에서 표준과 교정 램프를 사용할 수 있으므로 그곳에서 수행할 수 있습니다. 절차 2는 사용자만 수행할 수 있습니다. 기기 배치와 작업자의 영향은 실험실에서 재현할 수 없기 때문입니다.

UV 측정 장비에는 어떤 분해능이 필요합니까?
MSA에서는 분해능이 의도한 공차의 5%를 초과하지 않아야 합니다. 목표값이 100 W/m²이고 공차가 ±10 W/m²인 경우 공차는 20 W/m²이며, 이 경우 장비는 최소 1 W/m²까지 분해할 수 있어야 합니다. 이 요건을 충족하지 못하는 장비는 반복성과 관계없이 능력 연구에서 불합격 판정을 받습니다. 분해능은 애초에 구별할 수 있는 한계를 결정하기 때문입니다.

선형성을 별도로 검증하는 이유는 무엇입니까?
일반적으로 교정은 영점과 목표 복사조도라는 두 점만을 설정하기 때문입니다. 수학적으로 이는 미지수가 하나인 방정식을 푸는 것과 같으며, 이 미지수는 교정 계수 또는 트리밍 전위차계를 통해 장비에 설정되는 장비 응답도입니다. 이를 통해서는 센서가 전체 측정 범위에서 선형적으로 반응하는지는 확인되지 않습니다. 선형성 검사는 이러한 공백을 메우는 동시에 오프셋 오차와 포화 오차를 드러내며, 실험실에서는 이를 위해 비교 검출기 또는 광원 합산(source-addition) 방식이 사용됩니다.