Meetsysteemanalyse: een MSA-gids met de focus op UV-meting

Het bewijs van de bekwaamheid van meetsystemen is essentieel om de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van meetapparaten te waarborgen. In de UV-meettechniek, met name bij het gebruik van UV-meetapparaten, UV-sensoren en kalibratielampen, is de validatie van meetcapaciteiten van centraal belang. Over het algemeen bevestigt de meetsysteemanalyse (MSA) de geschiktheid van een meetapparaat voor een specifieke meettaak.

Het bewijs van de bekwaamheid van meetsystemen is oorspronkelijk ontwikkeld door de automobielindustrie. Er bestaat echter geen specifieke norm die deze procedures definieert. Doorgaans worden de volgende waarden en formulieren gebruikt.

Voor het bewijs van bekwaamheid worden verschillende statistische methoden en kwaliteitscriteria gebruikt. Deze omvatten de beoordeling van de herhaalbaarheid, lineariteit en stabiliteit van de meetapparaten.

Let op: de termen bekwaamheid/bekwaam worden hier gebruikt in de betekenis van geschiktheid/geschikt. Beide termen dienen dan ook als gelijkwaardig te worden beschouwd.

De MSA capaciteitsanalyse van meetapparatuur stelt hiervoor drie procedures voor.

• Methode 1 onderzoekt de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van een meetsysteem. Er is een bekende standaard nodig om de nauwkeurigheid of afwijking van de standaard te bepalen.
• Methode 2 onderzoekt de herhaalbaarheid van een meetsysteem, inclusief de invloed van de operator.
• Methode 3 wordt over het algemeen gebruikt voor geautomatiseerde meetsystemen.

Capaciteitsanalyse van meetapparatuur MSA en UV?

In de praktijk is regelmatige kalibratie van UV-meetapparaten noodzakelijk om consistente meetresultaten te waarborgen en om mogelijke veroudering en verontreiniging in aanmerking te nemen.

Standaarden en kalibratielampen zijn beschikbaar in onze kalibratielaboratoria, waardoor het bewijs van bekwaamheid kan worden uitgevoerd als een extra test volgens procedure 1.

Hierbij is de nauwkeurigheid bekend uit de kalibratie en wordt de herhaalbaarheid gecontroleerd aan de hand van bijvoorbeeld 25 metingen.

Procedure 2 kan alleen door de gebruiker zelf worden uitgevoerd, omdat de invloed van de positionering van het UV-meetapparaat en de operator op de herhaalbaarheid niet in het laboratorium kan worden gesimuleerd.

Wat gebeurt er dus in MSA-procedure 1?

Er wordt bepaald of een meetapparaat geschikt is voor het beoogde gebruik onder bedrijfsomstandigheden. In de praktijk wordt methode 1 gebruikt met of zonder standaard. De toepassing met standaard is voordelig, omdat deze bekend en stabiel is in tijd en temperatuur.

Er worden twee kenmerkende waarden beoordeeld, aangeduid als C_gk en C_g, die de herhaalbaarheid vergelijken met de tolerantie. De formules zijn:

In het kwaliteitsmanagement wordt hetzelfde bewijs meetsysteemcapaciteit genoemd: het geeft antwoord op de vraag of de spreiding van het instrument klein genoeg is ten opzichte van de tolerantie van het kenmerk.

Dit betekent:

T = Tolerantie

x_g = Gemiddelde waarde van de meetwaarden van het UV-meetapparaat

x_m = nominale waarde van de standaard

s_g = Standaardafwijking van de meetwaarden van het UV-meetapparaat

Als er om meettechnische redenen geen standaard beschikbaar is, wordt de berekening

van C_gk weggelaten. In dat geval kan met behulp van een geschikt meetobject alleen de

herhaalbaarheid C_g worden bepaald.

Indien er een normaal aanwezig is, kan de afwijking van de gemiddelde waarde als statistische component worden geregistreerd en wordt de zogenaamde bekwaamheidsparameter c_gk bepaald. Als er geen normaal is, wordt de bekwaamheidsparameter C_g puur op basis van de toevallige component bepaald. In dit geval wordt de spreidingsbreedte van het meetsysteem verhoogd tot 4 maal de standaardafwijking s_g en wordt de wegingsfactor voor de tolerantie aangepast.

C_gk-waarden en C_g-waarden groter dan 1,33 geven aan dat het meetinstrument voldoende nauwkeurig is ten opzichte van het tolerantiegebied en een voldoende lage spreiding heeft. De formule voor C_gk en C_g kan worden herschikt, waaruit blijkt dat bij C_g = 1,33 de spreidingsbreedte van vier standaardafwijkingen maximaal 15 % van de tolerantie in beslag neemt.

Andere factoren voor de kwaliteit van een meting zijn onder andere een hoge herhaalbaarheid, herleidbaarheid naar nationale en internationale kalibratienormalen en lage meetonzekerheden. Kalibratie maakt het mogelijk de afwijking van een UV-meetinstrument ten opzichte van het normaal te corrigeren. Zodat deze wordt geminimaliseerd.

Voorbeeld: streefwaarde 100 W/m² met tolerantie ± 10 W/m²

De tolerantie is dus 20, namelijk -10 tot +10 W/m².

Volgens de MSA-specificatie moet het meetinstrument een resolutie hebben die niet meer dan 5 % van de opgegeven tolerantie (±) bedraagt. Als de tolerantie dus ±10 W/m² is, moet de resolutie minstens 1 W/m² zijn.

Er worden nu ongeveer 25 metingen gebruikt om te controleren of de herhaalbaarheid voldoende is. Hiervoor moeten de gemeten waarden binnen de tolerantie ongeveer bij de streefwaarde liggen. De gemiddelde waarde en de standaardafwijking (bijv. in EXCEL =STDEV.P(..)) worden berekend uit de 25 metingen.

Voorbeeld (zonder normaal):

Er worden 25 metingen genomen, met een standaardafwijking van 0,3 W/m².

De bekwaamheidsparameter c_g in het voorbeeld is: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

De waarde c_g is groter dan 1,33 en daarom wordt het bewijs van bekwaamheid van het meetsysteem als geslaagd beschouwd.

Eenvoudig gezegd wordt de vereiste tolerantie in verhouding tot de 4-voudige standaardafwijking gesteld en beoordeeld.

Meetbereik en lineariteit voor de MSA

Andere elementen van het bewijs van bekwaamheid zijn lineariteit en stabiliteit.

Voor de linearitetstest moet de UV-sensor lineair reageren over het gewenste meetbereik. 

Bij een bekwaamheids-/linearitetstest wordt onderscheid gemaakt tussen de volgende situaties:

• Bewijs van lineariteit op meerdere normalen (bijv. lengtenormalen)
• Zonder normaal: lineariteit wordt afzonderlijk gecontroleerd

Naast kalibraties bieden wij daarom ook linearitetstests van UV-sensoren in het laboratorium aan. Hiervoor worden vergelijkingsontvangers of bronadditiemethoden gebruikt.

De achtergrond hiervan is dat kalibratie meestal op twee punten wordt uitgevoerd: 0 en bij de streefbestralingssterkte. Dit gebeurt volgens internationale normen. Wiskundig gezien resulteert dit in een vergelijking met een onbekende constante die door twee punten kan worden opgelost.

In het UV-meetinstrument wordt de gevoeligheid van het apparaat meestal ingesteld via een weerstandspotentiometer of een kalibratiefactor. Dit komt overeen met een "onbekende" constante.

De linearitetscontrole toetst dus deze veronderstelling in het meetbereik. Fouten door offset en verzadiging worden ook gedetecteerd.

Om technische redenen kunnen wij echter niet alle testpunten exact realiseren, omdat de meeste UV-lampen niet kunnen worden gedimd zonder hun spectrum te veranderen. Wij bespreken graag het bereik met u.

Stabiliteit en langetermijnstabiliteit zijn belangrijk voor betrouwbare UV-metingen. Deze kunnen worden gewaarborgd en gedocumenteerd door regelmatige vergelijkende metingen en kalibraties.

Samenvattend beschrijft de richtlijn over het "bewijs van bekwaamheid van meetsystemen" belangrijke stappen voor de validatie en kwaliteitsborging van meetinstrumenten. Consequente toepassing van deze stappen kan de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van UV-meetsystemen waarborgen.

Zodra het UV-meetinstrument is gekarakteriseerd door middel van een meetsysteemanalyse volgens methode 1, kunnen andere invloeden tijdens het gebruik ter plaatse eenvoudig worden bepaald volgens methode 2.

Welke meetonzekerheid is vereist voor UV-procesbewaking?
Er is geen vast cijfer – wat telt, is de verhouding tot de procestolerantie. De gebruikelijke methode is de capability study met Cg en Cgk: waarden vanaf 1,33 betekenen dat het meetsysteem minder dan een veertigste van de tolerantie spreidt. Bij een tolerantie van ±10 % van de streefdosis komt dat overeen met een herhaalbaarheid van ruim onder één procent. Dit moet worden onderscheiden van de uitgebreide meetonzekerheid die op het kalibratiecertificaat staat (k = 2), die als systematische bijdrage geldt; in het volgens ISO 17025 geaccrediteerde kalibratielaboratorium van Opsytec is deze ≥ 2,8 %. Voor de dagelijkse procesbewaking telt vooral de herhaalbaarheid; voor het bewijs richting klanten en auditors telt de metrologische herleidbaarheid.

Wat is het verschil tussen MSA-procedures 1, 2 en 3?
Procedure 1 onderzoekt de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van het meetsysteem op zichzelf en vereist daarvoor een bekende standaard. Procedure 2 onderzoekt de herhaalbaarheid inclusief de invloed van de operator. Procedure 3 wordt in het algemeen toegepast op geautomatiseerde meetsystemen. Voor UV-meetapparaten kan procedure 1 in het kalibratielaboratorium worden uitgevoerd, omdat daar standaarden en kalibratielampen beschikbaar zijn. Procedure 2 kan alleen door de gebruiker worden uitgevoerd: de invloed van de positionering van het instrument en van de operator kan in het laboratorium niet worden nagebootst.

Welke resolutie heeft een UV-meetapparaat nodig?
De MSA vereist een resolutie die niet meer dan 5 % van de beoogde tolerantie bedraagt. Bij een streefwaarde van 100 W/m² met een tolerantie van ±10 W/m² is de tolerantie 20 W/m²; het apparaat moet dan ten minste 1 W/m² kunnen onderscheiden. Een instrument dat niet aan deze eis voldoet, faalt de capability study, ongeacht de herhaalbaarheid – de resolutie bepaalt wat er überhaupt kan worden onderscheiden.

Waarom wordt de lineariteit apart gecontroleerd?
Omdat bij kalibratie normaal gesproken slechts twee punten worden vastgelegd: nul en de streefbestralingssterkte. Wiskundig gezien wordt daarmee een vergelijking met één onbekende opgelost – de gevoeligheid van het apparaat, die in het instrument wordt ingesteld via een kalibratiefactor of een trimpotentiometer. Of de sensor over het volledige meetbereik lineair reageert, wordt hiermee niet vastgesteld. De lineariteitscontrole dicht deze lacune en brengt tevens offset- en verzadigingsfouten aan het licht; hiervoor worden in het laboratorium vergelijkingsdetectoren of methoden met bronoptelling gebruikt.