Målesystemanalyse: En MSA-guide med fokus på UV-måling

Dokumentasjon av målesystemers kapabilitet er avgjørende for å sikre påliteligheten og nøyaktigheten til måleinstrumenter. Innen UV-måleteknologi, spesielt ved bruk av UV-måleinstrumenter, UV-sensorer og kalibreringslamper, er valideringen av målekapabiliteten av sentral betydning. Generelt bekrefter målesystemanalysen (MSA) egnetheten til et måleinstrument for en bestemt måleoppgave.

Dokumentasjonen av kapabiliteten til målesystemer ble opprinnelig utviklet av bilindustrien. Det finnes imidlertid ingen spesifikk standard som definerer disse prosedyrene. Følgende verdier og former brukes vanligvis.

Ulike statistiske metoder og kvalitetskriterier brukes for å dokumentere kapabiliteten. Disse inkluderer evaluering av repeterbarheten, linearitet og stabilitet til måleinstrumentene.

Merk at begrepene kapabilitet/kapabel her brukes i betydningen egnethet/egnet. Begge begrepene skal derfor betraktes som likeverdige.

MSA kapabilitetsanalysen for måleutstyr foreslår tre prosedyrer for dette formålet.

• Metode 1 undersøker nøyaktigheten og repeterbarheten til et målesystem. En kjent standard er nødvendig for å bestemme nøyaktigheten eller avviket fra standarden.
• Metode 2 undersøker repeterbarheten til et målesystem, inkludert operatørens innflytelse.
• Metode 3 brukes generelt for automatiserte målesystemer.

Kapabilitetsanalyse for måleutstyr MSA og UV?

I praksis er regelmessig kalibrering av UV-måleinstrumenter nødvendig for å sikre konsistente måleresultater og for å ta hensyn til mulig aldring og forurensning.

Standarder og kalibreringslamper er tilgjengelige i kalibreringslaboratoriene våre, og derfor kan kapabilitetsdokumentasjonen utføres som en tilleggstest i henhold til prosedyre 1.

Her er nøyaktigheten kjent fra kalibreringen, og repeterbarheten kontrolleres for eksempel ved hjelp av 25 målinger.

Prosedyre 2 kan bare utføres av brukeren selv, siden innflytelsen av plasseringen av UV-måleinstrumentet og operatøren på repeterbarheten ikke kan simuleres i laboratoriet.

Så hva gjøres i MSA-prosedyre 1?

Det fastslås om et måleinstrument er egnet for den tiltenkte bruken under driftsforhold. I praksis brukes metode 1 med eller uten en standard. Anvendelsen med standard er fordelaktig, ettersom den er kjent og stabil med hensyn til tid og temperatur.

Det evalueres to karakteristiske verdier, som betegnes som C_gk og C_g og sammenligner repeterbarheten med toleransen. Formlene er:

I kvalitetsledelse kalles den samme dokumentasjonen målesystemkapabilitet: den svarer på om instrumentets spredning er liten nok i forhold til toleransen til egenskapen.

Dette betyr:

T = Toleranse

x_g = Gjennomsnittsverdi av måleverdiene til UV-måleinstrumentet

x_m = nominell verdi for standarden

s_g = Standardavvik for måleverdiene til UV-måleinstrumentet

Hvis det av målingstekniske årsaker ikke finnes noen standard tilgjengelig, utelates beregningen

av C_gk. I dette tilfellet kan kun

repeterbarheten C_g bestemmes ved hjelp av et egnet måleobjekt.

Hvis en normal finnes, kan avviket fra middelverdien registreres som en statistisk komponent, og den såkalte kapabilitetsparameteren c_gk bestemmes. Hvis det ikke finnes noen normal, bestemmes kapabilitetsparameteren C_g rent ut fra den tilfeldige komponenten. I dette tilfellet økes spredningsområdet for målesystemet til 4 ganger standardavviket s_g, og vektingsfaktoren for toleransen justeres.

C_gk-verdier og C_g-verdier større enn 1,33 indikerer at måleinstrumentet er tilstrekkelig nøyaktig i forhold til toleranseområdet og har tilstrekkelig lav spredning. Formelen for C_gk og C_g kan omformes, og man kan se at ved C_g = 1,33 opptar spredningsområdet på fire standardavvik maksimalt 15 % av toleransen.

Andre faktorer for kvaliteten på en måling omfatter høy repeterbarhet, metrologisk sporbarhet til nasjonale og internasjonale kalibreringsstandarder samt lave målingsusikkerheter. Kalibrering gjør det mulig å korrigere avviket til et UV-måleinstrument fra standarden. Slik at dette minimeres.

Eksempel: Målverdi 100 W/m² med toleranse ± 10 W/m²

Toleransen er derfor 20, nemlig -10 til +10 W/m².

I henhold til MSA-spesifikasjonen må måleinstrumentet ha en oppløsning som ikke overskrider 5 % av den angitte toleransen (±). Hvis toleransen er ±10 W/m², må oppløsningen derfor være minst 1 W/m².

Ca. 25 målinger brukes nå for å kontrollere om repeterbarheten er tilstrekkelig. For dette formålet bør de målte verdiene ligge innenfor toleransen, tilnærmet ved målverdien. Middelverdien og standardavviket (f.eks. i EXCEL =STABW.N(..)) beregnes fra de 25 målingene.

Eksempel (uten normal):

25 målinger tas, som har et standardavvik på 0,3 W/m².

Kapabilitetsparameteren c_g i eksemplet er: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Verdien c_g er større enn 1,33, og dermed anses kapabilitetsbeviset for målesystemet som bestått.

Enkelt sagt settes den nødvendige toleransen i forhold til 4 ganger standardavviket og evalueres.

Måleområde og linearitet for MSA

Andre elementer i kapabilitetsbeviset er linearitet og stabilitet.

For linearitetstesten må UV-sensoren respondere lineært over det ønskede måleområdet. 

I en kapabilitets-/linearitetstest skilles det mellom følgende situasjoner:

• Bevis for linearitet på flere normaler (f.eks. lengdenormaler)
• Uten normal: linearitet verifiseres separat

I tillegg til kalibreringer tilbyr vi derfor linearitetstesting av UV-sensorer i laboratoriet. Sammenligningsmottakere eller kildetilleggsmetoder brukes til dette.

Bakgrunnen for dette er at kalibrering vanligvis utføres på to punkter: 0 og ved målirradiansen. Dette gjøres i henhold til internasjonale standarder. Fra et matematisk synspunkt resulterer dette i en likning med en ukjent konstant som kan løses med to punkter.

I UV-måleinstrumentet stilles enhetens følsomhet vanligvis via et motstandspotensiometer eller en kalibreringsfaktor. Dette svarer til en "ukjent" konstant.

Linearitetskontrollen kontrollerer derfor denne antagelsen i måleområdet. Feil på grunn av offset og metning oppdages også.

Av tekniske grunner kan vi imidlertid ikke treffe alle testpunkter eksakt, ettersom de fleste UV-lamper ikke kan dimmes uten at spekteret endres. Vi diskuterer gjerne området med deg.

Stabilitet og langtidsstabilitet er viktig for pålitelige UV-målinger. Disse kan sikres og dokumenteres gjennom regelmessige sammenligningsmålinger og kalibreringer.

Oppsummert beskriver retningslinjen for "Kapabilitetsbevis for målesystemer" viktige steg for validering og kvalitetssikring av måleinstrumenter. Konsekvent anvendelse av disse stegene kan sikre påliteligheten og nøyaktigheten til UV-målesystemer.

Når UV-måleinstrumentet er karakterisert ved hjelp av en målesystemanalyse i henhold til metode 1, kan andre påvirkninger enkelt bestemmes på stedet under bruk i henhold til metode 2.

Hvilken måleusikkerhet kreves for UV-prosesskontroll?
Det finnes ikke noe fast tall – det som betyr noe, er forholdet til prosesstoleransen. Den vanlige fremgangsmåten er kapabilitetsstudien med Cg og Cgk: verdier fra 1,33 og oppover betyr at målesystemet sprer seg med mindre enn en førtidel av toleransen. For en toleranse på ±10 % av måldosen tilsvarer dette en repeterbarhet godt under én prosent. Dette må holdes atskilt fra den utvidede måleusikkerheten som er angitt i kalibreringssertifikatet (k = 2), som inngår som et systematisk bidrag; i Opsytecs ISO 17025-akkrediterte kalibreringslaboratorium er den ≥ 2,8 %. For den daglige prosesskontrollen er repeterbarhet viktigst; for dokumentasjon overfor kunder og revisorer er det den metrologiske sporbarheten som teller.

Hva er forskjellen mellom MSA-prosedyre 1, 2 og 3?
Prosedyre 1 undersøker nøyaktigheten og repeterbarheten til målesystemet alene, og krever en kjent standard til dette. Prosedyre 2 undersøker repeterbarhet inkludert påvirkningen fra operatøren. Prosedyre 3 brukes vanligvis for automatiserte målesystemer. For UV-måleinstrumenter kan prosedyre 1 gjennomføres i kalibreringslaboratoriet, fordi standarder og kalibreringslamper er tilgjengelige der. Prosedyre 2 kan bare gjennomføres av brukeren: påvirkningen fra instrumentplassering og operatør kan ikke reproduseres i laboratoriet.

Hvilken oppløsning trenger et UV-måleinstrument?
MSA krever en oppløsning som ikke overstiger 5 % av den tiltenkte toleransen. For en målverdi på 100 W/m² med en toleranse på ±10 W/m² er toleransen 20 W/m²; instrumentet må da kunne oppløse minst 1 W/m². Et instrument som ikke oppfyller dette kravet, stryker i kapabilitetsstudien uansett repeterbarhet – oppløsningen setter grensen for hva som i det hele tatt kan skilles fra hverandre.

Hvorfor verifiseres linearitet separat?
Fordi kalibrering vanligvis kun fastsetter to punkter: null og målirradiansen. Matematisk løser dette en ligning med én ukjent – instrumentets følsomhet, som stilles inn i apparatet via en kalibreringsfaktor eller et trimmepotensiometer. Om sensoren responderer lineært over hele måleområdet, fastslås ikke av dette. Linearitetskontrollen lukker dette gapet og avslører samtidig offset- og metningsfeil; til dette brukes sammenligningsdetektorer eller kildeadderingsmetoder i laboratoriet.