Analiza systemów pomiarowych: przewodnik MSA z naciskiem na pomiary UV

Dowód zdolności systemów pomiarowych jest niezbędny do zapewnienia niezawodności i dokładności urządzeń pomiarowych. W technice pomiarów UV, zwłaszcza przy stosowaniu urządzeń do pomiaru UV, czujników UV i lamp wzorcujących, walidacja zdolności pomiarowych ma centralne znaczenie. Ogólnie analiza systemu pomiarowego (MSA) potwierdza przydatność urządzenia pomiarowego do konkretnego zadania pomiarowego.

Dowód zdolności systemów pomiarowych został pierwotnie opracowany przez przemysł motoryzacyjny. Nie istnieje jednak żadna konkretna norma definiująca te procedury. Zazwyczaj stosuje się następujące wartości i formularze.

Do dowodu zdolności wykorzystuje się różne metody statystyczne i kryteria jakości. Obejmują one ocenę powtarzalności, liniowości i stabilności urządzeń pomiarowych.

Należy zauważyć, że pojęcia capability/capable są tu używane w znaczeniu przydatności/przydatny. Oba terminy należy zatem traktować jako równoważne.

MSA analiza zdolności wyposażenia pomiarowego proponuje w tym celu trzy procedury.

• Metoda 1 bada dokładność i powtarzalność systemu pomiarowego. Do określenia dokładności lub odchylenia od wzorca wymagany jest znany wzorzec.
• Metoda 2 bada powtarzalność systemu pomiarowego, w tym wpływ operatora.
• Metoda 3 jest zazwyczaj stosowana w zautomatyzowanych systemach pomiarowych.

Analiza zdolności wyposażenia pomiarowego MSA a UV?

W praktyce regularne wzorcowanie urządzeń do pomiaru UV jest konieczne, aby zapewnić spójne wyniki pomiarów oraz uwzględnić ewentualne starzenie się i zanieczyszczenie.

Wzorce i lampy wzorcujące są dostępne w naszych laboratoriach wzorcujących, dlatego dowód zdolności można przeprowadzić jako dodatkowe badanie zgodnie z procedurą 1.

W tym przypadku dokładność jest znana z wzorcowania, a powtarzalność sprawdzana jest na przykład za pomocą 25 pomiarów.

Procedurę 2 może przeprowadzić wyłącznie sam użytkownik, ponieważ wpływu pozycjonowania urządzenia do pomiaru UV oraz operatora na powtarzalność nie można zasymulować w laboratorium.

Co więc odbywa się w procedurze MSA 1?

Ustala się, czy urządzenie pomiarowe nadaje się do zamierzonego zastosowania w warunkach eksploatacji. W praktyce metodę 1 stosuje się z wzorcem lub bez niego. Zastosowanie ze wzorcem jest korzystne, ponieważ jest on znany i stabilny pod względem czasu i temperatury.

Oceniane są dwie wartości charakterystyczne, określane jako C_gk i C_g, które porównują powtarzalność z tolerancją. Wzory są następujące:

W zarządzaniu jakością ten sam dowód nazywany jest zdolnością systemu pomiarowego: odpowiada on na pytanie, czy rozrzut przyrządu jest wystarczająco mały w stosunku do tolerancji cechy.

Oznacza to:

T = Tolerancja

x_g = Wartość średnia wartości zmierzonych przez przyrząd pomiarowy UV

x_m = wartość nominalna wzorca

s_g = Odchylenie standardowe wartości zmierzonych przez przyrząd pomiarowy UV

Jeśli z przyczyn pomiarowych nie jest dostępny żaden wzorzec, obliczenie

C_gk zostaje pominięte. W takim przypadku, za pomocą odpowiedniego obiektu pomiarowego, można wyznaczyć jedynie

powtarzalność C_g.

Jeśli istnieje wzorzec, odchylenie wartości średniej można zarejestrować jako składnik statystyczny i wyznaczyć tak zwany wskaźnik zdolności c_gk. Jeśli nie istnieje wzorzec, wskaźnik zdolności C_g jest wyznaczany wyłącznie na podstawie składnika losowego. W takim przypadku zakres rozrzutu systemu pomiarowego jest zwiększany do 4-krotnej wartości odchylenia standardowego s_g, a współczynnik wagowy dla tolerancji jest odpowiednio dostosowywany.

Wartości C_gk i C_g większe niż 1,33 wskazują, że urządzenie pomiarowe jest wystarczająco dokładne w odniesieniu do zakresu tolerancji i ma wystarczająco mały rozrzut. Wzór na C_gk i C_g można przekształcić, dzięki czemu widać, że przy C_g = 1,33 zakres rozrzutu czterech odchyleń standardowych zajmuje maksymalnie 15 % tolerancji.

Innymi czynnikami wpływającymi na jakość pomiaru są wysoka powtarzalność, spójność pomiarowa z krajowymi i międzynarodowymi wzorcami wzorcującymi oraz niska niepewność pomiaru. Wzorcowanie pozwala skorygować odchylenie urządzenia pomiarowego UV od wzorca. Dzięki temu jest ono minimalizowane.

Przykład: wartość docelowa 100 W/m² z tolerancją ± 10 W/m²

Tolerancja wynosi więc 20, a mianowicie od -10 do +10 W/m².

Zgodnie ze specyfikacją MSA urządzenie pomiarowe musi mieć rozdzielczość nieprzekraczającą 5 % określonej tolerancji (±). Jeśli więc tolerancja wynosi ±10 W/m², rozdzielczość musi wynosić co najmniej 1 W/m².

Do sprawdzenia, czy powtarzalność jest wystarczająca, wykorzystuje się obecnie około 25 pomiarów. W tym celu wartości pomiarowe powinny znajdować się w zakresie tolerancji, w przybliżeniu w pobliżu wartości docelowej. Z 25 pomiarów obliczana jest wartość średnia i odchylenie standardowe (np. w programie EXCEL =STABW.N(..)).

Przykład (bez wzorca):

Wykonano 25 pomiarów, których odchylenie standardowe wynosi 0,3 W/m².

Wskaźnik zdolności c_g w tym przykładzie wynosi: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Wartość c_g jest większa niż 1,33, a zatem dowód zdolności systemu pomiarowego uznaje się za zdany.

Mówiąc prościej, wymaganą tolerancję odnosi się do 4-krotnego odchylenia standardowego i ocenia się na tej podstawie.

Zakres pomiarowy i liniowość w MSA

Inne elementy dowodu zdolności to liniowość i stabilność.

W teście liniowości czujnik UV musi reagować liniowo w całym żądanym zakresie pomiarowym. 

W teście zdolności/liniowości rozróżnia się następujące sytuacje:

• Dowód liniowości na kilku wzorcach (np. wzorcach długości)
• Bez wzorca: liniowość jest weryfikowana odrębnie

Oprócz wzorcowań oferujemy więc badanie liniowości czujników UV w laboratorium. Wykorzystuje się do tego odbiorniki porównawcze lub metody dodawania źródła.

Podłożem jest to, że wzorcowanie jest zazwyczaj przeprowadzane w dwóch punktach: 0 oraz przy docelowym natężeniu napromienienia. Odbywa się to zgodnie z normami międzynarodowymi. Z matematycznego punktu widzenia daje to równanie z nieznaną stałą, które można rozwiązać za pomocą dwóch punktów.

W urządzeniu pomiarowym UV czułość urządzenia jest zwykle ustawiana za pomocą potencjometru rezystancyjnego lub współczynnika wzorcowania. Odpowiada to "nieznanej" stałej.

Badanie liniowości sprawdza więc to założenie w całym zakresie pomiarowym. Wykrywane są również błędy wynikające z przesunięcia zera (offset) i nasycenia.

Z przyczyn technicznych nie jesteśmy jednak w stanie dokładnie osiągnąć wszystkich punktów testowych, ponieważ większości lamp UV nie można przyciemniać bez zmiany ich widma. Z przyjemnością przedyskutujemy z Państwem odpowiedni zakres.

Stabilność i stabilność długoterminowa są ważne dla wiarygodnych pomiarów UV. Można je zapewnić i dokumentować poprzez regularne pomiary porównawcze i wzorcowania.

Podsumowując, wytyczna dotycząca "Dowodu zdolności systemów pomiarowych" opisuje ważne kroki dotyczące walidacji i zapewnienia jakości urządzeń pomiarowych. Konsekwentne stosowanie tych kroków może zapewnić wiarygodność i dokładność systemów pomiarowych UV.

Gdy urządzenie pomiarowe UV zostanie scharakteryzowane za pomocą analizy systemu pomiarowego według metody 1, inne wpływy można łatwo określić na miejscu podczas użytkowania według metody 2.

Jaka niepewność pomiaru jest wymagana do kontroli procesu UV?
Nie ma tu jednej ustalonej wartości – liczy się stosunek do tolerancji procesu. Standardową metodą jest badanie zdolności systemu pomiarowego z użyciem wskaźników Cg i Cgk: wartości od 1,33 wzwyż oznaczają, że rozrzut systemu pomiarowego jest mniejszy niż jedna czterdziesta tolerancji. Przy tolerancji ±10 % dawki zadanej odpowiada to powtarzalności znacznie poniżej jednego procenta. Należy to odróżnić od rozszerzonej niepewności pomiaru podawanej w świadectwie wzorcowania (k = 2), która wchodzi jako składnik systematyczny; w akredytowanym laboratorium wzorcującym Opsytec zgodnym z ISO 17025 wynosi ona ≥ 2,8 %. W codziennej kontroli procesu najważniejsza jest powtarzalność; dla dowodów wobec klientów i audytorów liczy się natomiast spójność pomiarowa.

Jaka jest różnica między procedurami MSA 1, 2 i 3?
Procedura 1 bada dokładność i powtarzalność samego systemu pomiarowego i wymaga do tego znanego wzorca. Procedura 2 bada powtarzalność z uwzględnieniem wpływu operatora. Procedura 3 stosowana jest zwykle do zautomatyzowanych systemów pomiarowych. W przypadku czujników UV procedurę 1 można przeprowadzić w laboratorium wzorcującym, ponieważ dostępne są tam wzorce i lampy wzorcowe. Procedurę 2 może przeprowadzić wyłącznie użytkownik: wpływu ustawienia przyrządu i operatora nie da się odtworzyć w laboratorium.

Jaka rozdzielczość jest potrzebna czujnikowi UV?
MSA wymaga rozdzielczości nieprzekraczającej 5 % zamierzonej tolerancji. Dla wartości zadanej 100 W/m² z tolerancją ±10 W/m² tolerancja wynosi 20 W/m²; przyrząd musi wówczas rozróżniać co najmniej 1 W/m². Przyrząd, który nie spełnia tego wymogu, nie przechodzi badania zdolności systemu pomiarowego niezależnie od swojej powtarzalności – rozdzielczość ogranicza to, co w ogóle można rozróżnić.

Dlaczego liniowość sprawdza się osobno?
Ponieważ wzorcowanie ustala zwykle tylko dwa punkty: zero i zadane natężenie napromienienia. Matematycznie rozwiązuje to równanie z jedną niewiadomą – czułością przyrządu, ustawianą w urządzeniu za pomocą współczynnika wzorcowania lub potencjometru regulacyjnego. Nie ustala to jednak, czy czujnik reaguje liniowo w całym zakresie pomiarowym. Sprawdzenie liniowości wypełnia tę lukę i jednocześnie ujawnia błędy przesunięcia zera oraz nasycenia; wykorzystuje się do tego w laboratorium detektory porównawcze lub metody dodawania źródeł.