Mätsystemanalys: en MSA-guide med fokus på UV-mätning

Kapacitetsbeviset för mätsystem är avgörande för att säkerställa tillförlitligheten och noggrannheten hos mätinstrument. Inom UV-mätteknik, särskilt vid användning av UV-mätinstrument, UV-sensorer och kalibreringslampor, är valideringen av mätförmågan av central betydelse. Generellt bekräftar mätsystemanalysen (MSA) lämpligheten hos ett mätinstrument för en specifik mätuppgift.

Kapacitetsbeviset för mätsystem utvecklades ursprungligen av fordonsindustrin. Det finns dock ingen specifik standard som definierar dessa förfaranden. Följande värden och formulär används vanligtvis.

Olika statistiska metoder och kvalitetskriterier används för kapacitetsbeviset. Dessa inkluderar utvärdering av repeterbarheten, linjäriteten och stabiliteten hos mätinstrumenten.

Observera att begreppen kapacitet/kapabel här används i betydelsen lämplighet/lämplig. Båda begreppen ska därför betraktas som likvärdiga.

MSA kapacitetsanalysen för mätutrustning föreslår tre förfaranden för detta ändamål.

• Metod 1 undersöker noggrannheten och repeterbarheten hos ett mätsystem. En känd standard krävs för att fastställa noggrannheten eller avvikelsen från standarden.
• Metod 2 undersöker repeterbarheten hos ett mätsystem, inklusive operatörens inflytande.
• Metod 3 används i allmänhet för automatiserade mätsystem.

Kapacitetsanalys av mätutrustning MSA och UV?

I praktiken är regelbunden kalibrering av UV-mätinstrument nödvändig för att säkerställa konsekventa mätresultat och för att ta hänsyn till eventuell åldring och kontaminering.

Standarder och kalibreringslampor finns tillgängliga i våra kalibreringslaboratorier, vilket är anledningen till att kapacitetsbeviset kan genomföras som ett ytterligare test enligt förfarande 1.

Här är noggrannheten känd från kalibreringen och repeterbarheten kontrolleras med exempelvis 25 mätningar.

Förfarande 2 kan endast genomföras av användaren själv, eftersom inflytandet från placeringen av UV-mätinstrumentet och operatören på repeterbarheten inte kan simuleras i laboratoriet.

Så vad görs i MSA-förfarande 1?

Det fastställs om ett mätinstrument är lämpligt för avsedd användning under driftförhållanden. I praktiken används metod 1 med eller utan standard. Tillämpningen med standard är fördelaktig eftersom den är känd och stabil med avseende på tid och temperatur.

Två karakteristiska värden utvärderas, som benämns C_gk och C_g och jämför repeterbarheten med toleransen. Formlerna är:

Inom kvalitetsledning kallas samma bevis mätsystemkapacitet: det besvarar frågan om instrumentets spridning är tillräckligt liten i förhållande till egenskapens tolerans.

Detta innebär:

T = Tolerans

x_g = Medelvärde av mätvärdena för UV-mätinstrumentet

x_m = nominellt värde för normalen

s_g = Standardavvikelse för mätvärdena för UV-mätinstrumentet

Om ingen normal finns tillgänglig av mättekniska skäl utgår beräkningen

av C_gk. I detta fall kan, med hjälp av ett lämpligt mätobjekt, endast

repeterbarheten C_g bestämmas.

Om ett normal finns kan avvikelsen från medelvärdet registreras som en statistisk komponent och den så kallade duglighetsparametern c_gk bestäms. Om det inte finns något normal bestäms duglighetsparametern C_g enbart utifrån den slumpmässiga komponenten. I detta fall ökas mätsystemets spridningsintervall till 4 gånger standardavvikelsen s_g och viktningsfaktorn för toleransen justeras.

C_gk-värden och C_g-värden större än 1,33 visar att mätdonet är tillräckligt noggrant i förhållande till toleransområdet och har tillräckligt låg spridning. Formeln för C_gk och C_g kan omformuleras och man kan se att vid C_g = 1,33 upptar spridningsintervallet på fyra standardavvikelser högst 15 % av toleransen.

Andra faktorer för mätningens kvalitet är hög repeterbarhet, metrologisk spårbarhet till nationella och internationella kalibreringsnormaler samt låga mätosäkerheter. Kalibrering gör det möjligt att korrigera ett UV-mätdons avvikelse från normalet, så att denna minimeras.

Exempel: Målvärde 100 W/m² med tolerans ± 10 W/m²

Toleransen är alltså 20, nämligen -10 till +10 W/m².

Enligt MSA-specifikationen måste mätdonet ha en upplösning som inte överskrider 5 % av den angivna toleransen (±). Om toleransen är ±10 W/m² måste upplösningen alltså vara minst 1 W/m².

Cirka 25 mätningar används nu för att kontrollera om repeterbarheten är tillräcklig. För detta ändamål ska mätvärdena ligga inom toleransen ungefär vid målvärdet. Medelvärdet och standardavvikelsen (t.ex. i EXCEL =STABW.N(..)) beräknas från de 25 mätningarna.

Exempel (utan normal):

25 mätningar tas, som har en standardavvikelse på 0,3 W/m².

Duglighetsparametern c_g i exemplet är: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Värdet c_g är större än 1,33 och därmed anses dugligheten för mätsystemet vara godkänd.

Enkelt uttryckt sätts den erforderliga toleransen i förhållande till 4 gånger standardavvikelsen och utvärderas.

Mätområde och linjäritet för MSA

Andra element i duglighetsbeviset är linjäritet och stabilitet.

För linjäritetstestet måste UV-sensorn svara linjärt över det önskade mätområdet. 

Vid ett duglighets-/linjäritetstest görs en åtskillnad mellan följande situationer:

• Bevis på linjäritet med flera normaler (t.ex. längdnormaler)
• Utan normal: linjäriteten verifieras separat

Utöver kalibreringar erbjuder vi därför linjäritetstestning av UV-sensorer i laboratoriet. Jämförelsemottagare eller källtilläggsmetoder används för detta.

Bakgrunden till detta är att kalibrering vanligtvis utförs vid två punkter: 0 och vid målirradiansen. Detta görs enligt internationella standarder. Ur ett matematiskt perspektiv resulterar detta i en ekvation med en okänd konstant som kan lösas med två punkter.

I UV-mätdonet ställs enhetens känslighet vanligtvis in via en resistanspotentiometer eller en kalibreringsfaktor. Detta motsvarar en "okänd" konstant.

Linjäritetskontrollen kontrollerar därför detta antagande inom mätområdet. Fel på grund av offset och mättning upptäcks också.

Av tekniska skäl kan vi dock inte träffa alla testpunkter exakt, eftersom de flesta UV-lampor inte kan dimmas utan att deras spektrum ändras. Vi diskuterar gärna omfattningen med dig.

Stabilitet och långtidsstabilitet är viktiga för tillförlitliga UV-mätningar. Dessa kan säkerställas och dokumenteras genom regelbundna jämförande mätningar och kalibreringar.

Sammanfattningsvis beskriver riktlinjen om "duglighetsbevis för mätsystem" viktiga steg för validering och kvalitetssäkring av mätdon. Konsekvent tillämpning av dessa steg kan säkerställa tillförlitligheten och noggrannheten hos UV-mätsystem.

När UV-mätdonet har karaktäriserats med hjälp av en mätsystemanalys enligt metod 1 kan andra påverkningar lätt fastställas på plats vid användning enligt metod 2.

Vilken mätosäkerhet krävs för UV-processtyrning?
Det finns inget fast värde – det som är avgörande är förhållandet till processtoleransen. Det vanliga tillvägagångssättet är duglighetsstudien med Cg och Cgk: värden från 1,33 och uppåt innebär att mätsystemet sprider mindre än en fyrtiondel av toleransen. För en tolerans på ±10 % av måldosen motsvarar detta en repeterbarhet väl under en procent. Detta måste hållas isär från den utökade mätosäkerheten som anges i kalibreringscertifikatet (k = 2), som ingår som ett systematiskt bidrag; i Opsytecs ISO 17025-ackrediterade kalibreringslaboratorium är den ≥ 2,8 %. För den dagliga processtyrningen är repeterbarheten viktigast; för bevisföring gentemot kunder och revisorer är det spårbarheten.

Vad är skillnaden mellan MSA-förfarande 1, 2 och 3?
Förfarande 1 undersöker mätsystemets noggrannhet och repeterbarhet på egen hand och kräver en känd standard för detta. Förfarande 2 undersöker repeterbarhet inklusive operatörens inverkan. Förfarande 3 tillämpas generellt på automatiserade mätsystem. För UV-mätinstrument kan förfarande 1 utföras i kalibreringslaboratoriet, eftersom standarder och kalibreringslampor finns tillgängliga där. Förfarande 2 kan endast utföras av användaren: inverkan av instrumentets placering och av operatören kan inte reproduceras i laboratoriet.

Vilken upplösning behöver ett UV-mätinstrument?
MSA kräver en upplösning som inte överstiger 5 % av den avsedda toleransen. För ett målvärde på 100 W/m² med en tolerans på ±10 W/m² är toleransen 20 W/m²; instrumentet måste då kunna upplösa minst 1 W/m². Ett instrument som inte uppfyller detta krav underkänns i duglighetsstudien oavsett dess repeterbarhet – upplösningen begränsar vad som överhuvudtaget kan urskiljas.

Varför verifieras linearitet separat?
Eftersom kalibreringen normalt endast fastställer två punkter: noll och den avsedda irradiansen. Matematiskt löser detta en ekvation med en okänd – instrumentets responsivitet, som ställs in i instrumentet via en kalibreringsfaktor eller en trimpotentiometer. Huruvida sensorn svarar linjärt över hela mätområdet fastställs inte genom detta. Linearitetskontrollen sluter denna lucka och avslöjar samtidigt offset- och mättnadsfel; jämförelsedetektorer eller källadditionsmetoder används för detta i laboratoriet.