Správně interpretovat výkonové údaje a specifikace

Obrázek 1. Opakovatelnost

Obrázek 2. Přenosová funkce

Obrázek 3. Nelinearita

Obrázek 4. Hystereze

Obrázek 5: Porovnání údajů o přesnosti v specifikacích tří výrobců vysoce přesného měřiče vlhkosti.

Glosář

Jakost měřicího přístroje se často zjednodušuje na jednoduchou otázku:  Jak přesné je měření? Ačkoliv se tato otázka může zdát jednoduchá, není vždy tak snadné na ni odpovědět. Pro výběr nejvhodnějšího měřicího přístroje je totiž nutné znát faktory, které přispívají k nejistotě měření. Pouze tak je možné pochopit, co říkají specifikace – a co ne.

Výkon měření se určuje podle jeho dynamiky (měřicí rozsah, odezva), přesnosti (opakovanost, preciznost a citlivost) a stability (odolnost proti opotřebení, použití za extrémních podmínek prostředí). Přesnost je často považována za nejdůležitější vlastnost, zároveň však patří mezi vlastnosti, které jsou nejhůře specifikovatelné.

Citlivost a přesnost

Změna hodnoty výstupní veličiny měřicího přístroje vzhledem ke změně referenční hodnoty se označuje jako citlivost. V teorii je tento poměr dokonale lineární. V praxi však všechny měření vykazují určité nedokonalosti či nejistoty.

Často se shoda mezi naměřenou hodnotou a referenční hodnotou označuje jednoduše jako „přesnost“, ale je to poněkud vágní výraz. Specifikovaná přesnost obvykle zahrnuje opakovatelnost, tedy schopnost přístroje poskytnout stejný výsledek při opakovaném měření za konstantních podmínek (obr. 1). Mohou však být zahrnuty i hystereze, závislost na teplotě, nelinearita a dlouhodobá stabilita. Pouze opakovatelnost je obvykle méně významným zdrojem nejistoty měření. Pokud specifikace přesnosti neuvádí jiné nejistoty, může vytvářet mylný dojem o skutečném výkonu měření.

Poměr mezi naměřenými hodnotami a známou referenční hodnotou se často označuje jako přenosová funkce (obr. 2). Při kalibraci měření se tento poměr jemně nastaví na základě známé kalibrační referenční hodnoty. V ideálním případě je přenosová funkce přes celý měřicí rozsah dokonale lineární. V praxi však dochází k změnám citlivosti v závislosti na měřicí velikosti, což se často označuje jako nelinearita (obr. 3). Tento efekt se zesiluje na horních a dolních hranicích (extremách) měřicího rozsahu. Proto je vhodné zkontrolovat, zda specifikace přesnosti zohledňuje nelinearitu a zda je přesnost uvedena pro celý měřicí rozsah. Pokud ne, je vhodné být skeptický k přesnosti v oblasti extrem.

Hystereze je změna citlivosti měřicího přístroje v závislosti na směru změny měřicí veličiny (obr. 4). To může být důležitým zdrojem nejistoty při měření vlhkosti, pokud je přístroj vyroben z materiálů s výraznou vazbou na molekuly vody. Pokud specifikace přesnosti neuvádí žádné informace o zohlednění hystereze, zůstává tento zdroj nejistoty nejasný. Pokud kalibrační sekvence probíhá pouze jedním směrem, je efekt hystereze při kalibraci maskován. Pokud ve specifikaci chybí údaje o hysterezi, není možné určit míru hystereze v měření. Tenkovrstvé polymerové senzory od Vaisala vykazují zanedbatelnou hysterezi, která je vždy zahrnuta ve specifikované přesnosti.

Podmínky prostředí, jako je teplota a tlak, rovněž ovlivňují přesnost měření. Pokud není závislost na teplotě specifikována a provozní teplota se výrazně mění, může to v krajním případě snížit opakovatelnost. Specifikace může odkazovat na celý provozní teplotní rozsah nebo jen na určitý, omezený či „typický“ rozsah. Takové specifikace nezohledňují jiné teplotní oblasti.

Stabilita a selektivita

Citlivost měřicího přístroje se může časem měnit vlivem stárnutí. Tento efekt je někdy zesílen působením chemikálií. Pokud není uvedena dlouhodobá stabilita nebo pokud výrobce nemůže poskytnout doporučení ohledně průměrného kalibračního intervalu, platí, že specifikace se vztahuje pouze na přesnost v okamžiku kalibrace. Pomale změny citlivosti (občas nazývané drift) jsou nebezpečné, protože jsou často téměř nepostřehnutelné a mohou způsobit skryté problémy v regulačních systémech. Selekčnost je definována jako odolnost měřicího přístroje vůči změnám způsobeným jinými faktory než skutečnou měřenou veličinou. Například při měření vlhkosti v atmosféře obsahující určité chemikálie mohou tyto chemikálie ovlivnit výsledek měření. Tento efekt může být reverzibilní nebo ireverzibilní. Reakce na určité chemikálie je někdy extrémně pomalá a tato křížová citlivost může být snadno zaměněna s drift. Přístroj s dobrou selektivitou na změny, které nesouvisejí s skutečnou měřenou hodnotou, na tyto změny nereaguje.

Kalibrace a nejistota

Pokud měření odchází od referenční hodnoty, lze citlivost přístroje upravit. Tento proces se nazývá seřízení. Seřízení prováděné na jednom bodě se označuje jako korekce offsetu: dvoubodové seřízení je lineární korekce offsetu a zisku (citlivosti). Pokud je třeba seřídit měření na více bodech, může to naznačovat nedokonalost linearity měření, kterou je třeba vyrovnat pomocí nelineárních korekcí s více body. Pokud se seřizovací body shodují s kalibračními body, zůstává kvalita měření mezi těmito body nezjištěná.

Po seřízení je přístroj kalibrován, aby se ověřila jeho přesnost. Kalibrace, která se občas zaměňuje se seřízením, je porovnání měřené hodnoty s známou referenční hodnotou, označovanou jako pracovní standard. Pracovní standard je prvním článkem v řetězci zpětné dohledatelnosti, který zahrnuje sekvenci kalibrací a referencí až k primárnímu standardu. Některé přístroje kalibrované podle určité hodnoty mohou být přesné vůči sobě navzájem (vysoká přesnost), ale pokud není uvedena nejistota kalibrace, nelze ověřit absolutní přesnost vzhledem k primárnímu standardu. Zpětná dohledatelnost kalibrace znamená, že řetězec měření, referencí a s tím souvisejících nejistot je známý a odborně zdokumentovaný od primárního standardu. Tím lze vypočítat nejistotu kalibrační referenční hodnoty a určit přesnost přístroje.

Co znamená „dostatečná přesnost“?

Při výběru měřicího přístroje je třeba zohlednit požadovanou přesnost. U standardního větracího systému, který například reguluje relativní vlhkost pro příjemnou obytnou klimu, je pravděpodobně dostačující tolerance ±5 % rF. U aplikací, jako je řízení chladicí věže, je však požadována přesnější regulace s přísnějšími limity pro zvýšení provozní efektivity.

Pokud je měřená hodnota používána jako řídicí signál, jsou důležité opakovatelnost a dlouhodobá stabilita (přesnost), zatímco absolutní přesnost vůči zpětně dohledatelné referenční hodnotě je méně důležitá. To platí zejména u dynamického procesu, kde jsou velké variace teploty a vlhkosti, a kde hraje klíčovou roli stabilita měření, nikoliv jeho absolutní přesnost.

Naopak, pokud se například měřením ověřuje, zda jsou testovací podmínky v laboratoři srovnatelné s jinými laboratořemi, jsou absolutní přesnost a zpětná dohledatelnost kalibrace zásadní. Příkladem takové požadované přesnosti je norma TAPPI/ANSI T402 „Standardní podmínky a atmosféry pro zkoušení papíru, lepenek, buničiny a souvisejících výrobků“, která stanoví hodnoty testovacích podmínek v papírenské laboratoři na 23 ±1 °C a 50 ±2 % rF. Pokud by specifikovaná přesnost měření byla ± 1,5 % rF, ale nejistota kalibrace ± 1,6 % rF, celková nejistota vzhledem k primárnímu standardu by byla mimo specifikaci. Analýzy – závislé na okolní vlhkosti v testovacím zařízení – by tak nebyly srovnatelné. Potvrzení, že analýzy byly provedeny za standardních podmínek, by v takovém případě nebylo možné.

Specifikace přesnosti bez informací o nejistotě kalibrační referenční hodnoty znamená, že absolutní přesnost přístroje je neurčitá.

Je samozřejmostí společnosti Vaisala poskytovat profesionální a kompletní specifikace založené na mezinárodních normách, vědeckých testovacích metodách a empirických datech. Díky tomu mohou naši zákazníci při výběru vhodných produktů čerpat z komplexních a spolehlivých informací.

Kontrolní seznam pro výběr měřicího přístroje

- Zahrnuje specifikovaná přesnost všechny potenciální nejistoty: opakovatelnost, nelinearitu, hysterezi a dlouhodobou stabilitu?
- Odvolává se specifikovaná přesnost na celý měřicí rozsah, nebo je specifikace omezena na určitý rozsah? Je v specifikaci uvedena závislost na teplotě a je teplotní rozsah definován?
- Může výrobce předložit odpovídající kalibrační certifikát? Obsahuje certifikát informace o kalibrační metodě, použitých referenčních hodnotách a odborně vypočtené nejistotě referenční hodnoty? Obsahuje certifikát více než jeden nebo dva kalibrační body a pokrývá celý měřicí rozsah?
- Je poskytnuto doporučení pro kalibrační interval a je dlouhodobá stabilita zahrnuta ve specifikaci přesnosti? Jaké míře selektivity je třeba v plánovaném provozním prostředí? Může výrobce poskytnout informace nebo odkazy týkající se vhodnosti přístroje pro zamýšlené prostředí a použití?