Teljesítmény és specifikációk helyes értelmezése

Ábra. 1. Ismételhetőség

Ábra 2. Átviteli függvény

Ábra. 3. Nemlinearitás

Ábra. 4. Histerézis

Ábra. 5: Összehasonlítás a három gyártó magas pontosságú páratartalom-mérő specifikációiban szereplő pontossági adatok között.

Gyakorlati fogalomjegyzék

A mérőeszköz minőségét gyakran egy egyszerű kérdésre redukálják:  Mennyire pontos a mérés? Bár ez a kérdés egyszerűnek tűnhet, nem mindig könnyű rá a választ adni. A legalkalmasabb mérőeszköz kiválasztásához ugyanis ismerni kell azokat a tényezőket, amelyek a mérés bizonytalanságához hozzájárulnak. Csak így érthetjük meg, mit mondanak a specifikációk – és mit nem.

A mérési teljesítményt a dinamikája (mérési tartomány, reagálási idő), pontossága (ismételhetőség, precizitás és érzékenység) és stabilitása (kopásállóság, extrém környezeti feltételek közötti használat) határozza meg. A pontosság gyakran a legfontosabb tulajdonságnak számít, ugyanakkor a legnehezebben meghatározható jellemzők közé tartozik.

Érzékenység és pontosság

A mérőeszköz kimeneti értékének változása a referenciaérték változásához viszonyítva az érzékenységnek nevezik. Elméletben ez az arány tökéletesen lineáris. A gyakorlatban azonban minden mérés bizonyos tökéletlenségekkel vagy bizonytalanságokkal jár.

Gyakran a mérési érték és a referenciaérték egyezését egyszerűen „pontosságnak” nevezik, de ez egy kissé bizonytalan kifejezés. A meghatározott pontosság általában az ismételhetőséget foglalja magában, vagyis az eszköz képességét arra, hogy ugyanazon körülmények között ismételten ugyanazt az eredményt adja (1. ábra). Ugyanakkor tartalmazhat hiszterézist, hőmérsékletfüggést, nemlinearitást és hosszú távú stabilitást is. Az ismételhetőség önmagában általában kevésbé jelentős a mérési bizonytalanság szempontjából. Ha a pontosság specifikáció nem tartalmaz más bizonytalanságokat, akkor félrevezető lehet a mérési teljesítmény valódi értékének megítélésében.

A mérési értékek és egy ismert referenciaérték közötti viszonyt gyakran átvitelinek nevezik. (2. ábra) A mérés beállításakor ezt az arányt egy ismert kalibrációs referenciaérték segítségével finomhangolják. Ideális esetben az átvitel tökéletesen lineáris a teljes mérési tartományban. A gyakorlatban azonban a mérés érzékenységében változások fordulhatnak elő a mérési érték függvényében. Ezt a fajta tökéletlenséget gyakran nemlinearitásnak nevezik. (3. ábra) Ez a hatás az értéktartomány felső és alsó határán (extrémértékeken) erősödik. Ezért érdemes ellenőrizni, hogy a pontosság specifikációja figyelembe veszi-e a nemlinearitást, és hogy a pontosság az egész mérési tartományra vonatkozik-e. Ha nem, akkor az extrémértékek környékén felmerülhetnek bizonytalanságok.

A hiszterézis a mérési érzékenység változása, amely a mérendő érték változásának irányától függ. (4. ábra) Ez fontos ok lehet a mérési bizonytalanságra például olyan páratartalom-érzékelőknél, amelyek anyagukból adódóan erősen kötődnek vízmolekulákhoz. Ha a pontosság specifikáció nem tartalmaz utalást a hiszterézis figyelembevételére, akkor ez a mérési bizonytalanság forrása nem tisztázott. Ha a kalibrálási folyamat csak egy irányban történik, akkor a hiszterézis hatása a kalibráció során elfedhető. Ha a specifikáció nem tartalmaz utalást a hiszterézisre, akkor lehetetlen mérni a hiszterézis mértékét. A Vaisala vékonyfilm-polimer érzékelői elhanyagolható hiszterézissel rendelkeznek, amely mindig bele van foglalva a megadott pontosságba.

A környezeti feltételek, mint például a hőmérséklet és nyomás, szintén befolyásolják a mérési pontosságot. Ha a hőmérsékletfüggés nincs specifikálva, és a működési hőmérséklet jelentősen változik, az hosszú távon a visszaadhatóság rovására mehet. A specifikáció vagy az egész működési hőmérséklet-tartományra, vagy csak egy adott, szűkített vagy „tipikus” tartományra vonatkozhat. Az ilyen specifikációk más hőmérsékleti tartományokat nem veszik figyelembe.

Stabilitás és szelektivitás

A mérőeszköz érzékenysége idővel változhat az öregedés miatt. Ezt a hatást néha a kémiai anyagok hatása is fokozza. Ha a hosszú távú stabilitás nincs megadva, vagy a gyártó nem tud ajánlásokat adni az átlagos kalibrálási intervallumra, akkor a specifikáció csak a kalibrálás pillanatában mért pontosságra vonatkozik. A lassú érzékenységváltozás (néha driftnek nevezik) veszélyes lehet, mert észrevétlenül is kialakulhat, és rejtett problémákat okozhat szabályozórendszerekben. A szelektivitás az eszköz érzéketlenségét jelenti más tényezők változásával szemben, mint például a mérendő érték. Például, ha egy páratartalom mérését olyan atmoszférában végzik, ahol bizonyos kémiai anyagok vannak jelen, ezek a kémiai anyagok befolyásolhatják az eredményt. Ez a hatás lehet reverzibilis vagy irreverzibilis. Egyes kémiai anyagokra adott reakciók rendkívül lassúak lehetnek, és ez a keresztérzékenység könnyen összetéveszthető a driftel. Jó szelektivitással rendelkező eszköz nem reagál olyan változásokra, amelyek nem kapcsolódnak a mérendő értékhez.

Kalibrálás és bizonytalanság

Ha a mérés eltér a referenciaértéktől, akkor az eszköz érzékenységét korrigálni lehet. Ezt a folyamatot kalibrálásnak nevezik. Egy ponton végzett kalibrálást offset-korrekciónak hívnak: kétpontos kalibrálás egy lineáris korrekció az offset és a gain vagy erősítés (érzékenység) tekintetében. Ha több ponton kell kalibrálni a mérőeszközt, az jelezheti a mérés nemlinearitását, amit nemlineáris többpontos korrekciókkal kell kiegyenlíteni. Ha a kalibrálási pontok megegyeznek a kalibrációs pontokkal, akkor a mérési minőség a kalibrálási pontok között nem ellenőrzött.

Miután a készüléket kalibrálták, ellenőrizni kell a pontosságát a kalibrálással. A kalibrálás, amelyet néha összetévesztenek a kalibrálással, a mérési érték összehasonlítása egy ismert referenciaértékkel, amit munkastandardnak neveznek. A munkastandard az első lépés a visszavezethetőségi láncban, amely a kalibrálások és referenciaértékek sorozatát jelenti egészen a primer standardig. Egy adott mérőeszközzel kalibrált több eszköz egymáshoz viszonyítva lehet pontos (magas precizitás), de ha a kalibrálási bizonytalanság nincs megadva, akkor a primer standardhez viszonyított abszolút pontosság nem ellenőrizhető. A visszavezethetőség azt jelenti, hogy a mérési lánc, a referenciaértékek és a hozzájuk kapcsolódó bizonytalanságok ismert és szakmailag dokumentáltak a primer standardig. Így kiszámítható a kalibrációs referenciaérték bizonytalansága és meghatározható az eszköz pontossága.

Mit jelent a "megfelelő pontosság"?

Az eszköz kiválasztásakor figyelembe kell venni a szükséges pontosságot. Például egy szellőző rendszer esetében, amely például a relatív páratartalmat szabályozza a kellemes lakóklíma érdekében, valószínűleg elég egy ±5 % rF tűrés. De olyan alkalmazásoknál, mint például egy hűtőtorony irányítása, szigorúbb szabályozásra van szükség a működési hatékonyság növelése érdekében.

Ha a mérési érték szabályozójelként szolgál, akkor az ismételhetőség és a hosszú távú stabilitás (pontosság) a legfontosabb, míg a visszaadható referenciaértékhez viszonyított abszolút pontosság másodlagos szerepet tölt be. Ez különösen igaz dinamikus folyamatok esetében, ahol a hőmérséklet- és páratartalom-változások nagyok, és ahol a mérés stabilitása, nem pedig az abszolút pontosság, döntő szerepet játszik.

Másrészt, ha például egy laboratóriumi tesztfeltételek összehasonlítására végzett mérésnél az a cél, hogy ellenőrizze, megfelelnek-e a tesztfeltételek más laboratóriumokban, akkor az abszolút pontosság és a kalibrálás visszavezethetősége a legfontosabb. Egy ilyen pontossági követelmény példája a TAPPI/ANSI T402 szabvány, amely a papír, karton, cellulóz minták és kapcsolódó termékek tesztelési körülményeit írja elő 23 ±1 °C és 50 ±2 % rF értékekkel. Ha a megadott mérési pontosság ±1,5 % rF, de a kalibrálási bizonytalanság ±1,6 % rF, akkor a teljes bizonytalanság a primer standardhez viszonyítva meghaladja a megengedettet. Az elemzések – amelyek erősen függenek a mérési helyiség környezeti páratartalmától – így nem lennének összehasonlíthatók. Ebben az esetben nem lenne lehetséges megerősíteni, hogy a méréseket szabványos körülmények között végezték.

Ha egy specifikáció nem tartalmaz információt a kalibrálási referenciaérték bizonytalanságáról, akkor az eszköz abszolút pontossága nem meghatározott.

A Vaisala alapvető része a professzionális és teljes körű specifikációk nyújtása, amelyek nemzetközi szabványokon, tudományos tesztelési módszereken és empirikus adatokon alapulnak. Így ügyfeleink megbízható és átfogó információkhoz juthatnak a megfelelő termék kiválasztásához.

Segédlet mérőeszköz kiválasztásához

- Tartalmazza a specifikált pontosság az összes potenciális bizonytalanságot: ismételhetőség, nemlinearitás, hiszterézis és hosszú távú stabilitás?
- A specifikált pontosság az egész mérési tartományra vonatkozik, vagy csak egy adott tartományra? Szerepel-e a hőmérsékletfüggés a specifikációban, és meghatározott-e a hőmérsékleti tartomány a pontosság specifikációjában?
- Tud-e a gyártó megfelelő kalibrálási tanúsítványt bemutatni? Tartalmazza-e a tanúsítvány a kalibrálási módszert, a használt referenciaértékeket és a szakmailag számított referenciaérték bizonytalanságát? Tartalmaz-e több kalibrálási pontot a tanúsítvány, és lefedi-e az egész mérési tartományt?
- Ad-e ajánlást a kalibrálási intervallumra, és szerepel-e a hosszú távú stabilitás a pontosság specifikációjában? Mekkora szelektivitás szükséges a tervezett működési környezetben? Tud-e a gyártó információkat vagy referenciákat szolgáltatni az eszköz alkalmasságáról a tervezett környezethez és alkalmazáshoz?