Correct interpreteren van vermogensmetingen en specificaties

Figuur 1. Herhaalbaarheid

Fig. 2. Overdrachtfunctie

Figuur 3. Niet-lineariteit

Figuur 4. Hysterese

Figuur 5: Vergelijking van de nauwkeurigheidsaanduidingen in specificaties van drie fabrikanten van een hoogprecisie vochtmeter.

Woordenlijst

De kwaliteit van een meetinstrument wordt vaak gereduceerd tot een eenvoudige vraag:  Hoe nauwkeurig is de meting? Hoe simpel deze vraag ook klinkt, ze is niet altijd zo eenvoudig te beantwoorden. Voor het kiezen van het meest geschikte meetinstrument is namelijk kennis vereist over de factoren die bijdragen aan de onzekerheid van een meting. Alleen zo is het mogelijk te begrijpen wat de specificaties aangeven – en wat niet.

De meetprestaties worden bepaald door hun dynamiek (meetbereik, responsiviteit), nauwkeurigheid (herhaalbaarheid, precisie en gevoeligheid) en stabiliteit (slijtagebestendigheid, gebruik onder extreme omgevingsomstandigheden). Nauwkeurigheid wordt daarbij vaak als de belangrijkste eigenschap beschouwd, maar behoort tegelijk tot de kenmerken die het moeilijkst te specificeren zijn.

Gevoeligheid en nauwkeurigheid

De verandering van de waarde van de uitgangsparameter van een meetinstrument ten opzichte van de verandering van de referentiewaarde wordt gevoeligheid genoemd. In theorie is deze verhouding perfect lineair. In de praktijk vertonen alle metingen echter enige onvolkomenheden of onzekerheden.

De overeenstemming tussen meetwaarde en referentiewaarde wordt vaak simpelweg 'nauwkeurigheid' genoemd, maar dat is een wat vage uitdrukking. Gedefinieerde nauwkeurigheid omvat meestal herhaalbaarheid, dus het vermogen van het apparaat om hetzelfde resultaat te leveren wanneer de meting onder constante omstandigheden wordt herhaald. (Fig. 1) Maar hysterese, temperatuurafhankelijkheid, niet-lineariteit en lange termijnstabiliteit kunnen ook inbegrepen zijn. Herhaalbaarheid alleen is meestal een minder belangrijke bron van meetonzekerheid. Als de nauwkeurigheidspecificatie geen andere onzekerheden aangeeft, kan deze een verkeerd beeld geven van de werkelijke meetprestatie.

De verhouding tussen meetwaarden en een bekende referentiewaarde wordt vaak de overdrachtfunctie genoemd. (Fig. 2) Bij het afstellen van een meting wordt deze verhouding fijn afgesteld op basis van een bekende kalibratiewaarde. In het ideale geval is de overdrachtfunctie over het hele meetbereik perfect lineair. In de praktijk treden echter vaak veranderingen op in de gevoeligheid afhankelijk van de meetgrootte. Dit soort onvolkomenheid wordt vaak niet-lineariteit genoemd. (Fig. 3) Dit effect wordt versterkt bij de boven- en ondergrenzen (extremes) van het meetbereik. Het is daarom aan te raden te controleren of niet-lineariteit in de nauwkeurigheidspecificatie is meegenomen en of de nauwkeurigheid voor het volledige meetbereik wordt vermeld. Als dat niet het geval is, kunnen twijfels ontstaan over de nauwkeurigheid bij de extremen.

Hysterese is de verandering in meetgevoeligheid die afhankelijk is van de richting van de verandering van de meetgrootte. (Fig. 4) Dit kan een belangrijke oorzaak zijn van meetonzekerheid bij vochtigheidssensoren die zijn gemaakt van materiaal met sterke binding aan watermoleculen. Als de aangegeven nauwkeurigheid geen aanwijzing bevat dat rekening is gehouden met hysterese, blijft deze bron van meetonzekerheid onduidelijk. Als de kalibratiesequentie slechts in één richting wordt uitgevoerd, wordt het hysterese-effect bovendien tijdens de kalibratie verborgen. Als in de specificatie geen gegevens over hysterese worden vermeld, is het ook onmogelijk om de mate van hysterese in de meting te bepalen. Dunfilm-polymersensoren van Vaisala vertonen een verwaarloosbare hysterese, die altijd in de gespecificeerde nauwkeurigheid is inbegrepen.

Omgevingsomstandigheden zoals temperatuur en druk beïnvloeden eveneens de meetnauwkeurigheid. Als de temperatuurafhankelijkheid niet is gespecificeerd en de bedrijfstemperatuur aanzienlijk verandert, kan dat onder bepaalde omstandigheden ten koste gaan van de herhaalbaarheid. De specificatie kan betrekking hebben op het gehele bedrijfstemperatuurbereik of slechts op een specifiek, beperkt of 'typisch' bereik. Dergelijke specificaties laten andere temperatuurgebieden buiten beschouwing.

Stabiliteit en selectiviteit

De gevoeligheid van een meetinstrument kan in de loop van de tijd veranderen door veroudering. Soms wordt dit effect versterkt door de invloed van chemicaliën. Als de lange termijnstabiliteit niet is aangegeven of als de fabrikant geen aanbevelingen kan doen voor de gemiddelde kalibratie-intervallen, dan heeft de specificatie alleen betrekking op de nauwkeurigheid op het moment van kalibratie. Een langzame verandering van de gevoeligheid (ook wel drift genoemd) is gevaarlijk omdat deze onder omstandigheden nauwelijks waarneembaar is en latente problemen bij regelingssystemen kan veroorzaken. Selectiviteit wordt gedefinieerd als de ongevoeligheid van het meetinstrument voor veranderingen van andere factoren dan de werkelijke meetgrootte. Bijvoorbeeld, als vochtmetingen worden uitgevoerd in een atmosfeer waarin bepaalde chemicaliën aanwezig zijn, kunnen deze stoffen onder omstandigheden het meetresultaat beïnvloeden. Dit effect kan reversibel of onomkeerbaar zijn. De reactie op bepaalde chemicaliën is soms extreem langzaam en deze kruisgevoeligheid voor de chemische stof wordt gemakkelijk verward met drift. Een apparaat met goede selectiviteit reageert niet op veranderingen die niets met de werkelijke meetwaarde te maken hebben.

Kalibratie en onzekerheid

Als de meting afwijkt van de referentiewaarde, kan de gevoeligheid van het apparaat worden gecorrigeerd. Dit proces wordt afstelling genoemd. Afstelling die op één punt wordt uitgevoerd, wordt offsetcorrectie genoemd: tweepuntsafstelling is een lineaire correctie van offset en gain of versterking (gevoeligheid). Als de meting op verschillende punten moet worden afgesteld, kan dat onder omstandigheden wijzen op een slechte lineariteit van de meting, die moet worden gecompenseerd met niet-lineaire meerpuntscorrecties. Als de afstelpunten bovendien overeenkomen met de kalibratiepunten, blijft de meetkwaliteit tussen de afstelpunten ongetest.

Zodra het apparaat is afgesteld, wordt het gekalibreerd om de nauwkeurigheid te controleren. Kalibratie, die soms wordt verward met afstelling, is het vergelijken van de meetwaarde met een bekende referentiewaarde, die wordt aangeduid als werkstandaard. De werkstandaard is het eerste element in de traceerbaarheidsketen, die de reeks kalibraties en referenties tot de primaire standaard aanduidt. Een aantal apparaten dat op basis van een bepaalde meetwaarde is gekalibreerd, kan weliswaar onderling nauwkeurig zijn (hoge precisie), maar als de kalibratieonzekerheid niet wordt vermeld, kan de absolute nauwkeurigheid ten opzichte van de primaire standaard niet worden gecontroleerd. De traceerbaarheid van de kalibratie betekent dat de keten van metingen, referenties en daarmee samenhangende onzekerheden tot de primaire standaard bekend en vakkundig gedocumenteerd is. Zo kan de onzekerheid van de kalibratiewaarde worden berekend en kan de nauwkeurigheid van het apparaat worden vastgesteld.

Wat betekent "voldoende nauwkeurigheid"?

Bij het kiezen van een meetinstrument moet de vereiste nauwkeurigheid worden meegenomen in de overwegingen. Bij een standaard ventilatiesysteem dat bijvoorbeeld de relatieve vochtigheid regelt voor een comfortabel binnenklimaat, is een tolerant van ±5 % rF waarschijnlijk voldoende. Maar bij een toepassing zoals het regelen van een koeltoren is een nauwkeurigere regeling met strengere grenswaarden vereist om de bedrijfsefficiëntie te verhogen.

Als de meetwaarde dient als stuursignaal, zijn herhaalbaarheid en lange termijnstabiliteit (nauwkeurigheid) belangrijk, terwijl de absolute nauwkeurigheid ten opzichte van een traceerbare referentiewaarde minder relevant is. Dit geldt vooral voor een dynamisch proces waarbij de temperatuur- en vochtvariaties groot zijn en waarbij de stabiliteit van de meting en niet de absolute nauwkeurigheid een cruciale rol speelt.

Als er echter bijvoorbeeld wordt gecontroleerd of de testomstandigheden in een laboratorium vergelijkbaar zijn met die in andere laboratoria, dan zijn de absolute nauwkeurigheid en de traceerbaarheid van de kalibratie van groter belang. Een voorbeeld van zo'n vereiste voor nauwkeurigheid is de norm TAPPI/ANSI T402 'Standard conditioning and testing atmospheres for paper, board, pulp handsheets, and related products', die de waarden voor testomstandigheden in een papiertestlaboratorium vastlegt op 23 ±1 °C en 50 ±2 % rF. Als de gespecificeerde meetnauwkeurigheid ±1,5 % rF is, maar de kalibratieonzekerheid ±1,6 % rF, dan ligt de totale onzekerheid ten opzichte van de primaire kalibratie buiten de specificatie. De analyses – die sterk afhankelijk zijn van de omgevingsvochtigheid in de testinrichting – zouden dan niet vergelijkbaar zijn. Een bevestiging dat de analyses onder standaardomstandigheden zijn uitgevoerd, zou in dat geval niet mogelijk zijn.

Een specificatie voor nauwkeurigheid zonder informatie over de onzekerheid van de kalibratiewaarde laat de absolute nauwkeurigheid van het apparaat ongedefinieerd.

Het is vanzelfsprekend voor Vaisala om professionele en volledige specificaties te leveren die gebaseerd zijn op internationale normen, wetenschappelijke testmethoden en empirische gegevens. Zo kunnen onze klanten bij het kiezen van geschikte producten vertrouwen op uitgebreide en betrouwbare informatie.

Checklist voor het kiezen van een meetinstrument

- Bevat de gespecificeerde nauwkeurigheid alle potentiële onzekerheden: herhaalbaarheid, niet-lineariteit, hysterese en lange termijnstabiliteit?
- Is de gespecificeerde nauwkeurigheid van toepassing op het gehele meetbereik, of is de nauwkeurigheidspecificatie beperkt tot een bepaald bereik? Is de temperatuurafhankelijkheid vermeld en is het temperatuurbereik in de nauwkeurigheidspecificatie gedefinieerd?
- Kan de fabrikant een bijbehorend kalibratiecertificaat overleggen? Bevat het certificaat informatie over de kalibratiemethode, de gebruikte referentiewaarden en de vakkundig berekende onzekerheid van de referentiewaarde? Bevat het certificaat meer dan één of twee kalibratiepunten en dekt het het gehele meetbereik?
- Wordt er een aanbeveling gedaan voor het kalibratie-interval, en is de lange termijnstabiliteit opgenomen in de nauwkeurigheidspecificatie? Welke mate van selectiviteit is vereist in de beoogde bedrijfsomgeving? Kan de fabrikant informatie of referenties verstrekken over de geschiktheid van het apparaat voor de beoogde omgeving en toepassing?