Poprawne interpretowanie mocy szczytowej i specyfikacji

Rys. 1. Powtarzalność

Rys. 2. Funkcja przenoszenia

Abb. 3. Nieliniowość

Rys. 4. Histereza

Rys. 5: Porównanie dokładności podawanej w specyfikacjach trzech producentów wysokoprecyzyjnych mierników wilgotności.

Słownik

Jakość urządzenia pomiarowego często sprowadza się do prostego pytania:  Jak dokładne jest pomiar? Choć to pytanie może brzmieć prosto, nie zawsze można na nie tak łatwo odpowiedzieć. Aby wybrać najbardziej odpowiednie urządzenie pomiarowe, konieczna jest wiedza o czynnikach przyczyniających się do niepewności pomiaru. Tylko w ten sposób można zrozumieć, co mówią specyfikacje – i czego nie mówią.

Wydajność pomiaru określa się na podstawie jego dynamiki (zakres pomiaru, czas reakcji), dokładności (powtarzalności, precyzji i czułości) oraz stabilności (odporności na zużycie, możliwość pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych). Dokładność jest często uważana za najważniejszą cechę, ale jednocześnie należy do tych, które najtrudniej jest precyzyjnie określić.

Czułość i dokładność

Zmienność wartości wielkości wyjściowej urządzenia pomiarowego w odniesieniu do zmiany wartości odniesienia nazywa się czułością. W teorii ten stosunek jest idealnie liniowy. W praktyce jednak wszystkie pomiary mają pewne niedoskonałości lub niepewności.

Często zgodność pomiaru z wartością odniesienia nazywa się po prostu „dokładnością”, ale jest to nieco nieprecyzyjne wyrażenie. Określona dokładność zwykle obejmuje powtarzalność, czyli zdolność urządzenia do uzyskiwania tych samych wyników przy powtarzaniu pomiaru w stałych warunkach (rys. 1). Jednak mogą także występować hysteresis, zależność od temperatury, nieliniowość i stabilność długoterminowa. Powtarzalność sama w sobie jest zazwyczaj mniej istotnym źródłem niepewności pomiaru. Jeśli specyfikacja dokładności nie uwzględnia innych niepewności, może to wprowadzać błędne wrażenie co do rzeczywistej wydajności pomiaru.

Stosunek między wynikami pomiaru a znaną wartością odniesienia nazywa się często funkcją transferu (rys. 2). Podczas kalibracji pomiaru ten stosunek jest precyzyjnie dostosowywany na podstawie znanej wartości kalibracyjnej. W idealnym przypadku funkcja transferu jest liniowa na całym zakresie pomiarowym. Jednak w praktyce w większości pomiarów występują zmiany czułości w zależności od wielkości mierzonych parametrów. Ten rodzaj niedoskonałości nazywa się często nieliniowością (rys. 3). Efekt ten nasila się na granicach zakresu pomiarowego (maksima i minima). Dlatego zaleca się sprawdzenie, czy w specyfikacji dokładności uwzględniono nieliniowość i czy podano dokładność dla całego zakresu pomiarowego. Jeśli nie, w okolicach ekstremów mogą pojawić się wątpliwości co do dokładności.

Hysteresis to zmiana czułości pomiaru zależna od kierunku zmiany wielkości mierzonych parametrów (rys. 4). Może to być istotne źródło niepewności pomiaru, szczególnie w przypadku czujników wilgotności wykonanych z materiałów silnie związanych z cząsteczkami wody. Jeśli specyfikacja nie zawiera informacji o uwzględnieniu hysteresis, ta niepewność pozostaje nieznana. Jeśli sekwencja kalibracji przebiega tylko w jednym kierunku, efekt hysteresis może być zamaskowany. Brak informacji o hysteresis w specyfikacji oznacza, że nie można dokładnie określić tego efektu w pomiarze. Czujniki polimerowe cienkowarstwowe firmy Vaisala wykazują zaniedbywalną hysteresis, która jest zawsze uwzględniona w specyfikowanej dokładności.

Warunki środowiskowe, takie jak temperatura i ciśnienie, również wpływają na dokładność pomiaru. Jeśli zależność od temperatury nie jest określona, a temperatura pracy znacznie się zmienia, może to obniżyć powtarzalność pomiaru. Specyfikacja może odnosić się do całego zakresu temperatur pracy lub tylko do wybranego, ograniczonego lub „typowego” zakresu. Tego typu specyfikacje pomijają inne zakresy temperatur.

Stabilność i selektywność

Czułość urządzenia pomiarowego może się zmieniać z czasem z powodu starzenia się. Czasami efekt ten jest dodatkowo wzmacniany przez działanie chemikaliów. Jeśli nie podano stabilności długoterminowej lub producent nie może podać zaleceń dotyczących średniego interwału kalibracji, specyfikacja odnosi się jedynie do dokładności w momencie kalibracji. Powolne zmiany czułości (czasami nazywane dryfem) są niebezpieczne, ponieważ mogą być niemal niezauważalne i powodować ukryte problemy w systemach regulacji. Selektywność to odporność urządzenia na wpływ innych czynników niż mierzona wielkość. Na przykład pomiary wilgotności w atmosferze zawierającej określone chemikalia mogą być przez nie zakłócane. Efekt ten może być odwracalny lub nieodwracalny. Reakcja na niektóre chemikalia jest czasami ekstremalnie wolna, a ta krzyżowa czułość może być łatwo pomylona z dryfem. Urządzenie o dobrej selektywności nie reaguje na zmiany, które nie mają związku z rzeczywistym wynikiem pomiaru.

Kalibracja i niepewność

Jeśli pomiar różni się od wartości odniesienia, można skorygować czułość urządzenia. Proces ten nazywa się kalibracją. Kalibracja wykonywana na jednym punkcie to korekta offsetu: kalibracja dwupunktowa to liniowa korekta offsetu i wzmocnienia (czułości). Jeśli konieczne jest dostosowanie pomiaru w różnych punktach, może to wskazywać na niedoskonałość liniowości pomiaru, którą trzeba wyrównać za pomocą korekt nieliniowych wielopunktowych. Jeśli punkty kalibracji pokrywają się z punktami kalibracyjnymi, jakość pomiaru między tymi punktami pozostaje niezweryfikowana.

Po kalibracji urządzenia przeprowadza się kalibrację w celu sprawdzenia jego dokładności. Kalibracja, którą czasami myli się z kalibracją, polega na porównaniu wyniku pomiaru z znaną wartością odniesienia, określaną jako standard roboczy. Standard roboczy jest pierwszym ogniwem w łańcuchu traceability, obejmującym kalibracje i referencje aż do standardu pierwotnego. Grupa urządzeń skalibrowanych na podstawie określonego wyniku pomiaru może być dokładna względem siebie (wysoka precyzja), ale jeśli nie podano niepewności kalibracji, nie można zweryfikować dokładności względem standardu pierwotnego. Traceability kalibracji oznacza, że łańcuch pomiarów, referencji i związanych z nimi niepewności jest znany i fachowo udokumentowany. Dzięki temu można obliczyć niepewność wartości referencyjnej i określić dokładność urządzenia.

Co oznacza „wystarczająca dokładność”?

Przy wyborze urządzenia pomiarowego konieczne jest uwzględnienie wymaganego poziomu dokładności. Na przykład w przypadku standardowego systemu wentylacji, który reguluje względną wilgotność dla komfortu w pomieszczeniach, tolerancja ±5 % rF jest prawdopodobnie wystarczająca. Jednak w zastosowaniach takich jak sterowanie chłodnią, wymagana jest dokładniejsza regulacja z węższymi granicami, aby zwiększyć efektywność operacyjną.

Jeśli wynik pomiaru służy jako sygnał sterujący, ważne są powtarzalność i stabilność długoterminowa (dokładność), podczas gdy absolutna dokładność względem odniesienia jest mniej istotna. Dotyczy to szczególnie dynamicznych procesów, w których zmiany temperatury i wilgotności są duże, a stabilność pomiaru, a nie jego absolutna dokładność, odgrywa kluczową rolę.

Jeśli natomiast pomiar służy do sprawdzenia, czy warunki testowe w laboratorium są porównywalne z innymi laboratoriami, to absolutna dokładność i traceability kalibracji mają kluczowe znaczenie. Przykładem takiego wymogu jest norma TAPPI/ANSI T402 „Standard conditioning and testing atmospheres for paper, board, pulp handsheets, and related products”, która określa warunki testowe w laboratorium papierniczym na 23 ±1 °C i 50 ±2 % rF. Gdyby wymagana dokładność pomiaru wynosiła ±1,5 % rF, a niepewność kalibracji ±1,6 % rF, to całkowita niepewność względem standardu pierwotnego przekraczałaby specyfikację. Analizy – silnie zależne od wilgotności otoczenia w laboratorium – byłyby wówczas nieporównywalne. Potwierdzenie, że analizy przeprowadzono w warunkach standardowych, w tym przypadku byłoby niemożliwe.

Specyfikacja dokładności bez informacji o niepewności wartości referencyjnej nie określa jednoznacznie absolutnej dokładności urządzenia.

Standardem firmy Vaisala jest dostarczanie profesjonalnych i pełnych specyfikacji opartych na normach międzynarodowych, metodach testowania naukowego i danych empirycznych. Dzięki temu nasi klienci mogą korzystać z kompleksowych i wiarygodnych informacji przy wyborze odpowiednich produktów.

Lista kontrolna przy wyborze urządzenia pomiarowego

- Czy specyfikowana dokładność obejmuje wszystkie potencjalne niepewności: powtarzalność, nieliniowość, hysteresis i stabilność długoterminową?
- Czy specyfikowana dokładność odnosi się do całego zakresu pomiarowego, czy jest ograniczona do określonego zakresu? Czy w specyfikacji uwzględniono zależność od temperatury i czy zakres temperatur jest określony?
- Czy producent może przedstawić odpowiedni certyfikat kalibracji? Czy certyfikat zawiera informacje o metodzie kalibracji, używanych wartościach odniesienia i fachowo obliczonej niepewności tego odniesienia? Czy certyfikat obejmuje więcej niż jeden lub dwa punkty kalibracji i czy cały zakres pomiarowy jest pokryty?
- Czy podano zalecenia dotyczące interwałów kalibracji i czy stabilność długoterminowa jest uwzględniona w specyfikacji? Jak duża jest wymagana selektywność w planowanym środowisku pracy? Czy producent może dostarczyć informacje lub referencje dotyczące przydatności urządzenia do planowanego środowiska i zastosowania?