Fähigkeitsnachweis von UV-Messgeräten: Ein MSA-Leitfaden mit Fokus auf die UV-Messung

Der Fähigkeitsnachweis von Messsystemen ist essenziell, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Messgeräten zu gewährleisten. In der UV-Messtechnik, insbesondere bei der Verwendung von UV-Messgeräten, UV-Sensoren und Kalibrierlampen, ist die Validierung der Messfähigkeiten von zentraler Bedeutung. Allgemein wird mit der Messmittel-Fähigkeitsanalyse (MSA) (englisch: Measurement System Analysis) die Eignung eines Messgerätes für eine spezielle Messaufgabe bestätigt.

Welche Geräte sich dafür eignen, zeigt die Übersicht der UV-Messgeräte und Radiometer.

Der Fähigkeitsnachweis von Messsystemen wurde ursprünglich von der Automobilindustrie entwickelt. Es existiert jedoch keine spezielle Norm, die diese Vorgehensweise festlegt. Nachfolgende Werte und Formeln werden aber typischerweise angewendet.

Für den Fähigkeitsnachweis werden verschiedene statistische Methoden und Qualitätskriterien herangezogen. Diese umfassen die Bewertung der Wiederholbarkeit, der Linearität und Stabilität der Messgeräte.

Hinweis: Die Begriffe "Fähigkeit" bzw. "fähig" sind gleichbedeutend mit "Eignung" bzw. "geeignet". Daher sind beide Begriffe als gleichwertig anzusehen.

Hierzu schlägt die der Messmittelfähigkeitsanalyse (MSA) drei Verfahren vor.

• Das Verfahren 1 untersucht die Genauigkeit und Wiederholpräzision eines Messsystems. Hierzu ist ein bekanntes Normal notwendig, um die Genauigkeit oder Abweichung zum Normal zu bestimmen.
• Das Verfahren 2 untersucht die Wiederholpräzision eines Messsystems einschließlich des Einflusses des Bedieners.
• Das Verfahren 3 wird in der Regel bei automatisierten Messsystemen angewendet.

Messmittel-Fähigkeitsanalyse MSA und UV?

In der Praxis ist die regelmäßige Kalibrierung von UV-Messgeräten notwendig, um konsistente Messergebnisse sicherzustellen und mögliche Alterung sowie Verschmutzung zu berücksichtigen.

In unseren Kalibrierlaboratorien sind Normale und Kalibrierlampen verfügbar, weshalb der Fähigkeitsnachweis als zusätzlicher Test nach Verfahren 1 durchgeführt werden kann.

Hier ist die Genauigkeit durch die Kalibrierung bekannt und die Wiederholpräzision wird anhand von z. B. 25 Messungen geprüft.

Verfahren 2 kann nur durch den Anwender selbst durchgeführt werden, da der Einfluss der Positionierung des UV-Messgerätes und des Bedieners auf die Wiederholpräzision im Labor nicht nachgestellt werden kann.

Was wird also im MSA-Verfahren 1 gemacht?

Es wird festgestellt, ob eine Messeinrichtung für den vorgesehenen Einsatz unter Betriebsbedingungen geeignet ist. Aus der Praxis wird das Verfahren 1 mit oder ohne Normal angewendet. Die Anwendung mit Normal ist vorteilhaft, da dessen Wert bekannt ist und es zeit- sowie temperaturstabil ist.

Ausgewertet werden zwei Kennwerte, die als C_gk und C_g bezeichnet werden und die Wiederholpräzision mit der Toleranz vergleichen. Die Formeln sind:

Hierbei bedeuten:

T = Toleranz

x_g = Mittelwert der Messwerte des UV-Messgerätes

x_m = Sollwert des Normals

s_g = Standardabweichung der Messwerte des UV-Messgerätes

Steht aus messtechnischen Gründen kein Normal zur Verfügung, entfällt die Berechnung von Cgk. In diesem Fall kann mit Hilfe eines geeigneten Messobjektes nur die Wiederholpräzision Cg bestimmt werden:

Ist ein Normal vorhanden, so kann die Abweichung des Mittelwertes als statistische Komponente erfasst werden und es wird der sogenannte Fähigkeitskennwert c_gk bestimmt. Ist kein Normal vorhanden, wird der Fähigkeitskennwert C_g rein aus der zufälligen Komponente bestimmt. Hier wird der Streubereich des Messsystems mit der vierfachen Standardabweichung s_g erhöht und der Gewichtungsfaktor für die Toleranz angepasst.

C_gk-Werte und C_g-Werte größer als 1,33 zeigen an, dass das Messgerät in Bezug auf den Toleranzbereich ausreichend genau ist und ausreichend wenig streut. Die Formel für C_gk und C_g kann umgestellt werden und man erkennt, dass der Wert von 1,33 der 40-fachen Toleranz in Bezug auf die Wiederholpräzision entspricht. D. h., das UV-Messgerät wird weniger als 1/40 der Toleranz streuen.

Weitere Faktoren für die Qualität einer Messung umfassen eine hohe Wiederholgenauigkeit, die Rückführbarkeit auf nationale und internationale Kalibriernormale sowie geringe Messunsicherheiten. Durch die Kalibrierung kann die Abweichung eines UV-Messgerätes zum Normal korrigiert werden, sodass dieser Anteil minimal ist.

Beispiel zur MSA-Eignung eines UV-Messgerätes mit Sensor

Beispiel: Sollwert 100 W/m² mit Toleranz ±10 W/m²

Die Toleranz beträgt also 20, nämlich -10 bis +10 W/m².

Das Messgerät muss, gemäß der MSA-Vorgabe, eine Auflösung haben, die 5 % der vorgesehenen Toleranz (+/-) nicht überschreitet. Ist die Toleranz also +/-10 W/m² so muss die Auflösung mindestens 1 W/m² sein.

Anhand von ca. 25 Messungen wird nun geprüft, ob die Wiederholpräzision ausreichend ist. Hierzu sollten die Messwerte innerhalb der Toleranz ca. bei dem Sollwert liegen. Aus den 25 Messungen wird der Mittelwert und die Standardabweichung (z.B. in Excel =STABW.N(..)) berechnet.

Beispiel (ohne Normal):

Es werden 25 Messungen gemacht, die eine Standardabweichung von 0,3 W/m² haben.

Der Fähigkeitskennwert c_g beträgt in diesem Beispiel: c_g = 0,2 * 20 / (4 * 0,3) = 3,33

Der Wert c_g ist größer als 1,33 und; somit gilt der Fähigkeitsnachweis des Messsystems als bestanden.

Vereinfacht gesagt wird die geforderte Toleranz mit der vierfachen Standardabweichung ins Verhältnis gesetzt und bewertet.

Messbereich und Linearität für die MSA

Weitere Elemente des Fähigkeitsnachweises sind die Linearität und die Stabilität.

Für die Linearitätsprüfung muss der UV-Sensor über den gewünschten Messbereich linear ansprechen. 

Bei einer Fähigkeits-/Linearitätsuntersuchung werden folgende Situationen unterschieden:

• Linearitätsnachweis an mehreren Normalen (z. B. Längennormale)
• Ohne Normal: die Linearität wird gesondert nachgewiesen

Zusätzlich zu den Kalibrierungen bieten wir daher die Prüfung der Linearität von UV-Sensoren im Labor an. Hierbei kommen Vergleichsempfänger oder Quellenadditionsverfahren zum Einsatz.

Hintergrund ist, dass die Kalibrierung in der Regel an zwei Punkten erfolgt: 0 und bei der Sollbestrahlungsstärke. Dies geschieht nach internationalen Standards. Aus mathematischer Sicht ergibt sich eine Gleichung mit einer unbekannten Konstante, die durch zwei Punkte gelöst werden kann.

Im UV-Messgerät wird die Geräte-Empfindlichkeit, in der Regel über ein Widerstandspotenziometer oder einen Kalibrierungsfaktor eingestellt. Dies entspricht einer „unbekannten“ Konstante. Mit der Linearitätsprüfung wird diese Annahme also im Messbereich geprüft. Zudem werden Fehler durch Offset und Sättigung erkannt.

Technisch bedingt können wir jedoch nicht alle Prüfpunkte exakt treffen, da die meisten UV-Lampen nicht dimmbar sind, ohne ihr Spektrum zu verändern. Gerne sprechen wir mit Ihnen den Bereich ab.

Die Stabilität und Langzeitstabilität sind wichtig für zuverlässige UV-Messungen. Diese können durch regelmäßige Vergleichsmessungen und Kalibrierungen gesichert und dokumentiert werden.

Zusammenfassend beschreibt der Leitfaden zum "Fähigkeitsnachweis von Messsystemen" wichtige Schritte zur Validierung und Qualitätssicherung von Messgeräten. Durch die konsequente Anwendung dieser Schritte kann die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von UV-Messsystemen sichergestellt werden.

Nachdem das UV-Messgerät mit Hilfe einer Messsystemanalyse nach Verfahren 1 charakterisiert wurde, können andere Einflüsse nach Verfahren 2 vor Ort bei der Anwendung einfach bestimmt werden.

Welche Messunsicherheit ist für eine UV-Prozesskontrolle erforderlich?
Eine feste Zahl gibt es nicht – maßgeblich ist das Verhältnis zur Prozesstoleranz. Üblich ist der Fähigkeitsnachweis über die Kennwerte Cg und Cgk: Werte ab 1,33 bedeuten, dass das Messsystem weniger als ein Vierzigstel der Toleranz streut. Bei einer Toleranz von ±10 % der Solldosis entspricht das einer Wiederholstreuung von deutlich unter einem Prozent. Davon zu trennen ist die im Kalibrierschein ausgewiesene erweiterte Messunsicherheit (k = 2), die als systematischer Anteil eingeht; im DAkkS-akkreditierten Kalibrierlabor der Opsytec beträgt sie ab 2,8 %. Für die laufende Prozessregelung zählt vor allem die Wiederholpräzision, für den Nachweis gegenüber Kunden und Auditoren die Rückführbarkeit.

Was unterscheiden die MSA-Verfahren 1, 2 und 3?
Verfahren 1 prüft Genauigkeit und Wiederholpräzision des Messsystems allein und benötigt dafür ein bekanntes Normal. Verfahren 2 prüft die Wiederholpräzision einschließlich des Bedienereinflusses. Verfahren 3 wird in der Regel bei automatisierten Messsystemen angewendet. Für UV-Messgeräte lässt sich Verfahren 1 im Kalibrierlabor durchführen, weil dort Normale und Kalibrierlampen verfügbar sind. Verfahren 2 kann nur der Anwender selbst durchführen: Der Einfluss der Positionierung des Messgerätes und des Bedieners lässt sich im Labor nicht nachstellen.

Welche Auflösung muss ein UV-Messgerät haben?
Die MSA fordert eine Auflösung, die 5 % der vorgesehenen Toleranz nicht überschreitet. Bei einem Sollwert von 100 W/m² mit einer Toleranz von ±10 W/m² beträgt die Toleranz 20 W/m²; das Gerät muss dann mindestens 1 W/m² auflösen. Wer diese Anforderung nicht erfüllt, besteht den Fähigkeitsnachweis unabhängig von der Wiederholpräzision nicht – die Auflösung begrenzt, was überhaupt unterschieden werden kann.

Warum wird die Linearität getrennt geprüft?
Weil die Kalibrierung in der Regel nur zwei Punkte belegt: Null und die Soll-Bestrahlungsstärke. Mathematisch löst das eine Gleichung mit einer Unbekannten – der Geräteempfindlichkeit, die im Messgerät über einen Kalibrierfaktor oder ein Widerstandspotenziometer eingestellt wird. Ob der Sensor über den gesamten Messbereich linear anspricht, ist damit nicht belegt. Die Linearitätsprüfung schließt diese Lücke und deckt zugleich Offset- und Sättigungsfehler auf; im Labor kommen dafür Vergleichsempfänger oder Quellenadditionsverfahren zum Einsatz.