POBOLJŠANJE TOČNOSTI MJERENJA TEMPERATURE, RELATIVNE VLAŽNOSTI I DULJINE KORIŠTENJEM REZULTATA ...

Siniša Prugovečki, Igor Milat, Marija Pavlović, Mirna Fakin, Hrvoje Ćaćić, Miro Turčinović

SINIŠA PRUGOVEČKI, dr. IGOR MILAT, MARIJA PAVLOVIĆ, MIRNA FAKIN, HRVOJE ĆAĆIĆ, MIRO TURČINOVIĆ Metroteka d.o.o., Zagreb sp@metroteka.com

POBOLJŠANJE TOČNOSTI MJERENJA TEMPERATURE, RELATIVNE VLAŽNOSTI I DULJINE KORIŠTENJEM REZULTATA UMJERAVANJA KROZ INTERAKTIVNU APLIKACIJU NA PAMETNIM TELEFONIMA Stručni rad/Professional paper Sažetak Metroteka Loris je originalni softver razvijen s ciljem podizanja jednostavnosti i koristi od umjeravanja na znatno viši nivo od onog kojeg omogućavaju potvrde o umjeravanju u papirnatom obliku, kao i klasični elektronički zapisi. U radu dajemo kvantitativne (statističke) prikaze rezultata poboljšanja točnosti mjerenja koje je moguće postići korištenjem pametnih telefona u kombinaciji sa različitim mjerilima temperature, relativne vlažnosti i duljine.

Statistika će biti temeljena na instrumentima u odjelima kvalitete i održavanja hrvatskih tvrtki i institucija, te će osim kvantizirane koristi od interaktivnog korištenja pametnih telefona pri mjerenju, omogućiti i prikaz stanja mjernih instrumenata u Hrvatskoj.

Ključne riječi: umjeravanje, elektronički zapisi, točnost, poboljšanje, mjerenje 1. UVOD Sustavi upravljanja kvalitetom koriste redovito akreditirano umjeravanje u skladu sa (HRN EN) ISO/IEC 17025 kao centralni element osiguranja funkcionalnosti mjerne opreme.

Osnovna svrha umjeravanja mjernih uređaja je uspostavljanje veze (sljedivosti) između vrijednosti koje uređaj pokazuje i nacionalno ili međunarodno priznatih standarda za mjerene veličine, odnosno osigurati da očitanje uređaja što točnije i što pouzdanije odražava mjerenu veličinu [1,2]. Tvrtke u sustavima upravljanja kvalitetom ulažu značajne resurse u umjeravanje.

U tipičnom slučaju, umjeravanje se vrši u akreditiranom umjernom laboratoriju koji rezultate dokumentira u potvrdi o umjeravanju (certifikatu). Korisnik uređaja uspoređuje raspon pogreške sa granicama određenim za mjerni uređaj. U slučaju da je raspon pogreške izvan dopuštenih granica, uređaj se ugađa, servisira ili zamjenjuje. U slučaju da je raspon pogreške unutar dopuštenih granica, uređaj se koristi nominalnim očitavanjem skale/pokazivača.

Potvrda se osim za kontrolu raspona pogreške najčešće koristi samo u kontekstu kontrole (unutrašnjeg ili vanjskog audita) sustava kvalitete.

Za jednostavne mjerne uređaje bez mogućnosti ugađanja mjerne skale (npr. digitalni termometri, higrometri, mikrometri itd.) to znači da se korekcije dobivene umjeravanjem ne uzimaju u obzir u operativnoj praksi – uređaji se servisiraju/zamjenjuju češče nego što je potrebno (uz dodatni trošak), a mjerenja se vrše uz nepotrebno povećan raspon pogreške (nekontrolirano sustavno odstupanje).

On-line sustav upravljanja potvrdama o umjeravanju Metroteka Loris omogućuje jednostavno korištenje korekcija u skladu s rezultatima umjeravanja prilikom operativnog mjerenja uz

14. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 5. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU Baška, otok KRK, 15. – 17. svibnja 2014. g.

- 249 -

Siniša Prugovečki, Igor Milat, Marija Pavlović, Mirna Fakin, Hrvoje Ćaćić, Miro Turčinović

minimalan dodatni napor, putem mobilnog telefona, tableta ili računala. Iako korištenje korekcija uvijek vodi na smanjenje raspona pogreške i trebalo bi se primjenjivati, uporaba sustava Metroteka Loris ipak zahtjeva promjenu ustaljene prakse. Zato je bitno kvantificirati benefit korištenja sustava, tj. očekivano smanjenje raspona pogreške uz primjenu sustava, za realističan uzorak mjernih uređaja.

U ovom radu, statistički smo analizirali odstupanja i mjernu nesigurnost za digitalne termometre, higrometre i mikrometre umjerene u Metroteci u periodu od 2012. do 2013. i pokazali koliko je očekivano povećanje točnosti mjerenja primjenom sustava Metroteka Loris za taj tipični uzorak mjenih uređaja.

Nakon uvoda, u drugom dijelu uvodimo osnovne pojmove: odstupanje, mjernu nesigurnost i raspon pogreške, u trećem djelu opisano je kako smo analizirali podatke, u četvrtom djelu je prikaz rezultata, završavamo sa kratkim zaključkom.

2. ODSTUPANJE, MJERNA NESIGURNOST I RASPON ODSTUPANJA Kod jednostavnih mjernih uređaja, umjeravanjem se određuju 2 bitna parametra: -

odstupanje uređaja – razlika između pokazivanja uređaja koji se umjerava i mjerenja etalonom (koji u akreditiranom laboratoriju dokazano odgovara stvarnoj vrijednosti veličine)

-

mjerna nesigurnost – interval unutar kojeg se odstupanje uređaja nalazi s poznatom vjerojatnošću. Tipično se kod umjeravanja izražava proširena (k=2) mjerna nesigurnost koja predstavlja interval unutar kojeg se odstupanje uređaja nalazi sa 95%-tnom vjerojatnošću

Mjerna nesigurnost općenito ovisi o svojstvima uređaja koji se umjerava (npr. rezolucija, histereza itd.), svojstvima etalona i ostale opreme korištenje pri umjeravanju, o metodi umjeravanja i o uvjetima okoliša. Najveći doprinos mjernoj nesigurnosti umjeravanja je tipično doprinos svojstva uređaja koji se umjerava.

Raspon odstupanja (ili raspon pogreške) definira se kao zbroj apsolutnih vrijednosti odstupanja i mjerne nesigurnosti. Npr., za termometar za koji je umjeravanjem utvrđeno kako je odstupanje -0.1°C, a proširena mjerna nesigurnost 0.05°C, imamo °C. U praksi se raspon odstupanja uspoređuje sa granicom odstupanja je definiranom u sustavu kvalitete da bi se utvrdilo da li se uređaj može koristiti na danom mjernom mjestu. Tako za naš primjer, ako je granica odstupanja 0.3°C, termometar se može koristiti, a ako je granica odstupanja 0.1°C, termometar se ne može koristiti.

Međutim, ukoliko se pri mjerenju uvijek izvrši korekcija u skladu s rezultatima umjeravanja, odnosno ako se u našem primjeru očitanje skale uvijek korigira za -0.1°C, onda je raspon odstupanja jednak proširenoj mjernoj nesigurnosti umjeravanja. To znači ako se sistematski vrši korekcija, termometar se može koristiti i u slučaju da je granica odstupanja 0.1°C.

14. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 5. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU Baška, otok KRK, 15. – 17. svibnja 2014. g.

- 250 -

Siniša Prugovečki, Igor Milat, Marija Pavlović, Mirna Fakin, Hrvoje Ćaćić, Miro Turčinović

3. STATISTIČKA ANALIZA REZULTATA UMJERAVANJA Da bismo kvantificirali očekivano poboljšanje točnosti (smanjenje raspona odstupanja) mjerenja korištenjem sustava Metroteka Loris za jednostavnu primjenu korekcija, statistički smo obradili rezultate akreditiranih umjeravanja digitalnih termometara, higrometara i mikrometara, provedenih u laboratoriju Metroteka u periodu od 2012. do 2013. godine.

Analizirali smo statističke raspodjele dvije relevantne veličine – odstupanja mjerila u točkama umjeravanja i absolutnu vrijednost odstupanja u točkama umjeravanja podijeljenu sa proširenom (k=2) mjernom nesigurnosti. Budući da su rezultati umjeravanja direktno dostupni u sustavu Metroteka Loris, histograme tih veličina izradili smo jednostavnom klasifikacijom i brojanjem rezultata umjeravanja u programskom paketu R. Za potrebe ovog rada, pretpostavili smo da su sva provedena umjeravanja statistički neovisna, tj. uzeli smo u obzir kao neovisne sve točke umjeravanja svakog pojedinog uređaja.

Pretpostavili smo također da je statistika odstupanja i mjerne nesigurnosti u točkama umjeravanja reprezentativna za operativna mjerenja provedena u praksi.

4. REZULTATI: SMANJENJE MJERNE NESIGURNOSTI ZA TERMOMETRE, HIGROMETRE I MIKROMETRE Na slikama 1a i 1b prikazani su histogrami odstupanja, odnosno absolutne vrijednosti odstupanja podijeljene sa proširenom (k=2) mjernom nesigurnosti, dobiveni prilikom umjeravanja digitalnih termometara u rasponu temperature od -40 do +130 °C. Očekivano, raspodjela je simetrična oko 0 i ‘zvonastog’ je oblika. Srednji iznos odstupanja (median apsolutne vrijednosti) je 0.2°C, a 95% odstupanja manje je od 1.1°C. Srednja proširena (k=2) mjerna nesigurnost za isti set mjerenja je 0.3°C (najbolja 0.04°C), a 95% umjeravanja ima mjernu nesigurnost manju od 0.87°C. Na slici 1b vidi se da je odstupanje (u apsolutnom iznosu) veće od mjerne nesigurnosti u čak 47% provedenih umjeravanja. To znači da se korištenjem korekcija, raspon odstupanja može najmanje prepoloviti (dakle točnost mjerenja može se dvostruko poboljšati) za 47% mjerenja izvršenih digitalnim termometrima umjeravanim u Metroteci.

0.4

0.533

0.232 0.2

Udio mjerenja

600 400

0.093

0.042

0.028

0.015

0.0

200 0

Broj mjerenja

0.6

Slike 1a i 1b. Digitalni termometri

−1.5

−1.0

−0.5

0.0

0.5

Odstupanje [deg C]

1.0

1.5

0

1

2

3

4

5

0 6

Abs(Odstupanje)/Uk=2

Zanimljivo je izdvojeno promatrati otporničke i NTC termometre s vanjskim sondama. Te vrste termometara obično se koriste na mjestima gdje je potrebna veća točnost mjerenja i mogu se umjeriti 'preciznije’ odnosno uz manju mjernu nesigurnost u odnosu na npr. termoparove i termometre sa sondama u samom kućištu.

14. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 5. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU Baška, otok KRK, 15. – 17. svibnja 2014. g.

- 251 -

Siniša Prugovečki, Igor Milat, Marija Pavlović, Mirna Fakin, Hrvoje Ćaćić, Miro Turčinović

Histogrami odstupanja i relativnih odstupanja za otporničke i NTC termometre prikazani su na Slici 2. Raspodjela odstupanja ima izraženiji maksimum, ali i dugačke 'repove’. Srednje odstupanje za provedena umjeravanja je 0.11°C, a srednja proširena (k=2) mjerna nesigurnost 0.076°C. Na slici 2b vidi se da je odstupanje veće od mjerne nesigurnosti za čak 71% provedenih umjeravanja.

0.4

Udio mjerenja

250

0.2

150

0.293 0.276 0.129 0.061 0.064 0.036 0.017 0.029 0.013 0.019 0.0

0

0.0

50

Broj mjerenja

0.6

Slike 2a i 2b. Otpornički i NTC digitalni termometri

−2

−1

0

1

0

2

2

4

6

8

10

abs(Odstupanje)/Uk=2

Odstupanje [deg C]

Korištenjem korekcija, raspon odstupanja može se barem prepoloviti na temperaturama u okolini točaka umjeravanja, odnosno točnost mjerenja može se dvostruko poboljšati za 71% uređaja.Srednji iznos odstupanja za higrometre dobiven umjeravanjima u području od 10 do 100% RH je 2.1%, srednja mjerna nesigurnost (Uk=2) je 3.0% RH. Histogram apsolutne vrijednosti odstupanja podijeljene sa mjernom nesigurnosti za higrometre prikazan je na slici 3. Za 35% provedenih umjeravanja, odstupanje je veća od mjerne nesigurnosti i raspon odstupanja može se barem prepoloviti korištenjem korekcija.

Srednji iznos odstupanja za mikrometre za umjeravanja provedena u području 0-1500 mm je 0.005 mm (maksimalno odstupanje 0.2mm), a srednja mjerna nesigurnost (Uk=2) je 0.0085 mm. Histogram apsolutne vrijednosti odstupanja podijeljene sa mjernom nesigurnosti za mikrometre prikazan je na slici 4. Za 22% provedenih umjeravanja, odstupanje je veće od mjerne nesigurnosti i raspon pogreške može se barem prepoloviti korištenjem korekcija.

Slika 3. Higrometri

Slika 4. Mikrometri

0.2 0.0

0.017

1

2

3

0.001 4

5

0.6 0.4 0

6

0.004

1

2

3

0.004 4

0 5

6

abs(Odstupanje)/Uk=2

abs(Odstupanje)/Uk=2

0.171 0.041

0

0.0

0.081

0.2

Udio mjerenja

0.6 0.4

Udio mjerenja

0.25

0

0.778

0.8

0.651

14. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 5. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU Baška, otok KRK, 15. – 17. svibnja 2014. g.

- 252 -

Siniša Prugovečki, Igor Milat, Marija Pavlović, Mirna Fakin, Hrvoje Ćaćić, Miro Turčinović

5. ZAKLJUČAK Analiza odstupanja u točkama umjeravanja za digitalne termometre, higrometre i mikrometre, indicira da se korištenjem umjernih korekcija može ostvariti značajno smanjenje (za 50% i više) raspona odstupanja u 20 – 70% operativnih mjerenja. Od analiziranih mjernih uređaja, najveći potencijal (70%) ostvaruje se za digitalne termometre sa otporničkim i NTC sondama.

Utvrđene srednje apsolutne vrijednosti korekcija su 0.2 °C, 2% RH i 0.005 mm, za digitalne termometre, higrometre, odnosno mikrometre.

Korisnik mjernog uređaja mora odlučiti da li je povećanje točnosti mjerenja značajno za mjerna mjesta na kojima se uređaji upotrebljavaju i shodno tome uvesti korištenje korekcija.

Sustav Metroteka Loris omogućuje upotrebu korekcija prilikom operativnih mjerenja na vrlo jednostavan način - automatski izračun dostupan je korištenjem mobilnog telefona, tableta ili računala, jednostavnim upisivanjem očitanja mjerila, bez potrebe za dodatnom obradom podataka. Na osnovu našeg iskustva, srednja povećanja točnosti od 0.2°C, 2%RH i 0.005 mm, značajna su velikom broju korisnika. S obzirom na veliki dio operativnih mjerenja koja se mogu značajno korigirati, uz Metroteka Loris umjeravanje prestaje biti samo provjera i postaje alat za bitno poboljšanje točnosti mjerenja u praksi.

6. LITERATURA [1] Role of measurement and calibration in the manufacture of products for the global market – A guide for small and medium-sized enterprises, working paper (United Nations Industrial Development Organization), 2006.

[2] HRN EN ISO/IEC 17025:2007 (Opći zahtjevi za osposobljenost ispitnih i umjernih laboratorija)

BREAKTHROUGH IN TEMPERATURE, RELATIVE-HUMIDITY AND LENGTH MEASUREMENT ACCURACY BY MEANS OF CALIBRATION RESULTS THROUGH AN INTERACTIVE SMARTPHONE APPLICATION Summary Metroteka Loris is original software developed to significantly improve the benefits of calibration for a calibration client and make them much simpler to use than paper certificates or standard electronic records. In this paper we give a quantitative (statistical) representation of the accuracy improvement which it is possible to attain with smartphones combined with different temperature-, relative-humidity- and length-measuring instruments. The statistics will be based on instruments used in the quality and maintenance departments of Croatian companies and institutions, and thus will also provide an overview of the state of measuring instruments in Croatia, besides quantizing the benefits of interactive use of smartphones in measuring.

Keywords: calibration, electronic records, accuracy, quality improvement, metrology

14. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 5. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU Baška, otok KRK, 15. – 17. svibnja 2014. g.

- 253 -