Dynamische Festlegung von Kalibrier- und Nutzungsintervallen von Messmitteln

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1 8. VDI Fachtagung Messunsicherheit, Erfurt, 15./ Bernd Pesch Pesch Consult, Zülpich Dynamische Festlegung von Kalibrier- und Nutzungsintervallen von Messmitteln Urheberrechtshinweis: Das Ausgangsmaterial für diese Präsentation unterliegt dem Urheberrecht von Die Rechte an den Bildern liegen bei den benannten Urhebern oder sind gemeinfrei.

2 Übersicht Referenzen Status Quo Vorüberlegungen Unser MTBOOT-Ansatz Beispiele Dogs & Gems Intervalländerungen Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 2

3 Zielrichtungen Das nachfolgend diskutierte Verfahren ist implementierbar bei Festlegung der Intervalle eigener Messmittel Intervallempfehlungen für Kunden- Messmittel und Empfehlungen für eigene Produkte Implementierung von Algorithmen für intelligente Messmittel, die ihre Kalibrierintervalle selbst festlegen. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 3

4 Referenzen Wyatt, Castrup: Managing Calibration Intervals National Conference of State Legislatures International (NCSLI) RP-1 Integrated Science Group Analytical Metrology Handbook US Air Force Calibration Interval Analysis NASA Metrology Guidelines Publication 1342 (ILAC G5: zurückgezogen) ILAC G24 OIML D10 IEC ILAC - IAF (DIN ISO Teil 1 - Messmanagementsysteme) (DIN EN ISO/IEC ) Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 4

5 Normative Forderungen DIN EN ISO/IEC 17025:2005 DIN EN ISO 10012: ( ) Das Laboratorium muss über ein eingeführtes Programm und Verfahren für die Kalibrierung seiner Einrichtungen verfügen Intervalle der metrologischen Bestätigung Die für die Festlegung oder Änderung der Intervalle zwischen den metrologischen Bestätigungen verwendeten Methoden müssen in dokumentierten Verfahren beschrieben werden. Diese Intervalle müssen überprüft und gegebenenfalls angepasst werden, um die fortgesetzte Übereinstimmung mit den festgelegten metrologischen Anforderungen sicherzustellen. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 5

6 Empfehlungen vs. Festlegungen Hersteller: Unsere Messmittel sind perfekt. 24 Monate reichen. Auditor: Nehmen Sie mal 12 Monate. Das passt üblicherweise. Kalibrierdienstleister: Alle 6 Monate, wenn sie sichergehen wollen. Eigene Festlegung Intervall = π Daumen + Nasenfaktor Dieses Intervall ist nach Maßgabe des Controllers zu verdoppeln. Bild: Gary Larson Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 6

7 Forderungen Normale sollten nicht alleinig mit einer Spezifikationsangabe (Pauschalangabe) beschrieben werden. Ein individueller Parametersatz ist vorzuziehen: Bei der letzten Kalibrierung festgestellte (systematische) Messabweichung und erweiterte Messunsicherheit Drift Interpolation von Zwischenwerten (Linearität der Kennlinie) Auflösung von Anzeigewerten oder Einstellbarkeit (Wiederholpräzision) Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 7

8 Beispiel: Kalibrierung eines Gleichspannungsmessers Kalibrator Messpunkt 5730A 0,2000 V Varianzen Einfluss WDF G c νeff u Gew. Anteil (u²) Kal-Unsicherheit 1,2 E-6 V N 1,000 0,500 5,00 E+1 6,0 E-7 V 27 % Interpol. zw. Kal.Stützpunkten 6,0 E-7 V D 0,408 1,000 9,00 E+99 2,4 E-7 V 4 % Drift des Normals 1,2 E-6 V R 0,577 1,000 9,00 E+99 6,9 E-7 V 36 % Signalreinheit 5,0 E-7 V R 0,577 1,000 9,00 E+99 2,9 E-7 V 6 % Kabeleinflüsse 2,0 E-7 V R 0,577 1,000 9,00 E+99 1,2 E-7 V 1 % Auflösung des Prüflings 5,0 E-9 V R 0,577 1,000 9,00 E+99 2,9 E-9 V 0 % Thermospannungen 5,0 E-7 V R 0,577-1,000 9,00 E+99-2,9 E-7 V 6 % Wiederholpräzision 2,3 E-7 V N 1,000 1,000 1,00 E+1 2,3 E-7 V 4 % Kovarianzen Korrelationskoeffizient u Kabel, Thermospannungen 0,500-1,8 E-7 V -2 % Systematische Abweichungen Einfluss WDF G c n u Messabweichung 5,0 E-7 V S 1,000 1,000 5,00 E+1 5,0 E-7 V 19 % Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit n u Messunsicherheit (u) mit systematische Anteile (unkorrigiert) 4,4E+02 1,2 E-6 V 100 % Erweiterungsfaktor k, gem. Studenttabelle für 95% 2,00 Erw. Messunsicherheit (U 0,95 ) mit systematischen Anteilen 3,3E+02 2,2 E-6 V Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 8

9 Driftverhalten Bild: Wyatt, Castrup Die Informationsschärfe über die Messmitteleigenschaften nimmt mit zunehmender Zeit ab. Für die Weitergabe einer Messgröße ist eine belastbare Bewertung unerlässlich. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 9

10 Vorgehen nach NCSL-RP Homogene Vergleichsgruppen bilden oder Einzelgerätbetrachtung Daten sammeln (Kalibrierergebnisse) Zuverlässigkeitsmodell anpassen, R(t)-Modell Dog & Gem Identifikation Anpassung der Intervalle Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 10

11 Individualisiert Gruppiert Klassierung Normale Gruppe Funktion Druck Hersteller Fluke RPM P/N S/N Absolutdruck Funktion (1) Relativdruck Funktion (2)... Messbereich Messbereich 1,5 bar... (1) (2) Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 11

12 Methoden zur Datenerhebung Altes Intervall Kal n-1 Gerät m-1 Alte Intervalle Kal... Gerät m Kal n-2 Gerät m Kal n-1 Gerät m Neues Intervall Kal n-1 Gerät m Kal n-1 Gerät m+1 Neues Intervall Kal n-1 Gerät... Individuelle Bewertung eines Messmittels über die Kalibrierhistorie. Gruppenbewertung gleichartiger Messmittel über das jeweils letzte Kalibrierintervall. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 12

13 Methoden zur Datenerhebung (kombiniert) Kal n-1 Gerät m-1 Kal... Gerät m Kal n-2 Gerät m Kal n-1 Gerät m Kal n-1 Gerät m+1 Neues Intervall Kal n-1 Gerät... Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 13

14 Vorüberlegungen zur Modellierung Definition: Die bei einer Kalibrierung festgestellte Spezifikationsüberschreitung oder eine Fehlfunktion ist als Failure, als Ausfall, zu werten. Anmerkung: Das Zustandekommen der Konformitätsaussage und die Wahrscheinlichkeiten, mit der metrologische Aussagen zu einzelnen Messwerten getroffen wurden, wird nicht berücksichtigt. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 15

15 Notwendige Axiome 1: Spezifikationsüberschreitungen geschehen zufällig. 2: Der Messunsicherheitsbeitrag der Drift wächst mit der Zeit seit der letzten Kalibrierung. 3: Messunsicherheitsbeiträge variieren individuell für jedes Gerät. 4: Die Ausfallraten sind mathematisch beschreibbar. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 16

16 Modellierung der Ausfallrate Noch Axiom 4: Die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Messmittels während der Kalibrierung kann durch folgende Funktion in Anlehnung an der Bestimmung der Mean Time Between Failure (MTBF) ausreichend gut beschrieben werden: F t = 1 e t MTBOOT (nach DIN EN IEC 61709:2012) MTBOOT: Mean time between out of tolerance Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 17

17 Reliability An Stelle F(Δt) soll die Zuverlässigkeitsrate der Anteil der Messmittel R(Δt) betrachtet werden, die nach einem bestimmten Zeitraum noch die Spezifikationen erfüllen: R t = 1 F t = e t MTBOOT Die Nutzung von R(t) an Stelle F(t) vereinfacht spätere Rechenschritte. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 18

18 Zielsetzung: Intervallfestlegung Aktuelles Kalibrierintervall Gesucht wird das zu einer vorgegebenen Zuverlässigkeitsrate gehörende Intervall Δt n+1. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 19

19 Aktuelle und Zielkonditionen Durch Auswertung aktueller Ergebnisse kann R n in Abhängigkeit von Δt n festgestellt werden. Zieldaten sind: R n = e t n MTBOOT R n+1 = e t n+1 MTBOOT Es gilt nach Gleichsetzung zu MTBOOT: t n+1 = t n ln R n+1 ln R n Diese Gleichung für ein Revised Interval entspricht etwa dem Ansatz S3 (A3) aus NCSLI RP-1, Seite 97. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 20

20 Beispiel 1 (Massenartikel) Eine Anzahl baugleicher Messmittel wird mit einem Intervall von 24 Monaten kalibriert. Hierbei wurde bei 140 Kalibrierung eine Ausfallrate von 19 Geräten festgestellt. Angestrebt wird eine Zuverlässigkeitsrate von 90 %: t n = 24 Monate R n = 1 F n = = 0,86 R n+1 = 0,90 Das neue Kalibrierintervall müsste betragen: ln R n ln 0,86 t n+1 = t n = 24 Monate ln R n+1 ln 0,90 = 17,3 Monate Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 21

21 Beispiel 2: Bezugsnormal Für ein Labornormal (Einzelgerät) wird eine Zuverlässigkeitsrate von 95 % gefordert. Das Messmittel wird 12monatlich kalibriert. Bei einer von 4 Kalibrierungen wurde eine Spezifikationsüberschreitung festgestellt: t n = 12 Monate R n = = 0,75 R n+1 = 0,95 Das neue Kalibrierintervall müsste betragen: t n+1 = 12 Monate ln 0,95 ln = 2,1 Monate Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 22

22 Eine deutliche Verkürzung der Kalibrierfrist ist angeraten. Jedoch ist ein Kalibrierintervall kleiner 90 Tage nicht praktikabel. Zu klären ist, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Spezifikationsgrenzen eingehalten werden, wenn an Stelle des berechneten Intervalls für Δt n+1 ein Intervall von drei oder sechs Monaten gewählt wird: R n+1 = t n+1 e t n ln R n Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 23

23 Neue Festlegung (Bezugsnormal) R n+1 = e 3 Mo 12 Mo ln 0,75 = 0,93 Bei Festlegung des neuen Kalibrierintervalls auf drei Monate würde die Ausfallwahrscheinlichkeit des Normals bei 7 % liegen. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 24

24 Sinnvolle Grenzen Empfehlung: Zuverlässigkeitsraten von 90 % oder mehr sind in der Praxis kaum wirtschaftlich zu realisieren. Für Bezugsnormale wird vorgeschlagen R n+1 auf 85 % zu begrenzen. Für weitere Messmittel reichen oft 75 % aus. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 25

25 Dogs & Gems Alle Abschätzungen beruhen auf Erfahrungen einer mehr oder minder großen Referenzdatenmenge. Sie berücksichtigen individuelle Geräteeigenschaften nicht: Dogs : high out of tolerance rates Gems : low out of tolerance rates Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 26

26 Dog Management Messmittel mit geringerer Zuverlässigkeit benötigen ein besonderes Management und Betrachtungen, beispielsweise: Verkürzte Kalibrierintervalle Vergleichsmessungen in kürzeren Abständen Servicemaßnahmen, Grundüberholung Entsorgung Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 27

27 Gem Management Die überdurchschnittliche Zuverlässigkeit kann ausgenutzt werden, beispielsweise: Verlängerte Kalibrierintervalle Nutzung für besondere Messungen ( golden standards ) Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 28

28 Begrenzung der Intervalländerung Es ist sinnvoll, die Bandbreite der Änderung von Kalibrierintervallen zu begrenzen. Ein Ansatz zur Begrenzung der Änderungen ist eine (willkürliche) Festlegung auf maximal eine Halbierung (a = 0,5) oder Verdopplung (b = 2) der Intervalle: T n+1 = T n b wenn R n > R n+1 1 b T n a wenn R n < R n+1 1 a T n ln R n+1 ln R n in anderen Fällen Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 29

29 Flexiblere Festlegung Eine flexiblere Festlegung neuer Intervalle kann in Abhängigkeit des Verhältnisses der Zuverlässigkeitsraten erfolgen: t n+1 = t n R n+1 t n 1 R n+1 2 t n ln R n+1 ln R n wenn R n > R n+1 R n+1 R n+1 +1 wenn R n < R n R n+1 in anderen Fällen Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 30

30 Alternative: Spezifikationsanpassung An Stelle der Änderung von Intervallen können mit gleicher Methodik auch die Spezifikationen von Messmittel angepasst werden. Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 31

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Messunsicherheit ISBN Ihr Dienstleister und Netzwerk für: Messen, Kalibrieren, Prüfen ISBN Metrologische Seminare Bestimmung der Messunsicherheit Akkreditierungsbegleitung QM-Dienstleistungen Bestimmung der Messunsicherheit nach GUM ISBN Rev , 5. Januar 2017 Pesch Consult, Bernd Pesch 32