Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo

Diagnostika, nejistoty měření a prokazování shody

František Vdoleček
 
Nejistoty měření hrají velkou roli také ve všech případech, kde je v současnosti vyžado­váno prokázání shody. To je případ velmi častý také v oborech technické diagnostiky, kdy je třeba shodu prokázat (či naopak vyvrátit). Článek poukazuje na význam a přínos po­užití principu nejistot měření v takových případech. Volně přitom navazuje na nedávný cyklus článků v časopise Automa na téma nejistoty ve vibrodiagnostice [4].
 
Measurement uncertainties play an important part in all cases where proving of con­formity is required. This is a common situation in technical diagnostics branches, when conformity needs to be proved (or disproved). The article points at importance as well as advantage of measurement uncertainty principle use in such cases, all that in loose relation to recent series of articles on uncertainties in vibro-diagnostics published in Au­toma magazine [4].
 

Úvod

V časopisu Automa ročníku 2010 byl publikován cyklus článků [4], který přibli­žoval problematiku analýzy nejistot v mě­řicím a vyhodnocovacím řetězci vibrodia­gnostického systému. Obecně lze konstato­vat, že jakákoliv diagnostika se dnes opírá o výsledky objektivních měření, takže spo­lu s výsledky měření diagnostických para­metrů se do celého procesu dostávají také jejich nejistoty.
 
Při pohledu na další širší souvislosti uplatnění výsledků měření, tvořících vstup do diagnostického systému, při následném stanovení diagnózy je pak již jen krůček k prokazování shody, resp. určení způsobi­losti příslušného procesu. Toto jsou oblas­ti, jimž je v posledním desetiletí věnována velká pozornost v legislativě, jejíž uplatně­ní se může i velmi výrazně odrazit na správ­ném rozhodnutí a stanovení konečné diagnó­zy. Přeneseně tak lze dosáhnout nejen větší kvality samotné diagnózy, ale zprostředko­vaně také zlepšení v oblasti předcházení po­ruchám, vyšší bezpečnosti, menších ekono­mických ztrát apod.
 
Dále bude ukázáno, že dodržení zásad prokazování shody může pomoci zejména ve sporných případech. Technická diagnostika se ve svých rozhodnutích (diagnózách) opírá především o výsledky měření tvořících vstupy do diagnostických systémů. Žádné provozní měření přitom nemůže být nikdy absolutně přesné. Vždy je zde větší či men­ší ovlivnění mnoha negativními jevy, což se projeví určitými odchylkami naměřené hod­noty od správné hodnoty sledované veličiny. V každodenní diagnostické praxi se však lze stále ještě velmi často setkat s přístupy, kdy relativně přesná měřicí technika vede k pře­hlížení chyb měření a posléze nejistot, které jsou jejich následným ohodnocením. Zjed­nodušenému rozhodování nahrává i případ­né rozdělení provozních stavů do několika úrovní, kterým ještě navíc přísluší vždy urči­tý rozsah hodnot základní sledované veličiny.
 
Podobná „zjednodušení“ jsou zcela nepří­pustná v oborech s hrozbou až nedozírných následků případné havárie. Také jinde lze ale s výhodou využít to, co pro veškeré úlohy za­ložené na použití měřicí techniky nabízí obor řízení procesů měření, legislativně požadova­ného např. [6].
 

Prokazování shody obecně

 
Spolu s nejistotami měření se do zorné­ho pole může dostat také prokazování shody a způsobilost procesů měření. Kdyby výsled­kem měření byla pouze jednoznačná hodnota sledované veličiny, problém shody by v pod­statě neexistoval. Do popředí zájmu se dostává právě v důsledku neurčitostí a kolísání namě­řených údajů, tj. jevů, které v současnosti vel­mi dobře vystihují nejistoty měření, postupně nahrazující dřívější chyby měření. Podstatou řešení problému je dosáhnout toho, aby neurčitosti výsledku měření, zpravidla vyjádřené prostřednictvím rozšířené nejistoty, spotřebo­valy jen jistý malý zlomek tolerančního pásma.
 
V obecném pojetí lze problém způsobilosti procesu měření chápat také jako jistou bezpeč­nost umístění naměřené hodnoty včetně její nejistoty do intervalu výrobní či jiné tolerance, který je dán dvěma mezními hodnotami (horní a dolní). Toto je jistě pro­blém nejen běžných výrobních, montážních a jiných postupů, ale také všech oborů technické dia­gnostiky. Navíc i samotné mezní hodnoty mohou být jak konstant­ní a jednoznačně stanovené (tzv. ostré), tak i zatížené svými vlast­ními nejistotami. Uvedené názor­ně ilustruje jednoduché schéma na obr. 1, kde je výsledek měření zatížený nejistotou vztažen k tole­rančnímu poli s ostrými mezemi.
 
Způsobilost procesu měření je zpravidla určována na zákla­dě součinitele způsobilosti cp, popř. součinitele využití způsobilosti cpk[5], vyjadřujících po­měr rozšířené nejistoty měření k šířce tolerančního pásma sle­dované veličiny podle vztahu
 
cp = 2U/T
 
cpk = (2U – │e│)/T
kde
U je rozšířená nejistota,
T šířka tolerančního pásma,
e systematická odchylka měřicího procesu zjištěná např. při kalibraci měřicí­ho řetězce (podrobněji viz [1], [5]).
 
Uvedené ukazatele způsobilosti mohou být pro jednotlivé případy a obory upraveny příslušnými oborovými normami, např. v au­tomobilovém průmyslu je to právě norma [5].
 
Další možnosti hodnocení způsobilosti jsou ukázány např. v [1], [2]. Jako způsobilý je zpravidla hodnocen takový měřicí proces, pro jehož součinitel způsobilosti platí cp(popř. cpk) ≤ 0,3. Má-li být v souladu s požadavky např. [5], [6], [7] prokázána shoda, musí na­měřená hodnota včetně nejistot ležet jedno­značně uvnitř (v případě neshody vně) tole­rančního pásma sledované veličiny.
 

Prokazování shody v diagnostice

 
Prokazování shody má velmi blízko k úlo­hám technické diagnostiky, vždyť diagnóza spočívá ve většině případů v porovnání namě­řené hodnoty sledované veličiny s její mezní přípustnou hodnotou, tj. jde o prokázání sho­dy. Rozdíl oproti obecnému problému spočí­vá především v tom, že mezní hodnota může být často pouze jedna, a shodu je tak třeba prokázat pouze jednostranně. Co se týče mo­delu výsledku měření s nejistotou ve vztahu k jednoznačně stanovené mezní hodnotě, lze případy průkaznosti jednoznačné shody nebo neshody znázornit způsobem podle obr. 2.
 
V případě řešení i způsobilosti a jejího součinitele by bylo v těchto diagnostických úlohách oproti již uvedeným základům třeba provést některé úpravy. Kvalitní diagnostické systémy zpravidla poskytují výsledky s rela­tivně malými nejistotami měření, což by se v hodnocení odrazilo velmi kladně, ale na­proti tomu právě u případů s „jednostranným“ kritériem by mnohdy vznikly problémy s ur­čením základní šířky „tolerančního pásma“. Jisté problémy při kvantifikování procesu by mohly nastat i v případech, kde je diagnostic­ký parametr rozdělen stupňovitě do několika úrovní stavu s hodnocením např. „vynikající – dobrý – přípustný – nepřípustný“. Otázkou by bylo, zda je zde opravdu možné celému rozsahu jednoho stupně hodnocení stavu při­soudit význam tolerančního pásma.
 
Sledovaným diagnostickým parametrem může být teplota ložiska, výchylka nebo rych­lost jeho vibrací, popř. mnoho dalších vhodně zvolených veličin. Jako shodu pak chápejme potvrzení provozuschopného stavu, neshodou (prokazatelným překročením mezní hodno­ty parametru) je přeřazení provozního stavu do určité úrovně výstrahy a v posledním stupni již dosažení stavu nepřípustného. Jednoznačné prokázání shody nebo neshody přitom předpo­kládá výsledek měření včetně oboustranného pásma rozšířené nejistoty mimo mezní hodnotu.
 
Situace se výrazně mění, jestliže se mezní hodnota protne s pásmem nejistoty okolo na­měřené hodnoty. Přestože samotná jmenovi­tá hodnota výsledku měření, zjištěná přímým měřením nebo stanovená na základě dalšího zpracování naměřených údajů, leží pod mezní hodnotou nebo nad ní, shodu či neshodu ne­lze v tomto případě prokázat (obr. 3). Výsled­ná hodnota zasahuje částí pásma své nejistoty na opačnou stranu mezní hodnoty, čímž vnáší do rozhodování pochybnosti. Pásmo nejistot okolo výsledné jmenovité hodnoty zohled­ňuje veškeré možné vlivy působící na měřicí řetězec, a v daný okamžik tedy nelze ani po­tvrdit, ani vyvrátit, zda se negativa projevila v plné míře, nebo zda jde o příznivější kom­binaci, kdy by mohl právě tento případ měře­ní vyčerpat jen užší pásmo nejistoty.
 
V naposled uvedeném případě nelze sho­du či neshodu prokázat a metodika přísluš­ných předpisů zpravidla ukládá, aby bylo mě­ření opakováno přesnějšími metodami nebo prostředky. Opakované a přesnější měření se zpravidla vyznačuje také menšími nejistota­mi, takže se poté obvykle na příslušnou stra­nu mezní hodnoty dostane i pásmo nejistoty, jak je tomu na obr. 2.
 
Je zřejmé, že takovéto sporné případy bu­dou nastávat u výsledků mě­ření diagnostického parame­tru, popř. výsledků diagnózy, stanovených v těsné blízkos­ti mezní hodnoty oddělující dvě sousední úrovně hodnoce­ní provozního stavu zařízení.
 
Samotná mezní hodnota ovšem není ve všech případech dána zcela jednoznačně. Situa­ce se tak dále komplikuje, jest­liže svou nejistotou bude zatí­žena i samotná mezní hodnota, nejen výsledek měření (diagnó­zy). Spornými případy, kdy ne­bude možné jednoznačně roz­hodnout o shodě či neshodě, se zde stávají i všechny situace, u nichž se protnou jen samot­ná pásma nejistot výsledků mě­ření a mezní hodnoty. Přestože výsledek včetně pásma nejisto­ty leží prokazatelně na přísluš­né straně mezní hodnoty, popř. jmenovitá hodnota výsledku mimo nejistotu meze, samot­ný drobný průnik pásem ne­jistot je dostatečným důvodem k odmítnutí jednoznačných zá­věrů. Graficky je uvedená situ­ace znázorněna na obr. 4.
 
Aby bylo možné vyřešit spor a dojít k jednoznačné­mu výslednému rozhodnutí, je opět třeba zpřesnit měření, nejlépe použitím dokonalej­šího přístrojového vybavení. Rozhodování v případě stej­ných nejistot mezní hodnoty, ale výrazně přesnějšího měře­ní přibližuje obr. 5.
 

Závěr

 
Nejistoty měření spolu s metodou konfirmace procesů a prokazování shody mohou pomoci také při odstraňování sporných případů diagnóz v nej­různějších oborech technické diagnostiky. Me­toda konfirmace může být přínosem zejména z pohledu některých legislativních požadav­ků, jako např. [6], [7]. Na základě zásad pro­kazování shody je možné předejít nebezpečí nesprávné diagnózy, která by následně mohla mít za následek i velké ekonomické ztráty ze vzniklých poruch, popř. havárií. Uplatnění me­tody konfirmace může být přínosem pro diagnostická pracoviště obecně, nejen pro akre­ditované laboratoře a subjekty, které je mají uloženy z titulu platné legislativy.
 
V diagnostice se velmi často rozhoduje také na základě zjištěné hodnoty diagnostic­kého parametru podle jednostranného mez­ního kritéria, což při tradičním přístupu za­loženém na použití klasických součinitelů způsobilosti přináší potíže. Co se týče použití samotných součinitelů způsobilosti, dořeše­ní jejich úprav či návrhu jiných metod kvan­tifikace způsobilosti procesu měření při ře­šení konkrétních a zcela specifických úloh diagnostiky, lze se popř. inspirovat postupy a úvahami uvedenými např. v [1], [2], [5]. Principy prokazování shody přiblížené v tom­to článku při použití názorných obrázků jsou nicméně plně použitelné v praxi. Jejich použi­tí lze pokládat v každém ohledu za přínosné.
 
Poděkování
Článek vznikl v návaznosti na Výzkumný zá­měr MSM 0021630529 Inteligentní systémy v automatizaci.
 
Literatura:
[1] KUREKOVÁ, E.: Analýza metód výpočtu in­dexov spôsobilosti. In.: Sborník mezinárodní konference Strojné inžinierstvo, STU SjF, Bratislava, 2004, ISBN 80-227-2105-0, s. S1-94–S1-98.
[2] PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – VDO­LEČEK, F. – HALAJ, M.: Systém riadenia merania. Grafické štúdio-Juriga, Bratislava, 2001, 208 s., ISBN 80-968449-7-0.
[3] VDOLEČEK, F. Způsobilost technické dia­gnostiky. Technická diagnostika XIV, Z1/2005, s. 41, ISSN 1210-311X, Příloha – Sborník me­zinárodní konference DIAGO 2005, VŠB-TU Ostrava, 2005, s. 340–345.
[4] ZUTH, D. – VDOLEČEK, F.: Nejistoty ve vib­rodiagnostice 1–5. Cyklus článků, Automa, 2009–2010, ročník 15–16, ISSN 1210-9592.
[5] VDA 5 Způsobilost kontrolních procesů. Česká společnost pro jakost, Praha, 2004, 112 s., ISBN 80-02-01656-4.
[6] ČSN EN ISO 10012:2003 Systémy manage­mentu měření – požadavky na měření a měřicí vybavení. ČNI, Praha, 2003.
[7] ČSN EN ISO/IEC 17025:2005 Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kali­bračních laboratoří. ČNI, Praha, 2005.
 
Ing. František Vdoleček, CSc.,
FSI VUT v Brně
 
Obr. 1. Problém shody obecně
Obr. 2. Případ jednoznačné shody a neshody
Obr. 3. Sporné případy, kdy nelze jednoznač­ně prokázat shodu nebo neshodu
Obr. 4. Sporné případy, kdy nelze prokázat shodu nebo neshodu v důsledku nejistoty (tolerance) mezní hodnoty sledovaného diagnostického parametru
Obr. 5. Možnost jednoznačného rozhodnutí po zmenšení nejistoty výsledku měření (přesnějším měřením)