QAL3 Baggrund, brug og fortolkning

 

Historisk bagrund

 

Da QAL3 blev opfundet i begyndelsen 1990’erne i den arbejdsgruppe, der skrev EN14181, var verden for anlægsmålere en ganske anden.

Anlægsmålerne var analoge instrumenter baseret filter- eller gaskorrelation, hvor det optiske vekselsignal blev sendt igennem et par forstærkere og ensrettere og endelig endte op i et 4-20 mA jævnstrømssignal.

Hvis et sådant instrument ikke målte hvad det skulle når man satte testgas på det, f.eks. på grund af ældning i lyskilde eller andre elektroniske komponenter, justerede man det ”tilbage på plads med en skruetrækker”.

Støvmålerne var ligesådan, typisk SICK’s RM41 og DURAG’s DR280, var analoge instrumenter, der målte lysdæmpningen over kanalen, og de blev ligeledes justeret ind til kanaldiameteren ”med en skruetrækker”, og drev de med tiden p.gr.a. ældning i lyskilde eller andre komponenter, blev de atter justeret ind.

Den tid er imidlertid forbi, og den forsvandt mere eller mindre imens vi skrev EN14181, for da den endeligt blev publiceret i 2004 var alle nye instrumenter, også støvmålere, rene computere, og man kan ikke engang kalde dem ”små computere”, for de har temmelig stor regnekraft.

Instrumenterne er nu digitale, idet den analoge del, selve kernen i måleren, begrænses til et absolut minimum. Signalet digitaliseres så hurtigt man overhovedet kan komme til det, og derfor kan en moderne måler ikke langsomt drive væk fra sin grundjustering, og kan da heller ikke justeres ”tilbage på plads” af brugeren. Der findes simpelthen ikke justeringsmulighed tilgængelig for brugeren. Hvis et moderne instrument måler forkert, skal det til service på fabrikken eller hos et autoriseret serviceværksted.

Helt anderledes stiller det sig imidlertid med udsugningssonderne (slanger, ventiler, pumper) og konditioneringen af gassen (kølere, varmere, filtre osv.). Her kan lækage og tilsmudsning give fejl og langsom ”drift”, men dette forsøges overvåget med en serie af målepunkter, så instrumentet kan advare brugeren om en fejls opståen eller voksende betydning.

 

Hvad betyder det for QAL3?

 

Det betyder at den del af QAL3 proceduren i EN14181, der beskriver hvordan man skal håndtere ”QAL3-korrektion” ikke kan gennemføres, for man kan ikke ”QAL3-korrigere disse instrumenter.

Det er derfor blevet normen at lægge QAL3-korrektion i SRO-anlægget, selvom det egentlig er i strid med EN14181, der har til formål at sikre at instrumentet måler rigtigt. Det er også i strid med instrumentteknologien, for de bør ikke kunne drive og skal derfor heller ikke ”kompenseres for”, og endeligt er det i strid med almindelig sund fornuft f.eks. at kompensere i SRO-anlægget for en lækage i udsugningssystemet.

QAL3 skal derfor gennemføres på moderne instrumenter for at sikre sig imod fejl, som jo altid kan opstå, men ikke med QAL3-korrektion

 

Valg af ”kontrolkort”, d.v.s metode.

 

EN14181 foreskriver 3 ”kontrolkort”, der kan anvendes til QAL3-overvågning. Det er atter en terminologi og tænkemåde, der har sin oprindelse i begyndelsen af 1990’erne. I dag er der jo ingen, der ville drømme om at sidde med et lille kartotekskort for hver måler. Allerede imens vi skrev standarden var vi klar over at ”kontrolkort” ville betyde regneark i simpleste fald, og direkte automatisering i de fleste tilfælde på længere sigt.

Når EN14181 derfor beskriver 3 forskellige ”kontrolkort”, nemlig Shewhart-kort (opkaldt efter W.A.Shewhart, amerikansk ingeniør og den statistiske kvalitetskontrols fader), EWMA (exponential weighted moving average) og CUSUM (cumulative sum control chart). Forskellen ligger i om og hvordan de enkelte målinger bliver behandlet.

 

Shewhart

Shewhart er den simpleste, idet den sammenholder hver enkelt måling mod en valgt grænseværdi (se nedenfor). Hvis en målt værdi over- eller underskrider den valgte grænse, er det tegn på at måleren er udenfor den tolerance, der er valgt/tilladt.

EWMA med vægtning 80%

 

EWMA

Her beregner man et gennemsnit, idet man vægter ældre målinger med en faktor under 1,00. Hosstående tegning viser vægten, hvor en faktor på 0,8 er valgt som det, næstsidste måling vægtes med, og 0,8² (o,64) som det, den 3.sidste måling vægtes etc.

Den nyeste måling får derved stor vægt, men med en faktor på 0,8 kun 25%, og de ældre målinger vejer hver for sig vejer mindre og mindre. Målingen taget for 20 målinger siden vejer kun med 1%.

Således vil et enkelt udslag, p.gr.a. uheldige omstændigheder, ikke dømme instrumentet defekt, selvom den enkelte måling er over grænsen, men hvis afvigelserne forbliver, vil instrumentet efter et par målinger blive klassificeret som defekt.

Det har den effekt, at tilfældige afvigelser (se herom nedenfor under CUSUM) vil have lavere sandsynlighed for at dømme et instrument defekt end systematisk afvigelser (se herom nedenfor under CUSUM), og om det er en fordel eller en gene er en smags sag.

 

CUSUM

CUSUM er virkeligt et barn af 1990’erne eller tidligere, se ovenfor under ”Historis baggrund”.

I de analoge instrumenters tid kunne et instrument blive unøjagtigt på 2 måder:

-          enten almindelig drift (f.eks. ældning af lyskilden eller elektroniske komponenter),

-          eller det kunne få større og større ”målestøj”, d.v.s. at målingerne flaksede mere og mere op og ned uden det var grundet i den koncentration, de skulle måle.

Drift (eller som statistikerne kalder det: systematisk afvigelse) kunne korrigeres ved at justere måleren ”tilbage på plads”, se ovenfor under ”Historisk baggrund”, mens en forøget målestøj (eller tilfældige afvigelser eller stokastiske afvigelser som statistikerne kalder det) kun kunne fjernes ved at renovere (reparere) instrumentet.

Det bringer os til formålet med CUSUM: At man ved den matematik CUSUM anvender, kan skelne mellem forøget målestøj og forøget drift, og med analoge instrumenter er det formålstjenstligt, for ved drift skal man som EN14181 foreskriver ”justere instrumentet tilbage på plads”, men ved forøget målestøj skal man sende det til service.

Alle moderne instrumenter, jeg kender til, kan ikke ”justeres tilbage på plads”, som de gamle gasanalysatorer og støvmålere kunne (se ovenfor under Historisk baggrund). Konsekvensen af at en QAL3 måling overskride grænserne i CUSUM er den samme uanset om det er alarm for forøget drift eller forøget målestøj, nemlig at instrumentet skal serviceres. Der er altså ingen grund til at gøre det ekstra arbejde, som CUSUM indebærer, for man anvender ikke den ekstra viden til noget som helst.

Desuden kræver CUSUM mange flere målinger end man normalt får i dag, se nedenfor under ”Hvor tit skal man måle”.

 

Valg af tolerancer

 

Ifølge EN14181 skal man anvende den sAMS, som fastlægges under QAL1 som tolerance for sin QAL3.

Det er i og for sig fornuftigt, hvis man beregnede den samlede sAMS, men det gør man næsten aldrig, måske fordi man ikke har sat sig rigtigt ind i hvad QAL1 er, se fanebladet om QAL1 på denne hjemmeside.

Derfor er der mange, der i den bedste vilje, starter med en sAMS som er lig med instrumentets indre målepræcision fra typetesten, og så opdager de at de for ustandselige ”falske” alarmer. Det er klart, for den samlede usikkerhed er meget mere end instrument-usikkerheden, se fanebladet om QAL1.

 Derfor er der mange af de større europæiske lande, der har indført faste og mere pragmatiske grænser, og ved revisionen af EN14181, der kommer til høring i løbet af 2012, er disse pragmatiske grænser taget med, idet EN14181 i revisionen anbefaler at anvende 50% af den maksimale tolerance, der er anført som 95% konfidensinterval i det relevante direktiv.

Et affaldsforbrændingsanlæg under EU Direktiv 2000/76  har f.eks. en døgngrænseværdi for CO på 50 mg/Nm³ og en tolerance på 10%, så det giver en sAMS til brug for QAL3 på ½ . 0,1 . 50=2,5 mg/Nm³. Det er en rimelig og pragmatisk metode.

 

Hvor hyppigt skal en QAL3 måling gennemføres, og påvirker det valg af metode?

 

Da vi skrev EN14181 var det oprindeligt foreskrevet at QAL3 skulle gennemføres hver 14. dag, og vi kan i dag kun være taknemmelige for at der under høring rejste sig store protester imod dette. Det blev fjernet fra den endelige version, og det blev op til de enkelte lokale myndigheder hvordan man ville håndtere dette.

Senere blev så standardserien for typeafprøvning af instrumenter til emissionsmåling, EN15267, udarbejdet, og i den står der at instrumenterne skal afprøves for deres længste sammenhængende driftstid uden vedligehold, og afhængig af hvor længe det er, blev det såkaldte ”vedligeholdelsesinterval” defineret.

Det blev specificeret til minimum 8 dage, men hvis testen under typeafprøvningen havde løbet succesfuldt i 3 måneder, blev det fastsat til 1 måned.

Hvis testen derimod havde løbet succesfuldt i 1 år (12 måneder) kunne vedligeholdsintervallet fastsættes til 6 måneder, og hvis testen havde løbet succesfuldt i 2 år (24 måneder) kunne vedligeholdsintervallet fastsættes til 12 måneder, forudsat producenter fandt det forsvarligt at lade sit instrument køre så længe uden tilsyn.

Den reviderede EN14181 fastlægger tillige at vedligeholdelsesintervallet er det længste, der må være mellem 2 QAL3 målinger, og da QAL3 målinger er ret dyre, søge de fleste anlæg ikke at gøre det oftere end vedligeholdelsesintervallet.

Hvis vedligeholdsintervallet er op mod 6 måneder, som de fleste nye gasanalysatorer har, siger det sig selv at statistisk analyse (EWMA eller CUSUM) af QAL3 målinger falder væk, da man skal nulstille QAL3 korektioner før hver QAL2 eller AST, og således kun har 1 måling mellem QAL2 og AST eller mellem 2 AST-målinger.

Derfor er en simpel måling mod grænserne sAMS (Shewhart) det eneste rimelig for sådanne moderne instrumenter, men for gamle ananloge instrumenter, der ikke er testet og certificeret efter EN15267,  kan det imidlertid være rimeligt at anvende en af de to andre metoder.

 

Nye gasanalysatorer testes i 3 måneder.

 

Referencelaboratoriet (RefLab) har anbefalet at når man sætter en ny måler i drift, der er testet i 12 måneder, og derfor har 6 måneders vedligeholdsinterval, skal man gennemføre QAL3 hver 14. dag i 3 måneder for at bevise at de er stabile.

Efter min opfattelse er det spild af penge og bringer intet. Som påpeget flere gange under dette faneblad driver moderne instrumenter ikke, så det man måler, er måleinstituttets evne til håndtering af testgasser og måleprocedure, og det koster en bondegård.

Man var langt bedre stillet - hvis man vil teste et nyt instrument (!) - ved at forlange en funktionstest efter f.eks. 3 mdr. Det ville afsløre utætheder og fejl i udsugningssystemet og gaskonditioneringen, og således kontrollere installationen efter 6 måneders drift.

En QAL3 kan iflg. EN14181 revisionen indføre gas direkte til analysatoren, og derved ikke teste alt det, der kan gå galt.

For eksempel i en FTIRanalysator tester man kun det spritnye interferrometret og den indbyggede computer, og det er der ingen der forventer skulle være gået i stykker uden man lagde mærke til det.

 

Indbyggede QAL3 metoder

 

I revisionen af EN14181 har man tillige taget højde for at alle nye instrumenter løbende gennemfører en række selvkontroller, og mange af disse ”ligner” QAL3, idet det der dagligt eller flere gange dagligt automatisk tilføres nul-gas og/eller test-gas, og instrumentet kontrollerer om det måler indenfor fastlagte tolerancer.

Af uudgrundelige grunder har arbejdsgruppen fastlaget, at hvis en sådan intern måling efterfølges af en intern justering, kan målingen ikke bruges som ”QAL3”-måling. Det skal være en måling, der ikke efterfølges af en intern justering. Fysisk set kan det være nøjagtigt den samme måling, men selvom jeg selv sidder i arbejdsgruppe, er det ikke lykkedes mig at få en fornuftig teknisk begrundelse for dette krav. Sådan ville et flertal bare have det.

Men det er ikke så vigtigt, det betyder blot at producenten skal tilføje denne ”QAL3”-test til sin software, d.v.s. en intern test, der ikke efterfølges af intern korrektion.

For brugeren betyder det imidlertid at han, ved køb af målere, skal sikre sig at testinstituttet (i Danmark typisk det tyske institut TÜV) har afprøvet og certificeret at den interne kontrolfunktion kan træde i stedet for en ekstern QAL3 test.

Derudover er der krav til dokumentation, se nedenfor.

 

Hvor bogstaveligt skal ”kontrolkort” så tages?

 

Når man læser den oprindelige EN14181 kunne man få det indtryk, at man skal udforme et fysisk kontrolkort, som holdes i arkivkasser til inspektion på driftslederens kontor.

Det er der selvfølgelig ingen, der ville drømme om i dag, og derfor er teksten også modificeret i reveiosnen af EN14181 således at der nu kun stilles krav om at data fra QAL3-målingerne er til rådighed, og at der gives alarm til driftspersonalet, hvis grænserne ved QAL3 måling overskrides,

Data skal tillige være logget og bevaret i SRO-anlægget, og være tilgængelige for myndighederne i en sådan læsbar form, at de kan kontrollere at QAL3 gennemføres (måske automatisk, se nedenfor) efter forskrifterne, hvis myndighederne skulle ønske det.

 

Indbygget og automatiseret QAL3

 

Der er naturligvis ret store beløb at spare på at anvende måleinstrumenter med indbygget QAL3, men det må samtidigt understreges, at i sådanne tilfælde bør man i sin kvalitetshåndbog have en klar og entydig beskrivelse af hvordan alarmer kommer ind, og hvordan og hvem, der behandler dem, og så naturligvis handle derefter.

Det er jo ikke nok at det står i kvalitetshåndbogen J.

 

Konklusion:

  1. Gennemfør QAL3 med en afstand i tid svarende til vedligeholdsintervallet.
  2. Gennemfør aldrig QAL3-korrektioner. Hvis målingen afviger mere end den må, så find fejlen.
  3. Ved nyanskaffelser, søg instrumenter, der er certificeret med lang vedligeholdsinterval, det sparer omkostninger i det lange løb.
  4. Vær sikker på at der er en klar og entydig procedure for hvad der sker, når en QAL3 alarm opstår.
  5. Hav proceduren beskrev i kvalitetshåndbogen