Siirtyvätkö kalibroinnit digiajalla virtuaalisiksi?

Blogit
Martti Heinonen

Mittaustieto on läsnä arjessamme monin eri tavoin. Saamme ilmastonmuutoksesta paljon dataa, mutta tiedon luotettavuus edellyttää, että havaintolaitteet kalibroidaan säännöllisesti. Ydinvoimalan turvallinen operointi puolestaan on mahdollista vain, jos kriittiset mittalaitteet tarkistetaan riittävän usein. Kauppojen vaakojen lakisääteinen tarkistus varmistaa, että kukkaromme kevenee kassalla niin kuin myyjä lupaa. Kalibroinnit tehdään vertaamalla mittalaitetta referenssilaitteeseen hallituissa olosuhteissa. Tätä varten laitteet tuodaan fyysisesti samaan paikkaan. Korona-ajan digiloikka on vienyt monet fyysiset kokoukset virtuaalisiksi: Voisiko kalibroinneille käydä samoin? Voisiko digiajalla kalibroinnit hoitua virtuaalisina?

Vuodesta 2019 lähtien SI-mittayksikköjärjestelmän mukaiset mittaukset ovat perustuneet seitsemään määrittelevään vakioon eli sellaisiin fysiikan laeissa esiintyviin tekijöihin, joiden lukuarvo on aina ja kaikkialla sama. Periaatteessa tämä mahdollistaa tarkimman mahdollisen referenssin toteuttamisen missä tahansa. Jos järjestelmä saataisiin pakattua hyvin pieneen tilaan, sellaisia voitaisiin sijoittaa osaksi rutiinikäytössä olevia mittalaitteita. 

Maailmalla onkin käynnissä tutkimushankkeita, joiden tavoitteena on tuottaa mikropiirisirulle mittausantureita, joiden toiminta perustuu suoraan mittayksikön määritelmään. Vaikka tämä kehitys tuottaisi niin hyvää hedelmää, että antureita voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää laajalti erilaisissa mittalaitteissa, ei pelkkä mittalaitteen toimintaperiaate varmista siitä saatavan mittausdatan laatua eikä kerro käyttäjälle tärkeää tietoa mittausepävarmuudesta. Mittausjärjestelmän kokonaistoteutus, ikääntyminen, käyttöympäristö ja käyttötapa vaikuttavat vahvasti mittaustulosten luotettavuuteen. 

Kansainvälisessä kaupassa ja teollisuustoiminnassa on välttämätöntä osoittaa mittaustulosten jäljitettävyys SI-järjestelmään. Tässä määräväliajoin tehtävillä kalibroinneilla on merkittävä rooli. Digiajallakaan emme siis pääse irti kalibroinneista, mutta niiden toteutustavat muuttuvat.

Digitalisaation hyödyt ja haasteet kalibrointialalla

On nähtävissä, että teknologian kehitys tuottaa tulevaisuudessa kaksi ilmeistä hyötyä mittalaitteiden käyttäjille ja ylläpitäjille. Anturiverkkojen ja monenlaista mittaustietoa hyödyntävien järjestelmien korvatessa yksittäiset mittalaitteet kalibrointeja voidaan tehdä harvemmin ja ne voidaan sopeuttaa nykyistä paremmin muuhun toimintaan. Tämän mahdollistaa järjestelmiin sisäänrakennettu älykäs toiminnan diagnostiikka. 

Toisaalta digitaaliset järjestelmät mahdollistavat entistä nopeamman ja tehokkaamman kalibrointitiedon käsittelyn ja siirron eri toimijoiden välillä. Automaation avulla laadunvarmennus on kustannustehokkaampaa ja henkilöresurssin tarve pienenee.

Vaikka kalibrointitoimintaa harjoittavat yritykset saavat nauttia näistä samoista hyödyistä, teknologian kehitys tuottaa heille myös paljon päänvaivaa. Näistä merkittävimmät ovat: 

  • lukuisia erityyppisiä antureita hyödyntävien laitteet 
  • yksittäisten antureiden signaalin pohjalta simuloimalla mittaustuloksen tuottavat järjestelmät 
  • jatkuvasti oppivaan algoritmiin perustuvat älykkäät mittalaitteet. 

Miten kalibroida tällaisia laitteita niin, että kalibrointitulos mittausepävarmuuksineen on oikeasti sovellettavissa laitteen normaalin käytön aikana? Enää ei riitä, että mittausanturi ja referenssi mittaavat samasta paikasta staattisissa olosuhteissa. Tulevaisuudessa kalibrointi pitää sisällään erilaisia toiminnallisia ja simulointiin perustuvia testejä, joiden avulla voidaan osoittaa mittalaitteen tuottaman datan luotettavuus silloinkin, kun muutokset mitattavassa kohteessa ovat nopeita, laitteen oma diagnostiikka muuttaa laskenta-algoritmiaan tai säätöparametrejään, ja kun olosuhteet muuttuvat merkittävästi. Kalibrointimenettelyjä saatetaan myös optimoida käyttämällä erilaisia kalibrointitapoja eri kerroilla. 

Koska kalibroinnin riittävä kattavuus suhteessa käyttökohteeseen on tärkeää, tarvitaan tieteellisesti tutkittua tietoa mittauslaitteiden toiminnasta, joiden perusteella voidaan määrittää minimivaatimukset. Toisaalta tarvitaan riittävä yksimielisyys siitä, miten nämä ominaisuudet ilmaistaan kalibrointidatassa ja välitetään digitaalisessa muodossa.

”Digital SI” tähtää mittaustietojen luotettavaan käsittelyyn

Kansainvälisiin sopimuksiin perustuva metrologiayhteisö on lanseerannut termin ”Digital SI”, joka ei nimestään huolimatta tarkoita koko SI-mittayksikköjärjestelmän siirtymistä digitaaliseksi. Sen tavoite on luoda yhtenäinen tapa siirtää SI-järjestelmän mukaisia mittaus- ja kalibrointitietoja digitaalisissa järjestelmissä. Tämä onkin tärkeää, jotta vältytään tulosten väärältä tulkinnalta ja jotta voidaan toteuttaa koneellinen kalibrointitulosten välitys tehokkaasti ympäri maailman. Hanketta toteutetaan monissa erilaisissa projekteissa ympäri maailman. Myös Suomessa viedään tätä eteenpäin VTT MIKESin ja useiden yritysten yhteistyönä.

Digitalisaatio muuttaa siis myös kalibrointialaa, mutta ihan kokonaan virtuaaliseksi se ei ole muuttumassa. Mittausten luotettavuus tulee jatkossakin olemaan ankkuroituna meitä ympäröivään fyysiseen maailmaan. Tälläkin hetkellä on käytössä etäkalibrointimenetelmiä, joissa laitteita operoidaan etäyhteyksien avulla, mutta itse kalibrointimittaus toteutetaan samasta fyysisestä kohteesta. Täysin virtuaalinen kalibrointi sopii vain virtuaalimaailmaan.

Jaa
Martti Heinonen

Martti Heinonen

Vice President
Tutkimusosaaminen