样品称量过程中测量不确定度检测方案(天平)

c&en|白皮书 2 称重过程中的测量不确定度：需要注意的8大影响因素 2016年，《自然》(Nature)杂志对1576名研究人员开展的一项调查结果显示，超过70%的受访研究人员曾尝试重复其他科学家发表的实验却以失败告终。超过一半的受访研究人员还表示无法重复自己做过的实验。 德国哥廷根Sartorius Lab Instruments的计量专家Julian Haller表示，造成这种情况的原因有很多，其中包括不规范的实验流程文档。测量不确定度是另一个重要但经常被忽略的因素，尤其是在称重方面。Haller表示：“假设报告中指明在反应中某物质的用量为2 mg， 但由于测量不确定度，实际用量为 3mg。之后，当另一个实验室试图用2mg来重复做实验时，可能就不会成功。测量不确定度对结果的重复性和可比性有很大影响。” “大约...或出入至多.."是人们在实验室以外场合谈到可能存在测量不确定度时最常用的措辞。你可能会说：“我5岁的女儿上学时体重大约18 kg，”或“在今年的南瓜种植比赛中，头奖南瓜是 1000 kg， 出入至多1kg或2kg." 而在实验室中，测量不确定度表示测量值所在的范围以及相关的置信水平。2.3.4因此，如果一位学究气十足的评委表明获奖南瓜的重量为“1000 kg±2kg，置信水平为95%”，其实际的涵义就是“我95%确信南瓜的重量在 998 kg到1002kg之间。” 英国皇家认可委员会(UKAS)的评估经理John Greenwood说：“当我们进行测量时，我们得到了其价值的估计值。”UKAS是英国认证机构，负责评估机构团体提供认证、检验、测试和校准服务的能力。 称重过程中的测量不确定度会影响实验数据的重复性。图为Cubis@/天平。 图片出处：赛多利斯 Greenwood说：“测量的估计值会受到各种误差和因素的影响。”测量不确定度的作用是提供估计值有多准确的概念。 测量不确定度不同于测量误差，在质量测量中，测量误差定义为实际质量与天平显示质量之间的偏差值。误差在天平校准过程中占主要因素，需校准证书上的校正值来确定实际称重结果。Haller说，研究人员无法量化的任何误差都必须归因于测量不确定性。一个更为复杂的问题是校准过程也存在测量不确定性。 确定不确定度 导致测量不确定度的因素是多方面的，可分为四大类：所用设备、设备使用的环境、称重人员、以及正在使用的工作流程。 考虑到所有这些因素，在称重过程中要精确地确定不确定度几乎是不可能的。弗吉尼亚州约克城ISO Budgets的测量不确定度顾问Rick Hogan说：“测量不确定度并不是我们可以真正量化的。”“我们必须对测量结果的不确定度大小进行估计或预测。” 有一个公认的标准公式用于计算预测的测量不确定度。 Hogan说：“在列出和量化所有不确定度因素时有一个固定的七步流程。” 测量不确定度在哪些应用中很重要? 虽然有人可以明确地说，我们不需要在南瓜种植比赛中报告测量不确定度，但在很多情况下，报告测量不确定度是至关重要的，或者至少是有帮助的。纽约波希米亚赛多利斯实验室称重业务经理Wallace Harvey说：“应该报告测量不确定度的通常是那些从事精密型工作的人们，比如说可能在分析非常少量的样品时，或者在分析工作中不能有高度误差的情况下。” Greenwood以石油和天然气行业为例。他说，这些化石燃料在运营商之间转移时(例如从铁路转移到油罐卡车中)，测量需要尽可能准确，因为每次所有权的变更都涉及到金融交易。“误差和过大的测量不确定性可能相当于数百万美元。” 然而，并不是所有行业都要计算每次测量的测量不确定度。在制药和医疗行业，测量的质量受到法律监管，而不仅是受诸如UKAS和美国国家标准协会国家认可委员会等机构的标准和规则监管，因此仪器的测量不确定度将得到验证。这意味着终端用户，只要他们使用仪器做已获得验证的应用，就可以直接读取仪器显示的测试结果，且准确可靠。 Haller说，其他行业都不遵循这两种做法，而是对测量不确定度进行“实际估计”。其中包括一种说法：测量不确定度等于天平上的最后一位数字(最小增量)或标准偏差的两倍。或者猜测一个值的说法，也就是说基于过去类似测量的经验，不超过1%。 测量不确定度在依赖于精度的应用中至关重要，例如在分析小样品量时。图为Cubis@Il天平。 图片出处：赛多利斯 对于不确定度的问题现在有一个QApp 赛多利斯现在提供了一种软件功能(即QApp)作为CubisII高端天平系列QApps医药包的一部分，用于确定测量不确定度。5 这个用于确定测量不确定度的QApp采用EURAMET校准指南第18号中规定的公式和流程来计算测量不确定度：非自动称重仪器校准指南。3EURAMET(欧洲国家计量院协会)是一个区域性协调计量活动的组织合作联盟，该指南也是全球公认的标准。对于特定的设备，天平用户可以从赛多利斯等服务供应商进行现场校准后所颁发的校准证书中获得“使用中的不确定度”的相应公式。公式的参数可输入到该QApp中。 该QApp使用的EURAMET计算公式包括多方面的不确定度影响因素，包括四舍五入的影响、重复性和四角偏差问题，以及所使用仪器的变化。然而，所计算的不确定度的正确性具有先决条件，即用户需尽可能遵守本白皮书中描述的最佳方案。 有些行业甚至不做上述任何事情，宁愿忽略测量不确定度的可能性。这类逃避现实的鸵鸟们和使用实际估算的人们现在有了另一种选择：赛多利斯 Cubis II天平上的这个QApp软件功能，该功能可用于确定重量称量的不确定度[见方框].5 无论测量的不确定度是如何获得的，用户都可以在称重过程中采取很多措施来降低测量的不确定度。以下因素通常是使用天平时导致测量不确定度的主要因素，因此关注这些因素的用户将受益最多。 为了最大程度地减小称重过程中的测量不确定度，温度是最重要的考虑因素之一。Haller说：“这主要是由于天平中电子元件对温度的敏感性。” 在生产高品质天平的过程中，每个设备都放置在一个恒温恒湿气候室中，并且在指定范围内尽可能补偿温度的影响。天平的操作手册中有指明该最佳工作温度范围。保持在该温度范围内使用天平或者对天平进行适当的校准对称重结果非常重要。 启动天平时，还必须预热天平。有些天平配有温度传感器，可以监测到天平何时可以使用；若没有，则需要查看天平的操作手册，以了解预热此天平所需的时间。对于这些高精度天平，其预热时间可能非常长：对于可读性为1mg的天平，预热时间约为30分钟，对于可读性为1ug的超微量天平，其预热时间则需要 24 h。所谓可读性是指在特定衡器(即天平)上检测到的最小重量增量 与温度相关的最大风险是环境温度的波动，尤其是快速波动。检查天平所放位置的周围是否有空调或加热通风口、辐射加热器、开放式窗户、阳光直射、灯具和电脑风扇。避免将天平放在这些地方可能有助于降低测量不确定度。对于更高精度的天平，即使来自使用者身上的热辐射也会干扰其不确定度。Haller还建议用户尽可能缩短双手进入天平防风罩的时间。 还应注意，避免样品与其容器之间的温差。对流气流会导致天平读数不正确，温度较高的样品在天平上的读数会比其实际重量轻，而温度较低的样品在天平上的读数则比实际重量重。 天平，尤其是高精度天平，如超微量天平，必须远离那些扰乱性气流。Haller说：“任何风都会使称重结果不稳定。” 天平的防风罩对气流影响有一定帮助，但为了进一步减少气流问题，天平不应放置在门或打开的窗户、空调或加热通风口或计算机风扇的附近。也不应该放置在人群聚集的地方，因为人员的移动会产生气流。 扰乱性气流会增加重量称量的不确定度。图中所示为带有自动防风罩的CubisII天平。 图片出处：赛多利斯 3.将振动降至最低 虽然海滩男孩可能会陶醉于有节奏的摆动，但那些试图降低测量不确定度的人则会明智地避免任何类型的振动。Haller说：“对于高精度天平，你需要一个特殊的称重台来隔离天平与地板和建筑物之间的振动。”为了说明这个问题，他建议，当天平没有放在这种特殊的称重台时，你试着在其周围跳动或者倚靠在放天平的桌子上，观察天平上的读数会发生什么变化。 那些没有防震台或花岗岩板做为称重台的人可以采取许多措施来减少振动对称重结果的影响，这对所有类型的天平都适用。将天平放置在建筑物外缘(靠近墙体)房间的角落，比放在建筑内部房间的中间位置更为稳定。 如果能把天平放在一个尽可能位于最低楼层的房间就更好了，因为在多层建筑中，楼层越高，振动越明显。最好避免把天平放在有弹性的表面，也避免把天平放在振动的实验室仪器附近的位置。不要放在人员聚集的地方，因为人们行走也会产生振动。在放天平的桌面上书写也会导致与振动相关的测量不确定度。比较难控制但值得考虑的因素是来自过往卡车、火车和飞机的振动。 4.保持水平 根据Haller的说法，称重过程中最严重的不确定度来自未正确调平的天平，他说：“只要将一张信用卡放在天平的一个支脚下，就会引起明显的读数变化。29 首次安装天平和移动天平后，都必须将天平调平，即使移动只是为了临时清洁工作台。 一些现代化的天平可以自动调平。赛多利斯最近将自动调水平的功能扩展到微量天平上，扩大了配有自动调平功能的天平产品。其他天平在称重室的底板上装一个水平泡，可以通过调整天平底座上的螺钉来手动调平天平。 5.注意重力 当天平移动到另一楼层或完全移动到另一个地方时，也必须对天平进行校准。 与许多人认为的相反，电子天平不是测量质量而是测量重量。然后将其转换为天平上显示的质量。 为了转换成质量，天平将其检测的重量除以重力加速度。重力加速度与到地球中心的距离有关，当然这取决于地理位置和海拔高度。Haller说：“如果你把天平移到另一个重力加速度不同的地方，那会对称重结果产生很大影响。” 对于高精度天平，只需将天平向上或向下移动几层楼，就会显著影响重力加速度，进而影响称重结果。因此，即使在同一栋建筑内，在重新安置时，天平也必须重新校正和调整，以适应重力的变化。 6.考虑密度的影响 你知道要测得物体的真实质量，需要进行“浮力校正”吗?Haller说：“这是大多数用户都会忽视的事情”，但对于精确测量而言是非常重要的步骤。 浮力校正考虑了被测物体的密度，从而也就意味着考虑了被测物体体积所排出的空气量。这一点很重要，举个例子来说，一公斤水银和一公斤羽毛排出的空气体积差别就很大。Haller说：“如果用金属砝码校正和调整天平，然后用此天平称量密度完全不同的物体，比如水溶液或粉末，就需要进行浮力校正。” 空气密度会由于环境温度和湿度的差异而有所不同，并且会对称重产生影响，是计算时必须考虑在内的参数之一。虽然有些天平具有替用户进行浮力校正的软件功能，但通常情况下用户都必须自己进行校正。 7.清理 确保称量盘、称量室和周围区域始终保持清洁是降低测量不确定度的关键。这不仅仅是指清理洒出物。即使是灰尘和脱落的毛发也会干扰天平的性能，并影响称重结果的准确性。 Haller提到，赛多利斯的服务技术人员经常告诉那些天平异常的用户，要取下称量盘，仔细清洁称重室和盘下的所有东西。他补充道：“清理之后，天平通常运行良好。”天平手册中包含在不造成损坏的情况下清洁天平的说明。 8.注意有问题的样品 某些类类的样品尤其难以精确称重。例如， Haller说，“吸湿性物质会从空气中吸收水分并增加重量”，从而导致天平读数不断增加。在称量干燥的盐和大米时，很容易观察到吸湿效应。 对于具有蒸发特性的样品，情况则正好相反。称重过程中水分蒸发会导致天平读数持续下降。当称量含有酒精等挥发性物质的样品时，这种蒸发效应非常明显。 天平上的磁性物品，如镍、铁和钢，会产生影响重量精度的力场。对于需要称重的磁性样品，Haller建议“在称量盘上放一片木头或塑料”，这样可以隔离开天平中的磁铁和磁性样品之间的磁性干扰。 也可使用防磁称量盘。 许多磁性物品最终会被放在天平上，但实际上不需要放在那里。避免使用磁性容器，并在称重前移除所有搅拌棒。Haller说，磁棒是影响天平精度的最常见的磁性材料。 称量粉末时需注意静电。电重室内的湿度对静电问题有重大影响。Haller说：“空气越干燥，这种影响就越大”，特别是在更高精度的天平上。一些天平集成了除静电装置，可以减少称重室内的静电。手持静电消除枪也是一种选择。 总结 确定质量测量的测量不确定度是许多行业的众多科学家们必须解决的问题。计算这些值的方法包括从高精度计算(手动或借助赛多利斯天平软件完成)到有根据的猜测。尽管获得了测量不确定度，天平用户还要在称重过程中做很多事情来减少其结果中的不确定度。 ( 参考文献 ) ( 1.Monya Baker， "1，500 Scientists L i f t t he L id on Reproducibility，" Nature 533 (May 26，2016)：452-54，ht tps ：// doi . o rg/10.1 0 38/533 4 52a ) ( 2.The Joint Committee for Guides in Metrology， JCGM100：2008： Evaluation of Measurement Data-Guide to the Ex p ression of Uncertainty in Measurement， September 2008，h t tps：//www.bipm.o r g / d o cument s /20126/207120 4/ J C GM 10 0 2008 E.pdf/cb0 e f43f - b a a5-1 1 cf- 3 f85-4dcd86f77b d6. ) 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Overview在实验中，测量不确定度表示测量值所在的范围以及相关的置信水平，其对结果的重复性和可比性有很大影响。测量不确定度在依赖于精度的应用中至关重要，例如分析小样品量时。Download《称重过程中的测量不确定度：需要注意的8大影响因素》白皮书阐述了测量不确定度的重要性，以及用户在称重过程中可采取哪些措施来降低测量的不确定度。点击下载 获取全文称重过程中的测量不确定度会影响实验数据的重复性《自然》（Nature）杂志的一项调查结果显示超过70%的受访研究人员曾尝试重复其他科学家发表的实验却以失败告终，超过一半的受访研究人员还表示无法重复自己做过的实验。造成这种情况的原因有很多，其中包括不规范的实验流程文档。测量不确定度是另一个重要但经常被忽略的因素，尤其是在称重方面。英国皇家认可委员会（UKAS）的评估经理John Greenwood说：“当我们进行测量时，我们得到了其价值的估计值。测量的估计值会受到各种误差和因素的影响。”测量不确定度的作用是提供估计值有多准确的概念。研究人员无法量化的任何误差都必须归因于测量不确定性。一个更为复杂的问题是校准过程也存在测量不确定性。注：UKAS是英国认证机构，负责评估机构团体提供认证、检验、测试和校准服务的能力。确定不确定度导致测量不确定度的因素是多方面的，可分为四大类：所用设备、设备使用的环境、称重人员、以及正在使用的工作流程。考虑到所有这些因素，在称重过程中要精确地确定不确定度几乎是不可能的，因此我们必须对测量结果的不确定度大小进行估计或预测。有一个公认的标准公式用于计算预测的测量不确定度。测量不确定度的重要性测量不确定度在依赖于精度的应用中至关重要，比如说在分析非常少量的样品时，或者在分析工作中不能有高度误差的情况下。以石油和天然气行业为例，这些化石燃料在运营商之间转移时（例如从铁路转移到油罐卡车中），测量需要尽可能准确，因为每次所有权的变更都涉及到金融交易。误差和过大的测量不确定性可能相当于数百万美元的差异。在制药和医疗行业，测量的质量受到法律监管，因此仪器的测量不确定度将得到验证。这意味着终端用户，只要他们用仪器做已获得验证的应用，就可以直接读取仪器显示的测试结果，准确可靠。赛多利斯现在提供了一种软件功能（即QApp）作为Cubis II 高端天平系列QApps医药包的一部分，用于确定测量不确定度。该QApp采用EURAMET（欧洲国家计量院协会）校准指南第18号中规定的公式和流程来计算测量不确定度：非自动称重仪器校准指南。对于特定的设备，天平用户可以从赛多利斯等服务供应商进行现场校准后所颁发的校准证书中获得“使用中的不确定度”的相应公式，公式的参数可输入到该QApp中。降低测量不确定度无论测量的不确定度是如何获得的，用户都可以在称重过程中采取很多措施来降低测量的不确定度。以下因素通常是使用天平时导致测量不确定度的主要因素，因此关注这些因素的用户将受益良多。1. 保持恒温为了尽可能地减小称重过程中的测量不确定度，温度是最重要的考虑因素之一，这主要是由于天平中电子元件对温度的高敏感性。保持在最佳工作温度范围内使用天平或者对天平进行适当的校准对称重结果非常重要。还应注意，启动天平时，必须预热天平，天平所放位置周围环境温度的波动，避免样品与容器之间的温差。2.避免天平受到气流影响天平，尤其是高精度天平，如超微量天平，必须远离那些扰乱性气流。天平的防风罩对气流影响有一定帮助，但为了进一步减少气流问题，天平不应放置在门或打开的窗户、空调或加热通风口或计算机风扇的附近。也不应该放置在人群聚集的地方，因为人员的移动会产生气流。3. 将振动尽可能降低对于高精度天平，需要一个特殊的称重台来隔离天平与地板和建筑物之间的振动。没有称重台的可以将天平放在一个尽可能位于最低楼层的房间以及放置在建筑物外缘（靠近墙体）房间的角落，最好避免把天平放在有弹性的表面和振动的实验室仪器附近的位置，也不要放在人员聚集的地方。4. 保持水平称重过程中严重的不确定度来自未正确调平的天平。首次安装天平和移动天平后，都必须将天平调平，即使移动只是为了临时清洁工作台。赛多利斯Cubis II系列天平快速的自动调平功能，助您避免繁琐的准备工作。5. 注意重力电子天平不是测量质量而是测量重量。然后将其转换为天平上显示的质量。为了转换成质量，天平将其检测的重量除以重力加速度。当天平移动到另一楼层或完全移动到另一个地方时，天平也必须重新校正和调整，以适应重力的变化。6. 考虑密度的影响要测得物体的真实质量，需要进行“浮力校正”，这对于准确测量而言是非常重要的步骤。空气密度会由于环境温度和湿度的差异而有所不同，并且会对称重产生影响，是计算时必须考虑在内的参数之一。7. 清理确保称量盘、称量室和周围区域始终保持清洁是降低测量不确定度的关键。这不仅仅是指清理洒出物。即使是灰尘和脱落的毛发也会干扰天平的性能，并影响称重结果的准确性。8. 注意有问题的样品某些类型的样品尤其难以准确称重。例如吸湿性物质会从空气中吸收水分并增加重量，具有蒸发特性的样品由于水分蒸发会导致天平读数持续下降，磁性物品会产生影响重量精度的力场，称量粉末时需注意静电等。Summary确定质量测量的测量不确定度是许多行业的众多科学家们必须解决的问题。计算这些值的方法包括从高精度计算（手动或借助赛多利斯天平软件完成）到有根据的猜测。尽管获得了测量不确定度，天平用户还要在称重过程中做很多事情来减少其结果中的不确定度。