理化分析儀器檢定與校準(zhǔn)過程的不確定度分析

【摘要】在化學(xué)分析和物理測試的實驗室中，儀器的檢定與校準(zhǔn)過程的不確定度評定直接影響檢定與校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。不確定度評定涉及復(fù)雜的測量理論和統(tǒng)計學(xué)方法，必須全面考慮所有可能的影響因素。其不僅有助于確保檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，還可以為解釋和比較實驗數(shù)據(jù)提供重要依據(jù)。本文探討化學(xué)分析和物理測試中常見的儀器檢定與校準(zhǔn)過程中不確定度分析，旨在為實驗室科研人員提供參考和指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】理化分析儀器；檢定；校準(zhǔn)；不確定度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.067

Analysis of Uncertainty in the Verification and Calibration Process of Physical and Chemical Analytical Instruments

LONG Fei

（Jiangxi Institute of Inspection， Testing and Certification Metrology Science Research Institute， Nanchang 330052， China）

Abstract： In laboratories for chemical analysis and physical testing， the assessment of uncertainty in the calibration and verification process of instruments directly affects the accuracy and reliability of the calibration and verification results. The assessment of uncertainty involves complex measurement theories and statistical methods， and it is essential to consider all possible influencing factors comprehensively. It not only helps to ensure the reliability of the calibration and verification results but also provides an important basis for interpreting and comparing experimental data. This article discusses the common uncertainty analysis in the calibration and verification process of instruments in chemical analysis and physical testing， aiming to provide references and guidance for laboratory researchers.

Keywords： physical and chemical analysis instruments； verification； calibration； uncertainty

1理化分析儀器的作用與重要性

在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，理化分析儀器不僅能夠提供精確的數(shù)據(jù)，還能幫助研究人員深入了解物質(zhì)的本質(zhì)和性質(zhì)，并為優(yōu)化和控制生產(chǎn)流程提供了至關(guān)重要的依據(jù)。在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，研究人員通過理化分析儀器能夠精確測量原料的成分，并分析其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，理化分析儀器在疾病的診M0W8uS2RRHR+Q+vxt7ixP36wNevNAHK3tVej1kwoKC8=斷、治療和預(yù)防方面發(fā)揮著重要作用，為人們的健康提供保障[1]。

2不確定度概述

2.1測量不確定度的定義

測量不確定度是衡量測量結(jié)果可信度的重要指標(biāo)，它涵蓋了測量的精確性和可靠性。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義，測量不確定度是指在測量過程中受各種因素的影響，使得測量結(jié)果偏離真值的程度。這種偏離可以是正值也可以是負(fù)值，通常以概率的形式表示。測量不確定度的評估和控制直接關(guān)系到儀器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2測量不確定度的分類

根據(jù)來源和性質(zhì)，測量不確定度通?？梢苑譃閮深悾篈類不確定度和B類不確定度。

A類不確定度也稱為隨機(jī)不確定度，主要源于隨機(jī)誤差，如測量設(shè)備的隨機(jī)噪聲、樣品的隨機(jī)波動等。這類不確定度通常通過統(tǒng)計分析的方法進(jìn)行評定。例如，通過多次重復(fù)測量來估算其大小和分布。

B類不確定度也稱為系統(tǒng)不確定度，主要源于系統(tǒng)誤差。這類不確定度通常需要通過一系列校準(zhǔn)和驗證實驗來進(jìn)行評定。例如，在理化分析儀器的檢定與校準(zhǔn)過程中，使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或參考方法來驗證儀器的準(zhǔn)確性和可靠性，從而評估B類不確定度的大小[2]。

A類和B類不確定度并不是相互獨立的，兩者在實際測量中往往同時存在并相互影響。因此，在評估總的不確定度時需要綜合考慮這兩類不確定度的貢獻(xiàn)，這通常通過數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計分析的方法來實現(xiàn)。

2.3合成不確定度與擴(kuò)展不確定度

合成不確定度與擴(kuò)展不確定度是兩個核心概念。合成不確定度是指當(dāng)多個不確定度分量對測量結(jié)果產(chǎn)生影響時，通過數(shù)學(xué)方法將這些分量合并得到的總不確定度。擴(kuò)展不確定度則進(jìn)一步考慮了置信水平，它是在組合不確定度的基礎(chǔ)上，乘以一個包含因子以覆蓋指定置信水平的總不確定度范圍。以分光光度計為例，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到光源穩(wěn)定性、波長準(zhǔn)確性、檢測器靈敏度等多個因素的影響，每個因素都可能導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差從而產(chǎn)生不確定度，通過組合這些不確定度分量可以得到分光光度計的整體不確定度，從而更全面地評估儀器的性能和測量結(jié)果的可靠性[3]。

3理化分析儀器檢定與校準(zhǔn)概述

3.1檢定和校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)之前，應(yīng)對所用儀器進(jìn)行全面的檢查和維護(hù)。具體包括對儀器的外觀、機(jī)械部件、電氣系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)等進(jìn)行全面檢查。對于光學(xué)儀器，應(yīng)確保透鏡清潔且光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確對準(zhǔn)；對于電子儀器，則需檢查電源、信號線和接口是否正常運(yùn)作。此外，還應(yīng)根據(jù)儀器說明書的要求對儀器進(jìn)行必要的預(yù)熱、校準(zhǔn)和調(diào)零等操作，以確保儀器處于最佳工作狀態(tài)。

在選擇檢定和校準(zhǔn)所需的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或試劑時，必須確保它們具有明確且可靠的化學(xué)與物理特性，以保證檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可追溯性。優(yōu)先選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)和試劑，并嚴(yán)格遵循相關(guān)的質(zhì)量控制程序和要求[4]。

3.2檢定和校準(zhǔn)步驟與方法

檢定和校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備工作包括儀器的清潔、校準(zhǔn)以及環(huán)境條件的控制。在進(jìn)行光譜分析儀器檢定和校準(zhǔn)前需要確保儀器內(nèi)部無塵、干燥，并將環(huán)境溫度和濕度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。確定標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范時，應(yīng)選擇合適的檢定與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，確保整個過程符合行業(yè)及國際準(zhǔn)則。例如，在檢定與校準(zhǔn)氣相色譜儀時，需要參考JJG 700—2016《氣相色譜儀》等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，以確保檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的合規(guī)性和可靠性。

4理化分析儀器測量不確定度的來源

4.1儀器的系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差通常指的是儀器在設(shè)計、制造或校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的誤差，這些誤差是儀器固有的，無法通過簡單的操作或調(diào)整來消除。系統(tǒng)誤差的存在直接影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[5]。

4.2環(huán)境因素

環(huán)境因素包括溫度、濕度、氣壓、振動等，它們都可能對儀器的性能和測量結(jié)果產(chǎn)生影響。例如，溫度的變化可能引起儀器內(nèi)部的零件發(fā)生熱脹冷縮；濕度的變化則可能影響儀器的電氣性能，導(dǎo)致測量結(jié)果漂移；環(huán)境中的振動可能導(dǎo)致儀器不穩(wěn)定，從而影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

4.3操作人員的技術(shù)水平

操作人員的熟練程度、對儀器原理的理解，以及數(shù)據(jù)處理能力等都直接關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在使用高精度分析儀器時，操作人員需要精確控制實驗條件（如溫度、壓力等），若操作不當(dāng)，可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，從而增加不確定度。

4.4樣品的不均勻性

標(biāo)準(zhǔn)樣品的不均勻性源于樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)組成或微觀結(jié)構(gòu)的差異。例如，在材料科學(xué)領(lǐng)域，金屬樣品的晶粒大小、相分布和微觀應(yīng)力等特性都可能導(dǎo)致其力學(xué)性能的不均勻性。這種不均勻性在測量過程中會引入誤差，從而影響檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。

5不確定度的評估方法

5.1直接測量法

直接測量法是基于直接對測量對象進(jìn)行觀測和記錄從而獲取測量值，它的優(yōu)點在于直觀性和簡單性，能夠直接反映測量對象的實際狀態(tài)。以理化分析儀器中的光譜儀為例，當(dāng)使用直接測量法評估其波長準(zhǔn)確度的不確定度時，可以通過直接測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的光譜線波長與儀器顯示的波長進(jìn)行比較，從而確定波長的不確定度。這種方法的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)并確保測量條件的穩(wěn)定性和一致性。

5.2間接測量法

間接測量法適用于無法通過單次直接測量獲得結(jié)果的情況，它依賴于一系列相關(guān)的測量和計算來推導(dǎo)出所需的結(jié)果。這種方法的關(guān)鍵在于建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型以描述各個測量量之間的關(guān)系[7]。

5.3蒙特卡羅方法

蒙特卡羅方法是一種基于概率統(tǒng)計的數(shù)值計算方法，它通過模擬隨機(jī)過程來求解復(fù)雜問題的不確定度。該方法通過模擬實際物理過程的隨機(jī)性來估計復(fù)雜問題的數(shù)值解。在不確定度評估中可以將各種不確定度來源視為隨機(jī)變量，通過蒙特卡羅模擬來生成這些隨機(jī)變量的樣本進(jìn)而計算合成不確定度。

6結(jié)束語

在理化分析儀器檢定和校準(zhǔn)過程中，對不確定度的全面分析是確保檢定與校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟，通過對各種不確定因素的綜合考慮和評估，可以更好地了解檢定與校準(zhǔn)結(jié)果的可信度，并為檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的正確解釋和應(yīng)用提供支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃東興.理化分析儀器實驗室環(huán)境因素影響綜合分析[J].中國計量，2019（12）：71-72，110.

[2]李永新，陳婧，張楚妍，等.我國食品理化檢驗的過去、現(xiàn)在和未來（一）[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2019，29（17）：2175-2176.

[3]黃歡.探究食品理化檢驗分析中的質(zhì)量控制[J].檢驗檢疫學(xué)刊，2019，29（2）：144-145，150.

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[6]幸志偉.理化分析儀器計量保障體系的設(shè)計[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2017（2）：219.

[7]閆愛云，雷守成，王建繡，等.理化分析測試儀器的發(fā)展[J].疾病監(jiān)測與控制，2016，10（9）：730-731，719.

【作者簡介】

龍飛，男，1966年出生，高級工程師，學(xué)士，研究方向為計量檢定。

（編輯：李加鵬）