Автор: Александр Кириленко.
Руководитель направления "Оптико-эмиссионная спектрометрия" в ООО "ПВП "СНК".
Перепечатки без согласия автора запрещены (С).
Чем сложнее оборудование, тем с большим количеством характеристик надо разобраться, чтобы сделать правильный выбор. Например, автор статьи совершенно зря потратил время, разбираясь в разнице между OLED- и QLED- дисплеями при покупке телевизора, потому что в итоге все решили только самые важные для него параметры: габариты и цена.
Выбирая же аналитическое оборудование, изучать приходится куда как больше параметров. Например, для
рентгенофлуоресцентных анализаторов это ускоряющее напряжение и материал анода рентгеновской трубки, тип детектора, наличие и характеристики фильтров первичного излучения - и ещё много-много всего. При выборе
оптико-эмиссионного спектрометра придётся столкнуться с диаметром круга Роуланда, постоянной дифракционной решётки, обратной линейной дисперсией, спектральным разрешением, количеством и параметрами детекторов, и, опять же, многими другими техническими характеристиками.
Разумеется, каждый из этих параметров имеет значение, и они связаны друг с другом. Но что делать, если разбираться с каждым из них нет времени или возможности? Как выбрать подходящий инструмент для решения возникшей задачи и не ошибиться?
Тут мы и приходим к тому, что почти все параметры оптико-эмиссионных спектрометров, в сухом остатке, влияют на их аналитические и метрологические характеристики.
Как определиться с выбором Оптико-Эмиссионного Спектрометра под Вашу задачу?
Под «аналитическими характеристиками» мы понимаем то, какие задачи прибор способен решать. С этим разобраться намного проще, чем с обратной линейной дисперсией и детекторами – нужно лишь посмотреть, какие элементы, в каких матрицах и в каких пределах прибор может определять. Например, вот что может наш спектрометр СТИЛ-М5 при анализе сплавов на основе железа:
Имея перед глазами такую простую и понятную табличку, уже можно понять – справится ли прибор с поставленной задачей (отличит ли он, хотя бы в теории, один сплав от другого, увидит ли все нужные элементы).
Итак, аналитические характеристики говорят нам, что прибор справится (или не справится, но это мы рассматривать не будем) с задачей. А как понять, насколько хорошо он справится с задачей? Вот для этого нам и нужны метрологические характеристики!
Как влияют точность и прецизионность прибора на результат измерений
С точки зрения метрологии, приборы характеризуются правильностью (точностью) и прецизионностью (воспроизводимостью) получаемых на них результатов.
С левого верхнего угла, по часовой стрелке: плохо как с точностью, так и с воспроизводимостью; плохая точность при хорошей воспроизводимости; отличные точность и воспроизводимость; неплохая точность, но плохая воспроизводимость.
Правильность (точность) результата – то, насколько близки показания прибора к эталонным значениям, численно это характеризуется погрешностью (абсолютной или, намного чаще, относительной). Воспроизводимость (прецизионность) – то, насколько сильно совокупность различных случайных факторов влияет на каждый отдельно взятый результат, то есть насколько стабильны показания прибора. Численно это характеризуется среднеквадратичным отклонением (СКО либо относительным СКО). Чем меньше погрешность и СКО, тем лучше.
Почему эти параметры так важны? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим одну из классических задач для оптико-эмиссионных спектрометров – сортировку стали.
Химический состав сталей 05кп и 08.
Ошибка (абсолютная погрешность) даже в доли процента может привести к пересортице! Но смотрят обычно на относительную погрешность – отношение абсолютной погрешности к эталонному значению. Объясним на другом примере.
Если в эталонном образце (например, ГСО 10173-2012) нержавеющей стали содержится 35,1% процент никеля, а прибор показывает 36%, то его абсолютная погрешность – 0,9%. И одно дело, если мы ошибаемся на 0,9% при эталонной концентрации в 35,1%, и совсем другое – когда те же 0,9% ошибки возникают при эталонной концентрации в 0,073% (содержание углерода в том же ГСО). Поэтому чаще используется именно относительная погрешность. В нашем примере относительная погрешность определения концентрации никеля составляет 2,5%, а углерода – 1232%!!! Следовательно, чем ниже концентрация элемента, тем выше может быть относительная погрешность, поэтому мы часто видим, что в описании типа спектрометров относительная погрешность имеет разные значения для разных диапазонов измерения у одного и того же прибора. Смотрите на этот параметр, оценивайте его, и Вы поймёте, насколько большой запас точности у прибора для решения Вашей задачи!
С точностью разобрались – и с тем, как она важна, и с тем, как её определять. Переходим к воспроизводимости! Автор статьи всегда предпочтёт прибор с максимальной воспроизводимостью, даже если в плане относительной погрешности (согласно ОТ) он откровенно хромает.
Возьмём два абстрактных прибора. Один из них в 2/3 случаев показывает мне точные значения, но в 1/3 измерений он либо точен, либо завышает результат в два, или в три, а то и в четыре раза, и делает это случайным образом. А второй вообще не показывает мне точных результатов, а исключительно завышает показатели в 1,95-2,05 раза (тоже случайным образом), и делает это в 100% случаев.
Мне, как исследователю, намного проще работать со вторым прибором. Да, он врёт. Но он врёт одинаково и постоянно! Мне достаточно лишь знать об этом и учесть это при обработке данных, то есть делить показания прибора пополам, и я получаю практически точную картину при каждом анализе. А ещё лучше будет просто настроить прибор так, чтобы он сам делил показания пополам – то есть не показывал мне свои сырые исходные данные, а показывал уже обработанные, правильные значения. Это, кстати, и есть калибровка.
Откалибровать первый прибор мне будет намного, намного сложнее. Он врёт? Нечасто, но врёт. А когда и насколько он врёт? Не знаю, ведь это случайно! Так что я буду делать и делать и делать анализы, пока не накоплю достаточную статистику, и введу поправочный коэффициент. Но он будет неприменим для каждого конкретного результата! Он будет применим исключительно для целой выборки данных!
На практике это значит, что чем лучше воспроизводимость, тем меньше раз мне нужно проводить анализ, чтобы получить данные отличного качества. Со вторым прибором в подавляющем большинстве случаев мне хватит трёх выстрелов, чтобы быть на 100% спокойным. А с первым я буду стрелять 10, 20, 30 раз… Значит, и времени, и расходников у меня будет уходить в несколько раз больше, а это прямые финансовые издержки на производстве.
Подведём итоги.
Несомненно, технические характеристики прибора очень важны. Но с ними необязательно разбираться, чтобы понять, подходит Вам прибор или нет. Смотрите на аналитические и метрологические характеристики – и в подавляющем большинстве случаев этого будет достаточно, чтобы сделать правильный выбор!
Как с этим обстоят дела у наших спектрометров «СТИЛ»? Не будем сильно себя хвалить и скромно ответим, что великолепно. Будем рады показать Вам это лично в нашей лаборатории в Москве! А пока покажем, на что Вы можете рассчитывать:
