Hyvä tietää laboratoriovaaoista

Laboratoriovaaka (analyysivaaka, mikrovaaka, tarkkuusvaaka, kosteusanalysaattori …)

HF125SM-puolimikrovaaka, PT220A-analyysivaaka, PB4200C-laboratoriovaaka, PBM60-kosteusanalysaattori, IBK30000G-tarkkuusvaaka

Precisan 2025-mallistoa; HF-puolimikro-analyysivaaka, PT-analyysivaaka, PB-laboratoriovaaka, PBM60-kosteusanalysaattori sekä IBK-laboratorio-tarkkuusvaaka.

Laboratoriovaa’an tulee olla tehtäväänsä sopiva niin tarkkuuden, stabiilisuuden kuin luotettavuudenkin suhteen. Vaa’an stabiilisuudella (lukeman ryömimättömyys ajan suhteen) sekä vaa’an toistokyvyllä on suuri käytännön merkitys muun muassa siksi, että samaa näytettä saatetaan punnita näytteen eri käsittelyvaiheissa useita kertoja päivän kuluessa.
Hyvältä ja laadukkaalta laboratoriovaa’alta edellytetäänkin erinomaista luotettavuutta, sillä jokainen punnituskerta kasvattaa mittaussarjan kokonaismittausepävarmuutta.
Yksi osoitus vaa’an laadukkuudesta on vaakatyypin CE-OIML-tyyppihyväksyntä, jonka tunnistaa vaa’an näytön yhteydessä olevasta ”e”-merkinnästä ja tyyppikilvessä olevasta tyyppihyväksyntänumerosta.
Yksikään seuraava virhetyyppi (viritystaso, epälineaarisuus, epäkeskeisyysvirhe) ei saa ylittää [e]-virherajaa, ”[e]:n mukaisilla” askel/kuormausalueilla.

Esimerkkejä OIML-II Precisan tarkkuusvaaoilla.

Precisan laboratorio-vaakamallisto kattaa analyysivaa’at ja tarkkuusvaa’at.

Precisan vaakamalleja on saatavana myös varmennettuna OIML-II ja OIML-I-luokissa.
Analyysivaaka- (OIML-I) ja tarkkuusvaakamallistojen (OIML-II) askelarvot (luettavuus) [d] ovat alueella 1 g … 0,000 01 g (0,001 g = 1 mg).

• OIML-I puolimikrovaa’at (d= 0,000 01 g = 0,01 mg)
• OIML-I analyysivaa’at (d= 0,000 1 g = 0,1 mg)
• OIML-I ja OIML-II tarkkuusvaakamallistot
  • M-mallit: d= 0,001 g (=1 mg)
  • C-mallit: d= 0,01 g (=10 mg)
  • D-mallit: d= 0,1 g (=100 mg)
  • G-mallit: d= 1 g (=1000 mg)
  • Kosteusanalysaattorit: d=0,001 g / 0,000 1 g (tulos 0,01 % … 0,001 %)

Laadukkaimmat vaa’at valmistetaan korkean teknologian maissa, kuten esimerkiksi Sveitsissä.

Kuinka arvioida vaa’an ”tarkkuus”, vaa’an teknisiä tietoja (esim esitetietoja) apuna käyttäen

Jokaisen mittalaitteen näyttämään (lukemaan) liittyy aina kiinteästi mittausepävarmuus.
Mittaustulos = [Näytössä näkyvä lukema] ± [mittausepävarmuus].

Vaa’an ”tarkkuus”
ei suinkaan ole sama, kuin näytössä nähtävän, painolukeman askelarvon [d] mukainen lukema.
Mittaustarkkuutta tulee tarkastella lisäksi mittausepävarmuuden näkökulmasta.

Mittaustarkkuuteen/mittaus-epätarkkuuteen vaikuttaa usea osatekijä.
Mittausepävarmuus kuvastaa punnitustuloksen ± epätarkkuutta.

Vaa’an lukeman mittausepävarmuuteen vaikuttavat suoraan:

• Luettavuus eli lukeman askelarvo [d]
  Askelarvon pyöristysvirheen standardiepävarmuus = d / [√6] = ~ 0,4 d
• sekä seuraavat kalibroinnin yhteydessä mitattavat 3 tekijää:
  • 1) Epäkeskeisyysvirhe [ex]
    (Testimassa 30 … 50% punnitusalueen max.-arvosta)
    kalibroinnin yhteydessä saatu mittaustulos, jonka standardiepävarmuus = ex / [√3] =~ 0,6 ex
    Epäkeskeisyysvirheen [ex] tulisi olla alle / Max ± 4 d
  • 2) Hystereesi (”kitka”)[h]
    Kalibroinnista saatava mittaustulos, jonka standardiepävarmuus = h / [2*√3] =~ 0,3 h
    (Aseta massa [50 % Max] punnitusalustan keskelle ja kirjaa lukema.
    Aseta alustalle seuraava massa [50 % Max] ja odota hetki (kokonaiskuorma on nyt 100% Max).
    Poista jälkimmäinen 50 % Max ja kirjaa lukema = hystereesi eli ”kitkamuutos” paluulukemassa verrattuna lähtötilanteeseen)
    Hystereesin tulisi olla < ± 2 x vaa’alle ilmoitettu lineaarisuus/epälineaarisuus)
  • 3) Toistokyky (10 mittausta) [S]
    (Massa > 50 % … 100 % vaa’an max.)
    Standardiepävarmuus = S.
    Tulisi olla yleensä < ± < 1d, (löytyy tuote-esitteestä))
    Laadukkaissa vaaoissa toistokyky on tyypillisesti alle 1 d!

Vaa’an mittaustarkkuuteen/epätarkkuuteen vaikuttavan sellaisinaan lisäksi mm.:

• Viritystason muuttuminen (olosuhteista ja/tai vaa’asta johtuva)
  • Asennuspaikassa vallitsevat olosuhteet:
    Tärinä, ilmavirtaukset, lämpötilamuutokset, ilmastointi, verkkovirran laatu, magneettikentät, staattinen sähkö jne.
  • Säätilan muutoksen vaikutus:
    Ilmanpaineen ja kosteuden muutos (-> nosteen muutos -> viritystason muutos)
  • Vaa’asta itsestään aiheutuva lukeman ”ryömintä”:
    Esim. lämpötilaryömintä (mekaniikka & elektroniikka)
  • Staattisen sähkön vuorovaikutus
    Ilman kosteuden mennessä alle 40%rH (lämmityskauden aikana) hankaussähköisesti varautuvat astiat ja punnittava materiaali
  • Epälineaarisuus
    Lineaarisuusvirhe (mekaniikka, elektroniikka)
    Huomaa: Jos tarkkuusvaa’an (luettavuus/askelarvo) [d] on 0,01 g ja epälineaarisuus ± 0,04 g, on vaa’an tarkkuus luokkaa 0,1 g!

Virheettömänkin vaa’an lukemassa on pieni mittausepävarmuus, joka on käytännössä sama kuin näytön askelarvo, n. ± 1d [1 digit].

Esimerkkejä mittausepävarmuudesta:

Virheetön vaaka: d = 0,01 g, ex = 0,00 g, h = ± 0,00 g, s = 0,000 g.
Mittausepävarmuus: ±  0,01 g.
Hyvä vaaka: d = 0,0 1g, ex = 0,02 g, h = ± 0,02 g, s = 0,005 g.
Mittausepävarmuus: ±  0,03 g.
Huoltoon suositus: d = 0,0 1 g, ex = 0,0 5 g, h = ± 0,05 g, s = 0,01 g.
Mittausepävarmuus: ±  0,07 g
Virheetön vaaka:d = 0,1 g, ex = 0,0 g, h = ± 0,0 g, s = 0,00 g.
Mittausepävarmuus: ± 0,1 g.

Hyvä vaaka:d = 0,1 g, ex = 0,1 g, h = ± 0,1 g, s = 0,05 g.
Mittausepävarmuus: + 0,2 g.

Huoltoon suositus: d = 0,1 g, ex = 0,5 g, h = ± 0,5 g, s = 0,1 g.
Mittausepävarmuus: + 0,7 g.

Korkealuokkaistenkin uusien laboratoriovaakojen mittausepävarmuus on luokkaa ± 1 … 3 d.
Kun vaa’an mittausepävarmuus on suuri ±> 5 d, tulisi vaaka huollattaa, koska ”tarkimman” numeron voi suuren mittausepävarmuuden takia käytännössä peittää.

Minimi-näytemäärä – pienin vaa’alla  punnittava näytemäärä ?

Nimitys ”Minimikuorma” muutettiin Miniminäytemääräksi, jotta ei syntyisi käsitystä, että taara-astian voi laskea osaksi miniminäytemäärää.
Kyse on siis pienimmästä netto-näytemäärästä, jota punnitessa suhteellinen virhe ei ylitä nettokuormalle asetettua raja-arvoa. Nettokuorma on pienin mahdollinen vaa’alla (kyseisissä olosuhteissa) punnittava näytemäärä, joka voidaan punnita tällä vaa’alla luotettavasti. Lisäksi, jos mittausolosuhteet ovat kovin vaihtelevat, saatetaan haluta käyttää lisäksi lisäkerrointa (2-3), joka nostaa mininäytemäärää, eli kääntäen sanottuna lisää toleranssia, jotta punnituksen suhteelliseen virhemarginaaliin saadaan ”pelivara”.

Miniminäytemäärän suuruuteen vaikuttavat:

• Mittalaitteen toistokyky niissä ympäristöolosuhteissa, jossa kyseisellä mittalaitteella näitä mittauksia tehdään, vaa’alla punnittaessa vaa’an tekniset ominaisuudet (vaakakoneisto + häiriösuodatuksen tehokkuus), vaa’an toistokyky työympäristössä vallitsevien häiriövaikutusten alla.
• Mittauksille suurin sallittu suhteellinen mittausvirhe (%).
• Mittauksille haluttu (/ vaadittu) luotettavuustaso ja tätä vastaava kattavuuskerroin.

Kattavuuskerroin ja luettavuustaso.

Voitte määrittää vaa’allenne miniminäytemäärän helposti myös itse, käyttämällä EURAMET Calibration Guide Nr 18 mukaista menetelmää:

• Suorita vaa’alla toistokykymittaus (10 punnitusta)
• Laske tuloksista keskihajonta [s]
• Gaussin käyrä ja varmuuskerroin:
  • Jos 95,6 % kattavuus on riittävä, valitse kertoimeksi k = 2
  • Jos halutaan 99,9 % kattavuus, valitse kertoimeksi k = 3
• Sallittu suhteellinen virhe:
  • Jos hyväksyt 1 % suhteellisen virheen, valitse kertoimeksi p = 100
  • Jos punnitusvirhe saa olla vain 0,1 %, valitse kertoimeksi p = 1000

Miniminäytemäärä: R-MIN = k*s/p

Esimerkki: toistokyky [s]= 0,01 g, varmuuskerroin [k] = 2 ja sallittu suhteellinen virhe toleranssi [p] = 0,1 %:
R-MIN = 2 * 0,01 g / 0,1% = 20,00 g.

Vaa’alla voi toki punnita myös alle minimi-näytemäärän silloin, kun virheen suuruudella ole merkitystä, vaan pelkkä suuruusluokka riittää. Tuolloin punnitusvirhe on hyvin todennäköisesti – ja saakin olla – (todennäköisyys … vertaa kattavuuskerroin <-> luotettavuustaso) suurempi kuin sallittu suhteellinen virhe
Sallittu suhteellinen punnitusvirhe määritetään työn edellyttämän tarkkuusvaatimuksen mukaan, jonka löydät työohjeistuksistanne (vaadittu mittaustarkkuus työssä määrittää suuruuden).

Mittausepävarmuus.

Vaa’an hintaan vaikuttavia tekijöitä:

• Vaaka-anturi:
  • Rakennetyyppi
  • Resoluutio
  • Laadukkuus
• Tyyppihyväksynnät: CE-OIML (stabiilimpi tuote)
• Rakennemateriaalit:
  • Runko, kuoret, mekaniikka (metalli vs. muovi)
  • Elektroniikka (laatuluokka => käyttöikä ja varmuus)
• Laadunvalvonta (tuotteen testausten määrä valmistusprosessin kuluessa)

”Hyvä tuote kirpaisee vain hankittaessa – huono joka kerta käytettäessä!”

Kaksi vaaka-anturitekniikkaa

Sähkömagneettinen voimakompensaatio:

Vaaka-anturi, sähkömagneettinen voimakompensaatio (EMFC)

• Anturitekniikka ”tuhannesta ylöspäin maksavissa vaaoissa”
• Perinteinen laboratoriovaaka-anturi
• Vaa’at OIML-tarkkuusluokissa I & II
• Suuri erottelukyky ja askelmäärä [n] ^*), 30 000 … 20 000 000 (300,00 g / 0,01 g …  200 g / 0,000 01 g).
• Kallis valmistaa
• Laatuvalmisteissa (Precisa, Mettler, Sartorius) erinomainen toistokyky, lineaarisuus ja tarkkuus
• Suhteellisen pitkä käyttöikä (15 … > 20 vuotta)

Venymäliuska-anturi

• Anturitekniikka ”satasten vaaoissa”
• Halpa valmistaa
• Pieni askelmäärä [n] ^*)
• OIML- luokissa II, III ja IV
• OIML-II kategoriaan suunnatut mallit tyypillisesti ”yliviritetty” (epävakaa <-> erottelykyky & kitka)
• Tyypillinen verkkokauppatuote, halpa ja vaatimattomaan käyttöön tarkoitettu
• ”OIML-II” -luokan malleissa suuri mittausepävarmuus ja huono tarkkuus
• Huolto usein ulkomailla, tyypillisesti ”slit o. släng” ns. kertakäyttötavaraa

^*)Askelmäärä = max. kuorma / näytön askelarvo [n = max. / d].

Vasemmalla on sähkömagneettinen voimakompensaatio ja oikealla venymäliuska-anturi.