Laboratoriovaaoista – hyvä tietää

Laboratoriovaaka

Punnitus on yksi maailman vanhimpia ja yleisimpiä mittausmenettelyjä ja yksi perusmittauksista. Laboratoriovaaka on yleisnimike laboratorioissa laadunvalvonnan ja tutkimuksen tyypillisesti käyttämille tarkkuusvaaka- ja analyysivaakatyypeille.
Laboratoriovaaka ja tarkkuusvaaka -nimikkeet kattavat OIML-luokat OIML-II ja OIML-I, siis analyysivaakatyypit ja tarkkuusvaakatyypit, joiden lukeman askelarvo [d] on alueella 1 g … 0,000 1 mg (1 mg = 0,001 g).

Laboratoriovaakaluokat OIML-I ja -II:

• ultramikrovaaka (d= 0,000 000 1 g)
• mikrovaaka (d= 0,000 001 g)
• puolimikrovaaka (d= 0,000 01 g)
• analyysivaaka (d= 0,000 1 g)
• tarkkuusvaaka (yläkuppivaa’at) (d= 1 g … 0,001 g)
• kosteusanalysaattori , d=0,001g / 0,0001 g (tulos 0,01% – 0,001%)

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 sen eri käsittelyvaiheissa useita kertoja päivän kuluessa.
Hyvältä ja laadukkaalta laboratoriovaa’alta edellytetäänkin erinomaista luotettavuutta, sillä jokainen punnituskerta kasvattaa kyseisen mittaussarjan kokonaismittausepävarmuutta.
Yksi osoitus vaa’an laadukkuudesta on vaakatyypin CE-OIML-tyyppihyväksyntä, minkä tunnistaa vaa’an näytön yhteydessä olevasta ”e”-merkinnästä ja tyyppikilvessä olevasta tyyppihyväksyntänumerosta.
Yksikään virhetyyppi (viritystaso, epälineaarisuus, epäkeskeisyysvirhe) ei saa ylittää e-virherajoja, ”e:n mukaisilla” askel/kuormausalueilla (taulukko alla esimerkkeineen)!

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

Kuinka arvioida vaa’an ”tarkkuus” teknisiä tietoja apuna käyttäen

Mittalaitteen näyttämään (lukemaan) liittyy kiinteästi aina mittausepävarmuus .
Mittaustulos = Lukema näytössä + punnituksen mittausepävarmuus.
Vaa’an tarkkuus ei siis suinkaan ole yhtä kuin lukeman askelarvo [d].
Mittaustarkkuutta tulisikin siksi tarkastella juuri mittausepävarmuuden näkökulmasta.
Mittaustarkkuuteen/epätarkkuuteen vaikuttaa usea osatekijä, jolloin mittausepävarmuus kuvaakin parhaiten punnituslukeman tarkkuutta.

Punnituslukeman mittausepävarmuuteen vaikuttavat vaa’an osalta muun muassa:

• Luettavuus [d]
  Näytön askelarvon pyöristysvirhe, standardiepävarmuus = d / [√6] = ~ 0,4 d
• Epäkeskeisyysvirhe [ex].
  Kalibroinnista saatava mittaustulos, standardiepävarmuus = ex / [√3] =~ 0,6 ex
  (Tulisi olla alle +4 d)
• Hystereesi (”kitka”) [h].
  Kalibroinnista saatava mittaustulos, standardiepävarmuus = h / [2*√3] =~ 0,3 h
  (Tulisi olla alle +4 d)
• Toistokyky (10 mittausta) [S].
  Standardiepävarmuus = S.
  (Tulisi olla alle +1 d)

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

• Viritystason muutos
• 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}.
  Esimerkki: Jos tarkkuusvaa’an (luettavuus/askelarvo) [d] on 0,01g ja epälineaarisuus + 0,04 g, on vaa’an todellinen tarkkuus luokkaa 0,1 g, kun otetaan huomioon näyttämän pyöristysvirhe!

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

Esimerkkejä mittausepävarmuudesta:

Virheetön vaaka: d=0,01g, ex=0,00g, h=+0,00g, s=0,000 g.
Mittausepävarmuus: + 0,01 g.

Hyvä vaaka: d=0,01g, ex=0,02g, h=+0,02g, s=0,005 g.
Mittausepävarmuus: + 0,03 g.

Huoltoon suositus: d=0,01g, ex=0,05g, h=+0,05g, s=0,01 g.
Mittausepävarmuus: + 0,07 g

Virheetön vaaka: d=0,1g, ex=0,0g, h=+0,0g, s=0,00 g.
Mittausepävarmuus: + 0,1 g.

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

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

Korkealuokkaistenkin uusien laboratoriovaakojen mittausepävarmuus on luokkaa + 1 … 3 d.
Kun vaa’an mittausepävarmuus on suuri + 8 …> 10 d, tulee vaaka huollattaa, koska ”tarkimman” numeron voi suuren mittausepävarmuuden takia käytännössä peittää.

Miniminäytemäärä (”minimikuorma”)?

Minimikuorman nimi muutettiin Miniminäytemääräksi syystä, jottei syntyisi käsitystä, että taara-astian voisi laskea osaksi minimikuormaa.
Kyse on siis pienimmästä sallitusta nettopainosta, jota punnitessa suhteellinen virhe jää tälle nettokuormalle sallittua raja-arvoa pienemmäksi. Nettokuorma on siis pienin mahdollinen näytemäärä, joka kyseisellä vaa’alla voidaan luotettavasti ja ”virheettä” punnita .

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

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

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

Miniminäytemäärä Min= k*p*s.
Esimerkki: toistokyky [s]= 0,01 g, varmuuskerroin [k]=2 ja sallittu suhteellinen virhe toleranssi [p]=0,1% :
Min = 2 * 1000 * 0,01g =20,00 g.


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



Lisää ajankohtaista tietoa vaakojen kalibroinnista:

Lataa VTT-MIKES -vaakojen kalibrointiohje tästä linkistä!



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 kun käytät”

Kaksi vaaka-anturitekniikkaa

Sähkömagneettinen voimakompensaatio:

• anturitekniikka ”tonnien vaaoissa”
• perinteinen laboratoriovaaka-anturi
• suuri erottelukyky ja askelmäärä [n] ^*), 30 000 – 20 000 000 (300.00 g / 0,01 g – 200 g / 0,000 01 g).
• kallis valmistaa
• vaa’at OIML-tarkkuusluokissa I & II.

Venymäliuska-anturi

• anturitekniikka ”satasten vaaoissa”
• halpa valmistaa
• pieni askelmäärä [n] ^*)
• OIML- luokissa II, III ja IV
• OIML-II mallit yleensä yliviritetty (epävakaa <-> erottelykyky & kitka)
• kestää kolhuja

^*)Askelmäärä = Max kuorma / näytön askelarvo [n = Max / d].
Alla kuva kummastakin anturitekniikasta.