Laboratoriovaaoista – hyvä tietää

Laboratoriovaaka

Punnitus on yksi maailman vanhimpia ja tavallisimpia mittausmenetelmiä ja yksi perusmittauksista. Laboratoriovaaka on yleisnimike laboratorioissa laadunvalvonnan ja tutkimuksen tyypillisesti käyttämille tarkkuusvaaka- ja analyysivaakatyypeille.
Laboratoriovaaka ja tarkkuusvaaka -nimikkeet kattavat OIML-II ja OIML-I 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) ja toistokyvyllä on suuri käytännön merkitys muunmuassa siksi, että samaa materiaalia saatetaan punnita eri käsittelyvaiheissa useita kertoja päivän kuluessa. Hyvältä ja laadukkalta laboratoriovaa’alta edellytetään siis erinomaista luotettavuutta, sillä jokainen punnituskerta kasvattaa mittaussarjan kokonaismittausepävarmuutta.
Yksi merkki vaa’an laadukkuudesta on vaakatyypin CE-OIML-hyväksyntä, minkä tunnistaa vaa’an näytön yhteydessä olevasta “e“-merkinnästä.
Yksikään virhetyyppi (viritystaso, epälineaarisuus, epälkeskeisyysvirhe) ei saa ylittää e-virherajaa, e:n mukaisella kuormausalueella!

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

Vaa’an tarkkuus?

Mittalaitteiden näyttämään lukemaan liittyy kiinteästi mittausepävarmuus .
Mittaustulos = lukema + mittausepävarmuus
Vaa’an tarkkuus ei suinkaan ole sama kuin näytön askelarvo [d]. Tarkkuus/epätarkkuus on monen osatekijän summa.

Punnituslukeman mittausepävarmuuteen vaikuttavat muun muassa:

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

Lisäksi vaa’an tarkkuuteen/epätarkkuuteen vaikuttavan sellaisinaan mm.:

• Viritystasovirhe
• Asennuspaikan olosuhteet:
  Tärinä, ilmavirtaukset, lämpötilamuutokset, ilmastointi, verkkovirran laatu, magneettikentät, staattinen sähkö …jne.
• Säätila:
  Ilmanpaineen ja kosteuden muutos (viritystasovaikutus)
• Ryömintä:
  Lämpötilaryömintä {mekaniikka, elektroniikka}
• Epälineaarisuus
  Lineaarisuusvirhe {mekaniikka, elektroniikka}

Virheettömänkin vaa’an lukemassa on mittausepävarmuutta vähintään noin + 1d [digit].

Esimerkkejä mittausepävarmuudesta:

• Virheetön vaaka: d=0,01g, ex=0,00g, h=+0,00g, s=0,000 g.
  Mittausepävarmuus: + 0,01 g.
• Uusi vaaka: d=0,01g, ex=0,02g, h=+0,02g, s=0,005 g.
  Mittausepävarmuus: + 0,03 g.
• Huoltoa vailla: 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.
• Uusi vaaka: d=0,1g, ex=0,1g, h=+0,1g, s=0,05 g.
  Mittausepävarmuus: + 0,2 g.
• Huoltoa vailla: 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 + 8 …> 10 d, olisi vaaka hyvä huollattaa, koska “tarkimman” numeron voisi suuren mittausepävarmuuden takia käytännössä peittää.

Minimikuorma?

Mikä on pienin, vaa’alla järkevästi punnittavissa oleva kuorma eli minimikuorma?
Voitte määrittää vaa’allenne minimikuorman suhteellisen helposti käyttämällä esimerkiksi “US-Pharmacopeia” mukaista menetelmää:

• Suorittakaa vaa’alla toistokykymittaus (10 punnitusta).
• Laskekaa tuloksista keskihajonta [s]
• Gaussin käyrä ja varmuuskerroin:
• Jos 95,6% varmuus on riittävä, valitkaa kertoimeksi k=2,
• Jos halutaan 99,9% varmuus, 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.

Minimikuorma Min= k*p*s.
Esimerkki: toistokyky [s]= 0,01 g, varmuuskerroin [k]=2 ja virhetoleranssi [p]=0,1% :
Min = 2 * 1000 * 0,01g =20,00 g.

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 aina käytettäessä.”

Esimerkki kahdesta vaakatekniikan toteutustavasta:

• Sähkömagneettinen voimakompensaatio:
• perinteinen anturi laboratoriovaaoissa.
• anturin askelmäärä [n] on suuri, haarukka on 30 000 – 20 000 000 (300.00 g / 0,01 g – 200 g / 0,000 01 g).
• vaa’at kuuluvat tarkkuusluokkiin OIML-I ja OIML-II.
• Venymäliuska-vaaka-anturi.
• anturin askelmäärä [n] on tyypillisesti alueella 1 000 – 100 000 askelta (1 kg / 1 g – 100 g / 1 mg).
• vaa’at kuuluvat tarkkuusluokkiin OIML-II, OIML-III ja OIML-IV.
• tyypillisin anturityyppi ns. halpatuote-tarkkuusvaaoilla

Askelmäärä = suurin kantavuus / näytön askelarvo [n = Max / d].
Alla kuva kummastakin vaakatekniikasta.