在線分析儀器的主要性能特性和表示方法

   在線分析儀器的類型繁多，功能各異，其性能特性含義廣泛，但大體上可以分成以下兩類。

   一類性能特性與儀器的工作范圍和工作條件有關(guān)。工作范圍主要是指測(cè)量對(duì)象、測(cè)量范圍、量程等，對(duì)于不同的分析儀器，工作范圍是不同的。工作條件包括對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性、對(duì)樣品條件的要求等。在線分析儀器直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)工藝流程物料連續(xù)進(jìn)樣分析，因此，儀器對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性（包括防爆性能和環(huán)境防護(hù)性能等）要求比較嚴(yán)格，對(duì)樣品條件（溫度、壓力、流量等）要求也比較嚴(yán)格，工作條件方面的性能特性與實(shí)驗(yàn)室分析儀器相比，有較大區(qū)別。  

   另一類性能特性與儀器對(duì)分析倍號(hào)的響應(yīng)值有關(guān)。這類性能特性對(duì)不同的分析儀器，數(shù)值和量綱可能有所不同，但它們的定義是共同的，是不同類型分析儀器共同具有的性能特性，是同一類分析儀器進(jìn)行比較的重要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)分析儀器基本性能的重要參數(shù)。這類性能特性主要有：準(zhǔn)確度、靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性范圍、響應(yīng)時(shí)間等。

   (1)測(cè)量誤差

   儀器的測(cè)量誤差是指儀器的指示值與被測(cè)量真值的差值。誤差的表示方法有多種，目前分析儀器中常用的幾種表示方法如下：    

  ①絕對(duì)誤差：

   絕對(duì)誤差=測(cè)量結(jié)果一約定真值  

 ②相對(duì)誤差：相對(duì)誤差表示絕對(duì)誤差所占約定真值的百分比，常常分為儀表滿量程相對(duì)誤差和儀表讀數(shù)相對(duì)誤差。

   儀表滿量程相對(duì)誤差=（絕對(duì)誤差/測(cè)量上限-測(cè)量下限）xl00%  

  儀表讀數(shù)相對(duì)誤差=（絕對(duì)誤差/儀表示值）×100%

   ③基本誤差：又稱為固有誤差，是指儀器在參比工作條件下使用時(shí)的誤差。所謂參比工作條件，是指對(duì)儀器的各種影響量、影響特性（必要時(shí)）所規(guī)定的一組帶有允差的數(shù)值范圍。由于參比工作條件是比較嚴(yán)格的，所以這種誤差能夠更準(zhǔn)確地反映儀器所固有的性能，便于在相同條件下，對(duì)同類儀器進(jìn)行比較和校準(zhǔn)。

   ④影響誤差：當(dāng)一個(gè)影響量在其額定工作范圍內(nèi)取任一值，而其他全部影響量處在參比工作條件時(shí)測(cè)定的誤差。例如環(huán)境溫度影響誤差、電源電壓波動(dòng)影響誤差等。

   ⑤干擾誤差：由存在于樣品中的干擾組分所引起的誤差。這是針對(duì)分析儀器提出的一個(gè)性能特性。

   上述幾種誤差的關(guān)系：基本誤差是表征儀器準(zhǔn)確度的基本指標(biāo)，產(chǎn)品樣本和說(shuō)明書中的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差（包括引用誤差）均應(yīng)理解為基本誤差，而影響誤差、干擾誤差只有在必要時(shí)才列出。

   (2)測(cè)量不確定度

   測(cè)量不確走度主要用于精密測(cè)量，工程測(cè)量中較少使用，目前標(biāo)準(zhǔn)氣體、高純氣體和一部分標(biāo)準(zhǔn)儀器中使用該性能指標(biāo)，所以在此僅作一簡(jiǎn)介。

   簡(jiǎn)單地說(shuō)，測(cè)量不確定度表示儀器的指示值與被測(cè)量真值接近的程度?；蛘哒f(shuō)，由于測(cè)量誤差的存在，對(duì)測(cè)量值不能肯定的程度。測(cè)量誤差由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩個(gè)分量合成，測(cè)量不確定度主要來(lái)自隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因很多，而且不可能*消除，所以測(cè)量結(jié)果總是存在隨機(jī)不確定度。對(duì)測(cè)量結(jié)果來(lái)說(shuō)，不確定度表示其分散程度。

   測(cè)量不確定度是一個(gè)可量化的參數(shù)，可通過(guò)對(duì)其組成量的計(jì)算給出。它由多個(gè)分量組成，其中一些分量可用測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布估算，用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差S表征（稱為A類不確定度）；另一些分量則可用基于經(jīng)驗(yàn)或其他信息的假定概率分布估算，也可用類似于標(biāo)準(zhǔn)偏差的量%表征（稱為B類不確定度）。將A類不確定度和B類不確定度按均方根的方式組合起來(lái)就得出“合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度”UC；再乘以包含因子K（該因子與測(cè)量所要求的置信概率相關(guān)，表示測(cè)量值的可信程度，其值為1-3），將得出“擴(kuò)展不確定度”，或稱為“總不確定度”，以U表示。

   (3)靈敏度

   靈敏度是指被測(cè)物質(zhì)的含量或濃度改變一個(gè)單位時(shí)分析信號(hào)的變化量，表示儀器對(duì)祓測(cè)定量變化的反應(yīng)能力。也可以說(shuō)，靈敏度是指儀器的輸出信號(hào)變化與被測(cè)組分濃度變化之比，這一數(shù)值越大，表示儀器越敏感，即被測(cè)組分濃度有微小變化時(shí)，儀表就能產(chǎn)生足夠的響應(yīng)信號(hào)。

   如果儀器的輸入／輸出是線性特性，則儀器的靈敏度是常數(shù)；如果是非線性特性，則靈敏度在整個(gè)量程范圍內(nèi)是變數(shù)，它在不同的輸入／輸出段是不一樣的。如果儀器的輸入／輸出具有相同的單位，則靈敏度就是放大倍數(shù)；如果是不同的單位，則靈敏度是轉(zhuǎn)換系數(shù)。

   (4)檢測(cè)限

   檢測(cè)限又稱檢出限，又稱為最小可檢測(cè)變化，是指能產(chǎn)生一個(gè)可以識(shí)別的被測(cè)物質(zhì)的分析信號(hào)所需要的該物質(zhì)的最小含量或最小濃度，是表征和評(píng)價(jià)分析儀器檢測(cè)能力的一個(gè)基本指標(biāo)。在測(cè)量誤差遵從正態(tài)分布的條件下，指能用該分析儀器以給定的置信度（通常取置信度99. 70%，有時(shí)也用置信度95%）檢出被測(cè)組分的最小含量或最小濃度。

   顯然，分析儀器的靈敏度越高，檢測(cè)限越低，所能檢出的物質(zhì)量值越小，所以以前常用靈敏度來(lái)表征分析儀器的檢測(cè)限。但分析靈敏度直接依賴于檢測(cè)器的靈敏度與儀器的放大倍數(shù)。隨著靈敏度的提高，通常噪聲也隨之增大，而信噪比和分析方法的檢出能力不一定會(huì)改善和提高。由于靈敏度未能考慮到測(cè)量噪聲的影響，因此，現(xiàn)在已不用靈敏度來(lái)表征分析儀器的最大檢出能力，而推薦用檢測(cè)限來(lái)表征。

   (5)分辨力和選擇性

   ①分辨力；是指儀器區(qū)別相鄰近信號(hào)的能力。不同分析儀器所指的相鄰近信號(hào)有所不同，如光譜儀所指的一般是最鄰近的波長(zhǎng)，色譜儀所指的是最鄰近的兩個(gè)峰，而質(zhì)譜儀所指的是最鄰近的兩個(gè)質(zhì)量數(shù)。所以不同分析儀器的分辨力所指也有所不同。

   ②選擇性：是指儀器對(duì)被測(cè)組分以外的其他組分呈低靈敏度或無(wú)靈敏度的熊力。選擇性可用干擾系數(shù)來(lái)描述，干擾系數(shù)是指儀器對(duì)相同濃度的被測(cè)組分和干擾組分的響應(yīng)比。

   選擇性和分辨力意義相近，但又有差異，選擇性是對(duì)相類似的組分而言，分辨力是對(duì)相鄰近的信號(hào)而言。

   (6)線性度、線性誤差和線性范圍

   ①線性度：儀器的校準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線（一般為被測(cè)量的線性函數(shù)直線）之間的吻合程度。

   ②線性誤差：又稱非線性誤差，是指儀器的校準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線的最大偏差，一般用該偏差與儀器量程的百分?jǐn)?shù)表示。由于儀器的實(shí)際輸出是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)曲線校正的，所以將線性誤差定義為：儀器實(shí)際讀數(shù)與通過(guò)被測(cè)量的線性函數(shù)求出的讀數(shù)之間的最大差異。

   ③線性范圍：是指校準(zhǔn)曲線所跨越的最大線性區(qū)間，用來(lái)表示對(duì)被測(cè)組分含量或濃度的適用性。儀器的線性范圍越寬越好。

   可以用儀器響應(yīng)值或被測(cè)定量值的高位值與低端值之差來(lái)表征儀器的線性動(dòng)態(tài)范圍，也可用兩者之比來(lái)表征儀器的線性動(dòng)態(tài)范圍。

   （7）重復(fù)性

   ①重復(fù)性：又稱重復(fù)性誤差。重復(fù)性誤差是指用相同的方法、相同的試樣、在相同的條件下測(cè)得的一系列結(jié)果之間的偏差。相同的條件是指同一操作者、同一儀器、同一實(shí)驗(yàn)室和短暫的時(shí)間間隔。重復(fù)性誤差用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示，它與測(cè)量的精密度是同一含義。

   ②實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：叉稱標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值，是指在對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行n次測(cè)量時(shí)，表征測(cè)量結(jié)果分散程度的參數(shù)S，S由式計(jì)算：

S=∑(xi-X)²/n-1

式中S-實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；

   Xi——第i次測(cè)量結(jié)果；

   x——所測(cè)量的n個(gè)結(jié)果的算術(shù)平均值。

(8)穩(wěn)定性

   穩(wěn)定性是指在規(guī)定的工作條件下，輸入保持不變，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)儀器示值保持不變的能力。分析儀器的穩(wěn)定性可用噪聲和漂移兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征。

   ①噪聲：又稱輸出波動(dòng)，不是由被測(cè)組分的濃度或任何影響量變化引起的相對(duì)于平均輸出的波動(dòng)，或者說(shuō)由于未知的偶然因素所引起的輸出信號(hào)的隨機(jī)波動(dòng)。它干擾有用信號(hào)的檢測(cè)。在零含量（濃度）時(shí)產(chǎn)生的噪聲，稱為基線噪聲，它使檢出限變差。噪聲體現(xiàn)了隨機(jī)誤差的影響。

   ②漂移：漂移是指分析信號(hào)朝某個(gè)一定的方向緩慢變化的現(xiàn)象。漂移包括零點(diǎn)漂移、量程漂移、基線漂移。漂移表示了系統(tǒng)誤差的影響。

   (9)電磁兼容性

   電磁兼容性是工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制儀表的一項(xiàng)技術(shù)性能。由于工業(yè)儀表總是和各類產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備在一起工作，因此不可避免地受電磁環(huán)境的影響。如何使不同的電氣、電子設(shè)備能在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作，又不對(duì)該環(huán)境或其他設(shè)備造成不允許的擾動(dòng)，這就是電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容。它包括抗擾性和發(fā)射限值兩類要求。

   工業(yè)儀表受電磁環(huán)境干擾的干擾源主要來(lái)自各類開關(guān)裝置、繼電器、電焊機(jī)、廣播電臺(tái)、電視臺(tái)、無(wú)線通信工具以及工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射，帶靜電荷的操作人員也可能成為干擾源；干擾源通過(guò)工業(yè)儀表的電源線、信號(hào)輸入輸出線或外殼，以電容耦合、電感耦合、電磁輻射的形式導(dǎo)人，也可通過(guò)公共阻抗直接導(dǎo)人。

   絕大部分工業(yè)儀表是由電子線路組成的，工作電流很小，并帶有微處理器，對(duì)電磁干擾十分敏感，故在設(shè)計(jì)制造中，必須經(jīng)受再現(xiàn)和模擬其工作現(xiàn)場(chǎng)可能遇到的電磁干擾環(huán)境的各種試驗(yàn)，以使它們的技術(shù)特性符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的要求。例如：我公司生產(chǎn)的氧化鋯分析儀，在電子儀器加裝了隔離模塊，使得氧分析儀在遠(yuǎn)傳輸出的時(shí)候，實(shí)行有效的抗干擾性。

   (10)響應(yīng)時(shí)間和分析滯后時(shí)間

   ①響應(yīng)時(shí)間：表征儀器測(cè)量速度的快慢。通常定義為從被測(cè)量發(fā)生階躍變化的瞬時(shí)起，到儀器的指示達(dá)到兩個(gè)穩(wěn)態(tài)值之差的90%處所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。這一時(shí)間稱為90%響應(yīng)時(shí)間，用T90。標(biāo)注。

   上面的定義針對(duì)儀器而言，對(duì)于一個(gè)由取樣、樣品傳輸和預(yù)處理環(huán)節(jié)及分析儀器組成的在線分析系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則往往用分析滯后時(shí)間來(lái)衡量測(cè)量速度的快慢。

   ②分析滯后時(shí)間：等于“樣品傳輸滯后時(shí)間”和“分析儀器響應(yīng)時(shí)間”之和，即樣品從工藝設(shè)備取出到得到分析結(jié)果這段時(shí)間。樣品傳輸滯后時(shí)間包括取樣、傳輸和預(yù)處理環(huán)節(jié)所需的時(shí)間。

   (11)可靠性

   可靠性是指儀器的所有性能（準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等）隨時(shí)間保持不變的能力，也可以解釋為儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力，平均*運(yùn)行時(shí)間是衡量?jī)x器可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

   (12)栓定和校準(zhǔn)

   分析儀器在日常使用中要進(jìn)行校準(zhǔn)，長(zhǎng)期使用，特別在修理或調(diào)試后需要進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。檢定和校準(zhǔn)都是“傳遞量值”或“量值溯源”的一種方式，為儀器的正確使用建立準(zhǔn)確、一致的基礎(chǔ)。檢定是定期的，是對(duì)儀器計(jì)量性能較全面的評(píng)價(jià)。校準(zhǔn)是日常進(jìn)行的，是對(duì)儀器主要性能的檢查，以保證示值的準(zhǔn)確。檢定與校準(zhǔn)兩者互為補(bǔ)充，不能相互替代。

   ①檢定：為評(píng)價(jià)儀器的計(jì)量性能，以確定其是否合格所進(jìn)行的工作。檢定方法主要是利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)評(píng)價(jià)儀器的性能。檢定內(nèi)容主要是檢驗(yàn)儀器的準(zhǔn)確度、重復(fù)性和線性度。檢定的依據(jù)是國(guó)家或行業(yè)發(fā)布的檢定規(guī)程，其內(nèi)容包括規(guī)程的適用范圍、儀器的計(jì)量性能、檢定項(xiàng)目、條件和方法、檢定結(jié)果和周期等。

   ②校準(zhǔn)：在規(guī)定的條件下，檢驗(yàn)儀器的指示值和被測(cè)量值之間的關(guān)系的一組操作。可以利用校準(zhǔn)的結(jié)果評(píng)價(jià)儀器的“示值誤差”和給儀器標(biāo)尺賦值。可以單點(diǎn)校準(zhǔn)，也可選兩個(gè)點(diǎn)（在待測(cè)范圍的上端與下端）校準(zhǔn)，還可進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)通常以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為已知量值的“待測(cè)物”，利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的準(zhǔn)確定值來(lái)進(jìn)行，用校準(zhǔn)曲線或校正因子表示校準(zhǔn)結(jié)果。我們通常所說(shuō)的標(biāo)定、校正和校準(zhǔn)是同一含義。