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标准样品普及讲座(5)标准样品的均匀性检验

发布于:2017-08-25 21:30:06 编辑者:13823238547 来源:全国标准样品技术委员会

1、标准样品的均匀性概念

  众所周知,标准样品所提供的特性值必须具备两个属性。这就是其特性值的溯源性和该值的离散性--测量不确定度。在标准样品技术领域中,第一个属性--溯源性,通常是通过确认测量方法的有效性来证明的;而第二个属性--测量不确定度,则是通过对样料进行均匀性、稳定性检验来确定的。
  为什么标准样品特性值的测量不确定度要通过对样料进行均匀性、稳定性检验来确定呢?因为根据标准样品技术的基本理论,在测定标准样品特性值时,该值的测量不确定度是由三个互相独立的分量合成的。这就是:测量方法引入的测量不确定度分量、瓶-瓶之间非均匀性引入的测量不确定度分量和随时间变化样料不稳定性引入的测量不确定度分量。
  那么什么是瓶-瓶之间非均匀性呢?因为对绝大部分标准样品来讲,所采用的样料都是批量生产的(对人工制品)或批量选取的(对天然材料)。因此都必须将其处理、缩分、包装成可以运输、贮存和方便使用的、具有代表性的最小包装单元。在标准样品技术领域内,我们将把一批样料分装成最小包装单元后、各个最小包装单元之间样料的非均匀性,用术语瓶-瓶之间非均匀性表示(前提是假设瓶内样料是均匀的)。所以要确定标准样品特性值的测量不确定度,前提就是检验、确定后两种因素引入的测量不确定度分量要远远小于测量方法引入的测量不确定度分量。从而可以在给标准样品特性值赋予测量不确定度时,忽略后两种因素引入的测量不确定度分量。
  当然,从理论上讲,如果在复研制标准样品时所采集的样料各个部分之间的特性值不存在差异,即瓶-瓶样料之间不存在非均匀性,那么这批样料就被认为是绝对均匀的。但实际上,由于制备样料时条件的有限性,要做到这点几乎是不可能的。所以,当我们说某批样料是均匀的,实际上就是指:只要所制备样料各个部分之间特性值的差异与特性值的测量不确定度相比可以忽略时,就可以认为该样料是均匀的。由此可以看出:均匀性概念与样料各个部分中的"部分"大小有密切关系。因此为了界定这个"部分"的概念,在标准样品专业技术领域中,采用了专用术语来加以定义:瓶-瓶之间均匀性和瓶内均匀性。前者是指瓶-瓶之间标准样品特性值的差异;后者是指单瓶之内标准样品特性值的变化。这里的术语"瓶"代表的就是"部分"这个概念,具体是指:在标准样品研复制过程中,把一批样料分装成能代表样料特性值的最小包装单元(即该单元内样料是均匀的)。这种单元虽然用瓶表示,但不仅仅是指瓶装,而是指包括瓶装形式在内的任何包装形式(只要内部是均匀的)。这样,我们对标准样品样料各个"部分"之间的均匀性检验就转变成瓶-瓶之间(瓶内均匀性检验的程序也采用这种程序)。也就是说,标准样品均匀性检验就是检验瓶-瓶之间的非均匀性。
  由此可以看出:均匀性和稳定性检验是研复制标准样品过程中两个最重要的程序,本讲先讨论均匀性检验,在下一讲将讨论稳定性检验。
2、 标准样品均匀性检验方法的选择
  我们采用数理统计中的《方差分析》来进行均匀性检验。《方差分析》的基本思路是:将检测获得的数据中测量方法引入的离散性和瓶-瓶之间非均匀引入的离散性分离开来,并将这两者进行比较,从而确定瓶-瓶之间非均匀引入的离散性是否可以忽略。在《方差分析》中的F检验、t检验均可达到此目的,由于F检验是检验瓶-瓶之间的标准偏差是否一致,而t检验是检验瓶-瓶之间的平均值是否一致,所以F检验更加适合。下面就以F检验为例列出相应的实施步骤。
  * 从一组已经分装成最小包装单元(瓶)的样料中,随机抽取j瓶样料;
  * 由单个实验室在重复性条件下对每瓶进行i次独立检测,共获得Xij个数据;
  * 计算每瓶在重复性条件下获得的i个数据的平方和,很明显,其中只包含有测量方法引入的离散性,而不包含样料瓶-瓶之间非均匀性引入的离散性。我们把这种平方和称为瓶内(或组内)平方和。
  * 计算每一瓶i个数据的平均值,共获得j个平均值,以j个平均值作为一组数据,计算j个数据的平方和,很明显,这其中既包含了瓶-瓶之间样料非均匀引入的离散性,也包含了测量方法引入的离散性。我们把这种平方和称为瓶间(或组间)平方和;
  * 计算这两个平方和各自相应的均方差,并用瓶间(组间)均方差除以瓶内(组内)均方差,获得的值我们称为统计量F;
  * 计算各自的自由度N1(瓶间或组间)和N2(瓶内或组内),并选择确定显著性水平α;
  * 查F分布表中相应N1、N2、α所对应的F临界值,并与计算获得的统计量F进行比较,若统计量F小于临界值F,则瓶-瓶之间样料非均匀引入的离散性与测量方法引入的离散性相比,可以忽略不计,就认为样料是均匀的。反之就是不均匀的。
  在实际工作中,F检验一般分三个步骤:
  第一步:以每瓶n个重复性条件下检测获得的数据为一组,共获得j(瓶)组数据;并计算其瓶(或组)内的均方差和瓶(或组)间的均方差,以及各自的自由度、显著性水平α。
  第二步:按F检验给定的方法计算统计量F。
  第三步:查F分布表,找出临界值F,进行比较判断,作出结论。
3、标准样品均匀性检验示例
  下面是某实验室采用交通建设行业标准JTJ052-2000 T0604-2000《沥青针入度试验》,从一批500瓶沥青样料中随机抽取20瓶,进行均匀性试验所获得的数据。

  
1
2
3
平均值X
标准偏差S
1
89.0
88.0
86.1
87.7
1.47
2
89.7
87.1
88.5
88.4
1.30
3
89.1
89.0
87.9
88.7
0.67
4
88.8
87.6
88.2
88.2
0.60
5
88.7
89.5
88.2
88.8
0.66
6
91.7
89.1
87.8
89.5
1.99
7
86.4
88.2
89.5
88.0
1.56
8
87.8
89.3
88.9
88.7
0.78
9
90.4
88.9
89.3
89.5
0.78
10
88.1
88.8
89.9
88.9
0.91
11
90.3
87.8
88.7
88.9
1.27
12
88.8
88.6
89.9
89.1
0.70
13
89.1
90.1
90.1
89.8
0.58
14
90.1
89.4
88.3
89.3
0.91
15
89.0
87.9
89.2
88.7
0.70
16
88.8
88.9
89.1
88.9
0.15
17
89.0
88.9
90.5
89.5
0.95
18
89.1
88.7
90.4
89.4
0.89
19
89.5
89.3
88.9
89.2
0.31
20
89.3
90.5
89.1
89.6
0.79
  现采用F检验来确认这批样料的均匀性是否合格:
  按规定的方法分别计算出瓶(组)间平方和SL、瓶(组)内平方和SW以及相应的均方差、自由度N1、N2如下表:
方差来源 平方和 自由度 均方差 统计量F值 F临界值
瓶(组)间
瓶(组)内
SL=17.88
SW=39.46
N1=20-1=19
N2=20*(3-1) = 40
SL/ N1=0.94
SW/ N2=0.99
F统=0.94/0.99= 0.95 当α=0.05,
N1=19,
N2=40时F临为1.86
  可以看出: F统小于F临,所以可以判断这批沥青样料是足够均匀的。



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