W pracy przedstawiono miejsce i znaczenie wag elektronicznych oraz wagosuszarek w systemach zarządzania jakością ze szczególnym uwzględnieniem aspektu metrologicznego. Wskazano metody i zakres badania parametrów metrologicznych z uwzględnieniem spójności pomiarowej. Wyeksponowano także proces walidacji jako narzędzie potwierdzające dokładność działania wagosuszarek, co pozwala na ich zastosowanie w analizach suchej pozostałości masy substancji organicznej.
1. Wprowadzenie
Pomiary są nieodłącznym elementem analiz wykonywanych przez laboratoria, niezależnie od obszaru w jakim prowadzą swoją działalność. Zastosowanie zweryfikowanych metod badawczych pozwala na uzyskanie informacji dokładnej dotyczącej fizykochemicznych właściwości badanej próbki. Informacja ta stanowi podstawę do prowadzenia oceny jakościowej oraz ilościowej, która jest istotna z metrologicznego oraz prawnego punktu widzenia. Dostępność urządzeń pomiarowych, w tym również wag elektronicznych, oraz ich intuicyjna obsługa pozwala przypuszczać, że wyniki pomiarów uzyskiwane z wykorzystaniem tych urządzeń są zawsze dokładne i precyzyjne. Nie zawsze jest to możliwe ze względu na okresową zmienność czułości wag oraz brak właściwego nadzoru nad wyposażeniem pomiarowym.
Należy jednakże zauważyć, że w wielu przypadkach znaczne błędy w prowadzonych analizach są skutkiem niewłaściwego poboru lub przygotowania próbki. Tym samym można stwierdzić, że skuteczność prowadzonych analiz wymaga kompleksowego spojrzenia na to zagadnienie, w tym również z uwzględnieniem aspektu metrologicznego. O ile metodyka prowadzonych działań jest zazwyczaj ściśle zdefiniowana w aktach normatywnych [7, 6], to zakres, metoda oraz częstotliwość badań metrologicznych wag czy wagosuszarek nie ma takich odwołań, co może stanowić pewien problem dla personelu laboratorium.
2. Wagi elektroniczne w systemach zarządzania jakością
Waga elektroniczna jest jednym z najpowszechniej stosowanych urządzeń pomiarowych w laboratorium. Współczesna waga to zaawansowane urządzenie pomiarowe o znacznej rozdzielczości nawet ponad 10 mln działek elementarnych – np. model XA 110.4Y, produkcji Radwag Wagi Elektroniczne oraz rozbudowanych możliwościach w zakresie gromadzenia informacji z uwzględnieniem procedur GLP, GMP. Wymagania dotyczące stosowania wag znajdują się w np. normie EN ISO 9001:2015 ,,Systemy Zarządzania Jakością. Wymagania, pkt 7.1.5.2. Spójność pomiarowa. Zgodnie z nią: „wyposażenie pomiarowe należy wzorcować lub sprawdzać albo wzorcować i sprawdzać w ustalonych odstępach czasu lub przed użyciem w odniesieniu do wzorców pomiarowych mających powiązanie z międzynarodowymi lub państwowymi wzorcami pomiarowymi”. Istotą normy [2] jest podejście procesowe z uwzględnieniem analiz ryzyka. W takim ujęciu pomiar masy może być traktowany również, jako pewien element procesu, w którym wyróżnione są wejścia, działania oraz wyjścia. Doskonalenie takich procesów odbywa się zazwyczaj z wykorzystaniem cyklu Deminga PDCA (Planuj–Wykonaj–Sprawdź–Popraw). Schemat tego cyklu dla pomiarów masy i zawartości masy suchej zaprezentowano na rys. 1.
Również Polska Norma PN-EN ISO/IEC 17025: 2018-02 zawiera odpowiednie zapisy dotyczące wyposażenia pomiarowego. Szczegółowe wytyczne znajdują się w punkcie 6.4. Wyposażenie, gdzie wyraźnie wskazano na konieczność weryfikacji wyposażenia pomiarowego (wag) przed wdrożeniem do użytkowania oraz w trakcie jego eksploatacji. Podstawową czynnością w zakresie nadzoru nad wagą zgodnie z punktem 6.4.7 tej normy jest wzorcowanie, które powinno się odbywać zgodnie z ustalonym harmonogramem. Warto tu zwrócić uwagę, że harmonogram ,,powinien być dostosowywany w razie konieczności”, co pozwala prowadzić elastyczną politykę w zakresie okresów między kolejnymi wzorcowniami. Procedura wzorcowania odnosi się zarówno do wag [4], jak i do stosowanych wzorców masy, co powinno być uwzględnione w harmonogramie wzorcowań, jakie prowadzi laboratorium. Procedura wzorcowania może być wykonana tylko przez laboratorium posiadające akredytację Polskiego Centrum Akredytacji, tak jak w przypadku Laboratorium Pomiarowego firmy, Radwag Wagi Elektroniczne. Przykład świadectwa wzorcowania dla wagi elektronicznej zaprezentowano na rys. 2 oraz 3.
Strona pierwsza świadectwa wzorcowania zawiera dane informacyjne związane z przedmiotem badania, zastosowanymi metodami wzorcowania oraz spójnością i niepewnością pomiaru. Strona druga świadectwa prezentuje informacje metrologiczne, takie jak błąd pomiaru w całym zakresie równoważenia elektrycznego wagi, odchylenie standardowe dla powtarzalności wskazań oraz błąd centryczności. Analiza tych informacji pozwala na określenie potencjalnego błędu ważenia rzeczywistej próbki poddanej analizie.
Jedną z najbardziej znaczących decyzji dotyczących wzorcowania jest „kiedy je wykonać” oraz „jak często je wykonywać”. Poszukując odpowiedzi na te dwa pytania należy uwzględnić następujące czynniki:
- wymaganą lub deklarowaną przez laboratorium niepewność pomiaru;
- ryzyko przekroczenia przez przyrząd pomiarowy granicy maksymalnego dopuszczalnego błędu w czasie jego użytkowania;
- tendencję urządzenia do zużycia się i dryftu;
- zalecenia producenta;
- dane dotyczące trendu, uzyskane na podstawie zapisów z poprzednich wzorcowań;
- częstość sprawdzania przez porównanie z innymi wzorcami odniesienia lub urządzeniami pomiarowymi;
- zakres i intensywność użytkowania;
- częstotliwość i jakość sprawdzeń okresowych w międzyczasie.
Wyznaczanie okresów między wzorcowaniami jest dość skomplikowanym procesem matematycznym i statystycznym, który wykorzystuje informacje zebrane w czasie wzorcowań. Ze względu na różnorodność przyrządów pomiarowych nie istnieje jedna uniwersalna metoda pozwalająca wyznaczyć okres między wzorcowaniami [1]. Uznaje się, że tzw. „inżynierska intuicja”, która sprowadza się do ustalenia stałych odstępów między wzorcowaniami, bez przeprowadzenia ich przeglądu, nie jest wystarczająco niezawodna. Okresy między wzorcowaniami dla wagi elektronicznej można wyznaczać z zastosowaniem metody schodkowej lub karty kontrolnej. Metoda schodkowa polega na obserwacji wyników z wzorcowania i zwiększaniu odstępów między wzorcowaniami, gdy badany parametr mieści się w granicach np. 60% maksymalnego błędu dopuszczalnego. Odstępy między wzorcowaniami będą skracane, gdy dopuszczalny błąd został przekroczony.
Metoda karty kontrolnej (SQC) polega na obserwacji rozrzutu wyników i średniego dryftu wskazań przyrządu pomiarowego w czasie między wzorcowaniami. Na podstawie uzyskanych wyników można wyznaczyć optymalny okres między kolejnymi wzorcowaniami. Opisy innych metod związanych z wyznaczaniem okresów między wzorcowniami znajdują się w dokumencie OIML D 10 „Wytyczne dotyczące wyznaczania odstępów czasu między wzorcowniami przyrządów pomiarowych”. Dla wag elektronicznych w wielu przypadkach przyjmuje się, że punktem wyjścia jest początkowo interwał dwuletni, chyba że inaczej stanowią przepisy branżowe.
Poza czynnością wzorcowania, wagi elektroniczne powinny być okresowo sprawdzane celem utrzymania zaufania do ich poprawnego działania (pkt 6.4.10 normy 17025:2018-02). Parametry podlegające kontroli metrologicznej są ustalane indywidualnie przez każde laboratorium z uwzględnieniem intensywności oraz zakresu użytkowania wagi. Ocena może dotyczyć takich parametrów jak dokładność wskazań, błąd centryczności oraz powtarzalność wskazań. Podczas badań należy wykorzystywać wzorce masy z aktualnym świadectwem wzorcowania, co jest konieczne dla zachowania spójności pomiarowej. Podobne działania kontrolne należy prowadzić również w przypadku wagosuszarek, jednakże zakres ich weryfikacji powinien uwzględniać to, że są one stosowane do wyznaczania zawartości masy suchej. Weryfikacja powinna, zatem uwzględniać takie obszary jak walidacja metody badawczej oraz okresowa kontrola temperatury suszenia.
3. Okresowa kontrola wag elektronicznych
W praktyce kompleksową ocenę działania wagi elektronicznej zazwyczaj wykonuje się tylko w czasie jej wdrażania do użytkowania. Może to być wykonane w ramach tzw. kwalifikacji operacyjnej. Podczas badań zarówno waga jak i środowisko powinny być stabilne, głównie w zakresie dynamiki zmian temperatury. Przed rozpoczęciem badania waga powinna być adiustowana celem wyeliminowania ewentualnych niedokładności pochodzących od niewielkich zmian czułości. Zasadę działania adiustacji zaprezentowano na rys. 4.
Upływ czasu oraz niestabilność temperaturowa środowiska pracy mogą powodować niewielką zmianę dokładności wskazań wagi elektronicznej (oznaczenie dm na rys. 4). Po wykonaniu adiustacji błąd wskazań wagi jest minimalizowany, poprzez co każde ważenie próbki będzie cechować się dokładnością. Przy założeniu stabilności termicznej środowiska pracy, kolejne adiustacje będą wykonywane zgodnie z zaprogramowanym interwałem czasu. Takie rozwiązanie jest standardem we wszystkich wagach laboratoryjnych produkcji Radwag, tak jak w przypadku wagi AS 220.R2. Waga tego typu jest użytkowana w Laboratorium Badawczym Sekcji Ścieków Wodociągów Miejskich w Radomiu w akredytowanych badaniach suchej masy osadów ściekowych – akredytacja AB 990. Wygląd tej wagi zaprezentowano na rys. 5.
Laboratorium Badawcze Wodociągów Miejskich jest również aktywnym członkiem Klubu Polskich Laboratoriów Badawczych, gdzie w ramach okresowych spotkań prezentuje wyniki i metody badawcze stosowane w analizach związanych z prowadzoną działalnością.
3.1 Badanie dokładności wskazań
Dokładność to stopień zgodności między wynikiem badania a przyjętą wartością odniesienia [3], którą dla wag elektronicznych jest wzorzec o znanej masie. Bardzo rzadko bada się dokładność wagi w całym zakresie pomiarowym, częściej badanie realizowane jest za pomocą jednego lub dwóch wzorców masy. W badaniu dokładności wagi kluczowe są dwa elementy: adiustacja wagi oraz zastosowanie wzorca z ważnym świadectwem wzorcowania. Równie istotny jest dobór zakresu badania. Zaleca się sprawdzać dokładność wskazań wagi w takim zakresie, w jakim waga jest użytkowana. Takie podejście jest stosowane przez Laboratorium Badawcze Sekcji Ścieków Wodociągów Miejskich w Radomiu. Podczas weryfikacji dokładności wskazań stosowany jest wzorzec o masie 100 mg oraz 100 g. Takie działanie pozwala zweryfikować dokładność wagi zarówno dla małych naważek, jak i dla próbek o znacznie większej masie.
3.2 Powtarzalność wskazań wagi
Powtarzalność jest definiowana, jako precyzja przy spełnieniu warunków powtarzalności [3]. Dobrą powtarzalność uzyskuje się wtedy, gdy kilkukrotne ważenie tej samej próbki daje taki sam wynik lub różnice pomiędzy wynikami pomiarów są niewielkie. Powtarzalność wskazań można wyrażać poprzez rozstęp wyników, czyli różnicę między maksymalnym wskazaniem a wskazaniem minimalnym (metrologia prawna) lub za pomocą odchylenia standardowego (obszar dobrowolny). Należy stwierdzić, że powtarzalność (precyzja) wagi jest wartością charakterystyczną związaną z konstrukcją wagi i ma wartość stałą. Z drugiej strony, precyzja pomiarów jest jednak zależna od warunków wykonywania badania oraz umiejętności operatora.
3.3 Odchyłka centryczności
Zgodnie z zaleceniami producentów wag oraz Dobrej Praktyki Laboratoryjnej, próbki podczas ważenia powinny być umieszczane centralnie na środku szalki. W pewnym przypadkach może to być niemożliwe, np. obiekty o znacznych wymiarach gabarytowych z przesuniętym środkiem ciężkości, błąd operatora wagi itp. Z tego powodu należy oceniać, jaki potencjalnie błąd wskazań wystąpi, gdy ważenie będzie się odbywać poza środkiem szalki. Badanie polega na ocenie różnicy między wskazaniem, gdy wzorzec masy, odważnik [5] jest umieszczony centralnie a wskazaniem, gdy jest on postawiony poza środkiem szalki. Podczas sprawdzenia powinno się stosować wzorzec o masie 1/3 maksymalnego obciążenia wagi.
4. Wagosuszarka – walidacja metody
Wagosuszarka jest urządzeniem dwufunkcyjnym, może służyć zarówno do pomiarów masy jak i do pomiarów zawartości masy suchej (wilgotności). Konstrukcję typowej wagosuszarki stanowią dwa elementy: moduł wagowy oraz komora suszenia (rys. 6).
Zasada działania wagosuszarki polega na pomiarze zmienności masy próbki w czasie jej ogrzewania. Ubytek masy, a w konsekwencji zawartość masy suchej, jest zależny od temperatury suszenia, struktury badanego produktu oraz kryterium definiującego zakończenie analizy. Z tego powodu nie istnieją jedne uniwersalne ustawienia dla procesu suszenia, ale należy je dobierać doświadczalnie na drodze walidacji metody (pkt 7.2.2 normy 17025). Zrozumienie tych zależności jest kluczowym elementem dla otrzymywania pomiarów dokładnych i precyzyjnych. Zależności związane z walidacją w odniesieniu do procesu suszenia, w którym wykorzystuje się wagosuszarki, pokazano na rys. 7.
Istotą walidacji jest udokumentowanie poprzez badanie, że niezależnie od zastosowanej metody pomiaru masy suchej produktu (metoda znormalizowana lub metoda z wykorzystaniem wagosuszarki) zawsze otrzymuje się wyniki zbieżne w zakresie dokładności oraz precyzji pomiarów. Można, zatem, w badaniach wykorzystywać wagosuszarki ze względu na znacznie krótszy czas analizy w porównaniu do czasu, jaki wymaga metoda znormalizowana. Proces walidacji należy prowadzić dwuetapowo:
- Wyznaczenie zawartości masy suchej próbki metodą znormalizowaną.
- Badania z wykorzystaniem wagosuszarki i porównanie otrzymanych wyników zawartości masy suchej z wynikiem, jaki uzyskano metodą znormalizowaną.
W przypadku stwierdzenia znacznej różnicy między wynikami podejmuje się działania w zakresie modyfikacji parametrów suszenia dla wagosuszarki. Dotyczy to temperatury suszenia, przygotowania produktu do analizy oraz kryterium zakończenia analizy. Uzyskanie niewielkiej różnicy przy porównywaniu wyników z obydwu metod suszenia pozwala na aplikację metody wykorzystującej wagosuszarkę do badań laboratoryjnych, a także do oznaczeń wykonywanych w kluczowych miejscach systemu produkcyjnego.
W badaniach zawartości masy suchej istotna jest również precyzja pomiarów, która powinna być uwzględniana podczas oceny możliwości zastosowania metody badawczej. Podobnie jak dla pomiarów masy, precyzja pomiarów to zgodność pomiędzy niezależnymi wynikami badania. Precyzja pomiarów zawartości masy suchej jest zależna od temperatury prowadzonej analizy oraz od struktury i jednorodności próbki. Opracowana metodyka suszenia powinna zapewniać niewielki rozrzut wyników w serii pomiarów, zwłaszcza tam, gdzie wyznaczone są limity ostrzegawcze i krytyczne. Zależności między dokładnością i precyzją w odniesieniu do wartości prawdziwej zawartości masy suchej zaprezentowano na rys. 8.
5. Dokumenty związane z wyposażeniem pomiarowym
Nadzór nad wyposażeniem pomiarowym można prowadzić z wykorzystaniem karty rejestracyjnej wagi, karty wzorcowań/sprawdzeń oraz poprzez tzw. zeszyt pracy. Takie rozwiązanie było stosowane przez Laboratorium Badawcze Sekcji Ścieków Wodociągów Miejskich w Radomiu, uzyskując akceptację podczas kolejnych audytów Polskiego Centrum Akredytacji. Karta rejestracyjna zawiera kluczowe informacje związane z wagą takie jak nazwa własna, nazwa producenta, parametry metrologiczne, datę wdrożenia wagi do użytkowania oraz dokumenty związane z wagą, np. świadectwo wzorcowania, świadectwo legalizacji itp. Karta wzorcowań/sprawdzeń zawiera przeprowadzone oraz zaplanowane wzorcowania lub legalizacje wagi z wykazaniem ich statusu (poprawny/niepoprawny). Zeszyt pracy jest przeznaczony do codziennej weryfikacji działania wagi. Rejestrowane są w nim bieżące kontrole wagi za pomocą wzorców masy, warunki środowiskowe oraz typy próbek, jakie były ważone.
6. Wnioski
Wykorzystanie wag w procesach pomiaru masy wymaga ich okresowej kontroli, która realizowana jest poprzez wzorcowanie oraz codzienne testy metrologiczne. Poprzez to uzyskuje się pewność i dokładność wykonanych pomiarów, co jest pierwszym elementem dla przedstawienia rzetelnej oceny badanego produktu. Wykorzystanie wagosuszarki w badaniach zawartości masy suchej powinno być warunkowe uzyskaniem pozytywnego wyniku z procesu walidacji metody badawczej. Cele walidacji w kontekście dokładności oraz precyzji metody badawczej powinny być wyznaczone i zweryfikowane. Wymaga to przeprowadzenia badań porównawczych, podczas których badana jest dokładność i precyzja metody z zastosowaniem wagosuszarki dla różnych wariantów przygotowania produktu oraz temperatury suszenia. Niezbyt wielu użytkowników wagosuszarek wybiera taką drogę dla wykazania poprawności działania wagosuszarek – raczej oczekują oni od producentów wagosuszarek gotowych rozwiązań w zakresie metod suszenia.
7. Literatura
[1] ILAC-G24, OIML 10.2007. Wytyczne dotyczące wyznaczania odstępów czasu między wzorcowaniami przyrządów pomiarowych.
[2] PN-EN ISO 9001:2015-10. Systemy zarządzania jakością. Wymagania.
[3] PN-ISO 5725-1.2002. Dokładność (poprawność i precyzja) metod pomiarowych i wyników pomiarów. Część 1: Ogólne zasady i definicje.
[4] PN-EN ISO/IEC 17025:2018-02. Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących.
[5] OIML R111-1.2004. Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3. Part 1: Metrological and technical requirements.
[6] PN-EN 12880:2004. Charakterystyka osadów ściekowych. Oznaczanie suchej pozostałości i zawartości wody.
[7] PN-EN 872.2007. Jakość wody. Oznaczanie zawiesin. Metoda z zastosowaniem filtracji przez sączki z włókna szklanego.
Sławomir Janas, Radwag Wagi Elektroniczne,
Laboratorium Badawcze Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu, Wydział Nauk Ekonomicznych i Prawnych
Izabela Dasiewicz-Szparaga, Wodociągi Miejskie w Radomiu
Małgorzata Kowalska, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu,
Wydział Materiałoznawstwa Technologii i Wzornictwa, Katedra Chemii
;…
Źródło: Forum Eksploatatora 3/2019
