Калибровка и регулировка приборов для термического анализа

 
Слайд 0. Калибровка и регулировка приборов термического анализа

Дамы и господа,

добро пожаловать на вебинар, посвященный калибровке и регулировке термоаналитических приборов.

Слайд 1. Темы

На этом семинаре я хотел бы объяснить, почему регулярная калибровка и регулировка важны в течение всего срока службы вашего прибора.

• Начну с вводной информации.
• Затем рассмотрим простую процедуру калибровки и регулировки.
• После этого расскажу о разных способах регулировки.
• В завершение семинара будет представлена уникальная разработка МЕТТЛЕР ТОЛЕДО: база данных параметров регулировки FlexCal^®.

Слайд 2. Введение. Почему необходимо калибровать и настраивать прибор?

Давайте поговорим о причинах, делающих эти процедуры обязательными.

Как правило, любой прибор покидает завод производителя полностью настроенным.

Можно предположить, что дальнейшая регулировка ему не нужна.

Со временем любой высокоточный прибор подвергается износу.

От этого снижаются его рабочие характеристики и, конечно, надежность результатов.

По этой причине настоятельно рекомендуется включить в основной план технического обслуживания регулярные повторные калибровки, чтобы исключить любые неточности.

Цель калибровки и регулировки — обеспечить точность и воспроизводимость результатов при использовании измерительной системы.


Слайд 3. Введение. Определения: достоверность, прецизионность, точность (1)

Прежде чем перейти к самой процедуре калибровки, нужно уточнить несколько терминов. Одна часть этих терминов относится к области статистики, другая — к калибровке и регулировке.

Необходимо хорошо их уяснить, чтобы понять, чего мы хотим достигнуть.

Что такое достоверность, точность и прецизионность? Эти три термина характеризуют разброс результатов, который получается при выполнении серии измерений.

Достоверность — это степень соответствия между средним значением, полученным из большого числа результатов испытаний, и принятым эталонным значением, которое называют «истинным».

Точность — это степень соответствия между результатом испытания и принятым эталонным значением.

Прецизионность — это разброс данных относительно среднего значения.

Посмотрите на иллюстрацию: измеряемые значения должны находиться как можно ближе к истинному значению, а величина стандартного отклонения, которая характеризует прецизионность, должна быть как можно меньше.

На следующем слайде этот принцип проиллюстрирован в виде мишени.


Слайд 4. Введение. Определения: Достоверность, прецизионность, точность (2)

Точные результаты мы имеем только на рисунке A: разброс данных невелик, все точки находятся вблизи центра мишени. К этому нужно стремиться, если мы хотим получать качественные результаты.

На картинках B, C и D показаны некачественные результаты: смесь случайных и неслучайных «попаданий». Такие результаты неприемлемы.

В следующем разделе я объясню, как можно добиться такого качества результатов, как на картинке A.


Слайд 5. Введение. Определения: калибровка и регулировка

В предыдущем разделе мы рассматривали надежность результатов с точки зрения статистики.

Исследователь должен быть уверен в данных, полученных от измерительного прибора. Но как этого добиться?

Нужно потратить немного времени и сил на калибровку и, возможно, регулировку прибора в рамках планового периодического технического обслуживания.

Но прежде чем перейти к рассмотрению этой процедуры, необходимо дать определение еще нескольким терминам: калибровка, регулировка, пределы допуска и эталонное вещество.

Калибровка — это проверка точности измерительного прибора (по эталонному веществу). Для сравнения используется эталонное вещество с известным «истинным» значением измеряемой характеристики.

Регулировка — это изменение специфических параметров прибора таким образом, чтобы результаты выполненной после нее калибровки укладывались в пределы допуска.

Пределы допуска — это границы интервала, внутри которого должны оставаться все отклонения от «истинного» значения. Оператор, исходя из необходимой ему точности измерений, задает пределы допуска и отвечает за их соблюдение.

В идеальном случае измерительная система дает результаты с погрешностью, не нарушающей пределы допуска, заданные оператором.

Для калибровки требуются определенный метод измерения и определенные стандартные образцы — так называемые эталоны.

Эталоны — это вещества, пригодные для калибровочного измерения благодаря тому, что значения их характеристик, измеряемые при калибровке, — такие как температура плавления, энтальпия плавления или модуль упругости — точно установлены.

Вещество считается пригодным в качестве эталона, когда оно удобно в обращении, легко доступно и стабильно.

Сертифицированный эталон — это эталонное вещество, одна или несколько характеристик которого прослеживаются до первичного эталона.

Каждое эталонное вещество поставляется с документом, подтверждающим его определенное свойство.

Например, компания МЕТТЛЕР ТОЛЕДО поставляет металлы, такие как индий, цинк и алюминий.

К ним прилагается сертификат, удостоверяющий их чистоту, но не физические свойства, например энтальпию.

Сертифицированный эталонный материал поставляется с документом, удостоверяющим значение измеряемой характеристики.

В областях со строгим нормативным регулированием необходимо использовать сертифицированные эталонные материалы, которые предоставляют LGC, NIST и PTB.

Однако если прибору требуется сертификация при высоких температурах, у поставщиков может не оказаться подходящих эталонов.

Например, ни одно вещество не имеет сертифицированного значения энтальпии для температуры 1000 °C и выше.


Слайд 6. Введение. Что следует калибровать?

При калибровке следует учитывать ряд параметров, зависящих от типа прибора.

Калибровка по температуре необходима для всех приборов. Кроме того, прибор необходимо калибровать по основному измеряемому параметру, например, тепловому потоку для ДСК или смещению для ТМА.


Слайд 7.: Начальные сведения. Факторы, влияющие на калибровку

К сожалению, условия эксперимента оказывают влияние на большинство измеряемых характеристик. Например, методы, в которых используются тигли, подвержены влиянию свойств этих тиглей, а это сказывается на результатах измерений. В числе таких свойств — теплопроводность, масса и размер.

Другие факторы, влияющие на эксперимент: состав атмосферы в печи, расход продувочного газа и различные держатели для образцов, которые используются в приборах разных типов.

К счастью, калибровка позволяет учесть эти факторы таким образом, чтобы внешнее влияние не сказывалось на измеряемых величинах.

Теперь посмотрим, как это происходит.


Слайд 8. Процедура калибровки

Итак, когда же нужна калибровка?
Возможные случаи:

• Когда вводится в эксплуатацию новый прибор.
• Когда истек установленный период времени.
• Если прибор испытал воздействие удара или вибрации, способное нарушить калибровочную характеристику.
• В любое время, когда возникают сомнения в достоверности результатов.

Калибровка и регулировка любого прибора состоят из двух основных этапов. Это подготовка и выполнение простой процедуры. Далее я подробно расскажу об этих этапах.


Слайд 9. Подготовка

Первый этап начинается с

1. подготовки, которая состоит в определении условий и метода измерения.

• На этапе подготовки определяются все параметры эксперимента, выбирается атмосфера, скорость нагрева и т. д.
  

Описание метода калибровки может предоставить производитель прибора, но пользователь может разработать собственный метод исходя из конкретных требований.

• Для аналитической процедуры необходимо задать пределы допуска.
• Также не следует забывать о калибровочном интервале.
• Нужно правильно определить количество и тип эталонных веществ. Об эталонных веществах я расскажу в следующем разделе, так как это очень важно.

Наконец, если вы изменяете аналитическую процедуру, вы должны адаптировать к ней и метод калибровки.

Слайд 10. Выбор эталонных веществ

Представим, что нам нужно калибровать прибор в широком температурном диапазоне. В этом случае выполнить калибровку при каком-либо одном значении температуры будет недостаточно. Приходится выбирать несколько эталонных веществ.

На графике показаны кривая теоретической погрешности и параболическая кривая поправок, построенные по трем эталонам в широком интервале температурных значений.

В интервале от 100 °C до 500 °C между тремя эталонами наблюдается минимальный диапазон погрешности. При температуре заметно ниже 50 °C кривая погрешности существенно отклоняется. Это видно по синей кривой в левой верхней части иллюстрации.

Заметим, что для двух эталонных веществ диапазон погрешности намного шире. Это показано красной линией в левой нижней части иллюстрации.

Можно сделать следующий вывод:

чем больше эталонов, тем лучше.

Эталоны должны охватывать всю рабочую область.

Не следует экстраполировать 50 °C выше или ниже установленных пределов допуска.

Слайд 11. Принятие решений

После выполнения подготовительного этапа, а затем и калибровки, наступает стадия принятия решений.

Возможны два варианта.

• Если калибровочные значения удовлетворительны, можно приступать к анализу образцов. При этом у калибровки обязательно должен быть актуальный срок действия.
• Если калибровочные значения нарушают заданные пределы допуска, необходимо настроить прибор.
  

Слайд 12. Процедура регулировки. ДСК

Предположим, что в результате выполненной калибровки выяснилось, что требуется регулировка прибора. В этом случае также можно использовать простую процедуру.

В этом и последующих примерах проводится регулировка параметров для ДСК. Выполняются следующие типы регулировки: по времени теплопередачи и температуре, а также регулировка датчика.

Некоторые из вас, возможно, не знакомы с термином «время теплопередачи», поэтому дадим его краткое определение.

Это временная константа, которая характеризует свойства печи и гарантирует, что скорость нагрева оборудования и образца не влияет на результат.

Заметим, что регулировка по времени теплопередачи выполняется для каждого прибора на заводе. Повторную регулировку, если она в самом деле необходима, может выполнить специалист.

Посмотрим на большой рисунок справа. На нем в укрупненном масштабе показана область, выделенная синим цветом на левой стороне слайда.

Процедура регулировки проста.

Процедуры регулировки по температуре и регулировки датчика аналогичны.

1. Поскольку значения выходят за пределы допуска, необходимо настроить прибор. Для этого используются результаты калибровки.
2. Для подтверждения того, что регулировка выполнена успешно, калибровка проводится еще раз тем же методом.
3. После успешной регулировки можно вернуться к анализу образцов.
4. Если регулировка не удалась, ее необходимо повторить.
   

Итак, полный рабочий цикл состоит из калибровки, регулировки, повторной калибровки, подтверждающей правильность выполненной регулировки, и измерения образца.

В идеальном случае на результат, полученный после регулировки, уже не влияют внешние факторы, такие как скорость нагрева, свойства тигля и расход газа.


Слайд 13. Регулировка по времени теплопередачи

Мы уже рассмотрели большинство теоретических понятий, касающихся статистики, калибровки и регулировки. Теперь я хотел бы немного рассказать о том, в чем разница между правильно настроенными приборами и приборами, которые не настроены надлежащим образом, и о том, как это может повлиять на результаты.

В первом примере на рисунке А очевидно влияние скорости нагрева на температуру начала плавления индия. Кажется, что с увеличением скорости нагрева температура начала плавления повышается, что с точки зрения физики неверно.

Регулировка по времени теплопередачи устраняет ошибку в регистрации температуры начала плавления.

На рисунке B показаны скорректированные кривые. Теперь температура начала плавления соответствует истинному значению 156,6 °C.

Слайд 14. Регулировка по температуре. Динамические условия
    
С помощью следующих двух примеров я расскажу о регулировке по температуре для динамических и изотермических условий.

Начнем с динамических условий измерения.

На рисунке A видно, что температуры начала плавления и температуры пиков для индия и олова существенно меняются в зависимости от скорости нагрева.

Измеренные для этих веществ значения отличаются очень сильно, в каждом случае на несколько градусов!

После регулировки по температуре измеренные значения для обоих веществ идеально совпадают.

Слайд 15. Регулировка по температуре. Изотермические условия (1)

Регулировка по температуре важна не только для динамических, но и для изотермических условий измерения.

Изотермические методы применяются в кинетических исследованиях, а также для измерений периода индукции окисления (OIT, ПИО) и сорбции.

Как убедиться в том, что показания температуры в изотермических условиях корректны?

Для этого используются эталонные вещества: индий и олово. Каждое вещество используется для конкретного значения температуры, а не для диапазона, как в случае динамических условий измерения.

На рисунке A изображен тот случай, когда температура начала плавления определяется для обоих веществ с ошибкой. Разница для индия составляет 0,3 °C, а для олова — целых 2,0 °C.

После настройки температура начала плавления соответствует истинному значению. Это можно видеть на рисунке B.


Слайд 16. Регулировка датчика. Тепловой поток (ДСК)

Мы дошли до третьего примера, который относится к калибровке и регулировке датчика. Все приборы оснащены датчиками, но они измеряют разные параметры. На следующих нескольких слайдах показаны разные варианты калибровки и регулировки разных приборов с учетом установленных датчиков.
В случае ДСК наиболее заметной причиной плохой воспроизводимости измерений является передача тепла между датчиком и тиглем и между тиглем и образцом.

Эта причина устраняется надлежащей регулировкой прибора ДСК с помощью сертифицированных эталонов, например, эталонов LGC (Великобритания), NIST (США) или PTB (Германия).


Слайд 17. Регулировка датчика. Вес (ТГА)

Термогравиметрический анализ — это метод, который позволяет определять изменение массы образца во время его нагрева, охлаждения или выдержки при постоянной температуре.

Сверхчувствительная весовая ячейка МЕТТЛЕР ТОЛЕДО — главный элемент прибора ТГА.

Правильная настройка веса для него чрезвычайно важна.

Можно выполнять внутреннюю калибровку с помощью двух колец или внешнюю калибровку, пользуясь сертифицированными гирями.

Слайд 18. Регулировка датчика. Смещение (ТМА)

Термомеханический анализ предназначен для измерения деформации образцов в зависимости от температуры. Одно из наиболее часто изучаемых свойств — коэффициент термического расширения.

При нагревании образцы сжимаются или расширяются.

Точность измерения смещения - важнейшая характеристика приборов ТМА, которую необходимо постоянно контролировать.

Для регулировки по длине можно использовать разные сертифицированные наборы концевых мер.


Слайд 19. Калибровка датчика. Нагрузка и смещение (ДМА)

Динамический механический анализ применяется для измерения механических и вязкоупругих свойств материалов как функции температуры, времени и частоты при воздействии периодических нагрузок.

Модуль упругости рассчитывают, исходя из приложенной нагрузки и амплитуды деформации, при этом учитывается геометрия образца.

Чтобы обеспечить достоверное измерение модуля упругости, прибор необходимо калибровать по длине и нагрузке.

Для этого нужна пружина и сертифицированный набор концевых мер.

Чрезвычайно точный шпиндель для регулировки положения по оси Z с шагом 1 мкм (произносится «один микрометр») позволяет выполнять автоматическую настройку длины после его регулировки с помощью концевых мер.

Кроме того, для калибровки пьезоэлектрического датчика по всему диапазону усилий используется сертифицированная пружина.


Слайд 20. Калибровка. Точность измерения модуля упругости (ДМА)

Точность измерения модуля упругости проверяется испытанием бруска из кристаллического кремния на трехточечный изгиб определенным методом. Такая процедура применима только для кремния.

Метод измерения и ожидаемые значения для определенного диапазона указаны в сертификате, прилагаемом к специальному эталонному образцу.

Если модуль упругости не выходит за пределы указанного диапазона, точность измерения считается подтвержденной.

Комплект для испытания можно заказать в компании МЕТТЛЕР ТОЛЕДО.

Слайд 21. Уникальная разработка МЕТТЛЕР ТОЛЕДО: FlexCal^®

Прибор должен давать показания, не зависящие от скорости нагрева или охлаждения, типа тигля или состава газовой атмосферы в печи.

Следовательно, каждая измерительная ячейка должна иметь отдельный набор калибровочных параметров, не зависящий от других приборов или блоков управления.

Для решения этой сложной задачи специалисты МЕТТЛЕР ТОЛЕДО дополнили ПО STARe функцией FlexCal^®, которая содержит методы и базу данных для хранения и анализа необходимых калибровочных параметров.

Каждому прибору, подключенному к этой системе, назначается отдельный ID-код, связанный с фактическими калибровочными параметрами.

Каждый набор параметров относится к конкретному прибору и в первую очередь описывает взаимосвязь между температурой, скоростью нагрева, свойствами тигля, составом газов и типом датчика для стандартной конфигурации.

Благодаря калибровочной модели FlexCal^®, основанной на базе данных, результаты термического анализа, такие как температура начала плавления или теплота плавления, больше не зависят от скорости нагрева, типа тигля и выбранной для эксперимента газовой атмосферы.

Новый метод полной калибровки удобен тем, что выполняются все необходимые процедуры с использованием одного или нескольких эталонов.

В базе данных фактические калибровочные параметры регистрируются в соответствии с требованиями стандарта GLP.


Слайд 22. Заключение

Мы узнали, что приборы, которые не настроены должным образом, дают неточные и плохо воспроизводимые результаты.

Большое значение имеет регулярная калибровка с проверкой результатов по заданным пределам допуска.

Каждая лаборатория должна обеспечивать целостность результатов.

Кроме того, в МЕТТЛЕР ТОЛЕДО работают опытные сервис-инженеры, которые могут помочь с квалификацией оборудования, калибровкой и регулировкой, обучить пользователей и дать рекомендации по техническому обслуживанию.


Слайд 23. Дополнительная информация о калибровке и регулировке
В завершение я хочу обратить ваше внимание на источники информации о калибровке и регулировке, которые имеются в сети Интернет.

Компания МЕТТЛЕР ТОЛЕДО публикует статьи о термическом анализе и прикладных исследованиях в техническом журнале UserCom, который выходит дважды в год.

Архивные выпуски можно скачать в формате PDF на сайте www.mt.com в разделе Usercoms.


Слайд 24. Дополнительная информация по термическому анализу
По адресам, указанным на слайде, можно также скачать информацию о вебинарах, прикладные справочники и сведения более общего характера.

Слайд 25. Спасибо
На этом моя презентация о калибровке и регулировке термоаналитических приборов закончена.

Благодарю за внимание.