دقت، درستی و منابع خطا در آنالیز حرارتی مواد

خطای تصادفی و سیستماتیک چیست؟

در علوم مهندسی، خطای اندازه گیری که با نام «خطای مشاهداتی» نیز شناخته می شود، به معنی اختلاف بین مقدار واقعی یک کمیت و مقدار اندازه گیری شده است. این خطا می تواند به دلایل مختلفی مانند بی دقتی اپراتور، کالیبره نبودن دستگاه و یا خطای ذاتی خود دستگاه وارد سیستم شود. به همین دلیل خطاهای اندازه گیری را می توان به دو دسته خطاهای تصادفی و سیستماتیک تقسیم بندی کرد.

خطاهای تصادفی (Random Errors)  آن دسته از خطاهای آزمایش هستند که در اثر عوامل ناشناخته وارد سیستم می شوند. این خطاها غیر قابل پیش بینی بوده و نمی توان آن ها را از سیستم حذف کرد. از جمله عواملی که باعث بروز خطای تصادفی در سیستم می شوند، می توان به خطاهای انسانی، خطای ذاتی ابزار و خطای ناشی از تغییرپذیر بودن کمیت اندازه گیری اشاره کرد.

برای کاهش خطای تصادفی در سیستم، می توانیم تعداد زیادی اندازه گیری انجام دهیم و میانگین آن ها را محاسبه کنیم.

خطاهای سیستماتیک (Systematic Errors) دسته ای از خطاهای اندازه گیری هستند که قابل پیش بینی بوده و به دلیل خطا در فرایند اندازه گیری یا عدم کالیبراسیون مناسب دستگاه ایجاد می شوند. بر خلاف خطاهای تصادفی، این دسته از خطاها منابع مشخصی دارند و بر خلاف خطاهای تصادفی، معمولا در یک جهت تکرار می شوند.

برای درک بهتر این موضوع، می توانیم مثالی ساده از ترازوی دیجیتال را بیان کنیم. اگر این دستگاه تنها خطای تصادفی داشته باشد، وزن فرد را گاهی بیشتر و گاهی کمتر از مقدار واقعی نشان می دهد که با گرفتن میانگین، می توان این خطا را به حداقل رساند. اما اگر این ترازو خطای سیستماتیک داشته باشد، همواره وزن فرد را کمتر یا بیشتر از مقدار واقعی نشان می دهد. این نوع خطا با نام خطای بایاس (Bias) یا سوگرایی نیز شناخته می شود.

در مثالی دیگر، یک نمونه از خطای سیستماتیک که در آنالیز TGA مشاهده می شود، بویانسی است. اما برای یک نمونه از خطای تصادفی، می توان به اندازه‌گیری آنتالپی ذوب ایندیم با استفاده از آنالیز DSC اشاره کرد. در جدول زیر داده های به دست آمده از 100 بار اندازه گیری با این روش را ملاحظه می کنید.

منظور از دقت، درستی و تکرارپذیری در سیستم های اندازه گیری چیست؟

دقت (Accuracy) به عنوان معیاری برای تطابق بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار حقیقی تعریف می شود. نتایج دقیق عاری از خطاهای سیستماتیک و تصادفی هستند و دقت در اندازه گیری معمولا شامل درستی و تکرارپذیری نیز هست.

صحت یا تکرارپذیری (Precision) به عنوان معیاری برای تطابق بین مقادیر اندازه گیری شده در نظر گرفته می شود. بدیهی است هرچه تطابق بیشتری بین این داده ها وجود داشته باشد و خطای تصادفی کمتر باشد، تکرارپذیری آزمایش بیشتر می شود.

درستی به عنوان معیاری برای تطابق بین میانگین مقدار داده ها و مقدار حقیقی داده ها در نظر گرفته می شود. می توان گفت که هر چه خطای سیستماتیک کمتر باشد، درستی روش تحلیلی بیشتر است.

دقت بهتر یک روش تحلیلی،خطای تصادفی کوچک‌تر مقادیر جداگانه از مقدار متوسط است. درستی وابسته به دقت است. آن اختلاف بین مقدار متوسط و مقدار واقعی(در اینجا مرکز گسترش هدف) شرح داده شده است.

منابع مهم خطا در آنالیز حرارتی

عوامل بسیار زیادی وجود دارند که در خطای رندم و سیستماتیک یک روش تحلیلی تاثیرگذارند که معرفی و بررسی تک تک آن ها امکان پذیر نیست. اما در این بخش اشاره ای به تاثیرگذارترین این عوامل که نتایج آزمایش را تحت الشعاع قرار می دهند، خواهیم داشت. این عوامل عبارتند از:

• تاثیرات ناشی از روش آنالیز و تحلیل
• تاثیرات ناشی از ابزار
• نمونه‌سازی و آماده‌سازی نمونه
• اثرات محیطی
• پارامترهای اجرای آزمایش
• روش های ارزیابی آزمایش یا فرایند
• فاکتورهای وابسته به زمان
• خطاهای اپراتور مجری
• خطاهای ناشی از وجود نقص یا ناخالصی در سیستم

روش آنالیز چه تاثیری می تواند بر نتیجه آزمایش داشته باشد؟

گاهی ممکن است در هنگام اجرای آزمون شیمیایی، حرارتی، عنصری و … برای تعیین برخی خواص ماده، بتوانید از چند روش آنالیز کمک استفاده کنید و پس از انجام آزمون، با نتایج متفاوتی روبه‌رو شوید. مثلا برای اندازه گیری غلظت فلزات سنگین در یک نمونه محلول، ممکن است بتوانید از روش های طیف سنجی جذبی اتمی (AAS)، طیف سنجی پلاسمای  جفت شده القایی (ICP)، طیف سنجی نشری اتمی (AES) و چندین روش دیگر استفاده کنید.

در این هنگام، ممکن است تعجب کنید که با وجود یکسان بوده مواد اولیه، چگونه نتایج متفاوتی به دست آمده است!

شما باید دقت داشته باشید که هر کدام از این روش ها، بر اساس دستور العمل و استاندارد جداگانه ای توسعه تدوین شده و مورد استفاده قرار گرفته اند که در هر کدام از این استانداردها، نوع ابزار و مواد استفاده شده، متغیرهای آزمایش، زمان آزمایش و بسیاری از عوامل دیگر به صورت دقیق ذکر شده اند. برای مثال، در نمودار زیر، می توانید اندازه گیری نسبت درصد چربی در فاز کریستالی جامد به درصد چربی فاز مایع در نمونه که به نام شاخص SFI نیز معروف است را ملاحظه کنید. این اندازه گیری بر حسب دما و توسط دو روش گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) و طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) به صورت جداگانه انجام گرفته است.

ابزار سنجش و آنالیز چگونه می تواند نتایج را تحت تاثیر قرار دهد؟

ساده ترین حالت ایجاد خطا توسط ابزار و تجهیزات، می تواند خطاهای سیستماتیک ناشی از تنظیم نامناسب ابزار و تجهیزات اندازه گیری باشد. این خطاها ممکن است به دلیل وجود اشکال در ابزار اندازه گیری یا اشتباه اپراتور آزمایش کننده باشد.

چگونه در هنگام آماده سازی نمونه، خطا وارد نتایج می شود؟

انتخاب و آماده سازی نمونه، یکی از مهم ترین مراحل در جهت اجرای صحیح آنالیز است. زیرا در هنگام اجرای آنالیز، معمولا سایر عوامل آزمایش در اختیار و کنترل شما نیست و به همین دلیل، شما نمی توانید این خطاها را کنترل کنید. علاوه بر این، بیشتر خطاهایی که بر نتایج آنالیز تاثیر می گذارند، به دلیل آماده سازی نامناسب نمونه های آزمایش هستند. این خطاها می توانند ناشی از موارد زیر باشند:

• تغییرات در خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی ناشی از تنش های پسماند نمونه
• تغییرات در خواص ماده با گذشت زمان در هنگام نگه داری یا جابه جایی نمونه
• خطاهای ناشی از آلودگی نمونه
• خطاهای ناشی از توزین نامناسب نمونه
• خطاهای به وجود آمده به دلیل هندسه نامناسب نمونه

عوامل محیطی چگونه بر نتایج آزمایش تاثیر می گذارند؟

سیستم اندازه گیری نباید به عوامل محیطی حساس باشد. در روش های آنالیز حرارتی، مهم ترین عواملی که می توانند نتیجه آزمایش را دچار خطا کنند، متغیرهای فشار، دما، ارتعاشات و آلودگی ها هستند.

متغیرهای وابسته به زمان چگونه بر نتایج آنالیز تاثیرگذار هستند؟

زمان یکی دیگر از متغیرهایی است که می تواند در نقش خطای سیستماتیک نتایج آزمایش را دچار مشکل کند. چرا که با تغییرات زمان، شرایط نمونه و دستگاه اندازه گیری به مرور تغییر می کنند. برای مثال، در خصوص روش های آنالیز حرارتی، با گذشت زمان ممکن است تبخیر یا تصعید نمونه تغییرات وزنی در آن ایجاد کند، تعادل حرارتی کوره در اثر ایجاد جریان همرفتی به هم بخورد، تغییراتی در فازهای نمونه به وجود بیاید و یا حساسیت حسگرها با گذشت زمان کاهش یابند. دقت داشته باشید که در هنگام ارائه نتایج، تمامی شرایط و متغیرهای آزمایش را باید ذکر کنید.

خطای اپراتور چگونه نتایج را تحت تاثیر قرار می دهد؟

این مورد نیاز چندانی به توضیح ندارد. قابلیت های فردی، مهارت‌های عملی، تجربه و دانش تئوری اپراتور آزمایشگاه می تواند خطاهای تصادفی و سیستماتیک زیادی را در آزمایش وارد کند. این خطا به طور غیر مستقیم بر مقدار سایر خطاها نیز تاثیرگذار است.

برخی از خطاهای فاحش در سیستم های اندازه گیری

• خطاهای برنامه ‌نویسی در برنامه‌های کامپیوتر
• وزن‌ کردن نامناسب یا تعیین نامناسب هندسه نمونه
• خطاهای محاسبات
• علامات و گرد کردن
• تشخیص اشتباه ماده نمونه یا غلظت‌های معرف اشتباه.
• نتایج شرح داده سده و داده‌های اندازه‌گیری اشتباه

چگونه می توانیم خطاهای سیستماتیک را حذف کنیم؟

خطاهای سیستماتیک اندازه‌گیری میتواند با استفاده از اندازه‌گیری‌های تطبیقی شناسائی شود. سه اندازه‌گیری مهم تطبیقی در زیر آمده است:

• تغییرات محتاطانه پارامترهای آزمایشگاهی
• استفاده از روش‌های اندازه‌گیری متفاوت
• مطالعات درون آزمایشگاهی

نتیجه‌گیری

دقت در سیستم عاملی است که به درستی اندازه گیری و تکرارپذیری آزمایش بستگی دارد. اطمینان از درستی و صحت نتیجه آزمایش به طور مستقیم به شناسایی و کاهش خطاهای تصادفی و سیستماتیک بستگی دارد. خطاهای تصادفی، خطاهایی هستند که همواره در سیستم وجود دارند و به صورت تصادفی در جهات مختلف تکرار می شوند که با میانگین تعداد زیادی از داده ها، می توان آن را حذف کرد. اما خطاهای سیستماتیک بر اثر اشکال در مراحل اجرای آزمایش یا دستگاه های اندازه گیری ایجاد می شوند. با انتخاب روش صحیح آزمایش و آگاهی از ابزارهای اندازه گیری، می توان این خطا را نیز به حداقل رساند.