امروزه آشنایی با مباحث عدم قطعیت و مراحل محاسبه عدم قطعیت و اندازه‌گیری آن به منظور کنترل فرایندهای آزمایشگاهی، یک کلید ضروری برای به دست آوردن تائیدیه های آزمایشگاهی(Laboratory certification) شده است. و از آنجایی که برای تمامی مراحل صنعتی و پژوهشی نیاز به ارائه این تاییدیه ها ست پس آشنایی با این مباحث در مباحث آنالیز مواد شیمیایی به یک الزام تبدیل شده است. براساس روش استاندارد ISO/IEC.17025 تمامی آزمایشگاه‌ها برای کالیبراسیون و تست‌های انجام شده باید کلیه روش‌های تخمین و اندازه‌گیری عدم قطعیت را در همه موارد به کار گیرند.
فرایند تخمین اندازه و مقدار عدم قطعیت که توسط سازمانهای ISO ، Eurechem ، Eurolab ، توصیه شده اند، به چند مرحله تقسیم می شود:
- تعيين مشخصات پارامتر مورد اندازه گیری (measurand)
- تعیین و شناسایی منابع عدم قطعیت
- اندازه‌گیری عدم قطعیت‌های شناسایی شده
- ترکیب عدم قطعیت‌ها
تمام این مراحل باید به طور مرتب در آزمایشگاه برای هر اندازه‌گیری که شامل تمام مراحل کار از دستگاه‌ها، مواد مصرفی، روش محاسبات، شخص آزمایشگر و … می‌باشد، انجام شود. اگرچه تکرار و انجام مراحل فوق به نظر مشکل و وقت گیر می‌آید ولی اگر یک بار تمام این منابع شناسایی و ترکیب شوند، می‌توان مشاهده کرد که بعضی از آنها آنقدر مقدار کمی دارند که به راحتی می‌توان از آنها چشم پوشی کرد و بنابراین کل فرایند فوق را می‌توان ساده نمود.
تحقیقات زیادی در این زمینه برای ساده سازی و همین طور ارائه یک روش ساده و کامل صورت گرفته است. مثلا در چند تحقیق گزارش شده در یک آنالیز شیمیایی مشخص شده است که صحت یا انحرافات یک سویه و دقت (تکرارپذیری) بیشترین سهم را در اندازه عدم قطعیت دارند درصورتی که سهم اندازه‌گیری وزن‌ها (ترازو) و کالیبراسیون وسایل حجم سنجی اهمیت چندانی ندارند.
همکاری‌های بین آزمایشگاهی (collaborative) در افزایش کارایی آزمایشگاه‌ها به منظور اندازه‌گیری عدم قطعیت نیز برای تخمین عدم قطعیت در هر آزمایشگاه پیشنهاد شده است. شکل زیر مراحل محاسبه عدم قطعیت و خلاصه هر مرحله را نشان داده است.
مراحل محاسبه عدم قطعیت
مرحله اول: تعيين مشخصات کمیت مورد اندازه گیری
برای برآورد عدم قطعیت کمیت مورد اندازه‌گیری(measurand) باید به درستی تعریف شود. کمیت مورد اندازه‌گیری باید شفاف (clear) و بدون ابهام (unambiguous) باشد. پارامترهای موثر بر مقدار کمی کمیت مورد اندازه‌گیری باید مشخص باشند. این پارامترها ممکن است خود یک کمیت مورد اندازه گیری باشند که مستقیما اندازه گیری نمی شوند یا ثابت نیستند. دامنه تغییرات و میزان دقت اندازه‌گیری باید مشخص باشد. شخص آزمایشگر باید به خوبی با متغیرهای تاثیرگذار بر روی کمیت مورد اندازه‌گیری آشنا باشد و بتواند منابع خطا را در سیستم اندازه‌گیری مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد. هم چنین حتما باید مشخص شود که نمونه برداری هم باید انجام شود یا نه. در صورت نیاز به نمونه برداری عدم قطعیت های مرتبط با نمونه برداری باید در نظر گرفته شود. معمولا همه این اطلاعات در روش اجرایی استاندارد (Standard Operating Procedure, SOP) باید باشد.
در اندازه گیری های تجزیه ای، تشخیص اندازه گیری های وابسته به روش یا مستقل از روش بسیار مهم است. و شخص باید قدرت تمایز بین اندازه گیری های تجربی و غیرتجربی را داشته باشد چون در براورد عدم قطعیت بسیار تاثیرگذار است.
بیشتر مواقع کمیت مورد اندازه گیری به صورت مستقیم اندازه گیری نمی شود و از طریق اندازه گیری یک یاچند کمیت دیگر و براساس روابط ریاضی بین آنها اندازه گیری می شود. بنابراین معادله یا رابطه ریاضی بین کمیت ها کمک بزرگی در شناسایی منابع عدم قطعیت خواهد بود.
مرحله دوم: تعیین و شناسایی منابع عدم قطعیت
تعیین و شناسایی انواع خطاها مهم‌ترین گام در تعیین عدم قطعیت مي‌باشد به همین دلیل آزمایشگر باید شناخت کافی بر تمام مراحل اندازه‌گیری داشته باشد تا قادر به تعیین و شناسایی منابع خطاها در اندازه‌گیری پارامتر مورد نظر باشد. در ابتدا بدون در نظر گرفتن مقادیر عدم قطعیت باید فهرست جامعی از منابع عدم قطعیت آماده شود. استفاده از دیاگرام های علت-معلولی (cause-effect) یا اسکلت ماهی (fishbone) یا نمودار ایشیکاوا (Ishikawa diagram) یک راه ساده برای تهیه فهرست منابع عدم قطعیت است. در این دیاگرام معلول در انتهای یک خط قرار گرفته و علل بوجود آورنده آن معلول توسط خط هایی همچون استخوان ماهی به آن وصل می شوند.
در روش های آنالیزی منابع عدم قطعیت زیادی وجود دارد که باید آنها را در نظر داشته باشیم. نمونه برداری (تغییرات تصادفی در نمونه های مختلف) شرایط و مدت نگهداری نمونه، اثرات دستگاهی (حد تشخیص، کالیبراسیون، تاثیرات دمایی)، خلوص مواد (بسیاری از مواد خلوص 100% ندارند)، استکیومتری واکنش، شرایط اندازه گیری (تاثیر دما در استفاده از وسایل شیشه ای)، ماتریس نمونه، محاسبات (انتخاب نوع کالیبراسیون، گرد کردن اعداد) ، تصحیح شاهد، اپراتور، اثرات تصادفی.
شناسایی نوع عدم قطعیت تاثیر بسزایی در محاسبات نهایی تعیین عدم قطعیت دارد.
مرحله سوم: اندازه‌گیری عدم قطعیت‌های شناسایی شده
بعد از شناسایی منابع عدم قطعیت، باید آنها را به صورت کمی تعریف و ارائه کرد. توجه کنید که شناخت و فهم این که تمام منابع عدم قطعیت با اهمیت نیستند، بسیار مهم است. بهتر است تمرکز فقط بر روی منابعی باشد که سهم قابل توجهی در عدم قطعیت مرکب دارند. به طور کلی عدم قطعیت هایی که بزرگی آنها یک سوم بزرگترین عدم قطعیت هست را می توان در نظر نگرفت و عدم قطعیت های با مقادیر کم یا ناچیز را حذف کرد.
تمام عدم قطعیت‌ها به صورت انحراف استاندارد و یا عدم قطعیت استاندارد بیان می‌شوند. محاسبات براساس نوع توزیع احتمالی یا نحوه پخش شدگی مورد انتظار خطاها انجام می‌شوند. انواع خطاهای مختلف ممکن است توزیع‌های احتمال متفاوتی داشته باشند، توزیع نرمال (Normal distribution) بیشترین کاربرد را در محاسبه عدم قطعیت دارد.
مرحله چهارم: ترکیب عدم قطعیت‌ها یا محاسبه عدم قطعیت مرکب
عدم قطعیت مرکب همان طور که در بخش قبل گفته شد از ریشه مربع مجموع واریانس‌های عدم قطعیت‌های استاندارد به دست می‌آید. عدم قطعیت مرکب در واقع نشان دهنده عدم قطعیت کل روش آنالیزی ست و نشان‌دهنده خطای ست که در کل روش آنالیزی ( نمونه برداری، نمونه سازی، رقیق سازی، خطای وسایل و مواد شیمیایی، خطای دستگاهی و خطای اپراتور) وجود دارد.
قبل از ترکیب، سهم کلیه عدم قطعیت ها باید به صوت عدم قطعیت استاندارد بیان شود.
عدم قطعیت بسط یافته
مرحله آخر ضرب عدم قطعیت استاندارد مرکب با ضریب پوشش (coverage factor) برای به دست اوردن عدم قطعیت مبسوط یا عدم قطعیت بسط یافته (expanded uncertainty) است. عدم قطعیت بسط یافته در واقع میزان حاشیه یا محدوده عدم قطعیت مرکب را مشخص می کند. این کار در برخی کاربردهای صنعتی تجاری و ایمنی و بهداشت برای پوشش دادن کسر بزرگ تری از انحراف استاندارد ضروری است.
گزارش کردن عدم قطعیت
عدم قطعیت یک اندازه گیری به صورت یک بازه و اغلب با ± گزارش می شود.
برنامه‌ریزی برای آنالیز یک نمونه
همان طور که قبلا گفته شد ساده سازی مراحل GUM برای یک آنالیز برای جلوگیری از پیچیدگی مراحل کار و کاهش زمان آنالیز بسیار با اهمیت است. برای محاسبه عدم قطعیت برای یک روش تجزیه‌ای می‌توان مراحل زیر را برای آنالیز یک یا چند آنالیت در نمونه به صورت اندازه‌گیری همزمان و یا متوالی به کار برد.
- انتخاب روش آنالیزی با صحت مورد نظر ( از نظر محدوده غلظتی، حد تشخیص و حساسیت روش آنالیزی)
- برنامه‌ریزی آنالیزی به‌طوری که تمام اطلاعات مفید را بتوان از داده‌ها استخراج کرد و حداقل هزینه و زمان را در برداشته باشد
- شناسایی و تعیین محدودیت‌ها برای اندازه‌گیری ماده مورد آزمایش
- تعیین تمام فاکتورهای موثر بر صحت و دقت نتیجه تجزیه‌ای. فاکتورهای موثر بر نتیجه یک آزمایش باید تا حد زیادی کنترل شوند به طوری که تکرار یک آزمایش در زمان‌های متفاوت تحت شرایط آزمایشی یکسان، نتایجی با محدوده قابل قبولی از عدم قطعیت همراه باشد.
مراحل 4-2 را می‌توان با روش‌های طراحی آزمایش ( Experimental design) مناسب انجام داد.
- انجام آزمایش، به دست آوردن نتایج خام و انجام محاسبات
- تخمین عدم قطعیت هر مرحله و بدست آوردن عدم قطعیت کل
منابع اصلی عدم قطعیت باید در هر مرحله از اندازه‌گیری مشخص باشد. بهتر است بر روی دلایل یا منابع با عدم قطعیت بالا بیشتر متمرکز شویم. منابع عدم قطعیت‌هایی که بزرگتر یا مساوی یک سوم عدم قطعیت کل هستند را باید با جزئیات بیشتری مورد ارزیابی مجدد قرار داد. رسم دیاگرام علت- معلولی ( Cause and effect diagram) برای مشخص شدن عدم قطعیت‌ها و منابع آنها در یک روش آزمایشی اغلب می‌تواند بسیار سودمند باشد.
مقالات کمکی و مرتبط با این مقاله:
