tutaj - Centrum Metrologii Radwag Wagi Elektroniczne

Andrzej Hantz
Centrum Metrologii im. Zdzisława Rrauszera - RADWAG Wagi Elektroniczne
Minimalizacja procesu parowania przy wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną poprzez zastosowanie kurtyny parowej.
Artykuł przedstawia wyniki badań i rozwiązanie w zakresie minimalizacji procesu parowania cieczy podczas
wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną wg wymagań normy ISO 8655-6. Jednym z podstawowym czynników zakłócających proces wzorcowania pipet tokowych jest parowanie używanej do tego procesu
wody destylowanej. Parowanie cieczy podczas ważenia zazwyczaj minimalizowane jest poprzez stosowanie odpowiednich naczyń wagowych z przykrywką. W procesie ważenia cieczy wydalanej przez pipetę przy je wzorcowaniu bardzo istotnym elementem jest czas wykonywania poszczególnych serii pomiarów. Aby zminimalizować proces parowania cieczy oraz przyspieszyć proces wzorcowania zastosowano specjalną przystawkę do
wagi nazwaną „kurtyna parową”.
Referat przedstawia wyniki pomiarów prowadzonych przez Laboratorium Pomiarowe RADWAG przy zastosowaniu „kurtyny parowej”.
1. Wstęp
Pomiary objętości realizowany jest przy użyciu jednostki miary objętości „metr sześcienny [m3]”, która jest jednostka pochodną
wyrażoną najprościej za pomocą iloczynu długości, szerokości i wysokości obiektu mierzonego. W pomiarach chemicznych (na
przykład w analizie miareczkowej) bardzo istotne znaczenie ma dokładne odmierzanie objętości cieczy, które przeprowadza się za
pomocą różnych naczyń miarowych.
Rozwój nauki pociąga również za sobą rozwój w dziedzinie metrologii wszelkich wielkości. Możemy cały czas obserwować coraz
doskonalsze i coraz dokładniejsze przyrządy pomiarowe. Nie inaczej jest w technikach odmierzania cieczy za pomocą pipet, technikach popularnie nazywanych „liquid handling”. Dzisiaj mamy do dyspozycji nowoczesne pipety tłokowe, które dozują objętości już na poziomie dziesiątych części mikrolitra [µl].
Obecnie międzynarodowym standardem dla pipet tłokowych (oraz innych przyrządów tłokowych) jest seria międzynarodowych
norm ISO 8655:2003 Tłokowe naczynia do pomiaru objętości. Normy zawierają wymagania konstrukcyjne, które są istotne dla
producentów pipet, błędy graniczne dopuszczalne oraz w części 6 grawimetryczną metodę wzorcowania.
Grawimetryczna metoda pomiaru
Do wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną niezbędne jest odpowiednie wyposażenie pomiarowe, których wymagania metrologiczne są określone w normie ISO 8655-6.
Waga analityczna
Podstawowym przyrządem pomiarowym jest odpowiednio dobrana waga analityczna. Norma ISO 8655-6 określa dokładne wymagania dotyczące stosowanych wag w zależności od objętości wzorcowanej pipety:
Badana objętość
Działka elementarna d
V
1ul V < 10ul
10 ul < V < 100 ul
100 ul < V < 1 000 ul
1 ml < V < 10 ml
10 ml< V < 200 ml
mg
0,001
0,01
0,1
0,1
1
Powtarzalność
i liniowość
mg
0,002
0,02
0,2
0,2
2
Standardowa niepewność pomiaru
mg
0,002
0,02
0,2
0,2
2
Tabela 1 Minimalne wymagania dla wag (wg ISO 8655-6)
Warunki środowiskowe przy kalibracji pipet
Według wymagań normy temperatura powietrza powinna być utrzymywana na stałym poziomie nie przekraczającym odchyleń
podczas wykonywania pomiarów ± 0,5°C w zakresie od 15 °C do 30 °C, natomiast wilgotność względna powinna być utrzymywana na poziomie około 50%.
Obiekt wzorcowania oraz woda destylowana powinny być poddane procesowi stabilizacji temperaturowej bezpośrednio w laboratorium minimum 2 godziny tak, aby temperatura pipety i wody destylowanej zrównała się z temperaturą panującą w laboratorium.
Parowanie
Parowanie jest naturalnym zjawiskiem fizycznym. Norma ISO 8655-6 wymaga, aby proces parowania uwzględniać w obliczeniach oraz aby zmniejszać ryzyko wystąpienia ewentualnych błędów pomiarów. Dla objętości poniżej 50 µl norma wyraźnie wymaga stosowania naczynia wagowego z przykryciem lub innych metod kompensujących niekorzystne zjawisko.
1
2. Zastosowanie „kurtyny parowej” w wagach elektronicznych
Budowę i zasadę działania „kurtyny parowej” przedstawiono na rysunku poniżej
Rys. 1 Budowa i zasada działania kurtyny parowej
Kurtyna parowa umieszczana jest w komorze wagowej mikro lub analitycznej wagi elektronicznej. W części górnej znajduje się
specjalne naczynie „kurtyny parowej”, zamknięte od góry przykrywką. Woda parując tworzy w komorze wagowej wilgotność
względną około 90%. W środku naczynia znajduje się otwór przez który na szalce wagi umieszczone jest naczynko kalibracyjne,
do którego wydalana a następnie ważona woda.
Zgodnie z Tabelą 1 przygotowano odpowiednie wagi do realizacji procedury:
Mikrowaga elektroniczna MYA 21.3Y.P
do kalibracji pipet
Waga analityczna elektroniczna XA 82/220.3Y
z przystawką do sprawdzania pipet
Producent: RADWAG
Max 21 g, d = 0,01 mg,
Powtarzalność: 0,002 mg
Czas stabilizacji: 5 s
Naczyńko: Ø = 14,6 mm, V ∼ 11 ml
Producent: RADWAG
Max 82 g/220 g, d = 0,01 mg/0,1 mg,
Powtarzalność: 0,02 mg/0,08 mg
Czas stabilizacji: 5 s
Naczynia: Ø = 24,5 mm, V ∼ 200 ml
Określenie czasu stabilizacji wilgotności w komorze wagowej
Istotnym elementem, który ma zasadniczy
wpływ na rozpoczęcie procedury pomiarowej jest stabilizacja wilgotności w komorze wagowej przy wypełnionym naczyniu „kurtyny parowej”. Pomiary przeprowadzono przy zastosowaniu wagi analitycznej MYA 2.3Y.P z naczyniem „kurtyny parowej”, termohigrometru oraz stopera. Sondę higrometru umieszczono w komorze wagowej, tak jak przedstawiono na
zdjęciu. W wyniku przeprowadzonych
pomiarów wilgotności w komorze wagowej został wyznaczony czas stabilizacji
wilgotności.
2
90 humidity [%]
∆t czas stabilizacji wilgotności
t2
50
t1
4
55
time [min]
Rys. 2 Wykres zmian wilgotności w komorze wagowej w ciągu upływu czasu dla wagi MYA 21.3Y.P
Na rysunku 2 przedstawiono wykres zmian wilgotności w komorze wagowej podczas upływającego czasu. Dla potrzeb analizy
wykresu wprowadzono oznaczenia:
t1 – czas [min], w którym napełniono naczynie „kurtyny parowej”
t2 – czas [min], w którym zaobserwowano stabilizację wilgotności
∆t1 – okres czasu stabilizacji wilgotności w komorze wagowej
∆t1 = t 2 − t1 [min]
(1)
Wykonane badanie pozwoliło wyznaczyć z równania (1) czas stabilizacji ∆t1, który wynosi około 50 minut.
Wpływ działania „kurtyny parowej” na szybkość parowania cieczy w czasie w zależności od powierzchni parowania
Przeprowadzono pomiary masy w odcinkach czasu t = 10 sekund. Badanie polegało na umieszczaniu w komorze wagowej poszczególnych naczyń z woda destylowaną (małego Ø 14,5mm dla wagi MYA 21.3Y.P oraz większego Ø 22,5mm dla wagi XA
82/220.3Y). Dokonywano odczytu wartości masy wody w odcinkach czasu równych 10 sekund. Pomiar wykonywano przez około
600 sekund (10 minut) dla każdego naczynka. Wyniki pomiarów przedstawiono w Tabeli 2 oraz na wykresach.
Średnica naczynia
Średnica naczynia
Ø 14,5mm
Ø 22,5mm
Z kurtyna parową
Bez kurtyny parowej
Z kurtyna parową
Bez kurtyny parowej
0,003mg /
0,015mg /
0,54mg /
2,87mg /
∆m/t
10 min.
10 min.
10 min..
10 min.
Tabela 2 Wyniki zmiany masy w czasie w wyniku parowania cieczy z zastosowanym naczyniem „kurtyny parowej”
Rys. 3 Wpływ „kurtyny parowej” na parowanie: a) waga MYA 21.3Y.P, b) waga XA82/220.3Y
Z wykresów można odczytać, że zastosowane naczynia w obu przypadkach wyeliminowało lub wyhamowało efekt parowania
praktycznie całkowicie. Długotrwałe pomiary, w dłuższym czasie wykazały występowanie efektu parowania, jednak dla potrzeb
realizacji procedury kalibracji pipet odcinki czasu są krótkie.
3
Analizując prędkości parowania dla poszczególnych wag w jednostce µg/mm2s, wyniki przedstawiają się następująco:
Waga
MYA 21.3Y.P
XA 60/220/X
Prędkość parowania w jednostce
[mg/Pp 600s]
0,003
z kurtyną
Prędkość parowania w jednostce
[µg/mm2s]
0,00003
bez kurtyny
0,015
0,00015
z kurtyną
0,54
0,00226
2,87
0,01204
bez kurtyny
Tabela 3 Szybkość parowania dla poszczególnych wag.
Wyniki badań pozwoliły określić wpływ „kurtyny parowej” na zahamowanie zjawiska parowania. Przeprowadzone wcześniej
badanie wykazało, że „kurtyna parowa” powoduje zwiększenie wilgotności w komorze wagowej. Z powszechnych praw fizyki
wiadomo, że szybkość procesu parowania zależy między innymi od wilgotności środowiska, w którym proces zachodzi. Wykonane obliczenia pozwoliły określić, o ile proces został zahamowany. Te wyniki pozwalają na określenie optymalnego czasu wykonania cyklu pomiarów dla jednej badanej objętości pipety.
Wpływ zastosowania „kurtyny parowej” na wyniki pomiarów przy sprawdzaniu pipet
Badanie miało na celu określenie wpływu parowania na błąd graniczny dopuszczalny pipety tłokowej określony dla poszczególnych objętości w międzynarodowej normie ISO 8655-2.
Badaniu poddano objętości: 2ul, 20ul, 100ul oraz 1000ul. Wyznaczono dla każdej objętości po 10 średnich objętości z 10-ciu
serii pomiarów, przy zastosowaniu wagi MYA 21.3Y.P. Wyniki pomiarów, wartości błędów granicznych dopuszczalnych wg ISO
8655-2 oraz błędów granicznych określonych przez producenta przedstawia Tabela 4.
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
średnia
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
średnia
Badana objętość – 2ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Badana objętość – 20ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
1,95
1,97
1,97
1,95
1,97
1,96
1,98
1,96
1,97
1,95
1,96
1,96
1,98
1,97
1,99
1,98
1,97
1,99
1,98
1,97
1,98
1,98
0,04
19,73
19,76
19,76
19,73
19,76
19,76
19,79
19,73
19,79
19,74
19,78
19,86
19,85
19,84
19,85
19,86
19,85
19,85
19,86
19,85
19,87
19,85
0,2
0,06
0,04
Badana objętość – 100ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Badana objętość – 1000ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
98,9
99,4
99,5
99,3
99,3
99,5
99,4
99,5
99,3
99,3
99,29
99,2
98,7
99,3
98,7
99,5
99,8
99,6
99,6
99,2
99,3
99,34
0,15
999,3
999,3
999,1
999,3
999,2
999,2
999,1
999,4
999,2
999,3
999,24
999,9
999,8
999,8
1000,1
1000,0
1000,1
999,8
999,8
999,9
999,9
999,91
3,0
1,5
0,3
Tabela 4 Wyniki pomiarów objętości z zastosowaniem „kurtyny parowej” i bez „kurtyny parowej”.
Z analizy wyników pomiarów oraz wartości błędów granicznych dopuszczalnych wynika, że:
− w przypadku objętości 2ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,02ul przy dopuszczalnym 0,04ul co stanowi 50% błędu wg normy oraz wg specyfikacji producenta
− w przypadku objętości 20ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,13ul przy dopuszczalnym 0,1ul co stanowi 35% błędu wg normy oraz 117% wg specyfikacji
producenta;
− w przypadku objętości 100ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,05ul przy dopuszczalnym 0,3ul co stanowi 17% błędu wg normy oraz 33% wg specyfikacji
producenta;
− w przypadku objętości 1000ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas
wykonywania pomiaru wynosi 0,67ul przy dopuszczalnym 3,0ul co stanowi 22% błędu wg normy oraz 45% wg specyfikacji
producenta.
4
Podobne badanie przeprowadzono przy zastosowaniu przystawki do wagi XA 82/220.3Y. Badanie polegało na określeniu działania dodatkowego zestawu do sprawozdania pipet przeznaczonego dla wag s analitycznych produkcji RADWAG. Zestaw składa
się z dodatkowej komory ochronnej wyposażonej w naczynie „kurtyny parowej”, która umieszczana jest wewnątrz szafki przeciw
podmuchowej (komory ważącej) wagi analitycznej. Została zasadniczo zaprojektowany w celu minimalizowania zjawiska parowania podczas ważenia cieczy,
przykrycie komory z otworem dozującym
naczynie „kurtyny parowej”
komora ochronna
naczynie wagowe
specjalna szalka wagi
Rys. 4 Zestaw – przystawka do wag analitycznych produkcji RADWAG do wzorcowania i sprawdzania pipet XA/X
Wyniki sprawdzenia pipety przed i po zastosowaniu zestawu do sprawdzania pipet
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
średnia
Badana objętość – 20ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Badana objętość – 100ul
Objętość
Błąd dopuszczalny
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
Bez kurtyny
parowej
Z kurtyna
parową
ISO 8655-2
producenta
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
[ul]
19,63
19,66
19,66
19,63
19,66
19,66
19,69
19,63
19,69
19,64
19,67
19,83
19,75
19,82
19,78
19,76
19,74
19,81
19,78
19,73
19,79
19,78
0,06
98,5
99,4
99,3
99,2
99,1
99,2
99,2
99,2
99,3
99,3
99,17
99,6
98,7
99,6
98,7
99,5
99,7
99,5
99,6
99,5
99,6
99,40
0,3
0,15
0,2
Tabela 5 Wyniki pomiarów objętości z zastosowaniem przystawki do sprawdzania pipet
Z analizy wyników pomiarów oraz wartości błędów granicznych dopuszczalnych wynika, że:
− w przypadku objętości 20ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,13ul przy dopuszczalnym 0,1ul co stanowi 55% błędu wg normy oraz 183% wg specyfikacji
producenta;
− w przypadku objętości 100ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,05ul przy dopuszczalnym 0,3ul co stanowi 77% błędu wg normy oraz 153% wg specyfikacji
producenta;
Według normy ISO 8655 błędy pomiaru spowodowane parowaniem wody destylowanej powinny być uwzględniane. Dlatego dla
niewielkich pojemności, poniżej 50ul zaleca się stosowanie naczyń wagowych z przykrywką lub dodatkowa aplikacja wagi jaką
jest „kurtyna parowa” /evaporation trap/. Słuszność wymagań normy potwierdzają powyższe badania.
Oprócz odpowiedniego naczynia lub dodatkowego urządzenia jak „kurtyna parowa” dużą rolę odgrywa również czas wykonania
pomiaru. Ważne jest, aby cykl pomiaru był jak najkrótszy. Zalecane jest, aby pełny cykl zbadania jednej objętości pobrania i wydalenia cieczy był regularny.
WNIOSKI
Zastosowanie naczynia „kurtyny parowej” znacząco wpływa na minimalizowanie procesu parowania cieczy podczas wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną, przy jednoczesnym przyspieszeniu procesu ważenia. Przyspieszenie całego procesu
pozwala na skrócenie czasu wykonania całej wymaganej normą serii 10-ciu pomiarów badanej objętości.
Parowanie cieczy podczas pomiarów przy wzorcowaniu pipet tłokowych metodą grawimetryczną jest jednym z czynników negatywnych, wpływających na wynik pomiarów. Należy pamiętać o pozostałych czynnikach takich jak:
− nieodpowiednio zastosowanej wadze,
− nieodpowiednim naczyniu wagowym,
− parowaniu cieczy podczas ważenia,
− nieodpowiednich warunkach środowiskowych w pokoju wagowym lub braku ich ciągłego monitorowania,
− nieodpowiednim stanowisku pomiarowym (wpływ wibracji i podmuchów powietrza),
− nieodpowiedniej cieczy stosowana do kalibracji,
− błędach rachunkowych podczas wykonywania obliczeń,
5
− źle dobranych końcówkach pipety (inne niż zalecane przez producenta),
− nieodpowiednich warunkach fizjologicznych operatora (np. zbyt niska lub wysoka temperatura ciała operatora podczas wykonywania pomiarów),
− nieergonomicznym stanowisku pracy.
Przedstawiona w referacie aplikacja została zastosowana w waga produkcji RADWAG
Literatura
[1] Norma PN-EN ISO 8655-1:2003 – Tłokowe naczynia do pomiaru objętości – Część 1: Terminologia, ogólne wymagania i
zalecenia użytkowania;
[2] Norma PN-EN ISO 8655-2:2003 – Tłokowe naczynia do pomiaru objętości – Część 2: Pipety tłokowe;
[3] Norma PN-EN ISO 8655-6:2003 – Tłokowe naczynia do pomiaru objętości – Część 6: Grawimetryczne metody określania
błędu pomiaru;
[4] ISO/TR 20461 – Determination of uncertainty for volume measurements made using the gravimetric method – edition 1
2000.11.01;
[5] Bulska E.: Metrologia chemiczna. Wydawnictwo Malamut, Warszawa, 2008;
[6] PKN-ISO/IEC Guide 99:2010 Międzynarodowy słownik metrologii. Pojęcia podstawowe i ogólne oraz terminy z nimi związane (VIM);
[7] Norma PN-EN ISO/IEC 17025:2005 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących;
[8] Norma PN-EN 45501:1999: Zagadnienia metrologiczne wag nieautomatycznych.
6