在线分析仪器的性能特性与表示方法

在线分析仪器的类型繁多，功能各异，其性能特性含义广泛，但大体上可以分成以下两类。

一类性能特性与仪器的工作范围和工作条件有关。工作范围主要是指测量对象、测量范围、量程等，对于不同的分析仪器，工作范围是不同的。工作条件包括对环境条件的适应性、对样品条件的要求等。在线分析仪器直接安装在工业现场，对工艺流程物料连续进样分析，因此，仪器对环境条件的适应性（包括防爆性能和环境防护性能等）要求比较严格，对样品条件（温度、压力、流量等）要求也比较严格，工作条件方面的性能特性与实验室分析仪器相比，有较大区别。

另一类性能特性与仪器对分析信号的响应值有关。这类性能特性对不同的分析仪器，数值和量纲可能有所不同，但它们的定义是共同的，是不同类型分析仪器共同具有的性能特性，是同一类分析仪器进行比较的重要依据，也是评价分析仪器基本性能的重要参数。这类性能特性主要有：准确度、灵敏度、稳定性、重复性、线性范围、响应时间等。

（1）测量误差

仪器的测量误差是指仪器的指示值与被测量真值的差值。误差的表示方法有多种，目前分析仪器中常用的几种表示方法如下：

①绝对误差：

②相对误差：相对误差表示绝对误差所占约定真值的百分比，常常分为仪表满量程相对误差和仪表读数相对误差。

③基本误差：又称为固有误差，是指仪器在参比工作条件下使用时的误差。所谓参比工作条件，是指对仪器的各种影响量、影响特性（必要时）所规定的一组带有允差的数值范围。由于参比工作条件是比较严格的，所以这种误差能够更准确地反映仪器所固有的性能，便于在相同条件下，对同类仪器进行比较和校准。

④影响误差：当一个影响量在其额定工作范围内取任一值，而其他全部影响量处在参比工作条件时测定的误差。例如环境温度影响误差、电源电压波动影响误差等。

⑤干扰误差：由存在于样品中的干扰组分所引起的误差。这是针对分析仪器提出的一个性能特性。

上述几种误差的关系：基本误差是表征仪器准确度的基本指标，产品样本和说明书中的绝对误差、相对误差（包括引用误差）均应理解为基本误差，而影响误差、干扰误差只有在必要时才列出。

（2）测量不确定度

测量不确定度主要用于精密测量，工程测量中较少使用，目前标准气体、高纯气体和一部分标准仪器中使用该性能指标，所以在此仅作一简介。

简单地说，测量不确定度表示仪器的指示值与被测量真值接近的程度。或者说，由于测量误差的存在，对测量值不能肯定的程度。测量误差由系统误差和随机误差两个分量合成，测量不确定度主要来自随机误差，随机误差产生的原因很多，而且不可能完全消除，所以测量结果总是存在随机不确定度。对测量结果来说，不确定度表示其分散程度。

测量不确定度是一个可量化的参数，可通过对其组成量的计算给出。它由多个分量组成，其中一些分量可用测量结果的统计分布估算，用实验标准偏差S表征（称为A类不确定度）；另一些分量则可用基于经验或其他信息的假定概率分布估算，也可用类似于标准偏差的量Uj表征（称为B类不确定度）。将A类不确定度和B类不确定度按均方根的方式组合起来就得出“合成标准不确定度”UC；再乘以包含因子k（该因子与测量所要求的置信概率相关，表示测量值的可信程度，其值为1~3），将得出“扩展不确定度”，或称为“总不确定度”，以U表示。

（3）灵敏度

灵敏度是指被测物质的含量或浓度改变一个单位时分析信号的变化量，表示仪器对被测定量变化的反应能力。也可以说，灵敏度是指仪器的输出信号变化与被测组分浓度变化之比，这一数值越大，表示仪器越敏感，即被测组分浓度有微小变化时，仪表就能产生足够的响应信号。

如果仪器的输入/输出是线性特性，则仪器的灵敏度是常数；如果是非线性特性，则灵敏度在整个量程范围内是变数，它在不同的输入/输出段是不一样的。如果仪器的输入/输出具有相同的单位，则灵敏度就是放大倍数；如果是不同的单位，则灵敏度是转换系数。

（4）检测限

检测限又称检出限，又称为最小可检测变化，是指能产生一个可以识别的被测物质的分析信号所需要的该物质的最小含量或最小浓度，是表征和评价分析仪器检测能力的一个基本指标。在测量误差遵从正态分布的条件下，指能用该分析仪器以给定的置信度（通常取置信度99.7%，有时也用置信度95%）检出被测组分的最小含量或最小浓度。

显然，分析仪器的灵敏度越高，检测限越低，所能检出的物质量值越小，所以以前常用灵敏度来表征分析仪器的检测限。但分析灵敏度直接依赖于检测器的灵敏度与仪器的放大倍数。随着灵敏度的提高，通常噪声也随之增大，而信噪比和分析方法的检出能力不一定会改善和提高。由于灵敏度未能考虑到测量噪声的影响，因此，现在已不用灵敏度来表征分析仪器的最大检出能力，而推荐用检测限来表征。

（5）分辨力和选择性

①分辨力：是指仪器区别相邻近信号的能力。不同分析仪器所指的相邻近信号有所不同，如光谱仪所指的一般是最邻近的波长，色谱仪所指的是最邻近的两个峰，而质谱仪所指的是最邻近的两个质量数。所以不同分析仪器的分辨力所指也有所不同。

②选择性：是指仪器对被测组分以外的其他组分呈低灵敏度或无灵敏度的能力。选择性可用干扰系数来描述，干扰系数是指仪器对相同浓度的被测组分和干扰组分的响应比。

选择性和分辨力意义相近，但又有差异，选择性是对相类似的组分而言，分辨力是对相邻近的信号而言。

（6）线性度、线性误差和线性范围

①线性度：仪器的校准曲线与规定直线（一般为被测量的线性函数直线）之间的吻合程度。

②线性误差：又称非线性误差，是指仪器的校准曲线与规定直线的最大偏差，一般用该偏差与仪器量程的百分数表示。由于仪器的实际输出是经过校准曲线校正的，所以将线性误差定义为：仪器实际读数与通过被测量的线性函数求出的读数之间的最大差异。(www.xing528.com)

③线性范围：是指校准曲线所跨越的最大线性区间，用来表示对被测组分含量或浓度的适用性。仪器的线性范围越宽越好。

可以用仪器响应值或被测定量值的高端值与低端值之差来表征仪器的线性动态范围，也可用两者之比来表征仪器的线性动态范围。

（7）重复性

①重复性：又称重复性误差。重复性误差是指用相同的方法、相同的试样、在相同的条件下测得的一系列结果之间的偏差。相同的条件是指同一操作者、同一仪器、同一实验室和短暂的时间间隔。重复性误差用实验标准偏差来表示，它与测量的精密度是同一含义。

②实验标准偏差：又称标准偏差估计值，是指在对同一被测量进行n次测量时，表征测量结果分散程度的参数S，S由式（1.4）计算：

式中　S——实验标准偏差；

xi——第i次测量结果；

——所测量的n个结果的算术平均值。

（8）稳定性

稳定性是指在规定的工作条件下，输入保持不变，在规定时间内仪器示值保持不变的能力。分析仪器的稳定性可用噪声和漂移两个参数来表征。

①噪声：又称输出波动，不是由被测组分的浓度或任何影响量变化引起的相对于平均输出的波动，或者说由于未知的偶然因素所引起的输出信号的随机波动。它干扰有用信号的检测。在零含量（浓度）时产生的噪声，称为基线噪声，它使检出限变差。噪声体现了随机误差的影响。

②漂移：漂移是指分析信号朝某个一定的方向缓慢变化的现象。漂移包括零点漂移、量程漂移、基线漂移。漂移表示了系统误差的影响。

（9）电磁兼容性

电磁兼容性是工业过程测量和控制仪表的一项技术性能。由于工业仪表总是和各类产生电磁干扰的设备在一起工作，因此不可避免地受电磁环境的影响。如何使不同的电气、电子设备能在规定的电磁环境中正常工作，又不对该环境或其他设备造成不允许的扰动，这就是电磁兼容性标准规定的内容。它包括抗扰性和发射限值两类要求。

工业仪表受电磁环境干扰的干扰源主要来自各类开关装置、继电器、电焊机、广播电台、电视台、无线通信工具以及工业设备产生的电磁辐射，带静电荷的操作人员也可能成为干扰源。

干扰源通过工业仪表的电源线、信号输入输出线或外壳，以电容耦合、电感耦合、电磁辐射的形式导入，也可通过公共阻抗直接导入。

绝大部分工业仪表是由电子线路组成的，工作电流很小，并带有微处理器，对电磁干扰十分敏感，故在设计制造中，必须经受再现和模拟其工作现场可能遇到的电磁干扰环境的各种试验，以使它们的技术特性符合电磁兼容性标准的要求。

（10）响应时间和分析滞后时间

①响应时间：表征仪器测量速度的快慢。通常定义为从被测量发生阶跃变化的瞬时起，到仪器的指示达到两个稳态值之差的90%处所经过的时间。这一时间称为90%响应时间，用T90标注。

上面的定义针对仪器而言，对于一个由取样、样品传输和预处理环节及分析仪器组成的在线分析系统来说，则往往用分析滞后时间来衡量测量速度的快慢。

②分析滞后时间：等于“样品传输滞后时间”和“分析仪器响应时间”之和，即样品从工艺设备取出到得到分析结果这段时间。样品传输滞后时间包括取样、传输和预处理环节所需的时间。

（11）可靠性

可靠性是指仪器的所有性能（准确度、稳定性等）随时间保持不变的能力，也可以解释为仪器长期稳定运行的能力，平均无故障运行时间是衡量仪器可靠性的一项重要指标。

（12）检定和校准

分析仪器在日常使用中要进行校准，长期使用，特别在修理或调试后需要进行检定或校准。检定和校准都是“传递量值”或“量值溯源”的一种方式，为仪器的正确使用建立准确、一致的基础。检定是定期的，是对仪器计量性能较全面的评价。校准是日常进行的，是对仪器主要性能的检查，以保证示值的准确。检定与校准两者互为补充，不能相互替代。

①检定：为评价仪器的计量性能，以确定其是否合格所进行的工作。检定方法主要是利用标准物质评价仪器的性能。检定内容主要是检验仪器的准确度、重复性和线性度。检定的依据是国家或行业发布的检定规程，其内容包括规程的适用范围、仪器的计量性能、检定项目、条件和方法、检定结果和周期等。

②校准：在规定的条件下，检验仪器的指示值和被测量值之间的关系的一组操作。可以利用校准的结果评价仪器的“示值误差”和给仪器标尺赋值。可以单点校准，也可选两个点（在待测范围的上端与下端）校准，还可进行多点校准。校准通常以标准物质作为已知量值的“待测物”，利用标准物质的准确定值来进行，用校准曲线或校正因子表示校准结果。我们通常所说的标定、校正和校准是同一含义。