Брошюра M&W JAWO Sampling

Почему проба должна быть репрезентативной?

• Для чего нужен репрезентативный отбор проб?     нажмите, чтобы прочитатьболее

  Получение репрезентативных образцов из общей партии до проведения анализа – крайне важно, поскольку в противном случае значительные вложения в лабораторное оборудование и аналитику являются не целесообразными.

  Репрезентативные образцы — крайне важны для принятия правильных решений исходя из аналитических данных по промышленности, торговле, технологиям, науке и регулирующим органам. Однако от неоднородных материалов в грузовых автомобилях, железнодорожных вагонах, сухогрузах, в отвалах и на конвейерных лентах (исчисляемых в килограммах и тоннах) материал проходит долгий путь до очень малой аликвотной части (исчисляемой в граммах и миллиграммах), которая, по сути, и используется для анализа.

  Сам процесс получения документированного репрезентативного результата анализа путем сокращения массы до шести порядков, напрямую не относится к транспортировке материалов. В основе репрезентативности в рамках теории отбора проб (ТОП) [1] лежит ряд конкретных принципов и правил.

  Концепция ТОП была первоначально разработана Пьером Ги, который выделил восемь ошибок при отборе проб, представляющие собой все ошибки, возможные во время выборки, подвыборки (уменьшении массы образца), подготовки проб и представлении образца — из-за неоднородности и/ или недостатков конструкции и плохого технического состояния пробоотборочного оборудования.

  За 25 лет (1950-75) Пьер Ги разработал систему предотвращения подобных ошибок при проектировании, изготовлении, обслуживании и эксплуатации пробоотборочного оборудования и продемонстрировал способ максимального снижения их неблагоприятного воздействия на суммарную погрешность при отборе проб на практике. В ходе чего им были получены две докторские степени (по обогащению полезных ископаемых и статистике) [2]. Подробнее о ТОП читайте в статье Р. Миннитта и Ким Эсбенсена [3].

  Таким образом, отбор проб предназначен для того, чтобы получить надежную небольшую массу, репрезентативную для общей массы материала, из которого она была отобрана, т.е. получить образец, который точно представляет всю массу или партию. Этот первичный образец часто подвергается дальнейшим процедурам отбора и подготовки образцов, что в конечном итоге приводит к аликвотной части, пригодной для лабораторного анализа, либо для физических испытаний. Тип испытания или анализа зависит от типа характеристик, необходимых для принятия технологических и промышленных решений. Несмотря ни на что, первичная выборка имеет решающее значение для качества результатов анализов.

  Рисунок 1. Ниже приведены основные результаты испытаний с репликами, выполненные в Elkem Metal, Канада, которые показали, что 35% от общей вариативности выборки (с вероятностью возникновения ошибок в ходе всего процесса выборки) произошли на этапе первичного отбора проб и 50% на этапах дробления, т.е. 85% общей вариативности выборки произошло до перетирания и лабораторного анализа.

  Другими словами, контроль процесса первичной и вторичной выборки до окончательного анализа – крайне важен. В противном случае заключение (неправильное) может быть сделано на основании нерепрезентативной выборки.

  Рисунок 1. Испытание с репликами в Elkem Metal – Канада.

  Разделение иерархии эмпирических ошибок

  На рисунке приведена ключевая информация, полученная на основе иерархического испытания с репликами. Для существующего лабораторного подхода, первичная выборка составляет 35%, грубое дробление — 25%, дробление на валковой дробилке – 25% общей вариативности, а перетирание и анализ – только 5% и 2,5% соответственно.

  

  Источник: https://www.spectroscopyeurope.com/sampling/revisiting-replication-experiment.

   

  Больше информации об испытаниях с репликами приведено в Части 1 и Части 2 Мифа о репликации Кима Х. Эсбенсена и др.[4][5].

   

  Конкретный процесс выборки может быть репрезентативным или нерепрезентативным. Если процесс выборки не является репрезентативным, то результатом является только неопределяемая выборка, уменьшенный по массе материал, который не представляет собой первоначальный, которая называется «образцом».

  Однако образцы не подвергают анализу, поскольку они не дают достоверной информации о составе и физических характеристиках материала. Только репрезентативные аликвотные части могут свести комбинированную погрешность выборки и анализа до желаемого минимума.

  Заключение (неправильное) на основании нерепрезентативной выборки может привести к неправильному контролю производства и финансовым последствиям при покупке или продаже материалов.

  Также могут иметь место экономия на лабораторном оборудовании и анализе: какие вводные, такой и результат.

  

  Выборка должна быть как надежной (несмещенной), так и точной (воспроизводимой) на всех этапах процесса.

  

  Источник: http://www.statisticalengineering.com/Weibull/precision-bias.html

   

  Репрезентативный процесс отбора проб в решающей степени зависит от трех факторов:

   

  1: Точное оборудование для отбора проб – требуйте от вашего поставщика четкую и понятную документацию. M&W JAWO Sampling всегда готовы Вам помочь.

   

  2: Разработка, установка и эксплуатация линии отбора проб на основании ТОП. Требуйте от вашего поставщика соответствующую документацию. M&W JAWO Sampling всегда готовы Вам помочь.

   

  3: Технологи и менеджеры имеют минимальные знания о ТОП. При отсутствии таких знаний, запросите обучение и документацию у своего поставщика. M&W JAWO Sampling всегда готовы Вам помочь.

   

   [1] Для справки: «Введение в теорию и практику выборки» Ким Х. Эсбенсен (IMPublicationsOpen 2020)

   

  [2] «Пьер Ги (1924–2015): ключевая концепция ошибок выборки» (Spectroscopy Europe/Asia 2018)

   

  [3] «Разработка Пьера Ги по теории отбора проб: ретроспективное резюме с дидактическим учебником по количественной выборке одномерных лотов» Р.C.А. Миннитта и Кима Х. Эсбенсена, TOS Forum 7.

   

  [4] «The Replication Myth 1» Ким Х. Эсбенсен и др., NIR News

   

  [5] «Миф о репликации 2: количественная оценка эмпирической выборки плюс изменчивость анализа» Ким Х. Эсбенсен и др., NIR News

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Как сделать выборку? нажмите, чтобы прочитатьболее

  Репрезентативная выборка должна быть как надежной (несмещенной), так и точной (воспроизводимой). Для репрезентативности, в конкретном случае выборки должно использоваться только оборудование, предназначенное для устранения (или максимального уменьшения) смещения выборки с максимальной точностью таковой. Ниже приведено краткое пояснение:

   

  Все выборки материала (партии) — неоднородны, просто в разной степени. Это означает, что разные образцы, даже если они извлечены по одному и тому же протоколу, никогда не будут идентичными, что представляет собой базовую, не исчезающую вариативность выборки. Неоднородность является одним из двух основных факторов, влияющих на вариативность выборки (неточность). Сам процесс отбора проб также приведет к погрешности выборки, которая усугубляет ее общую неопределенность. Поэтому все отборы проб должны быть направлены на максимальное снижение общей погрешности выборки (ОПВ). Для того чтобы сделать это эффективно, экономично и достоверно, существуют принципы разработки пробоотборного и оборудования и технологии, которые должны быть соблюдены. Эти правила сведены в Теории отбора проб (ТОП).

   

  M&W JAWO Sampling всегда готовы Вам помочь.

  

   

  Для однородного материала выборка не представляет проблемы – поскольку все образцы будут точными и репрезентативными образцами партии (большой/маленькой).

   

  

  Однако ВСЕ материалы – всех размеров — видимые или нет — неоднородны.

   

  Сделать репрезентативный отбор проб – это не просто взять и купить конкретный инструмент (оборудование) для отбора проб, с помощью которого можно выполнить выборку всех материалов в мире — бесполезно. Несмотря на заявления многих поставщиков, не существует «универсального пробоотборщика», который будет работать с любыми материалами и в любых условиях, поскольку технологические и промышленные материалы имеют очень разные неоднородности состава и другие характеристики, например, внутренние различия по размеру гранул, влажности, налипаемости зерна. Однако есть профессиональные системы: большинство стандартного оборудования для отбора проб может использоваться информированными, совместимыми с ТОП способами, которые могут работать близко к «целевой» репрезентативности. Такой подход называется комплексным отбором проб.

   

  

   

  Репрезентативная выборка заключается в освоении необходимых и достаточных принципов ТОП, с помощью которых можно сделать рациональный выбор в отношении соответствующего типа инструмента и протокола отбора проб для конкретной задачи, для конкретного материала, в конкретных условиях заказчика. Правильное выполнение требует профессиональных знаний и соответствующего опыта.

   

  M&W JAWO Sampling всегда готовы Вам помочь.

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Способ, регулярность и точность нажмите, чтобы прочитатьболее

  Способ и частота отбора образцов, так же, как и точность выборки, т.е. насколько точно собранные образцы представляют характеристики целевой партии, зависят от характера материала, в частности от неоднородности его состава и распределения.

   

  Однородный материал для точного определения характеристик потребует отбора только одного образца, тогда как гетерогенные материалы с неравномерным распределением частиц по размерам и/или с нерегулярным составом потребуют извлечения достаточного количества небольших образцов, которые при объединении в составной образец смогут представить общую партию с достаточной точностью. Образцы должны быть собраны из всех возможных расположений в партии, причем необходимое количество крайне зависит от неоднородности материала. В ТОП излагаются конкретные требования, которые должны быть выполнены для гарантии определенного порога при целевой неоднородности.

   

  Для этого принципиально важно, чтобы все образцы партии имели одинаковую вероятность быть включенными в окончательную выборку. Это — «золотое правило» выборки, называемое Основным принципом выборки (ОПВ). Для его наиболее эффективного обеспечения, желательно везде, где возможно, выполнять отбор проб из партии, пока она находится в динамическом состоянии, т.е. когда материал движется непрерывным потоком по конвейерной ленте или в канале/трубе. Профессиональное оборудование для отбора проб (и профессиональные пробоотборники) могут производить отбор документально зафиксированного репрезентативного образца как из неподвижного материала (например, из грузовика, поезда или отвала), так из движущегося (динамического) материла.

   

  Компания M&W JAWO Sampling потратила много времени и приложила значительные усилия для понимания и объединения механической и электрической части конструкции отдельных механизмов / инструментов / оборудования и их взаимодействия для их соответствия типам отобранных материалов, учитывая соответствующие стандарты материалов и Теорию отбора проб (ТОП).

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Свойства материала нажмите, чтобы прочитатьболее

  Правильная конструкция пробоотборочного оборудования и план репрезентативной выборки необходимы для получения надежной информации о свойствах материала, необходимых для его коммерческого, операционного и технического описания, а именно:

   

  • Гранулометрического состава
  • Содержания влаги
  • Пропорции минералов
  • Чистоты
  • Твёрдости
  • Распределения частиц по размерам

   

  Целая система отбора проб учитывает важный первичный этап отбора проб, целью которой является целевой статус репрезентативности. Все последующие этапы отбора проб соответствуют тем же требованиям, что в конечном итоге обеспечивает аналитическую аликвотную часть, подходящую для лабораторного анализа.

  

  Простой отбор проб – отдельные простые образцы не являются репрезентативными!

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Практическая польза репрезентативной выборки –  Какие преимущества? нажмите, чтобы прочитатьболее

  Работая с автоматизированными системами отбора проб, Вы получаете надежную информацию о характеристиках материала, который вы покупаете, продаете или производите, что позволит Вам:

   

  • Выполнить правильный расчет количества или стоимости каждой входящей или исходящей партии материала, тем самым снижая риск переплаты за приобретенный товар или заниженной стоимости продаваемого товара.
  • Подтвердить, что вы получаете или продаете продукцию, соответствующую требованиям контракта
  • Контролировать и оптимизировать процесс производства и контроля качества
  • Улучшить операций по смешиванию для получения лучшего конечного продукта
  • Оценить тип и количество побочных продуктов обработанной или изготовленной продукции
  • Документировать воздействие на окружающую среду и/или загрязнение от вашего производства
  • Получить существенный экономический эффект от обеспечения репрезентативных и последовательных образцов при операциях с большим количеством материала или с высокими финансовыми показателями.
  • Получить значительную экономию благодаря приобретению правильной системы отбора проб.

   

  Примечание: Перед установкой новой системы, изменением или обновлением конкретной процедуры отбора проб важно решить все возможные проблемы, связанные с первичной точностью отбора проб (смещение выборки). После этого, т.е. когда процесс выборки создан или изменен при продолжении использования всего или большей части оборудования для отбора проб, рекомендованного M&W JAWO и, например, проверен с помощью испытания на полное смещение или же с помощью вариографического испытания или  испытания с репликами, оставшаяся суммарная погрешность выборки зависит только от точности выборки.

   

  Общая процедура отбора проб M&W JAWO (имеющиеся вариации отражают неоднородность материала) позволяет:

  1. Определить параметр (ы) качества, т.е. интересующих анализируемых образцов
  2. Определить и подготовить партию (по геометрии, общей массе, наличию)
  3. Выбрать оборудование, соответствующее требованиям к точности отбора проб; полная или целевая репрезентативность
  4. Установить требуемую точность остаточной выборки (например, 20% отн.)
  5. Оценить первичную вариативность выборки VI для выбранного (выбранных) параметра (ов) качества и определить количество выборок (m), которые должны достичь желаемый уровень точности с минимальным числом образцов (n)
  6. Для технологической выборки определить интервалы отбора проб в минутах для отбора проб по времени или в кг для отбора проб по массе
  7. Определить номинальный верхний размер частиц материала, чтобы определить соответствующую массу выборки
  8. Определить числа выборок, которые собираются в составные образцы (для последующей подвыборки)
  9. Определить оптимальное деление образца (подвыборки) для получения аликвотной массы для анализа

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Точность выборки и количество проб нажмите, чтобы прочитатьболее

  Во всех методах отбора проб, подготовки и анализа образцов возникают погрешности, и результаты анализа для любого заданного параметра будут отклоняться от истинного значения этого параметра. Хотя абсолютное отклонение одного результата от «истинного» значения не может быть определено, можно оценить точность выборки. Это – точность, с которой результаты серии измерений, выполненных на одном и том же материале, согласуются между собой, и отклонение среднего значения результатов от принятого эталонного значения.

   

  Желаемая общая точность для партии обычно согласовывается между заинтересованными сторонами. В принципе, можно разработать схему отбора проб, с помощью которой может быть достигнут произвольный уровень точности.

   

  Общую точность можно оценить с помощью уравнения 1, где:

   

  • PL [%] — расчетный показатель общей точности отбора проб, пробоподготовки и испытаний для партии;
  • VI — первичная дисперсия образца;
  • VPT — это дисперсия подготовки и испытания;
  • n — число образцов;
  • m — количество выборок.

   

  Уравнение 1:

  $P_L=2\sqrt{\frac{{\displaystyle \frac{V_I}{n}}+V_{PT}}{m}}$

   

  Если предыдущие данные выборки отсутствуют, то для разработки схемы выборки необходимо сделать предположения относительно вариативности. После реализации схемы отбора проб можно измерить точность, фактически достигнутую для конкретной партии по разработанной схеме.

   

  Если требуется данная точность PL, число образцов n и количество выборок m можно найти с помощью уравнения 2 и уравнения 3 соответственно. При необходимости одно из значений (n или m)- корректируется, а другое пересчитывается до тех пор, пока не будет достигнута удобная комбинация.

   

  Уравнение 2:

  $n = \frac{4V_I}{m{P_L}^2—4V_{PT}}$

   

  Уравнение 3:

  $m =\hspace{0.17em}\frac{4V_I+4n_1{V}_{PT}}{n_1{P_L}^2}$

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Масса первичной выборки нажмите, чтобы прочитатьболее

  Масса каждой первичной выборки, взятой пересечным пробоотборником на выпуске конвейерной ленты, может быть рассчитана с использованием уравнения 4, где:

   

  • C – скорость движения материала [т/ч] на конвейерной ленте;
  • b — ширина отверстия ковша [мм] (b должна быть ≥ в 3 раза больше номинального верхнего размера отобранного материала);
  • VC – скорость пробоотборника [м/с].

   

  Уравнение 4:

  $m_I=\frac{Cb \times {10}^{—3}}{3,6v_C}$

   

  Для пересечного (молоткового) пробоотборника масса первичной выборки может быть рассчитана с помощью уравнения 5, где:

   

  • C – скорость движения материала [т/ч] на конвейерной ленте;
  • b — ширина отверстия ковша [мм] (b должна быть ≥ в 3 раза больше номинального верхнего размера отобранного материала);
  • VB — скорость ленты [м/с].

  Уравнение 5:

  $m_I=\frac{Cb \times {10}^{—3}}{3,6v_B}$

   

  При проектировании системы отбора проб могут использоваться дополнительные массы, близкие к тем, которые, как ожидается, будут использоваться системой. После реализации схемы отбора проб точность результата может быть оценена и скорректирована путем увеличения или уменьшения числа выборок в образце, сохраняя при этом ту же массу выборки.

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Деление пробы и минимальная масса образца нажмите, чтобы прочитатьболее

  Деление пробы

   

  Для получения образца удобного веса, от партии до аналитической аликвотной части образец делят на несколько равных меньших подпроб и остаток, который возвращается на конвейер.

   

  Для упрощения требуемого деления при сохранении репрезентативного характера образца может потребоваться дробление материала. По этой причине полная система отбора репрезентативных образцов состоит из многоступенчатого отбора проб, оборудования для уменьшения размера частиц и деления (под-образец). Также иногда полезно тщательно смешивать полученные под-образца после каждой из этих операций, чтобы достичь еще более высокой точности.

   

  Минимальная масса образца

   

  Для большинства параметров точность результата ограничена представлением образцом всех размеров частиц в отбираемом материале. Есть минимальная масса образца, которая зависит от максимального размера частиц материала, типа анализа, точности, необходимой для соответствующего параметра, и связи этого параметра с размером частиц. Такая взаимосвязь применяется на всех этапах подготовки. Достижение этой массы само по себе не гарантирует требуемой точности. Это также зависит от количества выборок, сделанных для формирования образца и их вариативности.

   

  Таблица 2: Минимальная масса образца (на примере угля)

  

  нажмите, чтобы прочитатьменьше

• Определения выборки нажмите, чтобы прочитатьболее

  Смещение (или смещение выборки):
  систематическая ошибка между средним результатом аналитической выборки и истинной концентрацией партии, т.е. точность, которая возникает из-за неточности (смещения) оборудования для отбора проб и/или технологии отбора проб, что приводит к результатам, которые в среднем выше или ниже истинного значения. Устранение смещения отбора проб является первым и ключевым требованием для обеспечения правильности любого процесса отбора проб.

   

  Проходка:

  Выборка, взятая пробоотборником.

   

  Композитный (валовой) образец:
  образец материала, состоящий из всех первичных выборок, взятых из под-партии.

   

  Деление:
  процесс подвыборки, при котором образец разделяется на несколько меньших частей с равными свойствами.

   

  Партия:
  Вся совокупность исходного материала, предназначенного для отбора проб, например, промышленной партии, судового груза, загрузки грузовика и т. л. Партия относится как к физической, геометрической форме и размеру, так и к характеристикам материала, подлежащего отбору проб, и, в частности, к его неоднородности.

   

  Номинальный верхний размер:

  наименьшее отверстие сита, на котором удерживается не более 5% образца.

   

  Точность:
  выражается в % и в пределах 95% доверительного уровня.

   

  Первичная выборка:
  количество материала, которое первичный инструмент отбора проб извлекает из потока материала или стационарной партии за одну проходку.

   

  Под-лот:
  Часть партии одинакового размера, свойства которой должны быть определены.

   

  Образец:
  Количество материала, состоящее из всех приращений, взятых из лота/под-лота. Репрезентативная выборка сохраняет свойства лота.

   

  Образец:
  извлеченная масса, которая не является результатом репрезентативного процесса отбора проб. Образцы не стоит анализировать, так как они не могут дать достоверную репрезентативную информацию о партии.

  нажмите, чтобы прочитатьменьше