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测量方法精密度共同试验测量数据的统计分析

2020-11-14 来源:小奈知识网
第4卷第1期 2014年3月 中 国无机分析化学 of Inorganic Analytical Chemistry Chinese Journal Vo1.4,N0.1 69~75 doi:10.3969/J.issn.2095—1035.2014.01.019 测量方法精密度共同试验测量数据的统计分析 闻向东 邵梅 曹宏燕 (武汉钢铁集团公司研究院,武汉430080) 摘 要 以钼蓝分光光度法测定石灰石、白云石中二氧化硅分析方法标准的精密度共同试验测量数据 为例,按GB/T 6379.2—2004的统计方法进行统计,最终确定了分析方法的重复性限r和再现性限R 与含量(水平) 的函数关系式。对统计中数据的处理、回归方程的图示确定、分析方法精密度的表示等 问题进行了讨论。以含量分段表示重复性限和再现性限,在分析实践中更为实用。对共同试验和数据 处理中要注意的问题进行了深入讨论。 关键词精密度;准确度;统计方法;重复性限;再现性限;允许差 中图分类号:O657.32;TH744.12 文献标志码:A 文章编号:2095-1035(2O14)01—0069-07 Statistic Analysis of Measurement Data from Cooperative Experiments on Method Precision WEN Xiangdong,SHAO Mei,CAO Hongyan (Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel(Group)Corporation,Wuhan,Hubei 430080,China) Abstract The GB/T 6379.2—2OO4 statistical data analysis methodology was applied to analyze the data which were obtained from the cooperative experiments on the precision of the molybdenum blue photometric method that was employed to determine the silicon dioxide in limestone and dolomite.Based on the statistical analysis,a functional expression of the relationship between repr0ducibmty limit r, reproducIbility limit R and content(1eve1)m has been obtained.The issues such as data treatment procedure,the determination of the graphic expression for the regression equation and the expression of method precision,etc.,have also been discussed in the paper.It was found that it is more practical to use the content to sectionally represent repeatability limit and reproducibility limit.In addition,several problems that need to care about during conducting cooperation assay and handling data have also been deeply discussed. Keywords precision;accuracy;statistical method;repeatability limit;reproducibility 1imit;tolerance 0 前言 GB/T 6379--2004(ISO 5725)《测量方法与结 果的准确度(iE确度与精密度)》Ⅲ是分析测试方法 通过组织实验室间的共同试验,用数理统计方法,计 算并确定标准测试方法的重复性限r和再现性限R 的数值,并确定重复性限r和再现性限R与质量分 数 的函数关系,简称方法精密度,用测试方法的 的一项重要的基础标准。该标准的第2部分《确定 标准测量方法重复性与再现性的基本方法》规定了 收稿日期:2013—07—27 修回日期:2013—09—06 “精密度”代替传统的“允许差”。精密度数值是测试 方法的质量指标,它是评价、选择测试方法和制修订 基金项目:国家标准委员会项目(20101772一T-605)资助 作者简介:闻向东,女,教授级高工,主要从事冶金材料分析方法研究与测试,标准制修订及标准样品研制。E-mail:wxd3913@sina.com 7O 中国无机分析化学 2014拄 标准的依据。因此采用重复性限和再现性限来表示 方法的精密度,并在实践中判断分析结果的可靠性, 为国际标准和国外先进标准所广泛采用。目前,一 些分析方法标准的制修订逐步开展精密度的共同试 验,用数理统计方法确定方法的重复性限和再现性 限。但对如何组织和开展精密度共同试验,如何正 确理解和运用数理统计方法,共同试验和统计中要 特别注意的问题等,少有这方面的报道。本文以钼 蓝分光光度法测定石灰石、白云石中二氧化硅分析 方法标准制修订工作为实例,介绍了精密度共同试 验的组织、测量数据的统计检验和重复性限r和再 现性限R的统计计算,r和R与质量分数m函数关 系(回归方程)的确定,以及共同试验中要注意的问 题等。这些问题的讨论对今后分析方法标准的制修 订、精密度共同试验及GB/T 6379--2004中统计方 法的正确运用有很好的参考价值。 1 精密度共同试验的组织和数据的统 计分析 1.1精密度共同试验的组织 在钼蓝分光光度法测定石灰石、白云石中二氧 化硅分析方法标准修订时,作者所在实验室组织了 精密度共同试验,根据共同试验各实验室的测量结 果进行统计处理,并最终确定了方法的重复性限和 再现性限的回归方程。 在确定了该分析方法标准草案后,向国内不同 地区的八个实验室分发覆盖本方法的测量范围 (0.05 ~4.0 )的五个水平试样,要求各实验室由 一名操作员按方法标准草案操作,在重复性条件下, 每个水平给出3个独立的测量数据,按规定每个数 据给出3位(或4位)有效数字。根据各共同试验实 验室的测量结果进行统计检验,计算分析方法的重 复性限r和再现性限R,确定其函数关系式,给出方 法精密度的最终表达形式。 1.2 测量数据的基本统计方法 对每个水平,设实验室i第k次测量结果为 y ,按式(1)和式(2)计算实验室i测量结果的单元 平均值和标准差。 ∑Y Y 一生L (1) 押 (2) 按式(3)和式(4)计算该水平P个实验室间测 量结果平均值和标准差, P 一 ∑一Y Y一 P —m (3) (4) 在计算中同时用曼德尔(Mande1)统计量^和k 检查是否存在测量精度和测量准确度在多个水平上 异常的实验室,以科克伦(Cochran)法和格拉布斯 (Grubbs)法检验各实验室测量结果(单元)精密度 的一致性和平均值的一致性。 在确认有效测量结果后,计算实验室内重复性 方差(式5)。 2 s 一尘 一 (5) P 计算实验室间变动性方差(式6)。 P cYi-y一 鲁 ㈣ 由实验室内重复性方差和实验室间变动性方差 计算再现性方差(式7)。 s 一 ( i一 s 2r (7) 计算的S ,S 和S ,分别表示了实验室内测量结 果的标准差、扣除实验室内因素的实验室问测量结 果的标准差和考虑了实验室内因素的实验室问测量 结果的标准差。 本试验中,n一3,式(7)简化为: s 一 ∑( 一 2 (8) i=1由于受试验误差的影响,当计算结果s2出现负 值时,设置si一0,于是 一S;,数据统计中这种情 况也时有发生。 计算重复性限r和再现性限R: r一2 , (9) R一2√2 (10) 将各水平计算得的重复性限r和再现性限R 对测量结果平均值m进行线性迭代回归和对数回 归,得分析方法测量值m对重复性限r和再现性限 R的线性回归方程和对数回归方程,并最后确定表 示分析方法精密度的最终表达式。 第1期 闻向东等:测量方法精密度共同试验测量数据的统计分析 71 图1给出了精密度共同试验测量结果统计分析 的基本流程。 数据整理、列表,技术上检查是否有明显不 规则测量数据,必要时与相关实验室确认。 上 计算各实验室单元方差和单元平均值,并作曼德 尔^ 图,检查是否存在精密度或准确度极端异常的 实验室。 Jr 用柯克伦法和格拉布斯法对单元方差和单元 平均值进行统计检验,检查是否存在歧离值或离 群值。 1L  l对歧离值或离群值是否有技术上的解释,通常 l保留歧离值,剔除离群值。  I对统计检验后的有效数据分别计算每个水平 l的 、0和 (或 和s )。 』  ll数关系式。建立r和R(或 和 )与m的线性和对数函  确定r和尺(或 和 )与m函数最终表达式。 图1 精密度共同试验测量结果统计分析基本流程图 Figure 1 Basic flow chart for conducting statistic analysis on the measurement data from the cooperative tests on precision. 1.3试验数据的统计检验和精密度参数计算 汇总8个共同试验实验室的测量结果,未发现 有不规则的数据。共同试验的原始数据列于表1。 按式(11)和式(12)计算各水平和实验室的曼德 尔统计量忌值和 值,并作图表示。图2、图3表 明,不存在有多个单元方差极端值和单元平均值的 实验室,但有数个超过忌临界值和 临界值的数据。 这几个数据是否是岐离值或离群值,则继续进行单 元方差一致性检验和平均值一致性检验。 |ll 一 ~ (12) 表1 二氧化硅精密度共同试验原始数据汇总表 Table 1 Raw data summary for the cooperative test on the precision for the determination of silicon dioxide 实验室z 图2按实验室分组的实验室单元方差 一致性的曼德尔k图 Figure 2 Mandel’S k graph for the consistency of the laboratory unit variance grouped by laboratories. (1)实验室单元方差的一致性检验和重复性限 r的计算 计算各实验室、各个水平测量值的单元方差 (s )、方差和( )和各水平最大方差的柯克伦 t 1 检验统计量C。统计量与临界值比较,第5实验室 第5水平的单元方差为歧离值,但不是离群值,其测 量数据不予剔除。其它实验室均未发现精密度离群 72 中国无机分析化学 2014焦 的测量值。计算数据一并列于表2。 由平方和按式(5)计算各水平的重复性方差s 和标准差5 ,按式(9)计算重复性限r值。 2 2●●0 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 表2各水平单元方差的一致性检验及重复性标准差和重复性限的计算 Table 2 Consistency test for the variance of every level unit and calculation of repeatability standard deviations and repeatability limits 性限R,计算数据一并列于表3。 1.4重复性限回归方程的拟合 通常,分析方法的重复性限r(和再现性限R) 《 卿 士 与其含量m的数学关系可用线性方程或对数方程 表示。 螺 线性方程:r—a+blgm 对数方程:lgr—C+dlgm(或相应的指数方程 实验室l r—cm ) 将由表2、表3得到的r和R与相应水平的含 图3 按实验室分组的实验室单元平均值 一致性的曼德尔h图 量m值进行线性回归和对数回归。 (1)重复性限线性回归方程拟合 采用加权迭代回归计算重复性r与标准差与m 的回归方程。表4中w 为第N步迭代计算的加权 1 Figure 3 Mandel’S h graph for the consistency of the laboratory unit average grouped by laboratories. (2)实验室单元平均值的一致性检验和再现性 限R的计算 系数,W ===专,体现了r小,即r的精度高,因而 rN 计算各实验室每个水平的单元平均值、各水平 “权”W 大。数学上可以证明,在方差不等情况下, 的总平均值 (Y,)及实验室间标准差s。计算各单 元平均值的格拉布斯检验统计量G 和G i 。检验 结果表明,各实验室均未发现岐离值和离群值(如果 有剔除的离群值,则剔除离群值后按(2)重新进行实 验室单元方差的一致性检验和重复性5限r的计 算)。 加权最小二乘法估计是参数的最小方差无偏估计。 按GB/T 6379.2—2O04给出的计算式进行加权迭 代回归,各次迭代计算的参数和回归方程见表4。 计算数据表明,进行两次迭代后的重复性限r 变化不大(即方程r 和r3十分接近),通常进行两次 迭代即可。 (2)重复性标准差对数回归方程计算 按GB/T 6379.2给出的计算式计算重复性限r 由于第1,2水平计算的S一2 do,设s 一s;,R— r,按式(6)计算各水平实验室间方差的估计量si, 按式(8)、式(10)计算各水平再现性标准差5 、再现 与m的对数回归方程系数c和d,计算的参数见表 第1期 闻向东等:测量方法精密度共同试验测量数据的统计分析 73 5。数学上可证明,对数回归不必进行迭代计算,直 接以其对数进行线性回归即可。 裹3各水平单元平均值的一致性检验及再现性标准差和再现性限的计算 Table 3 Consistency tests for the average of each level unit and the calculation of the standard deviation and repeatability limit 褒4重复性限加权迭代线性回归方程的计算参数 Table 4 Parameters that were used in iteratively computing linear regression equation weighted by repeatability limit 表5二氧化硅测量重复性限的对数回归方程计算参数 Table 5 Parameters that were used in iteratively calculating logarithm regression equation weighted by repeatability limits for the silica measurement (3)重复性限r与仇回归方程的确定 表6分别列出了各水平的 、r及由线性方程 计算回归方程的相对误差平方和 ],以确定重 和对数方程计算的重复性限r。和rz,并计算各水平 复性限r与m回归方程的最终表达式。 的误差、相对误差平方。 74 中国无机分析化学 2014年 计算线性方程q个水平的相对误差平方和: 5 。一线性方程:R一0.011 72+0.04I 35m 对数方程:lgR一一1.213 5+0.631 1Xlgm J二1 奎 r 一o.2862 :==0.3901 计算两回归方程的相对误差平方和,得线性方 程S 一0.112,对数方程S 2===0.260。 计算对数方程q个水平的相对误差平方和: s ::= J=1 r 由于S 。<s 。,确定取线性方程R一0.011 72+ 0.041 35m作为再现性限R与m函数关系的最终 表达式。如果用再现性标准差s 表示,则函数关系 为sR一0.004 144+0.014 62m。 1.6 函数关系的图示 由于S <S 说明线性方程更接近于r与777. 的实际分布,确定线性方程r一0.012 38+ 0.034 OOm作为重复性限r与m函数关系的最终表 达式。如果用再现性标准差S,表示,则函数关系为 s :0.004 377+0.012 02m。 图4给出了重复性限r和再现性限R与m的 函数关系的拟合曲线图。比较各函数关系曲线,r 和R的线性回归曲线更接近于精密度试验数据的 分布。用相对误差平方和判断与拟合曲线图示是一 致的。 I.5再现性限R回归方程的拟合 由表3的m 、R 数据,按i.4方法,同样可计算 得再现性R与 的线性回归方程和对数回归方程: r拟合曲线 / // R拟合曲线 0.21 (1 l8 。/ / / / / // / / ,/  / // ,0.15 0.12 0.09  / // - 0・06 / O.【B 0.0【l 5 1.0 l_5 2 0 2.5 3()3 5 4.0 4.5 m 0.0 0.5 】O l 5 2 0 2.5 3.0 3.5 4O 4.5 m 图4光度法测定二氧化硅分析方法的重复性限r和再现性限R与m的函数关系曲线拟合图 Figure 4 Curve fitting graphs for the function relation(a)between repeatability limit,and content(1eve1)m。 (b)between reproducibility limit r and content(1eve1)m for the determination of silicon di de by spectrophotometry. 2新旧标准精密度的 匕较 为使用方便,按确定的回归方程计算各二氧化 将光度法测定二氧化硅原标准和修订标准精密 度的比较列于表7。 表7表明,修订标准的重复性限r和再现性限 R值基本相当或略小于原标准相应的实验室内允许 差和实验室间允许差,这符合石灰石、白云石分析的 实际情况。 硅含量段的重复性限r值和再现性限R值(见表 7),两含量段间的r(和R)值可近似用线性内插法 计算。 第1期 闻向东等:测量方法精密度共同试验测量数据的统计分析 表7新旧标准精密度的比较 Table 7 Comparison of the new standard precision and the old standard precision 75 0.05~0.2O >0.20~0.50 >O.5O~1.00 >1.OO~2.00 >2.00~4.00 3 结语 (1)参加共同试验的实验室应当从所有使用该 测试方法的实验室中随机抽取,不宜都来自那些特 别“标准”或受过专门训练的实验室组成。参加的实 验室应有一定的代表性,包括不同地域、气候,使用 不同仪器、测量设备等因素,使最后统计出的精密度 只剔除离群值。有时统计出来的重复性限和再现性 限很大,可能反映了两个问题。一是共同试验人员 没有很好按分析方法规定的测量条件执行,操作的 随意性大;二是分析方法规定的测量条件不严密(或 不是最佳条件),可操作性差,致使实验室间测量结 果高度离散。由此,分析方法的试验一定要认证细 致,测量条件严密认证,提出的分析方法要有很好的 稳健性和可操作性。 (4)操作员应根据测试方法进行操作,不能随意 参数能代表各实验室总体的水平。参加精密度共同 试验的实验室数p通常取8~15。 (2)精密度试验所使用的样品应该完全能代表 该测试方法在正常使用中的那些物料,不应全部是 较为容易分析的样品,亦不应都是较难分析的样品。 所取各样品成分的含量应尽可能(或基本上)覆盖测 试方法的测量范围,通常取5个或5个以上不同水 平的样品。精密度试验负责实验室不能将样品的中 心值(或认证值)告知各实验室,或在实验室之间互 相“串通”,以确保测量结果的真实性。 (3)精密度试验中特别强调要保证测试数据的 独立性。通常在测试过程中未发现异常的过失,其 改变测试条件,以保证各实验室都在相同的方法和 条件下进行测试。操作员应报告测试中遇到的异常 现象和困难,鼓励操作员对标准测试方法做出评价, 并提出标准测试方法存在的不足,以利于标准的修 订和改进。 各实验室按规定报出数据的有效位数,不要自行 过度修约。数据的过度修约会丢失测量精度的信息, 并影响统计量计算的可靠性。在统计过程中也不要 随意修约,在全部计算完成后进行一次性修约。表格 表示的单元平均值等至少要多保留一位有效数字。 参考文献 [1]国家标准委员会.GB/T 6379.2—2O04测量方法与结果 的准确度(正确度与精密度):第2部分确定标准测量方 测试数据不能随意丢弃,更不能从多个测量结果中 选择性报出试验结果。操作员要认识到,参加精密 度试验不是进行操作水平的考核,测试的目的之一 是求得在重复性条件下测量结果的真实分布,操作 员不应随意对不一致的结果进行丢弃或重测。如果 法重复性与再现性的基本方法[s].北京:中国标准出版 社,2004. 共同试验时部分实验室将室内之差或室间之差很小 的高精密度数据报给精密度试验组织单位统计,则 E2]方开泰,项可风,刘光仪.测试方法的精密度[M].北 京:中国标准出版社,1988:28—47. 统计出的重复性限或再现性限很小,形成了假象的 高精密度统计结果,在实践中测量值的精度往往达 [3]曹宏燕.冶金材料分析技术与应用[M].北京:冶金工 业出版社.2008.913-928. 不到方法制定的精密度要求,不利于今后标准的可 操作性及执行性。 另外,对统计检验的岐离值(异常值)和离群值 (高度异常值)的处置要慎重,通常保留的岐离值,而 [4]国家标准委员会.GB/T 4883--2008数据的统计处理和 解释正态样本离群值的判断和处理[s].北京:中国标 准出版社,2008. 

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