Спецификация: Калибровка дозаторов

Назначение и биологический контекст

Лаборатория регулярно проверяет точность механических и электронных дозаторов: отбирает воду, взвешивает её на аналитических весах и сравнивает фактический объём с номиналом. Расчёт вручную в Excel даёт две типичные ошибки — путаницу между массой и объёмом и сравнение систематической погрешности со случайным пределом.

Инструмент принимает номер дозатора, номинальный объём, объём проверки, температуру воды, цену деления весов и список масс. По температуре он берёт плотность воды или Z-фактор, переводит каждую массу в объём и показывает средний объём, систематическую погрешность в микролитрах и процентах, СКО, коэффициент вариации и два независимых вердикта: по систематике и по разбросу.

Стандарт выбирается явно. ISO 8655-2/-6:2022 — по умолчанию: пределы берутся от номинала и постоянны по рабочему диапазону, объём считается через Z-фактор, для вердикта нужно не меньше десяти измерений. ГОСТ 28311-2021 — российский режим: объём считается как масса, делённая на плотность воды, пределы берутся по объёму проверки, разброс оценивается верхней доверительной границей, а к пределам применяется порог 0,8 из пункта 4.2.7. Третий режим — свои пределы: он нужен для паспортов производителей и внутренних методик.

Границы: инструмент не выполняет поверку и не заменяет свидетельство о поверке, не поддерживает многоканальные дозаторы, серию из трёх объёмов и историю протоколов, не строит полный бюджет неопределённости. Расчётные данные на сервер не передаются.

Математическая модель и формулы

Обозначения: m — масса воды (г), V — объём (мкл), Z — поправочный множитель (мкл/мг), ρ — плотность воды (г/мл), S — выборочное СКО объёмов, e — систематическая погрешность, CV — коэффициент вариации, χ — коэффициент верхней доверительной границы, U — расширенная неопределённость повторяемости.

Массы вводятся в граммах, а Z имеет размерность микролитров на миллиграмм, поэтому при расчёте масса переводится в миллиграммы. В Excel показываются обе единицы.

• ISO: V = Z(t)·mZ учитывает плотность воды и выталкивающую силу воздуха вместе. При 20 °C и 101,3 кПа Z = 1,0029 мкл/мг, что соответствует 1/ρ(20 °C) = 1,001799 мкл/мг и поправке на воздух около +0,11 %.
• ГОСТ: V = m / ρ(t)Плотность воды при температуре опыта по приложению Г ГОСТ 28311-2021. При 20 °C ρ = 0,998204 г/мл. Поправка на воздух в этой формуле не применяется — это свойство стандарта, а не упрощение.
• V_mean = ΣV / n; e = V_mean − V_test; e% = 100·e / V_testV_test — объём проверки, а не номинал дозатора. Для P200 на 100 мкл это 100 мкл.
• S = √(Σ(V − V_mean)² / (n − 1)); SD_mean = S/√n; CV = 100·S / V_mean; U = 2·SD_meanS — выборочное СКО, n — число измерений. U учитывает только повторяемость и в вердикт не входит.
• ГОСТ: σ = χ(0,05; ν=n−1)·SПри n = 2 χ = 15,95; при n = 10 (ν = 9) χ = 1,65; при n = 11 (ν = 10) χ = 1,59. Верхняя односторонняя граница при доверительной вероятности 0,95 — требование ГОСТ 28311-2021, а не запас «на глаз».
• ISO: e_lim = e%(V_max)·V_max / 100; разброс — та же логикаПроценты таблицы относятся к выбранному объёму, поэтому абсолютный предел постоянен по диапазону: P100 на 100 и на 50 мкл — это 0,8/0,3 мкл; P200 на 100 мкл — 1,6/0,6 мкл.
• ГОСТ: e_lim = e%(V_test)·V_test / 100; σ_lim = σ%(V_test)·V_mean / 100Строка таблицы 1 выбирается по объёму проверки, столбец — по типу дозатора. При включённом пороге 0,8 применяются 0,8·e_lim и 0,8·σ_lim.
• Вердикт: accuracy = |e| ≤ применённый предел; random = S или σ ≤ применённый пределДва независимых вердикта. Итог fail, если провален хотя бы один; preliminary, если в ISO меньше десяти измерений.

Входные параметры

Выходные параметры и состав отчёта

На экране результат показывается двумя плашками: «Систематика» и «Разброс». В каждой — вердикт и значение с пределом, с которым его сравнили. Строка итога пересказывает обе плашки; отдельного третьего вердикта нет.

Рядом видны средний объём, систематическая погрешность в микролитрах и процентах, СКО, при необходимости σ по ГОСТ, коэффициент вариации, U с подписью «только повторяемость» и число измерений. До расчёта на месте результата стоит приглашение ввести хотя бы две массы.

Excel содержит пять листов: «Протокол» — прибор, условия, стандарт, вердикты и версии; «Измерения» — каждая масса, объём и отклонение; «Расчёты» — средний объём, погрешность, СКО, CV, σ, U и пределы; «Нормативы» — применённая строка таблицы и источники; «Методика» — формулы словами и границы применимости. Числа записываются числами с точкой, без разрядных разделителей.

• Числа на экране показываются до 0,01 мкл и 0,01 %, в Excel — без округления.
• Предупреждение не мешает расчёту: меньше десяти измерений в ISO, две повторности в ГОСТ, объём ниже 10 % номинала, грубые весы, температура вне 20 ± 3 °C, резко выпадающее измерение.
• Ошибка блокирует числа и вердикт, но не стирает ввод: меньше двух измерений, неположительная масса, объём проверки больше номинала, температура вне 1–40 °C, неположительная плотность или допуск.

Правила валидации

• Число измерений: от 2 до 30. При одном измерении СКО не определено, поэтому расчёт блокируется.
• Масса каждого измерения должна быть положительным числом. Пустая строка в середине списка считается пропуском и блокирует расчёт, пока не заполнена или не удалена.
• Объём проверки не может быть больше номинального объёма дозатора; при нарушении ошибка показывается у поля, значения не переписываются.
• Температура воды — от 1 до 40 °C по таблице плотности ГОСТ 28311-2021. В режиме ISO дополнительно предупреждение при выходе за 20 ± 3 °C.
• Цена деления весов сравнивается с требованием ISO 8655-6: до 20 мкл — 0,001 мг, 20–200 мкл — 0,01 мг, больше 200 мкл — 0,1 мг. Грубее — предупреждение.
• Свои пределы должны быть больше нуля; плотность в этом режиме — больше нуля.
• Ноль и отрицательные значения не заменяются значениями по умолчанию: инструмент показывает ошибку и ждёт исправления.

Источники

• ISO 8655-2:2022. Piston-operated volumetric apparatus — Part 2: Pipettes. Таблицы 1 и 3 максимальных допускаемых погрешностей.
• ISO 8655-6:2022. Piston-operated volumetric apparatus — Part 6: Gravimetric reference measurement procedure. Z-фактор, число повторностей, требования к весам и условиям.
• ГОСТ 28311-2021. Дозаторы медицинские лабораторные. Общие технические требования и методы испытаний. Таблица 1, пункт 4.2.7, приложения Г и Д.
• ILAC G8:09/2019. Guidelines on decision rules and statements of conformity — справочно, правило решения в первой версии простое.
• Метод и контрольные примеры — docs/PIPETTE_CALIBRATION.md в репозитории проекта.