B2.10. Metody skalowania

 

Miejsce skalowania w olfaktometrii (odorymetrii)


Klasyfikacja metod pomiarów odorymetrycznych może być dokonana z uwzględnieniem różnego rodzaju kryteriów: rodzaju badanych próbek (pochodzenie, stan skupienia,...), mierzonych właściwości zapachu, celu pomiarów lub stosowanych technik.

Badane substancje mogą być próbkami ciał stałych, cieczy lub gazów, zwykle kierowanych do analizy w celu kontroli jakości surowców i produktów przemysłowych. Kontrola może polegać na ocenie zgodności organoleptycznych cech produktu z charakterystyką substancji uznanej za standard.


Rozwiązywanie problemów ochrony środowiska wymaga najczęściej przeprowadzenia badań zapachowych właściwości próbek wody, ścieków, zanieczyszczonego powietrza oraz gazów odlotowych. Najczęściej stosowanymi metodami pomiarów odorymetrycznych są metody rozcieńczeń (czystym powietrzem lub czystą wodą – zależnie od rodzaju badanej próbki), zmierzające do określenia odległości od progu wyczuwalności zapachu.


Pełne olfaktometryczne badania próbek powietrza zawierających odoranty w ilościach nadprogowych (c > cth) powinny obejmować pomiary stężeń zapachowych (cod [ou/m3]) oraz oceny jakościowych cech wrażenia: intensywności i rodzaju (charakteru) oraz jakości hedonicznej (stopnia odczuwanej niechęci lub przyjemności zależnego od intensywności i rodzaju zapachu).


Kolejnym kryterium klasyfikacji metod pomiarów mogą być zamierzenia dotyczące sposobu wykorzystywania ich wyników. Na tej podstawie można wyodrębnić badania eksperckie lub konsumenckie. W pierwszym wypadku zapach próbek ocenia niewielka grupa ekspertów – kilka lub kilkanaście osób o odpowiednim doświadczeniu i o sprawdzonej wrażliwości sensorycznej (sposoby kontroli określają normy). W badaniach tych najczęściej dąży się do zapewnienia maksimum obiektywizmu (chyba że celem pomiarów są oceny emocji). Badania konsumenckie polegają na gromadzeniu subiektywnych opinii licznej grupy ludzi (zwykle ponad 100 osób), reprezentatywnej dla określonej populacji.


Najważniejsze metody pomiarów odorymetrycznych, które można wyodrębnić na podstawie stosowanych technik pracy analitycznej, to:

  • metody skalowania, polegające na ocenach natężenia określonych cech jakościowych przy użyciu w różny sposób definiowanych skal, takich jak skale werbalne, liczbowe, graficzne lub skale standardów,
  • metody oznaczania progów, takich jak progi różnicy (np. najmniejsze zmiany stężeń powodujące wykrywalne różnice intensywności zapachu lub jego rodzaju), progowi wyczuwalności, progi rozpoznawalności, progi związane z określeniami „wyraźny”, „mocny” itp.), progi, przy których zapach osiąga kolejne stopnie skali jakości hedonicznej (stopnie niechęci), zmienia charakter itp.

Podczas wykrywania różnic oceniającym przedstawia się próbki i standard prosząc o wskazanie, który z zapachów spełnia określone w zadaniu kryterium (na przykład: Który jest słabszy? Który jest przyjemniejszy?).

Stosowane są metody „wymuszonego” lub „niewymuszonego wyboru” – nie może lub może być udzielona odpowiedź: Nie czuję różnicy. Podczas obliczeń końcowego wyniku zespołowych pomiarów uwzględniany jest statystyczny rozkład odpowiedzi wymuszonych, udzielanych w sytuacji, gdy oceniający nie wyczuwają różnicy między ocenianymi zapachami.

Najczęściej stosowane (najprostsze) metody badania różnic – „parzystą”, „trójkątową” i „duo-trio” z wymuszonym wyborem.


Przykłady skal jakości hedonicznej

Przykłady skal graficznych


   

 

 

   




Po lewej:

wyniki skalowania hedonicznej jakości zapachu, wykonywanego z użyciem olfaktometru TO6
(zależność jakości hedonicznej od stopnia rozcieńczenia próbki czystym powietrzem); 

 

po prawej;

wyniki doświadczeń własnych, polegających na szeregowaniu roztworów czterech związków wonnych od najmniej do najbardziej nieprzyjemnego
(podobna intensywność zapachu; skala wzorców jakości hedonicznej) 


Patrz  również - linki do VDI Richtlinien 3882 - GOOGLEVDI 3881 bl 1; VDI 3881 bl 2


Skalowanie intensywności zapachu


Intensywność zapachu jest określana sensorycznie na podstawie zbioru opinii odpowiednio licznego zespołu oceniających. Stosowane są różnego rodzaju skale punktowe, werbalne, graficzne lub skale wzorców. Przykładem skali werbalno-punktowej może być  skala siedmiostopniowa, opisana w niemieckich wytycznych VDI  Richtlinien 3882, stosowanej również w Nowej Zelandii (kliknij na obrazkach).


  


Niemiecka procedura określania jakości powietrza w różnych punktach otoczenia źródła odorantów polega na rejestrowaniu informacji o zapachu przez 10 minut co 10 sekund. Aby ocenić okres 30-minutowy wykonuje się pięć takich pomiarów  (z przerwą między nimi, konieczną ze względu na adaptację węchu).


W wytycznych amerykańskich (ASTM E544-99) opisano sposób oznaczania intensywności zapachu z użyciem wzorców n-butanolowych.  Podczas pomiarów zapach wonnej próbki lub powietrza zewnętrznego jest porównywany z Odor Intensity Referencing Scale (OIRS) [Ch. M. McGinley and Michael McGinley, Air and Waste Management Association, 2000 Annual Conference, Session No: EE-6].

Wzorce OIRS są przygotowywane dynamicznie lub statycznie. Do przygotowania „skali dynamicznej” stosuje się specjalny rodzaj olfaktometrów, wytwarzających strumień powietrza w określonym stopniu zanieczyszczonego n-butanolem (patrz: OLFAKTOMETRY - przegląd www; TECNODOR). Opcja przygotowywania takich strumieni bywa też udostępniana w zwykłych olfaktometrach dynamicznych (sprawdzanie wrażliwości węchu ekspertów i oceny intensywności zapachu); np. olfaktometry ODILE. "Skala statyczna” (np. zestawy wodnych roztworów) jest stosowana w warunkach terenowych.

Każda ze skal OIRS jest sporządzana tak, aby stężenia n-butanolu w kolejnych wzorcach stanowiły szereg geometryczny. W większości przypadków stosuje się czynnik szeregu równy 2 (czasem również inne – między 1 i 3) W tabeli poniżej zestawiono dla przykładu informacje o składzie wzorców tworzących skalę dwunasto-, dziesięcio- i pięciostopniową.

Odor Intensity Referencing  Scales (OIRS) – przykłady


Zestawy wzorców n-butanolowych o stężeniach c0, c1­, c2, c3, … cN, tworzących szeregi geometryczne o czynniku X, mogą być uważane za liniowe skale intensywności zapachu. Wynika to bezpośrednio z klasycznego prawa Webera-Fechnera:

S  =   kWF* log cod  =  kWF *log (c/cth)  =  kWF *log c – kWF *log cth

  gdzie:

  S  – intensywność zapachu,

  cod [ou/m3] – stężenie zapachowe (liczba jednostek zapachowych [ou] w metrze sześciennym),

  kWF – współczynnik Webera-Fechnera,

  c      – stężenia odoranta [ppm],

 cth     – próg wyczuwalności zapachu odoranta [ppm].

 Jeżeli stężenia odoranta w kolejnych wzorcach wynoszą: 

c0,               c1 = c0 * X,             c2 = c1* X = c0* X2,     ...     ,      cN = c0* XN

to odpowiada im arytmetyczny szereg wartości intensywności zapachu: 

S0  =  kWF  log c0 ;     S1  =  S0 + kWF log X;     S2  =  S0 + 2 kWF log X ;    ... ;     SN  =  S0 + N kWF log X

gdzie:

X – krok rozcieńczeń (czynnik geometrycznego szeregu stężeń),

c0 , c1, c2, ... , cN – stężenie odoranta w kolejnych wzorcach,

S0, S1, S2, ... , SN – intensywność zapachu kolejnych wzorców.


Zadaniem osoby oceniającej intensywność zapachu próbki lub powietrza zewnętrznego z użyciem OIRS jest wskazanie wzorca, którego zapach jest tak samo silny. Zgodnie z ASTM wzorzec jest umownie określany przez podanie odpowiedniej wartości stężenia n-butanolu [ppm].

Uwaga:
Podawanie wartości cbutanol [ppm] – zamiast odpowiednich literowych symboli wzorców, ich numerów lub werbalnych określeń siły wrażenia – ułatwia wzajemne przekazywanie informacji o sile zapachu między specjalistami. Umożliwia jednoznaczne opisanie siły wrażenia bez dodatkowych wyjaśnień, dotyczących rodzaju stosowanej skali wzorców. Niestety wywołuje również nieporozumienia sugerując osobom mniej zorientowanym, że intensywność zapachu n-butanolu (siła wrażenia, S) jest liczbowo równa wartości jego stężenia (wielkość bodźca węchowego, cbutanol [ppm]). Skłania to czasem do zamiennego stosowania symboli S i cbutanol w równaniach psychofizycznych, co prowadzi do błędnych wniosków dotyczących charakteru funkcji wiążących siłę wrażenia z wielkością bodźca.


Skalowanie intensywności zapachu w Pracowni Zapachowej Jakości Powietrza


W Pracowni są stosowane dwa rodzaje skal intensywności zapachu:

­Skala A: 

skala punktowa z objaśnieniami werbalnymi: 0 – zapach niewyczuwalny, 1 – słaby, 2 – wyraźny, 3 – mocny

­skala B: 

skala wzorców roztworowych; zestaw wodnych roztworów n-butanolu o stężeniach tworzących szereg geometryczny o  X = 20/7.


Skala A


Skala jest wykorzystywana przede wszystkim w czasie terenowych kontroli jakości powietrza atmosferycznego w otoczeniu źródeł odorantów. Wyniki ocen są notowane na indywidualnych kartach pomiaru, w formie przedstawionej na rysunku poniżej.

Na karcie oceniający zaznaczają symbol pomiaru (zgodnie z informacją prowadzącego) oraz usytuowanie własnego stanowiska względem ocenianego źródła zanieczyszczeń (kółko otaczające właściwą literę a, b, c lub d).

Prowadzący rejestruje w dzienniku pomiarów:
-         symbol i położenie obszaru kontrolnego (punkt na planie, wskazania GPS),
-         datę i godzinę wykonania badań,
-         warunki meteorologiczne (kierunek i prędkość wiatru, temperatura, zachmurzenie, opad, informacje o stanie równowagi atmosfery),
-         inne dodatkowe informacje, charakteryzujące ekipę pomiarową, źródło odorantów i obszar kontrolny w chwili pomiarów (np. cel kontroli, wiek, płeć i kwalifikacje ekspertów, charakterystyczne cechy topografii ocenianego terenu itp.).


Oceny intensywności zapachu członkowie ekipy rozpoczynają równocześnie, na hasło prowadzącego. Nie porozumiewają się między sobą. Notują opinię o chwili, w kolejnych okresach piętnastosekundowych, w której zapach był najsilniejszy. Po upływie 15, 30, 45 i 60 sekund od początku każdej z kolejnych pięciu minut wpisują krzyżyk w wybranej kolumnie indywidualnej karty pomiarów: kolumna „0” – zapach nie wyczuwalny, „1” – słaby, „2” – wyraźny i „3” – mocny. Liczbę pomyłek zmniejsza zróżnicowanie intensywności zaciemnienia pola kolumn „1”, „2” i „3”.   Sposób wypełnienia przykładowej karty indywidualnej oznacza, że osoba zajmująca stanowisko „a” w pierwszym 15-sekundowym okresie pierwszej minuty kontroli oraz w drugim okresie wyczuwała zapach słaby (zapis „1” w trzydziestej sekundzie pierwszej minuty). W drugiej połowie pierwszej minuty zapach nasilał się. Po upływie 45. sekund od rozpoczęcia ocen zanotowano wynik „2” (zapach wyraźny), a po upływie 60. sekund – „3” (zapach mocny). W drugiej minucie kontroli zapach zanikał. Był jeszcze wyraźny w pierwszych piętnastu sekundach drugiej minuty i słaby – w kolejnym okresie 15-sekundowym (trzydziesta sekunda drugiej minuty). Nie był wyczuwalny w drugiej połowie drugiej minuty. W trzeciej minucie dwukrotnie zanotowano „0” (brak zapachu) i dwukrotnie „1” (zapach słaby). W czwartej i piątej chwilowo pojawił się również zapach wyraźny („2” w ostatnim 15-sekundowym okresie minuty czwartej i pierwszym – minuty piątej).

Cztery równocześnie wypełnione indywidualne karty ocen intensywności zapachu są wykorzystywane do sporządzenia zbiorczej karty wyników, charakteryzującej zapachową jakość powietrza na ocenianym obszarze kontrolnym w okresie pięciominutowym (po prawej). Karta zawiera zestawienie osiemdziesięciu jednostkowych ocen zapachu powietrza (cztery osoby×5 minut× cztery oceny na minutę). W słupkach, odnoszących się do kolejnych okresów 15-sekundowych, umieszcza się wszystkie oceny każdego z uczestników wypełniając jedną, dwie lub trzy kratki w zależności od tego czy przypisano zapachowi intensywność 1, 2 lub 3 (ekstremum występujące w danym okresie 15 sekundowym). Należy stosować różny sposób wypełnienia pól dla każdego z ekspertów. Ułatwia to kontrolę ich węchowej wrażliwości oraz znaczenia ich ustawienia względem emitora (wpływ odległości oraz czynników topograficznych i meteorologicznych).


Najważniejszymi wynikami pomiaru zespołowego są: intensywność średnia dla okresu pięciominutowego (S5) i intensywność maksymalna chwilowa. Wyznaczenie tych wartości umożliwia obliczenie średniej i maksymalnej wartości stężenia zapachowego.

Skala B


Skalę wzorców n-butanolowych sporządza się przez stopniowe rozcieńczanie podstawowego roztworu n-butanolu wodą w stosunku 7:13 (krok szeregu: 20/7). Wzorce skali są oznaczane kolejnymi numerami (NrB1, NrB2, …), rosnącymi ze wzrostem stopnia rozcieńczenia roztworu podstawowego.

Filmowa ilustracja sposobu przygotowania skali  B -  kliknij na obrazku po lewej.     

Przebieg ocen intensywności zapachu z użyciem roztworowej skali n-butanolowej  (skala B)   

Osoba oceniająca zapach wącha wzorce w kolejności wzrastających stężeń, rozpoczynając od wzorców określanych jako bezwonne. Wskazuje dwie wartości NrB: odpowiadający indywidualnemu progowi węchowej wyczuwalności n-butanolu (NrBZERO) i ocenianej próbce (NrBpróbka). Wartościom tym są przypisane znane stężenia n-butanolu (cbutanol [ppm]), ale nie są one podstawą obliczeń. Intensywność zapachu (S) wonnej próbki lub powietrza zewnętrznego jest wyrażana umownie jako różnica: 

    S = NrBZERO - NrBpróbka     

Wynik oceny chwilowej intensywności zapachu powietrza zewnętrznego umożliwia obliczenie chwilowej wartości stężenia zapachowego (cod [ou/m3]) na podstawie równania Webera-Fechnera. Warunkiem wykonania obliczeń jest wcześniejsze wyznaczenie empirycznego współczynnika Webera-Fechnera (kWF), charakterystycznego dla zanieczyszczeń badanego powietrza.

Współczynnik Webera-Fechnera jest wyznaczany doświadczalnie, jako współczynnik kątowy prostej

S = f (log Z):

SZ = S  – kWF log Z


Przykład 1


Sposób wypełniania indywidualnej karty ocen intensywności zapachu

Oceniający, który wypełnił zamieszczoną poniżej kartę indywidualnych ocen próbek A, B, C i D, nie czuł zapachu wzorców n-butanolowych oznaczonych numerami NrB = 10, 9 i 8, a  poczuł zapach wzorca NrB = 7. Swoje wrażenia zanotował wpisując krzyżyk w wierszu 8–7 kolumny „0”, co oznacza wybór „wzorca progowego” NrB0 = 7,5.

Zapachu próbki A nie wyczuwał – stwierdzając, że SA = 0 dwa krzyżyki wpisał w wierszu zawierającym wzorzec progowy (8–7). Zapach próbki B uznał za tak samo intensywny jak zapach wzorca NrB = 7, w kolumnie „B” wpisał więc dwa krzyżyki – w dwóch sąsiednich wierszach 8–7 i 7–6. Oznacza to przypisanie próbce wartości SB = NrB0 - NrB = 7,5 - 7,0 = 0,5. Zanotowanie dwóch krzyżyków w wierszach 7–6 i 6–5 kolumny „C” oznacza wskazanie wzorca NrB = 6, a w związku z tym: SC = NrB0 - NrB = 7,5 - 6,0 = 1,5. Dwa krzyżyki w wierszu 5–4 kolumny „D” dowodzą, że zapach tej próbki został uznany za silniejszy niż zapach wzorca NrB = 5, ale słabszy niż wzorca NrB = 4, co pozwala określić wartość: SC = 7,5 - 4,5 = 3,0.


Przykład 2


Sposób opracowania wyników ocen zespołowych

Zamieszczona po lewej tabela zbiorcza zawiera opinie przeniesione z ośmiu indywidualnych kart, na których zanotowano oceny trzech próbek – w różnym stopniu rozcieńczonego gazu odlotowego (próbki A, B i C). Oceniane próbki były otrzymywane przez zmieszanie odmierzonych ilości badanego gazu (VBG) i czystego powietrza (VPOW..). Stopień rozcieńczenia badanego gazu Z = (VBG+VPOW..):VPOW.., wynosił Z = 16 ¸ 280. Każdy wynik indywidualnej oceny intensywności zapachu zamieszczano na karcie zbiorczej wypełniając dwa pola tworzonego histogramu (odpowiadające dwu krzyżykom na karcie indywidualnej). Indywidualne oceny: S = 1, 2, 3, ... (liczby całkowite) zaznaczano wypełniając dwa pola w jednym wierszu tabeli zbiorczej, odpowiadającym wskazanej przez oceniającego klasie intensywności zapachu. Wypełnienie dwóch sąsiednich pól w jednej kolumnie tabeli zbiorczej w wierszach n i (n+1) oznacza wynik: S = n + 0,5.

Podczas ocen zapachu próbki A (gaz badany rozcieńczony 280 razy) tylko jedna osoba stwierdziła, że SA = 0. Pozostali oceniający wskazali odpowiedzi: 0,5 (dwie osoby), 1,0 (trzy osoby) i  2 (dwie osoby). W analogiczny sposób sporządzono histogramy ocen intensywności zapachu próbek B i C.

Medianę można odczytać ustalając położenie poziomej linii, która dzieli pole histogramu na dwie równe części. Ponieważ histogram rozkładu ocen zapachu próbki A jest symetryczny linia ta przebiega przez środek wiersza „1” – mediana zbioru wyników jest równa wartości średniej i wynosi SA=1,0. W wypadku próbki B uzyskano niesymetryczny rozkład wskazań klasy, których medianą jest wartość SB = 2,0 (wypełniony obszar leżący poniżej i powyżej środka wiersza „2” odpowiada powierzchni ośmiu jednostkowych pól tabeli). Dla trzeciej z próbek w analogiczny sposób wybrano wartość SC = 2,3.



Wykorzystanie analogicznych zbiorów danych do obliczenia stężenia zapachowego zanieczyszczeń próbki metodą ekstrapolacyjną  -  patrz  Metoda ekstrapolacyjna >>  (w treści tego wykładu - również terenowe pomiary intensywności zapachu i obliczanie stężenia zapachowego z wykorzystaniem prawa Webera-Fechnera).


Przykład 3

Skalowanie intensywności zapachu w czasie  psychofizycznych badań zależność intensywności zapachu od stężania odorantów.



Prezentacje ppt (z narracją):