Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторный практикум-1

Статистическая обработка результатов феррометрического определения ванадия в исследуемом растворе

Для статистической обработки результатов феррометрического определения ванадия полученные данные массовой концентрации ванадия ρ сводят в таблицу 3. Далее вычисляют среднее значение хср, стандартное отклонение S, границы доверительного интервала случайной погрешности определения для заданного уровня доверительной вероятности и числа измерений n.

Таблица 3 – Результаты статистической обработки

На основании полученных результатов рассчитывают стандартное отклонение S:

Исключение грубых погрешностей

Для исключения грубых погрешностей используют критерий Граббса. Статистический критерий Граббса основан на предположении о том, что группа результатов измерений принадлежит нормальному распределению. Для этого вычисляют критерии Граббса G1 и G2, предполагая, что наибольший xmax или наименьший xmin результат измерений вызван грубыми погрешностями:

Сравнивают G1 и G2 с теоретическим значением GT критерия Граббса при выбранном уровне значимости q. Таблица критических значений критерия Граббса приведена в приложении Б.

21

Если G1 > GT, то xmax исключают как маловероятное значение. Если G2 > GT, то xmin исключают как маловероятное значение. Далее вновь вычисляют среднее арифметическое и стандартное отклонение ряда результатов измерений и процедуру проверки наличия грубых погрешностей повторяют.

Если G1 ≤ GT, то xmax не считают промахом и его сохраняют в ряду результатов измерений. Если G2 ≤ GT, то xmin не считают промахом и его сохраняют в ряду результатов измерений.

Границы доверительного интервала случайной погрешности

Границы доверительного интервала случайной погрешности, в которых при заданной вероятности Р = 95 % и оставшемся числе выполненных определений, принадлежащих нормальному распределению, лежит истинное значение содержания ванадия, рассчитывают по формуле

xизм − x = ±t S .

Значение коэффициента Стьюдента t для заданных параметров Р и n определяют в соответствии с приложением В.

Результат феррометрического определения ванадия записывают в

виде

В расчетах предполагается, что примененный метод анализа свободен от систематических погрешностей согласно ГОСТ 8.736–2011.

Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения.

Контрольные вопросы

1Что понимают под измерением?

2Какие факторы влияют на результат измерений?

3Чем заканчивается любое измерение?

4В чем различие понятий «сходимость результатов измерений» и «воспроизводимость результатов измерений»?

22

5 Что понимают под действительным значением измеряемой величины?

6Что называют погрешностью?

7Что называют неопределенностью результата измерения?

8Какие виды погрешности вы знаете?

23

Лабораторная работа 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

(2 часа)

1 Цель работы

Ознакомление с метрологическими характеристиками средств измерений.

2 Задачи работы

Изучение нормативной документации на средства измерений. Определение основных метрологических характеристик

средств измерений.

3 Теоретическое введение

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные (установленные) метрологические характеристики в соответствии с РМГ 29–2013.

Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

Под метрологическими характеристиками средств измерений понимают характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Знание метрологических характеристик необходимо для выбора средств измерений и оценивания точности средств измерений. Основными метрологическими характеристиками являются назначение, диапазон, погрешность, влияющие величины. Для каждого типа средства измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Назначение средства измерений – указание, какие величины и в каких единицах или шкалах измеряет данное средство. Чаще всего назначение средства измерений следует из его названия, например: вольтметр, твердомер и т.д. Некоторые средства измерений предназначены для измерений нескольких различных величин, что также отражено в их названии, например: авометр – ампер-вольт- метр и т.д. Встречаются средства измерений, назначение которых

24

традиционно сохраняется на иностранном языке, например: штангенциркуль, буссоль и др.

Диапазон измерений – множество значений величин одного рода, которые могут быть измерены данным средством измерений или измерительной системой с указанной инструментальной неопределенностью или указанными показателями точности при определённых условиях. В некоторых областях используют термин «измерительный интервал», или «интервал измерений». Нижнюю границу диапазона измерений не следует путать с пределом обнаружения.

Диапазон показаний – область значений шкалы измерительного прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. В некоторых областях используется интервал показаний. Диапазон измерений и диапазон показаний для различных приборов могут не совпадать. А при неравномерной шкале диапазон измерений ограничен точками в начале и конце шкалы или обозначается сплошной линией, объединяющей отметки (риски) шкалы, принадлежащие диапазону измерений.

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и известным опорным (действительным) значением величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины неизвестно, на практике пользуются её действительным значением, полученным экспериментальным путем и настолько близким к истинному, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Следует заметить, что понятие «неопределённость» характеризует не средство измерений, а результата измерений с помощью средств измерений.

Влияющая величина – величина, которая при прямом измерении не влияет на величину, которую фактически измеряют, но влияет на соотношение между показанием и результатом измерения. Например, частота при прямом измерении постоянной амплитуды переменного тока с помощью амперметра, фоновое давление в источнике ионов масс-спектрометра во время измерения молярной доли вещества. Другими величинами, влияющими на показания средств измерений, являются величины, характеризующие условия эксплуатации средств измерений. Это температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность, магнитные и электрические поля и т.д. Следует различать два случая задания значений влияющих величин:

- нормальные условия – области значений влияющих величин, при которых изменениями результата измерений вследствие их малого значения можно пренебречь;

25

- рабочие области значений влияющих величин, в пределах которых нормируют дополнительные погрешности или изменения показаний средств измерений.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик средств измерений, определяющих погрешности средств измерений, правила их выбора для конкретных типов средств измерений и способы нормирования установлены ГОСТ 8.009–84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. Для измерительных систем – МИ 2439–97. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля.

Некоторые метрологические характеристики средств измерений можно определить, изучив сами средства измерений или нормативно-техническую документацию на них (например, паспорт или техническое описание с инструкцией по эксплуатации на средство измерений). На однозначных мерах обычно указывают их номинальные значения, на шкалах приборов и штриховых мер можно прочесть нижний и верхний пределы, часто – цену деления. Иногда на средствах измерений указывают класс точности.

Таким образом, при оценке метрологических характеристик ряда средств измерений можно обойтись без выполнения измерений, воспользовавшись информацией, имеющейся на самом средстве измерений либо полученной из нормативных или справочных источников.

4 Аппаратура

В лабораторной работе используют:

-колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2;

-фотоэлектрический колориметр-нефелометр ФЭК-56;

-электронные прецизионные весы ACCULAB VIC-510d1;

-электронные аналитические прецизионные весы ACCULAB ALC-210d4.

5 Выполнение работы

Для выполнения лабораторной работы студенту необходимо предварительно изучить следующую нормативную документацию:

- Технический паспорт. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2;

26

-МИ 1236-86. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2. Методика поверки;

-Руководство по пользованию. Фотоэлектрический колориметр- нефелометр ФЭК-56;

- ГОСТ 8.298-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Колориметры фотоэлектрические лабораторные. Методика поверки;

-Руководство по эксплуатации. Электронные прецизионные весы ACCULAB VICON;

-Инструкция по эксплуатации. Электронные аналитические и прецизионные весы ACCULAB. Серия ALC;

- ГОСТ 8.009–84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений;

- ГОСТ 8.401–80. Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений.

- ГОСТ Р 53228–2008. Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания;

- РМГ 29–2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

На основании сведений из технической документации составляют таблицу метрологических характеристик средств измерений. Результаты работы оформляют в виде текстовых описаний (назначение средств измерений) и таблиц 1, 2. Недоступные данные в таблице представляют прочерком.

Таблица 1 – Метрологические характеристики колориметров КФК-2 и ФЭК-56

Наименование

Значение

КФК-2 ФЭК-56

Спектральный диапазон, нм

Диапазон показаний коэффициентов пропускания

Диапазон измерения коэффициентов пропускания

Цена деления шкалы коэффициентов пропускания

Диапазон показаний оптической плотности

Диапазон измерения оптической плотности

Цена деления шкалы оптической плотности

Основная абсолютная погрешность колориметра при измерении коэффициентов пропускания

Среднее квадратическое отклонение отдельного наблюдения

27

Нормальные условия работы колориметра: - температура окружающей среды, °С - относительная влажность, % - напряжение питания сети, В

Дополнительная погрешность колориметра от изменения: - температуры окружающего воздуха от 20 до 35 °С

и от 20 до 10 °С - напряжения сети на ±22 В (от 220 В)

Контрольные вопросы

1Каково назначение колориметров КФК-2 и ФЭК-56?

2Каково назначение весов марок VIC-510d1 и ALC-210d4?

3Каковы основные нормируемые метрологические характеристики средств измерений?

4Что такое погрешность?

5Какие виды погрешности вы знаете?

6Дайте определение класса точности средств измерений.

7Какие классы точности весов вы знаете?

8Как обозначается класс точности?

28

Лабораторная работа 5

ИЗУЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДИКИ ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИТАНА

(2 часа)

1 Цель работы

Изучение метрологических характеристик фотометрических методов анализа.

2 Задачи работы

Построение градуировочной зависимости оптической плотности от концентрации титана.

Проверка правильности построения градуировочной зависимости по стандартному раствору.

3 Теоретическое введение

Для аналитических целей в исследовательских и производственных лабораториях широко применяют фотометрические методы анализа, которые основаны на зависимости величины, характеризующей светопоглощение, от концентрации определяемого вещества в растворе.

Объединенный закон Бугера – Ламберта – Бера является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа. Закон устанавливает зависимость интенсивности (It) монохроматического светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности (I0) падающего потока света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора:

A = lg I0 = εlc,

It

29

где А – оптическая плотность раствора; ε – коэффициент пропорциональности (коэффициент

поглощения), который в случае, если концентрация выражена в моль/л, а толщина слоя в сантиметрах,

называют молярным коэффициентом светопоглощения (или просто поглощения);

l – толщина поглощающего слоя; c – концентрация раствора.

Основные метрологические характеристики фотометрических методов анализа

Интервал определяемых концентраций компонентов анализируемой пробы: от макроколичеств – порядка 1–50 % (до микроколичеств – порядка 10–4–10–5 %.

Чувствительность – изменение оптической плотности раствора (аналитического сигнала) при изменении концентрации вещества. Чувствительность фотометрии определяется тангенсом угла наклона графика в координатах «оптическая плотность – концентрация». Тангенс угла наклона равен молярному коэффициенту поглощения. При значениях молярного коэффициента

поглощения 10000–40000 можно определять концентрации в интервале

10–4–10–5 М.

Точность (характеристика метода, включающая его правильность и воспроизводимость) зависит от индивидуальных особенностей используемых химических реакций, характеристик применяемого прибора и других факторов и измеряется в довольно широких пределах. Обычная погрешность фотометрических методов составляет 3–5 % (относительных). В благоприятных случаях, особенно при использовании специальной техники, она уменьшается до 1–2 %.

Правильность фотометрического анализа характеризует близость концентраций, полученных практически, к истинному значению определяемого компонента.

Воспроизводимость фотометрии обусловлена погрешностью измерения аналитического сигнала. Воспроизводимость определяют через понятие прецизионности.

Прецизионность измерений – близость между показаниями или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях – по РМГ 29–2013, п. 5.9.

30