[ Тверской государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
Г.П. Лапина
«» 2003 г.
Кафедра неорганической и аналитической химии
Учебная программа Дисциплина: Метрология химического анализа Цикл специальных дисциплин и дисциплин специализации (ДС) С02-3 Специальность: 011000 – Химия Специализация: 011001 – Аналитическая химия Обсуждено на заседании кафедры «» _ 2003 г. Протокол № Заведующий кафедрой Автор И.П. Горелов _ В.Г. Алексеев «» _ 2003 г. «» _ 2003 г.
Тверь – 1. Цели дисциплины, ее место в подготовке специалиста В любой области науки, техники, производства постоянно повышаются требования к точности, надежности, эффективности функционирования технических систем различного назначения. Эти требования невозможно обеспечить без измерения большого количества параметров и характеристик разнообразных устройств, систем и процессов. Поскольку по результатам измерений принимаются ответственные решения, должна быть уверенность в точности и достоверности результатов измерения. Нередко однотипные контрольно-измерительные операции выполняются в различное время, в различных местах и с использованием различных технических средств. При этом на первый план выдвигается задача обеспечения единства измерений и контроля, т.е. сопоставимости и сходимости их результатов.
Цель курса «Метрология химического анализа» – сформировать у студентов систему знаний и навыков, необходимых для решения задач измерений и метрологического обеспечения при проведении анализа химического состава различных объектов, исследовании строения и свойств химических веществ, контроле процессов в химической технологии.
2. Знания, умения и навыки, приобретаемые в результа те изучения дисциплины В ходе изучения дисциплины студенты получают:
• знания об основных понятиях, связанных с методами и средствами измерений, основах построения систем единиц измерений, эталонах, базовых моделях измерительных процедур, методах оценки показателей качества измерений и обработки измерительной информации, методических и организационных аспектах измерений;
• умение выбирать измеряемые параметры, средства и методы измерения, соответствующие поставленной задаче;
• навыки анализа методики измерения и погрешностей, учета влияния метода математической обработки результатов измерений на количественные и качественные характеристики измерительной информации.
3. Распределение часов по темам и видам учебных занятий Наименование разделов и тем Лекции Лабораторные Всего занятия часов Тема 1. Введение в метрологию 2 0 Тема 2. Теоретические основы метрологии 4 0 Тема 3. Прикладная метрология 2 0 Тема 4. Метрология в химии 6 16 Тема 5. Правовые основы метрологии и 2 0 стандартизации Итого 16 16 Самостоятельная работа студентов, предусмотренная учебным планом в объеме 10 часов, выполняется в ходе семестра в форме подготовки рефератов на заданную тему.
4. Содержание учебной программы Тема 1. Введение в метрологию Определение метрологии как науки. Научные и прикладные задачи метрологии.
Краткий исторический очерк развития метрологии. Значение метрологии в развитии науки, техники и производства.
Тема 2. Теоретические основы метрологии Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство, величина, количественные и качественные проявления свойств объектов материального мира.
Шкала измерения как модель отображения проявления свойств материальных объектов и отношений между ними. Виды шкал измерений: наименования, порядка, интервалов и отношений. Основные понятия, связанные со средствами измерений:
статические и динамические модели аналоговых и цифровых средств измерения.
Эталон единицы величины как основа для получения значения измеряемой величины.
Система единиц СИ: основные и дополнительные единицы, кратные и дольные единицы. Формирование единиц и размерностей производных единиц. Эталоны и стандартные образцы. Классификация измеряемых величин: детерминированные и случайные. Закономерности формирования результата измерения. Понятие погрешности результата измерения. Основные источники погрешностей:
несовершенство средства измерения, взаимодействие средства измерения с объектом измерения, отклонение условий измерения от нормальных, несовершенство метода измерения и плана измерения, помехи и возмущения, действующие на входе и выходе средства измерения. Структурная схема измерения и формирования погрешности.
Классификация погрешностей: методические, мультипликативные, аддитивные, систематические, случайные, личные, грубые, основные и дополнительные в статическом и динамическом режиме измерений. Алгоритмы определения составляющих и полной погрешности. Способы уменьшения и исключения погрешностей. Измерение в шкале наименований. Теория проверки статистических гипотез как основа анализа измерений в шкале наименований. Понятие статистической гипотезы и типы гипотез: простая, сложная, параметрическая, непараметрическая.
Проверка гипотез, о параметрах нормального распределения. Критерий согласия квадрат, критерии Колмогорова, Смирнова, Вилкоксона, Омега-квадрат. Понятие выборочного контроля. Планы контроля по качественному и количественному признаку. Понятие многократного измерения. Алгоритмы обработки многократных измерений для случая, когда измеряемая величина представляется математической моделью в форме обобщенного ряда Фурье. Обработка косвенных измерений.
Точечная и интервальная оценка результата обработки многократных измерений.
Тема 3. Прикладная метрология Основные задачи прикладной метрологии: экспериментальная оценка качества результатов измерений, поверка и калибровка средств измерения, установление рациональной номенклатуры СИ, разработка и аттестация методик выполнения измерений, метрологическая экспертиза нормативно-технической, конструкторской и технологической документации, метрологическое обеспечение производства, испытаний и эксплуатации технических изделий и т.д. Поверка средств измерения. Государственные и локальные схемы поверки. Теоретические основы поверки. Методики поверки. Показатели качества поверки. Аттестация средств измерения. Понятие метрологического обеспечения. Организационные, научные и методические основы метрологического обеспечения. Процедуры выбора рациональной совокупности контролируемых параметров и средств измерения.
Организация и содержание работ по метрологическому сопровождению и экспертизе работ по проектированию, подготовке производства, производству и эксплуатации технических изделий и систем. Метрологическое обеспечение испытаний.
Тема 4. Метрология в химии Планирование химического эксперимента. Статистическая обработка результатов химического анализа. Стандарты чистоты химических реактивов.
Стандартные методы анализа.
Тема 5. Правовые основы метрологии и стандартизации Основные положения Закона РФ об обеспечении единства измерений.
Структура и функции метрологической службы. Государственный метрологический контроль и надзор. Калибровка и сертификация средств измерения. Структура и функции метрологической службы предприятия, организации, учреждения, являющиеся юридическими лицами.
Перечень лабораторных работ Тема 4. Метрология в химии Работа 1. Калибровка мерной посуды 5. Элек тронно-вычислительная техника и технические средства обучения, используемые на занятиях В ходе изучения курса предусмотрено использование компьютера для выполнения статистических и иных расчетов.
6. Литература (в скобках указан шифр библиотеки ТвГУ) 1. Муравьев С.В. Общая теория измерений. М.: Высшая школа, 2003.
2. Радкевич Я.М., Схиртладзе А.Г., Лактионов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация. М.: Высшая школа, 2003.
3. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.:
Высшая школа, 2002. 348 с.
4. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. М.: высшая школа, 2002. 205 с.
5. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация. М.:
Высшая школа, 2002. 422 с.
6. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие для вузов. М.: Логос, 2000.
7. Кузнецов В.А., Якунина Г.В. Метрология (Теоретические, прикладные и законодательные основы): Учебное пособие. М.: Издательство стандартов, 1998.
8. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учебник для вузов / Под ред. акад. Н.С. Соломенко. М.: Издательство стандартов, 1990. 342 с.
9. Маркин Н.С., Ершов В.С. Метрология. Введение в специальность: Учебное пособие.
М.: Издательство стандартов, 1991. 208 с.
10. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Стандарты, 1985. 256 с.
11. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации и метрологии: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДИАНА, 1999.
12. Тюрин Н.И. Введение в метрологию. Учебное пособие, М.: Издательство стандартов, 1985.
13. Сергеев А.Г., Латышев М.В. Сертификация: Учебное пособие для студентов вузов.
М.: Логос, 1999.
14. Широков К.П., Богуславский М.Г. Международная система единиц (СИ). М.:
Издательство стандартов,1984. 112 с.
15. Шостьин Е.А. Очерки истории русской метрологии ХIX - начало ХХ века.- М.:
Издательство стандартов, 1990. 280 с.
16. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Д. Качество измерений:
Метрологическая справочная книга. Л.: Лениздат, 1987. 295 с.
17. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерность. М.: Наука, 1988. 178 с.
18. Д.И.Менделеев - основоположник современной метрологии / Под ред. В.В.
Бойцова. М.: Издательство стандартов, 1978. 239 с.
19. Деньгуб В.М., Смирнов В.Г. Единицы величин: Словарь-справочник. М.:
Энергоатомиздат,1990. 240 с.
20. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1991. 176 с.
21. Медведев А.М. Международная стандартизация. М.: Издательство стандартов, 1989. 120 с.
22. Исаев Л.К., Малинский В.Д. Метрология и стандартизация в сертификации. М.:
Издательство стандартов, 1996.
23. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М.: Энергоатомиздат, 1986. 448 с.
24. Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике:
Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1990. 176 с.
25. Основные понятия в области метрологии, стандартизации и сертификации. М.:
Издательство стандартов, 1995. 248 с.
26. Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник / Под ред. Ю.В.
Тарбеева. М.: Издательство стандартов, 1989. 113 с.
27. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/ Под ред. Е.М.
Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 480 с.
28. Хофман Д. Техника измерений и обеспечение качества. М.: Энергоатомиздат, 1983.
29. Основы стандартизации / Под ред. В.В. Ткаченко.- М.: Издательство стандартов, 1986. 328 с.
30. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. 262с.
31. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с. (54(078)/А95).
32. Буйташ П., Кузьмин Н.М., Лейстнер Л. Обеспечение качества результатов химического анализа. М.: Наука, 1993. 168 с.
33. Дерффель К. Статистика в аналитической химии. М.: Мир, 1994. 268 с.
34. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. М.:
Издательство стандартов, 1991. 288 с.
35. Катеман Г., Пийперс Ф.В. Контроль качества химического анализа. Челябинск:
Металлургия, 1989. 447 с.
36. Коростелев П.П. Лабораторная техника химического анализа. М.: Химия, 1981.
(Г4с/К68).
37. Методы получения особо чистых неорганических веществ. Л.: Химия, 1969. 480 с.
(6П72/М54).
38. Измерение электрических и неэлектрических величин. Учебное пособие / Евтихиев Н.Н., Купершмидт А.Я., Папуловский В.Ф. и др. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.
М.: Наука, 1970. 720 с.
40. Любимов Л.И., Форсилова И.Д., Шапиро Е.З. Поверка средств электрических измерений : Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 296 с.
41. Мейдза Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М.: Мир, 1990. 336 с.
42. Методы электрических измерений: Учебное пособие для вузов / Под ред. Э.И.
Цветкова. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.
43. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники / Под ред.
В.А. Кузнецова. М.: Радио и связь, 1990. 240 с.
44. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров. М.: Мир, 1990. 336 с.
45. Рейх Н.Н., Тупиченков А.А., Цейтлин В.Г. Метрологическое обеспечение производства / Под ред. Л.К. Исаева. М.: Издательство стандартов, 1987. 248 с.
46. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М.: Химия. 1980. 280 с. (Гв 647.2/Р83).
47. Чарыков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа. Л.:
Химия, 1984. (Г4-2/Ч23).
48. Спиридонов В.П., Лопаткин А.А. Математическая обработка физико-химических данных. М.: МГУ, 1970. 221 с. (51/С 72).
49. Шараф М.А. Хемометрика. Л.: Химия, 1989. (Г4в641/Ш25).
50. Шаевич А.Б. Аналитическая служба как система. М.: Химия, 1981. 264 с.
51. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.
52. Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К.К. Илюнина. Л.:
Энергоатомиздат, 1987. 512 с.
53. Федоров А.М., Цыган Н.Я., Мичурин В.И. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин : Справочная книга. Л.:
Энергоатомиздат, 1988. 208 с.
54. Электрические измерения : Учебное пособие для вузов / Под ред. В.Н.
Малиновского. М.: Энергоатомиздат, 1985. 416 с.
55. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.
56. Винник В.П., Артемьев Б.Г. Метрологический надзор. М.: Издательство стандартов,
УТВЕРЖДАЮ
Тема 1. Введение в метрологию Лекция 1. Введение в метрологию Тема 2. Теоретические основы Лекция 2. Основные понятия Тема 3. Прикладная метрология Лекция 4. Прикладная метрология метрологии и стандартизации метрологии и стандартизации Лабораторная работа. Калибровка спектрофотометра Реактивы: стандартный раствор для калибровки спектрофотометра – 0,0400 г/л K2CrO в 0,05 М водном растворе KOH.
Оборудование: спектрофотометр СФ-26, кварцевые кюветы с толщиной слоя 1 см – шт.
СФ-26 – однолучевой спектрофотометр, предназначенный для получения спектров в диапазоне от 186 до 1100 нм. Прибор имеет два источника излучения и два фотоэлемента. Для работы в ультрафиолетовом диапазоне (186 – 350 нм) используется дейтериевая лампа и сурьмяно-цезиевый фотоэлемент. Для работы в видимом диапазоне (340 – 1100 нм) используется галогенная лампа и кислородно-цезиевый фотоэлемент.
Включение прибора Установите переключателями лампу и фотоэлемент, необходимые для работы.
Обозначения на панелях прибора: «Д» – дейтериевая лампа, «Н» – галогенная лампа, «Ф» – сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, «К» – кислородно-цезиевый. Закройте фотоэлемент, поставив ручку в положение «ЗАКР». Включите прибор в сеть, желательно через стабилизатор напряжения. Включите тумблер «СЕТЬ». Должны загореться сигнальная лампа «СЕТЬ» и сигнальная лампа источника излучения – «Д»
или «Н». Выждите около 1 часа для прогрева прибора. Установите ручку «КОМПЕНСАЦИЯ» на «0». Установите нужное значение длины волны. Установите переключатель «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ» в положение «1». Установите на пути светового потока кювету с водой. Установите переключатель «ОТСЧЕТ» в положение «1». Ручкой «НУЛЬ» установите стрелку прибора на 0 % пропускания. Откройте фотоэлемент ручкой «ОТКР». Ручкой «ЩЕЛЬ» установите стрелку на 100 % пропускания. Закройте фотоэлемент ручкой «ЗАКР». Установите на пути светового потока кювету с исследуемым раствором. Откройте фотоэлемент ручкой «ОТКР».
Запишите показания прибора.
Проверка работы прибора Работу спектрофотометра обычно проверяют по щелочному раствору K2CrO4, содержащему 0,0400 г/л K2CrO4 в 0,05 М растворе KOH1. Для проверки работы прибора запишите спектр этого раствора в кварцевой кювете с толщиной слоя 1 см. Значения пропускания T и оптической плотности A, соответствующие нормальной работе прибора приведены в таблице.
Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М.: Мир, 1976. С. 237.
Вопросы по работе:
1. Каков механизм взаимодействия электромагнитного излучения УФ и видимого диапазона с молекулами ковалентных соединений? С ионами металлов?
2. Какие основные типы спектральных приборов для работы в УФ и видимом диапазоне Вы знаете? Для решения каких задач они применяются? В чем принципиальное различие их конструкции?
3. Почему для проверки работы спектрофотометра используют кварцевые, а не стеклянные кюветы?
«