Отработка методик проверки фотоэлектрических колориметров

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра оптики

Дипломная работа

ОТРАБОТКА МЕТОДИК ПОВЕРКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛОРИМЕТРОВ

Исполнитель:

студентка группы Ф-54пр

С.Л. Гайдаш

Научный руководитель:

к. ф.-м. наук, доцент

Н.А. Алешкевич

Гомель 2011

РЕФЕРАТ

Дипломная работа: 58 страниц, 13 рисунков, 7 таблиц, 15 источников

Ключевые слова: исследуемый раствор, концентрация, методы, метрологические характеристики, поверка, средства измерений, фотоэлектрический колориметр

Предмет исследования: методы поверки фотоэлектрического колориметра.

Метод исследования: теоретический анализ, экспериментальные исследования.

Цель дипломной работы: изучение метрологических характеристик фотометрических методов анализа, их методического и технического обеспечения, методик поверки фотоэлектрических колориметров и разработка лабораторной работы по поверке фотоэлектрического колориметра КФК-2МП.

В данной дипломной работе рассмотрены оптические измерительные приборы. Наиболее используемыми в наше время приборами являются фотометры и спектрометры.

Фотометрические методы - одни из самых распространённых и давно используемых физико-химических методов, которые не требуют сложного, дорогостоящего оборудования, в то же время характеризуются высокой чувствительностью, широкой номенклатурой определяемых фотометрическими методами органических и неорганических веществ. Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. Для поддержания требуемой точности измерений необходима периодическая поверка используемых приборов. Для будущих физиков-метрологов важное значение имеет знание метрологических характеристик методов анализа, а также приобретение навыков и умений по поверке средств измерений.

Выводы: в дипломной работе приведены методы и средства фотометрического анализа, их метрологические характеристики, а так же устройство, оптическая схема и принцип работы фотоэлектрического колориметра КФК-2МП. Работа содержит разработку лабораторной работы по поверке фотоэлектрического колориметра КФК-2МП и лабораторную работу по определению концентрации веществ в раствор с помощью фотоэлектроколориметра.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

.1 Оптические измерения. Общие положения

.2 Фотометрические приборы

. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

.1 Фотометрические методы анализа

.2 Фотометрические методы определения концентрации вещества в растворе

.2.1 Метод градуировочного графика

.2.2 Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов

.2.3 Методы определения вещества без использования калибратора

.3 Метрологические характеристики фотометрических методов

2.4 Оборудование для фотометрических измерений

. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛОРИМЕТРА КФК-2МП

3.1 Назначение фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

3.2 Принцип действия и оптическая принципиальная схема КФК-2МП

3.3 Устройство и работа составных частей колориметра

3.4 Общие указания по эксплуатации фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

.5 Порядок работы на фотоэлектрическом колориметре КФК-2МП

.6 Операции при техническом обслуживании КФК-2МП

.7 Общие замечания при работе на фотоколориметрах

. МЕТОДИКА ПОВЕРКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛОРИМЕТРА КФК-2МП

.1 Операции и средства поверки фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

.2 Условия поверки и подготовка к ней (требования безопасности)

.3 Проведение поверки

.4 Оформление результатов поверки фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца 19-го века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг. Он выразил значение измерений для науки следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

Особенно возросла роль измерений в наш век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космонавтики.

В данной дипломной работе были рассмотрены оптические измерительные приборы. Наиболее используемыми в наше время приборами являются фотометры и спектрометры.

Фотометрические методы - одни из самых распространённых и давно используемых физико-химических методов, которые не требуют сложного, дорогостоящего оборудования, в то же время характеризуются высокой чувствительностью, широкой номенклатурой определяемых фотометрическими методами органических и неорганических веществ. Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. Для поддержания требуемой точности измерений необходима периодическая поверка используемых приборов. Для будущих физиков-метрологов важное значение имеет знание метрологических характеристик методов анализа, а также приобретение навыков и умений по поверке средств измерений.

Цель дипломной работы: изучение метрологических характеристик фотометрических методов анализа, их методического и технического обеспечения, методик поверки фотоэлектрических колориметров и разработка лабораторной работы по поверке фотоэлектрического колориметра КФК-2МП.

1. ОСНОВЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

.1 Классификация оптических измерительных приборов

Оптические измерительные приборы чрезвычайно разнообразны. По количеству типов оптических приборов их можно сопоставить с электроизмерительными. На самом деле, очень многие приборы из других видов измерения - из механики, из теплофизики, из физико-химии - в качестве оконечного каскада или в качестве первичного датчика имеют те или иные оптические детали.

Оптическим считается метод или прибор, регистрирующий электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом, т.е. электромагнитные колебания с длинами волн от 760 нм до 350 нм. Однако развитие науки о свете привело к тому, что под оптическими задачами стали понимать измерение в более длинноволновой области - инфракрасное излучение - и в более коротковолновой области - ультрафиолетовое излучение. Соответственно, расширилось число методов и приборов, которые являются прерогативой оптиков. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что в оптическом приборостроении и в оптических исследованиях последних десятилетий оптическая наука прирастала в основном крайними, т. е. инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) областями спектра. Поэтому сейчас под оптическими приборами и методами подразумевают практически все, что «родом» из видимого человеческим глазом электромагнитного излучения.

Оптические измерительные приборы можно разделить на классы, например, так, как показано на схеме рисунка 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация оптических измерительных приборов

Фотометрические оптические приборы - это класс оптики для изменения световых потоков и величин, непосредственно связанных со световыми потоками: освещенности, яркости, светимости и силы света. Фотометры целесообразно разделять на традиционно оптические, измеряемые характеристики в которых имеют чувствительность, соответствующую чувствительности человеческого глаза, и так называемые фотометры энергетических фотометрических величин, т. е. те же характеристики безотносительно к чувствительности глаза человека. Естественно, что в энергетических фотометрах величины выражаются не в люменах, люксах, а в единицах механических:

в ваттах на метр квадратный - энергетическая освещенность [Вт/м2];

в ваттах на стерадиан - энергетическая сила света [Вт/ср];

в ваттах с квадратного метра - энергетическая светимость [Вт/м2];

в ваттах с квадратного метра на стерадиан - энергетическая яркость [Вт/м2ср].

Спектральные оптические приборы - огромный класс оптической техники, для которого общим является разложение электромагнитного излучения в спектр по длинам волн. Существуют спектроскопы - визуальные приборы, монохроматоры - приборы, выделяющие излучения на какой-либо фиксированной длине волны, полихроматоры, выделяющие излучение на нескольких длинах волн, спектрографы - регистрирующие весь спектр монохроматического излучения. Если в приборе кроме разложения излучения в спектр имеется возможность измерения каких-либо энергетических характеристик электромагнитного излучения, то такой прибор называется спектрофотометром или квантометром.

Интерферометрами называют приборы, в которых основной измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания. Именно такой подход позволил создать самые точные на данный момент средства измерения, реально позволяющие измерять величины с погрешностями в 11-12 знаке. Именно поэтому интерферометры применяются в основном для решения задач, требующих от приборов предельно высокой точности, например, в эталонах, в обслуживании уникальных научных программ, в реализации сверхчувствительных методов анализа состава вещества и т.п.

Другие классы оптических приборов, представленные на схеме рисунка 1.1 не так обширны, как фотометры и спектрометры. Тем не менее, они выделены вследствие того, что у них определяющим является специфическое физическое явление.

В поляриметрах используется такое волновое свойство света, как поляризация, т. е. определенная ориентация колебаний электромагнитной волны относительно направления распространения. Многие вещества обладают свойствами изменять направление поляризации. На этом принципе работают так же приборы для анализа состава веществ и материалов.

Рефрактометры - приборы для измерения показателя преломления твердых тел, жидкостей и газов. В них используется изменение направления пучка света на границе раздела двух сред. Эти приборы используются в качестве индикаторов в хроматографах, в многочисленных метеорологических приборах специального назначения, в газовом анализе и т. д.

Гониометры - приборы для угловых измерений - в большинстве своем представляют собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена отсчетным угловым лимбом. Таким прибором можно измерять углы, последовательно наводя оптическую ось на два раздельных объекта. Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя зрительными трубами. Гониометры широко применяются в топографии, в военной технике, в геодезических работах.

Измерительные микроскопы представляют собой приборы для увеличения видимых размеров (или углов наблюдения) различных объектов и измерения размеров увеличенных деталей. В разделе «Механические измерения» рассматривались два типа такой измерительной техники: это измеритель длин ИЗА и микроскоп Линника - прибор для измерения шероховатости поверхностей. Наиболее массовыми приборами такого типа являются обычные микроскопы, снабженные окуляр-микрометром. Это позволяет оценивать размеры объема при непосредственном наблюдении его через микроскоп. Такими приборами широко пользуются врачи, биологи, ботаники и вообще все специалисты, работающие с небольшими объектами.

Приборы для измерения собственного теплового излучения тел называются пирометрами (от слова «пиро» - огонь). В этих приборах используются законы излучения нагретых тел - закон Планка, закон Стефана-Больцмана, закон Вина, закон Релея-Джинса.

1.2 Фотометрические единицы измерений

Термин «фотометрия» образован от двух греческих слов: «фос» - свет и «метрео» - измеряю. В измерительных приборах, регистрирующих область спектра, видимую человеческим глазом (? = 350 - 760 нм) важно не только измерить энергетические характеристики, но и изготовить прибор таким образом, чтобы его чувствительность к излучению соответствовала бы чувствительности человеческого глаза. Такие приборы измеряют оптические величины в оптических единицах, основной из которых является кандела (свеча). Сила света определяется как энергия потока, видимого человеческим глазом, т. е. механическая энергия, умноженная на видимость глаза, распространяющая в единичном телесном угле, т. е.

, (1.1)

где I - сила света; Ф - световой поток; ? - телесный угол.

Если сила света выражена в канделах, а телесный угол в стерадианах, то световой поток выразится в люменах.

Освещенность какой-либо поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, есть поверхностная плотность светового потока, т. е.

, (1.2)

где Е - поверхностная плотность светового потока; Ф - световой поток; S - площадь поверхности.

Связь освещенности и силы света дается фундаментальным законом фотометрии, который говорит о том, что освещенность от точечного источника изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности, т. е.

(1.3)

где ? - угол между нормалью к поверхности и направлением распределения света. Освещенность выражается в люменах. Если поставлена задача охарактеризовать фотометрические параметры самосветящегося объекта (нити накаливания лампы, экрана монитора, колбы люминесцентной лампы и т. д.), то измерять следует величину, называемую светимостью:

(1.4)

где dS - элемент светящейся поверхности. Светимость в оптических единицах выражается в люменах с квадратного метра (лм/м2 ).

Еще одной распространенной оптической физической величиной, измеряемой на практике, является яркость. Яркость определяется для светящегося объекта как сила света с единицы поверхности, перпендикулярной лучу:

(1.5)

Рисунок 1.2 - К определению яркости: а) самосветящаяся поверхность; б) поверхность, освещенная сторонним источником света

Для поверхности, освещенной сторонним источником света, яркость определяется как отношение освещенности поверхности к телесному углу, опирающемуся на эту поверхность, и имеющему вершину в точке наблюдения:

(1.6)

Еще одно определение яркости относится к лучу света безотносительно к тому, является он исходящим от самосветящейся поверхности или падает на какую-либо поверхность. Яркость элементарного луча определяется как освещенность, которую он создает на перпендикулярной к нему поверхности в единичном телесном угле, который он заполняет:

(1.7)

В тех случаях, когда создаются приборы, работающие в инфракрасном или в ультрафиолетовом диапазонах, вместо оптических единиц, как уже указывалось, используются механические единицы, т. е. мощность измеряется в ваттах, энергетическая освещенность - в ваттах на квадратный метр, энергетическая сила света - в ваттах на стерадиан, энергетическая яркость - в ваттах на метр квадратный на стерадиан. Связь между относительными фотометрическими единицами осуществляется использованием понятия механического эквивалента света и функции видимости человеческого глаза. Напомним, что механический эквивалент света есть мощность светового потока на длине волны 555 мкм, равная 1 Вт механической энергии. В оптических единицах эта мощность равна 683 люмена, т. е.

(1.8)

В приборах для измерения силы света - свечемерах - используется закон измерения освещенности в зависимости от расстояния. В этом случае сила света какого-либо источника измеряется сравнением (компарированием освещенности, создаваемой этим источником с освещенностью, создаваемой источником, с известной силой света I). Схема подобного прибора дана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Оптическая схема свечемера: ФП - фотоприемник; Л1 - эталонная лампа; Л2 - измеряемая лампа; D - диафрагмы; Э - черные экраны.

Перемещением экрана и лампы добиваются равенства сигналов с фотоприемника при освещении обеими лампами. Затем измеряют расстояние r1 и r2, соответствующие этому положению. Сила света источника I2 находится из очевидного равенства:

(1.9)

Существует достаточное количество различных реализаций этого метода как по компарированию ламп с различным спектральным составом излучения, так и с различными интенсивностями. Вместо фотоприемника часто используют какое-либо визуальное устройство, и равенство освещенностей фиксируют без измерений фототоков.

Тот же самый принцип в отношении измерения силы света мощных источников или при большом расстоянии от источника света до фотоприемника реализован в так называемом телеметрическом методе. Сущность этого метода основана на выделении и измерении светового потока ?Ф, распространяющегося от источника в пределах малого телесного угла ?? и определения таким образом силы света в соответствующем направлении. Рисунок 1.4 поясняет сущность телеметрического метода.

Рисунок 1.4 - Телецентрический метод измерения силы света

На рисунке 1.4 показан телецентрический метод измерения силы света, где И - источник света; ?? - телесный угол наблюдения; D - диафрагма; ФЭ - фотоэлемент; ИП - электроизмерительный прибор.

Излучение источника И, силу света которого надо определить, падает на положительную линзу Л, оптическая ось которой совпадает с направлением измеряемой силы света. В фокальной плоскости F устанавливается диафрагма D с площадью отверстия S, равной ?. Телесный угол, в пределах которого лучи, падающие на линзу Л, достигнут фотоэлемента, равен ??=?/f2, где f - фокусное расстояние линзы. Фототок в цепи фотоэлемента должен быть пропорционален световому потоку ?Ф, используемому в пределах постоянного для данного прибора телесного угла ??. В этом случае фототок равен

(1.10)

где К - постоянный коэффициент, I - искомая сила света.

Коэффициент К определяется при градуировке, и шкала электроизмерительного прибора комбинируется непосредственно в единицах силы света - в канделах или в ваттах на стерадиан.

Для измерения светового потока проводят измерения освещенности внутренней поверхности белого матового шара. Если в фотометрическом шаре между источником света, поток от которого нужно измерить, и фотоприемником установить экран Э, то освещенность в точке расположения фотоприемника пропорциональна полному световому потоку:

(1.11)

где ? - коэффициент отражения внутренней поверхности шара; r - радиус шара; а - фотометрическая константа шара - коэффициент пропорциональности между величиной светового потока от источника и освещенностью поверхности фотоприемника. В большинстве практических случаев коэффициент а определяется экспериментально измерениями светового потока источника с известными значениями полного светового потока.

Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях - в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических измерений и т.д.

Люксметры по принципиальной схеме являются наиболее простыми из всех фотометрических приборов. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора. Необходимым условием правильности показаний люксметра является соответствие спектральной чувствительности фотоприемника функции видимости человеческого глаза, т. е. максимальная чувствительность должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до 380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может быть проградуирована в люксах.

При создании фотометров для измерения энергетической освещенности в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях в приборы устанавливаются светофильтры, выделяющие определенный участок спектра излучения. Приборы для измерений энергетических потоков в инфракрасной области называют радиометрами, поскольку они, как правило, измеряют суммарный поток инфракрасного излучения. Поскольку связь общей энергии теплового излучения с температурой дается законом Стефана-Больцмана, показания спектрофотометров зависят от того, какой источник света освещает данный объект. В большинстве случаев приборы градуируются для освещения лампами накаливания, т. н. Источник типа А. Если объект освещен другими типами источников, например люминесцентными лампами или ртутными дуговыми лампами, то показания по шкале люксметра можно исправить с помощью поправочного коэффициента N, на который нужно умножить результат, чтобы найти правильное значение измеряемой освещенности. Значения поправочного коэффициента N для наиболее часто используемых источников света приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Поправочные коэффициенты для измерения энергетических потоков источников света с различными цветовыми температурами

Цветовая температура источника света, К2360285631003250340048005800Поправочный коэффициент, N1,0031,000,990,9750,9730,8430,78

Для измерения яркости в соответствии с 1.5 - 1.7 необходимо измерить энергию светового пучка, ограниченного двумя диафрагмами. Для реализации этого яркомер содержит, как правило, ахроматический объектив, проектирующий изображение объекта в плоскость диафрагмы D, за которой устанавливают фотоприемник. Схема яркомера дана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Оптическая схема яркомера

Прибор, построенный по такой схеме, реагирует на световой поток, исходящий с поверхности определяемого размера dS под определенным углом d?. Следовательно, регистрируемый фототок будет пропорционален яркости объекта, и прибор может быть проградуирован в единицах яркости. На практике яркомеры имеют визирное устройство, позволяющее видеть глазом тот участок поверхности, яркость которого измеряется.

При измерении яркости протяженных самосветящихся объектов можно воспользоваться прибором для измерения освещенности - люксметром,- расположив его непосредственно на светящейся поверхности. В этом случае фотоприемник соберет все излучение объекта, исходящее в телесном угле в 2? стерадиан, и яркость самосветящейся поверхности будет отличаться от освещенности на 2?, т. е.

(8.12)

Этим способом часто пользуются на практике. Существуют также промежуточные приборы, проградуированные в единицах яркости, хотя по своей схеме они идентичны обычным люксметрам.

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

.1 Фотометрические методы анализа

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбционных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

. Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

. Молекулярный абсорбционный анализ, т.е. анализ поглощения света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).

. Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).

. Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют существенные различия.

Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучения молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E1 в более высокое энергетическое состояние Е2. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих молекул. Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ?Е между квантовыми энергетическими уровнями в конечном (E2) и начальном (E1) состояниях поглощающей молекулы:

(2.1)

где h - постоянная Планка (h = 6,625×10-34 Дж·с); ? - частота поглощаемого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выражается отношением скорости распространения излучения с (скорости световой волны в вакууме с = 3×108 м/с) к длине волны ?;

(2.2)

Частота излучения ? измеряется в обратных секундах (с-1), герцах (Гц). 1 Гц = 1 с-1.

Длина волны ? измеряется в ангстремах (1 Å = 1×10-10 м), микрометрах или микронах (1 мкм = 1 мк = 1×10-6 м), нанометрах или миллимикронах (1 нм = 1 ммк = 10 Å = 1×10-9м).

Энергия излучения характеризуется электромагнитным спектром, охватывающим область от километровых радиоволн до десятых долей ангстрема ?-излучения и космических лучей. Для характеристики участка спектра часто используют также волновое число ?, которое показывает, какое число длин волн приходится на 1см пути излучения в вакууме, и определяется соотношением: ? = 1/?.

Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (10-400нм) и видимой (400-760нм) областях спектра одинакова и связана главным образом с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфракрасной области (0,8-1000 мкм) она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.

В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрический метод - анализ по поглощению монохроматического света и фотоколориметрический - анализ по поглощению полихроматического (немонохроматического) света в видимой области спектра. Оба метода основаны на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.

Фотометрические методы подразделяют на:

1) Прямые.

) Косвенные.

В прямых методах определяемый ион М с помощью реагента R переводят в светопоглощающее соединение MR, а затем измеряют интенсивность светопоглощения раствора этого соединения.

При косвенных определениях используют вспомогательные соединения, которые при взаимодействии с определяемым веществом либо разрушаются сами, либо образуют новые светопоглощающие соединения.

Основные закономерности светопоглощения. При прохождении через слой вещества (раствора) светового потока с интенсивностью I0 его интенсивность в результате поглощения в слое, отражения и рассеяния уменьшается до значения I. Интенсивности падающего светового потока I0 и светового потока I, прошедшего через раствор, можно определить экспериментально. При относительных измерениях поглощения света истинными растворами потерями излучения вследствие отражения и рассеяния обычно пренебрегают.

Связь между интенсивностями световых потоков I0 и I устанавливается законом Бугера-Ламберта, согласно которому однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии (при постоянной концентрации растворенного вещества).

Математически этот закон выражается уравнением экспоненциальной зависимости:

(2.3),

где а - коэффициент поглощения; l - толщина поглощающего слоя.

Пропусканием называют отношение

, (2.4)

Значения пропускания могут изменяться от 0 до 1. Часто эту величину выражают в процентах. Если величина Т отнесена к толщине слоя в 1 см, то ее называют коэффициентом пропускания.

Поглощение излучения характеризуют оптической плотностью:

(2.5)

Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической плотностью lg(10/1) выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного вещества при постоянной толщине слоя:

(2.6)

где k1 - коэффициент пропорциональности; С - концентрация растворенного вещества.

Зависимость интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока света, концентрации окрашенного вещества и толщины слоя раствора определяется объединенным законом Бугера-Ламберта-Бера, который является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:

(2.7)

где k - коэффициент светопоглощения, зависящий от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны света.

Если концентрация С выражена в молях на литр, а l - в сантиметрах, то k представляет собой молярный коэффициент светопоглощения при длине волны ? и обозначается ??. В таком случае уравнение примет вид:

(2.8)

При соблюдении основного закона светопоглощения оптическая плотность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:

D = ??Сl (2.9)

При графическом изображении зависимости оптической плотности от концентрации (при постоянном значении l) получается прямая линия. Эта прямая проходит через начало координат при отсутствии поглощения света растворителем и систематических погрешностей.

Рисунок 2.1 - Зависимость оптической плотности от концентрации раствора (градуировочный график)

Уравнения (2.8) и (2.9) выведены для монохроматического света, т.е. света определенной длины волны, который может быть выделен при помощи специального оптического устройства - монохроматора. В фотоколориметре измерение интенсивности световых потоков производят не в монохроматическом, а в полихроматическом свете, т.е. на довольно широком участке спектра - в интервале длин волн 20-100 нм.

В этом случае в уравнении 2.8 вместо молярного коэффициента светового поглощения ?? можно использовать значение среднего молярного коэффициента светопоглощения (?ср), зависящие от ширины полосы пропускания светофильтра (?cp < ??).

2.2 Фотометрические методы определения концентрации вещества в растворе

Фотометрические методы определения концентрации растворов основаны на сравнении поглощения при пропускании света стандартными и исследуемыми растворами. Степень поглощения света фотометрируемым раствором измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому (контрольному) раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавленные компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым веществом окрашенное соединение. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

.2.1 Метод градуировочного графика

Для определения содержания вещества методом градуировочного (калибровочного) графика готовят серию из 5-8 стандартных растворов разных концентраций (не менее 3 параллельных растворов для каждой точки).

При выборе интервала концентраций стандартных растворов руководствуются следующими положениями:

а) интервал должен охватывать область возможных изменений концентрации исследуемого раствора; желательно, чтобы оптическая плотность исследуемого раствора соответствовала примерно середине градуировочной кривой;

б) желательно, чтобы в этом интервале концентраций при выбранных толщине кюветы l и аналитической длине волны ?, (в большинстве случаев ? = ?макс светопоглощающего соединения) соблюдался основной закон светопоглощения, т.е. график D = f(C) был линейным;

в) интервал рабочих значений ?, соответствующий интервалу стандартных растворов, должен обеспечивать максимальную воспроизводимость результатов измерений.

При совокупности перечисленных условий измеряют оптические плотности стандартных растворов относительно растворителя и строят график зависимости D = f(C). Полученная кривая называется градуировочной или калибровочной и имеет вид прямой выходящей из начала координат. Экстраполировать калибровочную прямую к значениям оптических плотностей, лежащим выше последней экспериментально полученной точки, не рекомендуется. Периодически (раз в неделю или реже) калибровочную кривую проверяют по 2-3 свежеприготовленным стандартным растворам. Калибровочные графики, построенные с реактивами разных партий, как правило, не совпадают. Поэтому при смене реактивов график необходимо построить заново. График, построенный при работе на одном приборе, нельзя использовать для расчетов результатов, полученных на другом.

Определив оптическую плотность опытного раствора Dх, находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс - соответствующее ей значение концентрации Сх.

Этот метод применяют при выполнении серийных фотометрических анализов. Он дает хорошие результаты при соблюдении основного закона светопоглощения.

В отличие от других фотометрических методов, метод градуировочного графика позволяет определить концентрацию окрашенных растворов даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. Для построения градуировочной кривой в этих случаях приготавливают значительно большее число стандартных растворов, отличающихся друг от друга по концентрации не более чем на 10%. Такой градуировочный график, имеющий на пологом участке угол наклона не менее 15°, все же позволяет проводить фотометрические измерения, несмотря на то, что между концентрацией раствора и его оптической плотностью нет линейной зависимости. Воспроизводимость определений в этом случае ниже, чем в случае линейной зависимости D = f(C).

2.2.2 Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов

Для определения концентрации вещества берут аликвотную часть исследуемого раствора, приготавливают из нее окрашенный раствор для фотометрирования и измеряют его оптическую плотность. Затем аналогично приготавливают 2-3 стандартных окрашенных раствора определяемого вещества известной концентрации и измеряют их оптические плотности при той же толщине слоя (в тех же кюветах).

Значение оптической плотности исследуемого раствора равно:

Dх = ??Cxlx (2.10)

Значение оптической плотности стандартного раствора равно:

Dст = ??Сстlст (2.11)

Разделив одно выражение на другое получим:

(2.12)

Так как lх = lст, ?? = const, то

(2.13)

Метод сравнения применяют при однократных определениях; он требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

Существует и другой более точный способ определения неизвестной концентрации Сх, называемый методом ограничивающих растворов. Приготавливают два стандартных раствора с концентрациями C1 и С2 так, чтобы оптическая плотность первого из них D1 была бы меньше оптической плотности Dх исследуемого раствора, а оптическая плотность D2 второго стандартного раствора была бы, наоборот, больше, чем Dх.

Неизвестную концентрацию исследуемого вещества рассчитывают по формуле:

(2.14)

2.2.3 Методы определения вещества без использования калибратора

Фотометрические единицы. В некоторых случаях, когда для метода отсутствует калибратор (например, средние молекулы) для выражения количества вещества используют измеренную плотность, которую переводят в фотометрические единицы (Ед). Для этого плотность умножают на 100.

Например, D = 0,3, ответ в бланке анализа - 30 Ед.

Определение концентрации по молярному показателю поглощения. Определение основано на прямом применении закона Бугера, согласно которому концентрация рассчитывается по формуле:

(2.15)

Концентрация определяется делением измеренной оптической плотности на известный для данного вещества молярный показатель поглощения при длине волны измерения:

(2.16)

При этом следует учитывать разведение образца. Молярный показатель поглощения установлен экспериментально для многих веществ.

2.3 Оборудование для фотометрических измерений

Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. В фотоколориметрах нужные спектральные диапазоны выделяются при помощи светофильтров, ограничивающих участки спектра, в которых могут проводится измерения. В спектрофотометрах участки спектра выделяются при помощи призм или дифракционных решеток, что позволяет устанавливать любую длину волны в заданном диапазоне.

Конкретная последовательность операций при измерении оптической плотности или пропускания зависит от конструкции спектрофотометра или фотоколориметра.

Однако основные принципы остаются неизменными. Сначала устанавливают необходимую длину волны, выбирая светофильтр на фотоколориметре или вращая соответствующую рукоятку на спектрофотометре. Затем устанавливают нуль. Для этого в световой поток помещают кювету со стандартным раствором. Изменяя ширину щели, добиваются того, чтобы показания прибора соответствовали величине, предусмотренной инструкцией. На следующем этапе стандартный раствор заменяют исследуемым и производят отсчет величины оптической плотности или пропускания.

Спектрофотометры. Современные спектрофотометры позволяют работать с высокомонохроматизированным потоком излучения. Они применяются для концентрационного анализа и при изучении спектров поглощения веществ.

Устройство и принцип действия спектрофотометра. Структурную схему спектрофотометра можно представить в виде следующих основных блоков: источник света, монохроматор, кюветное отделение, фотоэлемент, регистрирующее устройство.

Световой пучок от источника света попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой или призмой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через кювету, попадает на фотоэлемент, который преобразовывает световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Монохроматоры. Монохроматор - это оптическая система, выделяющая извсего спектра источника света излучение определенной длины волны. Это обычно призмы, по-разному преломляющие свет разных длин волн, или дифракционные решетки. В видимой области используются обычные стеклянные призмы, но в ультрафиолетовой области они не годятся, поскольку стекло начинает поглощать уже при ? < 400 нм, поэтому призмы делают из кварца.

В качестве монохроматоров применяются также дифракционные решетки, которые представляют собой плоскопараллельную пластину с нанесенными на ней параллельными линиями - бороздками. Белый свет из-за дифракции на параллельных бороздках разлагается на непрерывный спектр. Обычно в монохроматорах сначала выделяют пучок света с определенным диапазоном длин волн с помощью призмы, а затем разлагают его еще раз решеткой. Так получают строго монохроматический свет. Основное достоинство дифракционных решеток состоит в том, что можно увеличивать их разрешающую способность, поскольку она прямо пропорциональна плотности линий. Кроме того, во всем диапазоне длин волн дифракционные решетки имеют линейное разрешение, тогда как разрешение призменного монохроматора с увеличением длины волны уменьшается.

Кюветы. Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворе и помещают в оптически прозрачный сосуд для измерений - кювету. Обычно кюветодержатель имеет ячейки для четырех кювет. Поскольку стекло поглощает ультрафиолетовый свет, для проведения измерений в ультрафиолетовой области спектра используют кварцевые кюветы. Для измерений в видимой области можно использовать пластиковые или стеклянные кюветы. При работе с летучими или химически активными веществами кюветы закрывают крышками.

Поскольку кювета, помещенная в спектрофотометр, становится составной частью его оптической системы, с ней нужно обращаться очень аккуратно. Царапины и грязь на стенках кюветы сильно рассеивают и поглощают свет, искажая результаты измерений. Об этом особенно надо помнить при работе в ультрафиолетовой области. Кюветы можно протирать мягкими тканями, например, из хлопка. Не рекомендуется использовать для этих целей фильтровальную бумагу. Поскольку органические молекулы поглощают в ультрафиолетовой области, ни в коем случае нельзя касаться оптических (прозрачных) стенок кюветы. Раствор лучше заливать в кювету, поставив ее в предварительно вынутый из прибора кюветодержатель. Кюветы довольно хрупки, особенно кварцевые, поэтому работать с ними надо осторожно, не допуская механических повреждений.

Содержимое кюветы должно быть гомогенным - это необходимое условие получения воспроизводимых данных. Нужно следить за тем, чтобы раствор не был мутным. Особенно мешают измерениям пузырьки воздуха, сильно увеличивающие рассеяние. Нельзя наливать в кювету очень холодный раствор, поскольку при этом на наружных стенках кюветы конденсируются пары воды воздуха, и стенки становятся непрозрачными.

Если кюветы загрязнены посторонними примесями, их следует промыть дистиллированной водой и (или) растворителем, в котором растворено исследуемое вещество. Кюветы можно мыть мягкими детергентами. Не рекомендуется мыть кюветы концентрированными кислотами или щелочами, а также другими травящими агентами.

Кюветы нужно заполнять до такого уровня, чтобы поток излучения проходил целиком через слой раствора. Чаще всего используются кюветы с оптическим путем 1 см, в которые обычно заливают 2,5-3 мл раствора. В такие кюветы входит 4-5 мл, но заполняют их полностью лишь в том случае, когда это необходимо. Есть кюветы с оптическим путем 50, 20, 5, 2 и 1 мм.

Фотоэлементы. Фотоэлементы преобразовывают световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

Фотоны, бомбардируя поверхность фотоэлемента, выбивают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности света. Эти электроны летят к положительному электроду. В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток, который регистрируется по падению напряжения на сопротивлении, находящемся в этой цепи. Напряжение можно усилить, и после компенсации такого сигнала потенциометром, отградуированном в единицах поглощения, на датчике регистрируется непосредственно поглощение образца.

Фотоумножители обычно более чувствительны, чем простые фотоэлементы. Это происходит из-за того, что электроны, вылетевшие из фоточувствительного слоя, ускоряются высоким напряжением, а из-за соударений в газе возникают вторичные электроны, что и приводит к возрастанию тока.

Ширина щели. От размера щели зависит диапазон длин волн света, падающего на образец. Поэтому для получения надежных результатов надо работать при минимально узкой для данных условий эксперимента щели. Если щель выбрана правильно, то при изменении ее размеров вдвое показания прибора не меняются.

Обычно нулевое значение поглощения устанавливают щелью, но в хороших спектрофотометрах это делают, изменяя напряжение фотоэлемента. Такая регулировка позволяет работать при постоянной ширине щели.

Фотоэлектроколориметры. Фотоэлектроколориметр - это оптический прибор, в котором монохроматизация потока излучения осуществляется с помощью светофильтров. Более подробно фотоэлектроколориметры будут рассмотрены в главе 3 [1].

Рисунок 2.1 - Фотоэлектрический колориметр КФК-2МП.

3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛОРИМЕТРА КФК-2МП

3.1Принцип действия и оптическая принципиальная схема КФК-2МП

Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП предназначен для измерения в отдельных участках диапазона длин волн 315-980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности жидкостных растворов и прозрачных твердых тел, а также измерения концентрации веществ в растворах после предварительного определения градуировочной характеристики. Колориметр позволяет производить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете, а также активности растворов.

Колориметр применяется на предприятиях водоснабжения, в металлургической, химической, пищевой промышленностях, а так же в сельском хозяйстве, медицине и других областях народного хозяйства.

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока F0, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и потока F, прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки F0, F фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы U0 и U, которые обрабатываются микро-ЭВМ колориметра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации, активности.

С помощью микро-ЭВМ рассчитывается коэффициент, пропускания ? исследуемого раствора по формуле

(3.1)

где UT - величина сигнала при перекрытом световом потоке.

Оптическая плотность D исследуемого раствора рассчитывается по формуле

(3.2)

Измерение концентрации исследуемого раствора на колориметре возможно при соблюдении основного закона светопоглощения, т. е. при линейной зависимости оптической плотности D исследуемого раствора от концентрации С.

Концентрация исследуемого раствора рассчитывается по формулам:

(3.3)

(3.4)

где с, b - коэффициенты, определяемые по градуировочной характеристике.

Активность А рассчитывается по формуле

(3.5)

где D1 и D2 - оптическая плотность исследуемого раствора в начале и в конце измерения; t - время измерения в минутах.

Градуировочная характеристика составляется потребителем по набору растворов с известной концентрацией.

Рассмотрим оптическую принципиальную схему фотоэлектрического колориметра.

Рисунок 3.1 - Схема оптическая принципиальная КФК-2МП

Нить лампы 1 конденсором 2 изображается в плоскости диафрагмы 3 (Ø 2 мм). Это изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость, отстоящую от объектива на расстоянии ~ 300 мм, с увеличением 10х. Кювета 10 с исследуемым раствором вводится в световой пучок между защитными стеклами 9, 11. Для выделения узких участков спектра из сплошного спектра излучения лампы в колориметре предусмотрены цветные светофильтры 8. Теплозащитные светофильтры 6 введены в световой пучок при работе в видимой области спектра 400-590 нм. Для ослабления светового потока при работе в спектральном диапазоне 400-540 нм введены нейтральные светофильтры 7.

Пластина 14 делит световой поток на два:

10% светового потока направляется на фотодиод ФД-24К (12);

90% - на фотоэлемент Ф-26 (15).

Для уравнивания фототоков, снимаемых с фотоприемника ФД-24К при работе с различными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 13 из цветного стекла СЗС-16.

При работе с кюветами 17 малой емкости в кюветное отделение устанавливается приставка 19 для микроанализа. Линзы 18 уменьшают диаметр светового пучка в месте установки микрокювет или пробирки. Линзы 16 восстанавливают световой пучок до первоначального диаметра.

3.2 Устройство фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

Рисунок 3.2 - Общий вид колориметра

Рисунок 3.3 - Вид колориметра сзади

Колориметр состоит из колориметрического 1 (рисунок 3.2) и вычислительного 2 блоков и блока питания 1 (рисунок 3.3).

а) Блок колориметрический.

В колориметрический блок входят:

осветитель;

узел оптический;

светофильтры;

кюветное отделение;

кюветодержатель;

устройство фотометрическое, с усилителем постоянного тока и элементами регулирования.

Осветитель. Конструкция механизма осветителя (рисунок 3.4) обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях для ее правильной установки.

Рисунок 3.4 - Механизм подвижки лампы

Узел оптический. В узел оптический встроены конденсор, диафрагма и объектив.

Светофильтры. Светофильтры вмонтированы в диск. В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 6 (рисунок 3.2). Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется. Спектральные характеристики светофильтров приведены на рисунок 3.5 и в таблице 3.1.

Рисунок 3.5 - Спектральная характеристика светофильтров

Таблица 3.1- Светофильтры колориметра

Маркировка на дискеМаркировка светофильтраДлина волны, соответствующая максимуму пропускания, нмШирина полосы пропускания, ?=0,5 max, нм1315315±535±152340340±10<453400400±545±104440440±1040±155490490±1035±106540540±1025±107590590±1030±108670670±520±59750750±520±510870870±525±511980980±525±5

Кюветодержатель. В кюветодержатель 2 (рисунок 3.6) устанавливают кюветы с растворителем или контрольным раствором и помещают их в кюветное отделение. При микроколориметрировании используется приставка 1 для микроанализа с микрокюветами 3 или пробирками 4. Кюветодержатель устанавливают в кюветное отделение на столик так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны.

Ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется поворотом ручки 4 (рисунок 3.2) до упора влево или вправо (до положения «1» или «2»).

В положении «1» в световой пучок вводится кювета с растворителем, в положении «2» - в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается крышкой 5.

При открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой пучок.

Рисунок 3.6 - Комплект сменных частей и принадлежностей

Устройство фотометрическое. В фотометрическое устройство входят фотоэлемент Ф-26, фотодиод ФД-24К, светоделительная пластинка, усилитель. Переключение фотоприемников осуществляется с помощью ручки 3 (рисунок 3.2).

Усилитель выполнен на печатной плате и устанавливается в колориметр через разъем.

б) Блок питания.

В блоке питания 1 (рисунок 3.3) расположены:

стабилизаторы напряжений с выпрямителями;

силовые трансформаторы.

Блок питания вдвигается по направляющим в колориметрический блок и закрепляется винтами 2. Электрическое соединение блока питания с другими блоками осуществляется через разъем.

На задней стенке блока питания имеется электрошнур с вилкой 6 для включения в сеть, предохранитель 5 (2А) и выключатель сетевого напряжения (тумблер) 4. На вилке имеется заземляющий контакт. Вилка должна подсоединяться к розетке, соединенной с заземляющей шиной.

в) Блок вычислительный.

В вычислительный блок 2 (рисунок 3.2) входит система микропроцессорная «Электроника МС 2703».

На передней панели МПС расположены клавиатура, цифровое табло и два сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24 клавиш. Клавиша ПУСК предназначена для запуска микропроцессорной системы. Клавиши «Ь» и «с» предназначены для вызова на цифровое табло, из памяти МПС значений соответствующих коэффициентов для их контроля или ввода новых значений. Клавиша СБР предназначена для стирания значения вызванного коэффициента (в случае необходимости задания нового значения).

Клавиши «0», «1-9», «-», «,» предназначены для набора на цифровом табло МПС нового значения коэффициента «Ь» или «с».

Клавиша УТВ предназначена для записи в память МПС нового значения коэффициента, набранного на цифровом табло.

Клавший «К (1)», «? (2)», «D (5)», «С (4)» предназначены для выполнения калибровки прибора, измерений коэффициента пропускания, оптической плотности исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе.

Клавиша «A(3)» предназначена для измерения активности.

Клавиша «Ц/Р» предназначена для перевода МПС в один из двух режимов выполнения измерений: режим одиночных измерений или режим циклических измерений. В режиме одиночных измерений измерения выполняются один раз при нажатии соответствующей клавиши; в режиме циклических измерений первое измерение производится при нажатии соответствующей клавиши и затем повторяется циклически с периодом 5с до тех пор, пока МПС не будет переведена в режим выполнения одиночных измерений. Перевод МПС из режима циклических измерений в режим одиночных измерений и обратно происходит при нажатии клавиши «Ц/Р». Сигнальный светодиод «Ц» и сигнальный светодиод «Р» служат для отображения режима измерения. В случае если МПС находится в режиме одиночных измерении, то горит светодиод «Р», в противном случае горит светодиод «Ц». Цифровое табло состоит из 6-ти индикаторов. Первый индикатор служит для отображения одного из символов «3», «2», «1», «4», «5», «0» появляющегося при нажатии одной из клавиш «А (3)», «? (2)», «К (1)», «С (4)», «D (5)» соответственно и при измерении «нулевого отсчета» n0. Индикаторы 2-6 служат для вывода результатов измерений и значений параметров «с» и «Ь».

Клавиша «Ш (0)» МПС предназначена для проверки (измерения) «нулевого отсчета»n0.

3.3 Общие указания по эксплуатации фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

метрологический фотометрический колориметр

Для получения достоверных результатов измерений, близких к действительным значениям, и чтобы избежать поломки прибора необходимо правильно использовать фотоколориметр. Если колориметр внесен в помещение с мороза, то распаковка и расконсервация его должны производиться после 24 часов пребывания в помещении. Расконсервации подлежат головки винтов и тумблер 4 (рисунок 3.3). После распаковки следует проверить комплектность колориметра на соответствие паспорту, а затем ознакомиться с его работой, конструкцией и назначением всех органов управления. Измерения на колориметре следует проводить при температуре окружающего воздуха от 10 до 35°С.

При измерении со светофильтрами 315, 340, 400, 440, 490, 540 нм ручку ФОТОПРИЕМНИК устанавливают в положение «315 - 540». При измерении со светофильтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм ручку ФОТОПРИЕМНИК устанавливают в положение «590 - 980».

Чтобы избежать погрешностей измерений рабочие поверхности кювет необходимо перед каждым измерением тщательно протирать спиртоэфирной смесью. При установке кювет в кюветодержатели нельзя касаться пальцами рабочих участков поверхностей (ниже уровня жидкости в кювете). Наличие загрязнений или капель раствора на рабочих поверхностях кюветы приводит к получению неверных результатов измерений. Жидкость наливается в кюветы до метки на боковой стенке кюветы. Жидкость в ограниченном объеме кюветы в некоторых случаях образует мениск. По капиллярам, в особенности по углам кюветы, жидкость поднимается на значительную высоту, равную 4-6 мм. Если уровень жидкости превышает метку на боковой стенке кюветы, то наблюдается переползание жидкости по углам, что создает впечатление протекания кюветы. Нельзя наклонять кювету с жидкостью при установке в кюветодержатель.

После смены светофильтра, а также после нахождения колориметра при открытой крышке кюветного отделения длительное время (более 5 мин), измерения начинают после, пятиминутной выдержки фотоприемника в освещенном состоянии, т. е. при закрытой крышке кюветного отделения.

Вблизи колориметра не должны находиться мощные источники электрических, магнитных полей, мощные источники света и нагревательные устройства. Нельзя допускать попадание прямых солнечных лучей на колориметр. Работа на колориметре должна производиться в чистом помещении, свободном от пыли, паров кислот и щелочей.

Все регулировочные работы, связанные с проникновением в корпус колориметра к токоведущим частям, замена неисправных деталей, разъединение и подключение штепсельных разъемов должны проводиться после отсоединения колориметра от сети. Трехжильный кабель питания имеет сечение жил, соответствующее протекающему току, длину не менее 1,5 м и снабжен штепсельной вилкой с заземляющей клеммой. Розетка должна быть подсоединена к заземляющей шине. Для выключения при токовых перегрузках колориметр имеет предохранитель и выключатель сетевого напряжения.

При техническом обслуживании фотоэлектрического колориметра проводят следующие операции:

а) смена лампы осветителя;

б) смена предохранителя;

в) смена фотоприемников;

г) смена светофильтров.

3.4 Порядок работы на фотоэлектрическом колориметре КФК-2МП

Перед работой на фотоэлектрическом колориметре необходимо проводить подготовительные работы. Для этого необходимо подсоединить колориметр к сети 220 В, 50/60 Гц, открыть крышку кюветного отделения и включить тумблер СЕТЬ, при этом должна загореться сигнальная лампа (на цифровом табло могут появляться различные символы). Нажать клавишу ПУСК - на цифровом табло появляется мигающая запятая (после первого индикатора - индикатора режима работы) и горит индикатор «Р». Если запятая не появилась - повторно нажать клавишу ПУСК. В случае длительного хранения или транспортирования колориметра необходимо проверить правильность установки осветителя. Для этого установить светофильтр 590 нм, и в выходное окно кюветного отделения установить юстировочную пробку. В плоскости пробки должно быть круглое световое пятно.

В плоскость входного окна помещается папиросная бумага. Световое пятно на папиросной бумаге также должно быть круглой формы. Если данные условия не выполняются, винтами подвижки узла крепления лампы осветителя добиваются, чтобы в плоскости пробки и на папиросной бумаге было световое пятно круглой формы.

Чтобы получить более точные значения необходимо выдержать колориметр во включенном состоянии в течение 15 мин при открытой крышке кюветного отделения. Измерение и учет «нулевого отсчета» n0 произвести при помощи клавиши «Ш (0)» МПС.

Перед измерением «нулевого отсчета» n0 крышку кюветного отделения открывают и по истечении 5с нажимают клавишу «III (0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение n0, а слева - символ «0». Значение n0 должно быть не менее 0,001 и не более 1,000.

Если отсчет n0 не укладывается в указанные пределы, можно добиться нужного значения с помощью потенциометра НУЛЬ, доступ к которому осуществляется через отверстие в правой стенке колориметрического блока. Установка значения «нулевого отсчета» n0 производится для каждого фотоприемника.

Порядок работы на фотоэлектрическом колориметре.

Первым делом перед каждым видом измерений проводят проверку «нулевого отсчета».

Измерение коэффициента пропускания в режиме одиночных измерений. В кюветное отделение устанавливают кюветы с растворителем или контрольным раствором, по отношению к которому производится измерение, и исследуемым раствором. Кювета с растворителем или контрольным раствором устанавливается в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювета с исследуемым раствором в ближнее гнездо кюветодержателя. Ручкой 6 устанавливается необходимый светофильтр, ручкой 9 - нужный фотоприемник. В световой пучок вводится кювета с растворителем или контрольным раствором при помощи ручки 4 (рисунок 3.2), которой устанавливается положение «1». Далее необходимо закрыть крышку кюветного отделения и нажать клавишу «К (1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорается символ «1». Затем, с помощью ручки 4, которая устанавливается в положение «2», в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором.

При нажатии клавиши «?(2)», на цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ «2», означающий, что произошло измерение коэффициента пропускания. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует коэффициенту пропускания исследуемого раствора в процентах. Эти операции проводятся 3-5 раз. Коэффициент пропускания измеряемого раствора определяется как среднее арифметическое из полученных значений.

Измерение оптической плотности в режиме одиночных измерений. Вначале необходимо провести операции указанные выше. Далее нажать клавишу «D(5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ «5», означающий, что произошло измерение оптической плотности. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует оптической плотности исследуемого раствора. Эти операции проводят 3-5 раз. Оптическую плотность определяют как среднее арифметическое из полученных значений.

Измерение концентрации вещества в растворе в режиме одиночных измерений. При измерении концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность в работе:

выбор светофильтра, с длиной волны максимума поглощения исследуемого вещества;

выбор кюветы;

построение градуировочного графика для данного вещества и определение коэффициентов «с» и «Ь»;

введение коэффициентов «с» и «Ь» в память вычислительного блока;

измерение концентрации вещества.

Наличие в колориметре узла светофильтров и набора кювет позволяет подобрать такое их сочетание, при котором погрешность в определении концентрации достигает наименьших значений.

Выбор светофильтра проводят следующим образом.

Наливают раствор в кювету и определяют оптическую плотность для всех светофильтров колориметра. По полученным данным строят кривую, откладывая по горизонтальной оси длины волн, соответствующие максимуму коэффициента пропускания светофильтров, а по вертикальной оси - соответствующие значения оптической плотности раствора. Отмечают тот участок кривой, для которого выполняются следующие условия:

оптическая плотность имеет максимальную величину;

ход кривой примерно параллелен горизонтальной оси, т. е. оптическая плотность мало зависит от длины волны.

Второе условие может для некоторых растворов не иметь места, тогда при выборе светофильтра ограничиваются выполнением первого условия. Светофильтр для работы выбирают так, чтобы длина волны, соответствующая максимуму коэффициента пропускания светофильтра, приходилась на отмеченный выше участок спектральной кривой испытуемого раствора.

Выбор кюветы. Как указывалось выше, абсолютная погрешность измерения коэффициента пропускания не превышает 1%. Относительная погрешность измерения оптической плотности раствора будет различной и достигает минимума при значении оптической плотности 0,4. Поэтому при работе на колориметре рекомендуется, путем соответствующего выбора кювет, работать вблизи указанного значения оптической плотности. Предварительный выбор кювет можно провести визуально, соответственно интенсивности окраски раствора. Если раствор интенсивно окрашен (темный), следует пользоваться кюветами с малой рабочей длиной (1-3 мм). В случае слабо окрашенных растворов рекомендуется работать с кюветами с большой рабочей длиной (30-100 мм).

В предварительно подобранную кювету наливают раствор и измеряют его оптическую плотность, введя в ход лучей соответствующий для данного раствора светофильтр.

При измерении ряда растворов кювету заполняют раствором средней концентрации. Если полученное значение оптической плотности составляет примерно 0,3-0,5 - выбирают данную кювету для работы с этим раствором. В том случае, когда это условие не выполняется, следует испробовать другую кювету. Если величина измеренной оптической плотности больше 0,5-0,6, следует взять кювету меньшей рабочей длинной, если величина оптической плотности меньше 0,3-0,2, следует выбирать кювету с большей рабочей длиной.

Построение градуировочного графика для данного вещества и определение коэффициентов «с» и «Ь». Построение градуировочного графика проводятти следующим образом. Готовят ряд растворов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных изменений концентраций этого вещества в исследуемом растворе. Затем измеряют оптические плотности всех растворов и строят градуировочный график, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной - соответствующие им значения оптической плотности.

По градуировочному графику определяют коэффициенты «с» и «Ь»

с = D0 - значение оптической плотности при С = 0, т. е. при пересечении градуировочного графика с осью оптической плотности D

(3.6)

где п - угол между градуировочной прямой и осью концентраций С;

(Ci; Dі) - текущая точка градуировочного графика.

Далее вводят в память вычислительного блока коэффициенты «с» и «Ь». Для этого нажимают клавиши «с» («Ь»), СБР- на цифровом табло слева от мигающей запятой высвечивается символ «с» (Ь), набирают с помощью клавиатуры значение коэффициента «с» («Ь»). На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается набранное значение коэффициента. Затем нажимают клавишу УТВ, и информация на цифровом табло исчезает.

Если при введении коэффициентов «с» или «Ь» в память на цифровом табло высвечивается значение, отличное от требуемого, то необходимо повторить все предыдущие операции. В случае если введение какого-либо коэффициента не производилось, то данный коэффициент равен начальному значению. Начальные значения коэффициентов приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Начальные значения коэффициентов

КоэффициентНачальные значения коэффициентас0,000Ь1,000

Для контроля значений коэффициентов «с» и «Ь» в процессе измерений предусмотрено выведение их значений на цифровое табло. Для этого нажать клавишу «с» и «Ь» - на цифровом табло высвечивается их значение.

В кюветное отделение устанавливаются кюветы с растворителем или контрольным раствором, по отношению к которому производится измерение, и исследуемым раствором. Кювета с растворителем или контрольным раствором устанавливается в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювета с исследуемым раствором в ближнее гнездо кюветодержателя. Далее необходимо установить необходимый светофильтр и нужный фотоприемник. Затем закрывают крышку кюветного отделения и нажимают клавишу «К (1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорается символ «1». Переведя ручку 4 в положение «2», нажимают клавишу «С (4)». На табло слева от мигающей запятой появляется символ «4», означающий, что произошло измерение концентраций исследуемого раствора. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует значению концентрации исследуемого раствора.

Данные операции проводят 3-5 раз и окончательное значение измеренной величины определяют как среднее арифметическое из полученных значений.

При нелинейной зависимости оптической плотности D от концентрации С вещества в растворе неизвестную концентрацию определяют по градуировочному графику. Для этого раствор наливают в ту же кювету, для которой построен градуировочный график и, включив тот же светофильтр, измеряют оптическую плотность раствора. Затем по градуировочному графику находят концентрацию соответствующую измеренному значению оптической плотности.

Измерения коэффициента пропускания ?, оптической плотности D и концентрации С в режиме с периодом 5 с проводятся аналогичным образом.

Отличаются лишь тем, что выполняемые операции производят в режиме работы «Ц».

Измерение активности. При измерении активности в кюветное отделение устанавливается без срезания светового пучка кювета с исследуемым раствором. Клавиша «Ц/Р» должна находиться в режиме «Р».

Затем закрывают крышку кюветного отделения. Вводят в память вычислительного блока коэффициенты «с» и «b», которые определены заранее. Нажимают клавиши «А (3)», СБР. На цифровом табло слева от мигающей запятой высвечивается символ «? », а справа - 0,000. Далее вводят в память значение времени t, через которое должно быть произведено измерение активности А. Для этого нажимают одну из клавиш «1» - «9». (Время в память вводится в секундах и может принимать значение 10с, 20с,..., 90с). При нажатии клавиш УТВ, на цифровом табло слева от мигающей запятой символ «?» исчезает и вместо него высвечивается символ «3». Через время t на цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение активности А. Если требуется измерить активность того же раствора в следующий промежуток времени t, то необходимо нажать клавишу «A(3)», затем УТВ.

3.5 Общие замечания при работе на фотоколориметрах

Надежность результатов измерений при работе на фотоколориметрах и фотометрах обеспечивается, в первую очередь, правильной установкой (юстировкой) и эксплуатацией приборов. Поэтому приступать к измерениям можно только после тщательного ознакомления с устройством прибора и правилами его эксплуатации. Измерения на фотоэлектрических приборах можно начинать через 15-20 мин после включения прибора для того, чтобы установился режим накала лампы осветителя. Большое значение для получения правильных результатов имеет чистота кювет. Кюветы всегда должны быть тщательно вымыты; желательно хранить их заполненными дистиллированной водой. Брать кюветы при измерениях можно только за боковые стенки, через которые не проходит поглощаемый световой поток.

Растворы сравнения (нулевые растворы).

Измерение оптической плотности стандартного и исследуемого окрашенных растворов всегда производят по отношению к раствору сравнения (нулевому раствору). В качестве раствора сравнения можно использовать аликвотную часть исследуемого раствора, содержащего все добавляемые компоненты, кроме реагента, образующего с определяемым ионом окрашенное соединение. В том случае, когда сам реагент имеет окраску, раствор сравнения приготавливают следующим образом: к небольшому количеству дистиллированной воды прибавляют реагент и все компоненты (кроме определяемого) в тех же количествах, что и при приготовлении окрашенных растворов определяемого вещества. Затем раствор доводят водой до требуемого объема и перемешивают. Если добавляемый реагент и все остальные компоненты раствора сравнения бесцветны и, следовательно, не поглощают лучей в видимой области спектра, то в качестве раствора сравнения можно использовать дистиллированную воду.

При небольшом избытке реагента оптические плотности растворов окрашенного комплекса и чистого реагента целесообразнее измерять отдельно по отношению к чистому растворителю и затем косвенным приемом определить оптическую плотность D, обусловленную поглощением только анализируемого комплекса.

Поправка на холостой опыт.

Выделение определяемых компонентов из разбавленных растворов и отделение их от мешающих элементов при анализе веществ высокой степени чистоты производят обычно химическим путем с помощью различных реактивов, посуды, аппаратуры. Хотя для этих целей, как правило, применяют специально очищенные реактивы и дважды перегнанную воду, все же они могут содержать определяемую примесь, а стеклянная и кварцевая аппаратура тоже частично растворяется под действием применяемых кислот, щелочей и т.д. Поэтому при фотометрических определениях микропримесей элементов всегда проводят холостой опыт, т. е. проделывают все те же операции с реактивами только без анализируемого вещества. Обычно в полученном растворе почти всегда обнаруживают какое-то количество искомого вещества. Эту поправку на холостой опыт вычитают из полученного результата определения. Для достижения более высокой чувствительности (при прочих равных условиях) необходимо, чтобы поправка на холостой опыт была бы значительно меньше определяемого количества примеси. При количественной оценке предела обнаружения большое значение имеет корректная постановка холостого опыта. Обычно холостой опыт выполняют без анализируемого образца со всеми добавленными реактивами, проводя их через все стадии анализа, предусмотренные методикой. Однако полученные таким образом результаты могут оказаться не всегда корректными, поскольку остатки матриц в растворе пробы могут оказывать влияние на результаты определения микроэлементов, в то время как в растворе холостого опыта, не содержащего растворенной пробы, подобных влияний нет. Для более строгого учета влияния солевого фона растворенной пробы следует использовать методику проведения холостого опыта с применением двух разных навесок пробы либо с введением в раствор холостого опыта какой-то части анализируемой пробы, добавляемой в фотометрируемый раствор. В последнем случае находят содержание определяемого микрокомпонента в фотометрируемом (анализируемом) и холостом растворах, а затем рассчитывают фактическое содержание определяемого элемента в холостой пробе по уравнениям.

4. ПОВЕРКА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛОРИМЕТРА КФК-2МП

4.1 Поверка средств измерений, ее виды и методы

Согласно закону Республики Беларусь Об обеспечении единства измерений и стандарту СТБ 8003-93 Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения:

поверка средств измерений - это совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы и субъектами хозяйствования с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным требованиям.

- субъекты хозяйствования - юридические лица (не зависимо от вида производства, характера деятельности, формы собственности и ведомственной принадлежности), а также предприниматели без статуса юридического лица, осуществляющие хозяйственную деятельность на территории РБ.

- метрологическая служба (МС) - совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Одной из основных задач деятельности метрологической службы Республики Беларусь является поверка средств измерений. Поверку СИ проводят органы Госстандарта или субъекты хозяйствования с целью установления их соответствия метрологическим и техническим требованиям, установленным в нормативных документах, и признания СИ пригодными к применению.

В зависимости от того, какой метрологической службой выполняется поверка, она подразделяется на государственную и ведомственную.

Обязательной государственной поверке подлежат СИ, используемые в торговле, здравоохранении, обеспечении защиты и безопасности государства, промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, гидрометрии, связи, коммунальном хозяйстве, на транспорте и других сферах деятельности при:

контроле за медикаментами;

контроле за состоянием окружающей среды;

хранении, перевозке и уничтожении токсичных, легких на возгорание, взрывчатых и радиоактивных веществ;

контроле за безопасностью и условиями труда;

определении безопасности и качества продукции, соответствия ее реальных характеристик заданным;

контроле за всеми видами сырья и продуктов питания;

проведении испытаний, поверке и метрологической аттестации СИ;

проведении измерений, результаты которых служат основанием для регистрации национальных и международных спортивных рекордов.

Перечень средств измерений, подлежащих обязательной поверке в органах ГМС, устанавливается Госстандартом.

Другие СИ подлежат поверке МС субъектов хозяйствования. В отдельных случаях по согласованию с Госстандартом допускается замена обязательной государственной поверки поверкой в метрологических службах субъектов хозяйствования. СИ, поверка которых не может быть обеспечена субъектами хозяйствования, предоставляются на поверку либо в органы ГМС, либо на предприятия, в организации и учреждения других министерств и ведомств, имеющих право такой поверки.

Предельный срок нахождения СИ, поступивших на государственную поверку при условии представления их в соответствии с графиком государственной поверки, составляет 15 дней. Процедура поверки регламентируется специальной НД: стандартами на методы и средства поверки, инструкциями по поверке, методическими указаниями и т.д. [5].

Как правило, поверку СИ проводят по методикам поверки, разработанным в соответствии с требованиями РД РБ 50.8103 и утвержденными в результате проведенных государственных испытаний по СТБ 8001 или МА по СТБ 8004.-93. Право проведения поверки предоставлено поверителям - лицам, прошедшим обучение, сдавшим экзамены в учебных заведениях Госстандарта. Допускается проведение поверочных работ не только служащими метрологических служб, но также работниками других подразделений предприятия. Это положение позволяет совмещать поверку СИ с операциями по выходному техническому контролю СИ, которые выпускаются из производства.

Организацию и проведение поверки обеспечивают органы ГМС, аккредитованные поверочные лаборатории и МС субъектов хозяйствования. Метрологические службы субъектов хозяйствования, поверяющие собственные СИ, должны быть зарегистрированы в органах Госстандарта в установленном порядке. При поверке СИ для других организаций эти службы должны быть аккредитованы в системе аккредитации поверочных и испытательных лабораторий согласно положениям СТБ 941.2 - 93.

Поверку средств измерений органы метрологической службы могут производить в стационарных и передвижных поверочных лабораториях, непосредственно на предприятиях и в сельскохозяйственных организациях путем командирования поверителей.

Результаты поверки оформляются протоколом по форме, установленной в НД по поверке. В протокол вносят наименование и МХ применяемых ОСИ и результаты измерений. Все материалы, содержащиеся в протоколе, подвергаются анализу и обработке, на основании которых делается вывод о годности или негодности СИ к применению. Вывод фиксируется в протоколе, имеющем статус основного юридического документа. На поверенные СИ ГМС выдаются свидетельства, а ведомственными МС - аттестаты.

Виды поверок:

а) Первичная поверка - проводится при выпуске средств измерений в эксплуатацию из производства и ремонта.

б) Периодическая поверка - проводится при эксплуатации и хранении приборов через межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения исправности средств измерений на период между поверками. Межповерочный интервал - интервал времени, указанный в документе по поверке, в течение которого СИ должно удовлетворять установленным требованиям. Межповерочные интервалы устанавливаются при проведении государственных приемочных испытаний или метрологической аттестации СИ, исходя из показателей надежности. Они должны гарантировать метрологическую исправность СИ в период между поверками. СИ, находящиеся на хранении, срок которого превышает межповерочный интервал, не подвергаются периодической поверке при условии соблюдения нормативных требований к их консервации, условий хранения, вида консервации и упаковки, такие СИ подвергаются поверке перед началом эксплуатации.

в) Внеочередная поверка - должна проводиться при эксплуатации (хранении) средств измерений вне зависимости от сроков периодической поверки: когда необходимо удостовериться в исправности; при вводе в эксплуатацию средств измерений, поступающих по импорту; при проведении работ по корректированию межповерочных интервалов; при контроле результатов периодической поверки; когда средства измерений устанавливаются в эксплуатацию после истечения половины гарантийного срока.

г) Инспекционная поверка - проводится для выявления исправности средств измерений, выпускаемых из производства или ремонта и находящихся в обращении; при проведении метрологической ревизии на предприятиях.

д) Экспертную поверку - осуществляют при проведении метрологической экспертизы средств измерений органами государственной метрологической службы. Эту поверку проводят с целью обоснования заключения о пригодности СИ к применению.

Метрологическую экспертизу проводят при возникновении спорных вопросов по метрологическим свойствам, методам и средствам поверки, исправности средств измерений и пригодности их к применению.

Под методами поверки понимают методы передачи размера единиц физической величины. В основу классификации применяемых методов поверки положены следующие признаки, в соответствии с которыми СИ могут быть поверены:

без использования компаратора или прибора сравнения, то есть непосредственным сличением поверяемого СИ с эталонным СИ того же вида;

сличением поверяемого СИ с эталонным СИ того же вида с помощью компаратора или других средств сравнения;

прямым измерением, поверяемым СИ значения физической величины, воспроизводимой эталонной мерой;

прямым измерением эталонным СИ значения физической величины, воспроизводимой подвергаемой поверке мерой;

косвенным измерением величины, воспроизводимой мерой или поверяемым прибором, подвергаемым поверке;

путем независимой (автономной) поверки.

Важнейшими составными частями систем воспроизведения единиц и передачи их размеров являются поверочные схемы - нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерения участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерения, с указанием методов и погрешностей при передаче. Передача размера единицы физической величины рабочим средствам измерений осуществляется при их поверке или калибровке с использованием рабочих эталонов разных разрядов.

Основные положения о поверочных схемах регламентированы ГОСТ 8.061-80 «Поверочные схемы. Содержание и построение».

Рисунок 4.1-Государственная поверочная схема. где ОСИ - образцовые средства измерения; 2 - метод сличения передачи размера единицы.

.2 Операции и средства поверки фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

При проведении поверки должны выполняться следующие операции:

внешний осмотр;

проверка правильности отработки вводимой и выводимой информации;

проверка выходных сигналов;

определение изменений показаний по цифровому табло при освещенных фотоприемниках;

определение основной абсолютной погрешности при измерении коэффициента пропускания;

определение среднеквадратического отклонения отдельного наблюдения при измерении коэффициента пропускания;

проверка коэффициентов пропускания контрольных светофильтров «К-1» и «К-2».

При проведении поверки должны применяться средства поверки и оборудование, указанные в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Средства поверки и оборудование для поверки

Наименование средств поверки и оборудованияНормативно-технические характеристикиНабор (или три набора) образцовых нейтральных светофильтров с коэффициентами пропускания, близкими к 75, 50, 15%.Погрешность аттестации органами Госстандарта СССР набора для длины волны 540 нм не более 0,5% (абс), трех наборов - не более 0,5% (абс) Вольтметр типа Э515/3 ГОСТ 8711-78 Предел измерения напряжения до 300 В, класс 0,3Психрометр аспирационный МВ-4М ГОСТ 6353-52 Пределы измерений относительной влажности от 10 до 100%, погрешность - не более ±5%Барометр мембранный металлический МВ-3-1-0,4ГОСТ 23696-79 Верхний предел до 1060 ГПа (795 мм рт. ст.), класс 0,4Электронно-счетный частотомер Ф 5041ТУ25-04-2415-74 Секундомер СОПпр-6а-2ШГОСТ 5072-79

Разрешается применение других измерительных средств, удовлетворяющих по классу точности и прошедших метрологическую аттестацию в органах государственной метрологической службы.

4.2 Условия поверки и подготовка к ней

При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия:

температура окружающей среды, °С - 20±5

атмосферное давление, кПа - 101,3±0,4 (760±30 мм рт. ст.)

относительная влажность воздуха, % - 65±15

напряжение питания сети, В - 220 + 22

частота, Гц - 50±0,5

До проведения поверки колориметр необходимо выдерживать на рабочем месте не менее 2 ч. В случае, если колориметр находился при температуре ниже 10°С, то время выдержки должно быть не менее 24 ч. Колориметр должен проверяться в помещении свободном от пыли, паров кислот и щелочей, при отсутствии вибрации и тряски. Все работы с поверяемым колориметром проводят согласно инструкции по эксплуатации. Все регулировочные работы, смена ламп производят после отсоединения колориметра от электросети.

Перед проведением поверки колориметр подсоединяют к сети, включают тумблер СЕТЬ, нажимают клавишу ПУСК и выдерживают колориметр во включенном состоянии не менее 15 мин. Перед серией измерений, а также при смене фотоприемников нажимают клавишу «Ш» при открытом кюветном отделении и проверяют «нулевой отсчет» n0 по цифровому табло. На цифровом табло значение n0 должно быть не менее 0,001, но не более 1,000. Если n0 по цифровому табло не укладывается в указанные пределы, нужного значения добиваются с помощью потенциометра НУЛЬ.

В комплект фотоэлектрического колориметра входит набор светофильтров. Чтобы избежать погрешностей при измерениях образцовые нейтральные светофильтры необходимо тщательно протереть сухой чистой тканью или тканью, смоченной спиртоэфирной смесью.

Перед поверкой проводят юстировку лампы. При юстировке лампы колориметра следует установить соответствие следующему требованию: сечение светового пучка в плоскости входного и выходного окна кюветного отделения должно быть в виде освещенного круглого пятна. При проверке вначале во входное окно кюветного отделении помещают рисовую бумагу, а затем в выходное окно кюветного отделения устанавливают юстировочную пробку из комплекта колориметра и наблюдают сечение светового пучка.

При необходимости проводят подстройку осветительной системы колориметра в соответствии с его техническим описанием.

4.3 Проведение поверки

а) Внешний осмотр

При проведении внешнего осмотра должно быть установлено соответствие колориметра следующим требованиям.

Предъявленный к поверке колориметр должен быть полностью укомплектован в соответствии с его эксплуатационной документацией. Допускается после ремонта и при эксплуатации проводить поверку при отсутствии ЗИП и неполном комплекте кювет.

На каждом колориметре должны быть указаны:

шифр колориметра;

номер колориметра;

товарный знак завода-изготовителя;

знак Госреестра.

2 Опробование

Опробование колориметра проводят в соответствии с его эксплуатационной документацией. Колориметр не должен иметь механических и электрических повреждений или неисправностей, влияющих на нормальную работу колориметра. Проверка правильности отработки вводимой и выводимой на цифровое табло с помощью клавиатуры информации.

Таблица 4.2

Нажатие клавиши или набора клавишИнформация на цифровом табло (ЦТ)слева от мигающей запятойсправа от мигающей запятойК(1), ?(2)299,7…100,3К(1), Д(5)5-0,003…0,003К(1), С(4)4-0,003… 0,003Закрыть и открыть крышку кюветного отделения, нажать клавишу «Ш»00,001 . . . 1,000сС0,000ЬЬ1,000с, СБР, 1, 2, 3, 4,УТВ, сс1234Ь, СБР, 5, 6, 7, 8, УТВ, ЬЬ5678Ь, СБР, -, 9, ", ", 0, УТВ, ЬЬ-9,0

Вначале проверку проводят в режиме одиночных измерений «Р» и в режиме «Ц» с периодом 5 с. В режиме одиночных измерений клавиша «Ц/Р» - в положении «Р» (загорается светодиод «Р»). Закрывают кюветное отделение. Дальнейшие действия производят согласно таблице 4.2.

В режиме с периодом 5 с клавиша «Ц/Р» - в положении «Ц» (загорается светодиод «Ц»). Закрывают кюветное отделение. Дальнейшие действия производят согласно таблице 4.3.

Таблица 4.3

Нажатие клавиши или набора клавишИнформация па цифровом табло (ЦТ) слева от мигающей запятойсправа от мигающей запятой с интервалом 5сПУСК, Ц/Р, К(1), т(2)299,7 . . . 100,3ПУСК, Ц/Р, К(1), Д(5)5- 0,003 . . . 0,003ПУСК, Ц/Р, К (1), С (4)4- 0,003 . . . 0,003Клавиша «Ц/Р» - в положении «Р» (загорается светодиод «Р»).

Дальнейшие действия производят согласно таблице 4.4.

Таблица 4.4

Нажатие клавиши или набора клавишИнформация на цифровом табло (ЦТ)слева от мигающей запятойсправа от мигающей запятойПУСК, А (3),?1,000СБР, 1, УТВ3-0,003 . . . 0,003 (через 10 с)

Проверку выходного сигнала проводят со всеми светофильтрами колориметра. Нажимают клавишу «ПУСК».

Устанавливают светофильтр 315 нм, закрывают крышку кюветного отделения, нажимают клавишу «? (2)». Снимают отсчет по цифровому табло.

Проверку с остальными светофильтрами колориметра проводят аналогично.

При проверке выходного сигнала колориметра отсчет по цифровому табло должен быть не менее 15,0 и не более 105,0.

3. Определение метрологических параметров

Определение изменения показаний по цифровому табло при освещенных фотоприемниках проводят со светофильтром 540 нм колориметра. При закрытой крышке кюветного отделения нажимают клавиши «K(1)», «?(2)», снимают отсчет по цифровому табло.

Через 5 мин повторно нажимают клавишу «?(2)», снимают отсчет по цифровому табло и сравнивают его с первым отсчетом.

Изменение показаний колориметра по цифровому табло в течение 5 мин не должно быть более 1,0. Определение основной абсолютной погрешности колориметра при измерении коэффициента пропускания.

Проверку проводят измерением на колориметре коэффициентов пропускания образцовых нейтральных светофильтров, имеющих коэффициенты пропускания близкие к 75, 50, 15%.

Проверку проводят со светофильтром 540 нм колориметра,

Закрывают кюветное отделение, нажимают клавишу «K(1)». Открывают кюветное отделение, устанавливают без срезания светового пучка образцовый нейтральный светофильтр, закрывают кюветное отделение, нажимают клавишу «?(2)» и снимают отсчет по цифровому табло, соответствующий коэффициенту пропускания образцового нейтрального светофильтра в процентах.

Операцию проводят 3 раза. Определяют коэффициент пропускания образцового нейтрального светофильтра как среднее арифметическое из полученных результатов.

Основную абсолютную погрешность колориметра определяют как разность между средним арифметическим значением коэффициента пропускания светофильтра, измеренным на колориметре, и его паспортным значением.

При проверке с помощью трёх комплектов образцовых светофильтров, аттестованных с погрешностью 0,5%, измерения с каждым фильтром производят по методике данного пункта. Для каждого светофильтра находят разность между средним арифметическим ?ср. изм , измеренным на колориметре, и его паспортным значением.

Основную абсолютную погрешность ?? определяют как среднее арифметическое из погрешностей ??i, полученных на колориметре при измерении коэффициентов пропускания светофильтров одного и того же порядкового номера из трех комплектов

Значение основной абсолютной погрешности колориметра при измерении коэффициента пропускания не должно быть более 1,0%.

Определение среднеквадратического отклонения отдельного наблюдения при измерении коэффициента пропускания.

Проверку проводят измерением на колориметре коэффициента пропускания образцового нейтрального светофильтра, имеющего коэффициент пропускания близкий к 50% по методике указанной выше при 10-кратном наблюдении.

Проверку проводят со всеми светофильтрами колориметра.

Среднеквадратическое отклонение отдельного наблюдения ? определяют по формуле

(4.1)

где ?i - коэффициент пропускания нейтрального светофильтра, полученный при отдельном наблюдении;

?ср- среднее арифметическое из 10 наблюдений значение коэффициента пропускания.

Значение среднеквадратического отклонения отдельного наблюдения колориметра при измерении коэффициента пропускания не должно быть более 0,3%.

Примечание. Допускается при первичной поверке определение среднеквадратического отклонения отдельного наблюдения при измерении коэффициента пропускания проводить со светофильтрами колориметра 540 и 750 нм.

Проверку коэффициентов пропускания контрольных светофильтров «К-1» и «К-2» проводят со светофильтром 540 нм колориметра по методике указанной выше.

Коэффициент пропускания каждого светофильтра определяется как среднее арифметическое из 5 измерении.

Полученные значения сравнивают с паспортными значениями. Если данные значения будут отличаться от записанных в паспорте более чем на 0,5%, следует внести новые значения в паспорт.

4.4 Оформление результатов поверки фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

Положительные результаты поверки должны оформляться:

при первичной поверке - записью в паспорте о годности к применению, скрепленной подписью, штампом или клеймом лица, выполнившего поверку;

при периодической государственной поверке - выдачей свидетельства о государственной поверке по форме, установленной Госстандартом;

при периодической ведомственной поверке - выдачей свидетельства о ведомственной поверке по форме, установленной ведомственными метрологическими службами.

Колориметры, прошедшие поверку с отрицательными результатами, к применению не допускаются, а в документах по оформлению результатов поверки делают отметку о непригодности колориметра.

Периодичность государственной и ведомственной поверки не менее 24 месяцев.

При поверке колориметров составляют протокол, форма которого приведена в обязательном приложении к настоящим методическим указаниям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В наше время наука достигла высокого уровня. Однако нашему государству необходимо не останавливаться на достигнутом и двигаться дальше. Необходимо развиваться, повышать уровень знаний нашего общества.

Отличительной особенностью средств измерения является то, что они обладают метрологическими характеристиками, приобретенными в процессе изготовления, и содержат информацию о единице измеряемой физической величины. Исследование метрологических характеристик СИ необходимо для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью, а также для обеспечения возможности установления точности измерений, достижения взаимозаменяемости СИ, сравнения их между собой и выбора нужных СИ по точности и другим характеристикам. В ходе эксплуатации метрологические свойства изменяются, и в некоторых случаях может наступить метрологический отказ. Для предотвращения метрологических отказов и обеспечения единообразия средств измерений проводят поверку СИ. Государственная (ведомственная) поверка СИ, устанавливающая метрологическую исправность, является формой надзора за средствами измерений.

Двадцать первый век - век информатики и век измерений. Метрология стала сферой не только производственной, но и массовой, бытовой, публичной деятельности. И перед нею стоит задача повышения общей метрологической культуры общества. На основе измерений получают информацию о состоянии производственных, экономических и социальных процессов. Измерительная информация служит основой для принятия решений о качестве продукции при внедрении систем качества, в научных экспериментах и т.д. И только достоверность и соответствующая точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений на всех уровнях управления. Получение недостоверной информации приводит к неверным решениям, снижению качества продукции, возможным авариям.

Поэтому вопросами развития метрологии, совершенствованию деятельности метрологических организации и служб должно уделяться самое пристальное внимание руководителями производственных предприятий, научно производственных объединений и научно исследовательских институтов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1Алесковский В.Б., Бардин В.В., Бойчинова Е.С. и др. Физико-химические методы анализа. Л.: Химия, 1988.

Колориметр фотоэлектрический КФК-3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Белоусов Ю.М., Романова Л.А., Усеинов А.Р. Поверка и калибровка средств электрических измерений. Учебное пособие. - Москва: АСМС, 1998.-60 с.

Романова Л.А. Метрологические основы поверки и калибровки средств электрических измерений. Учебное пособие. - Москва: АСМС, 2001.-79 с.

СТБ 8003-93. Система обеспечения единства измерений Республики Беларусь. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.

Усеинов А.Р. Поверка и калибровка средств электрических измерений. Задачи и методические указания для практических занятий. Учебное пособие-Москва: АСМС, 2006.-39 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение А

В ходе данной дипломной работы были разработаны и изучены лабораторные работы по поверке фотоэлектроколориметра КФК-2МП и по определению концентрации веществ в растворе с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2МП.

Лабораторная работа №1

Поверка фотоэлектрического колориметра КФК-2МП

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом работы фотоэлектроколориметра КФК-2МП, изучить методику его поверки приобрести навыки выполнения поверочных работ.

Приборы и принадлежности: колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП, образцовые нейтральные светофильтры НС-6, НС-7, контрольные светофильтры ЖС-18-0,5, ЖС-3.

Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ В РАСТВОРЕ С ПОМОЩЬЮ ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРА

Цель работы: изучить законы поглощения света как теоретическую основу спектрофотометрии. Выработать умение измерять концентрации веществ с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2МП.

Приборы и принадлежности: фотоэлектроколориметр КФК-2МП, исследуемое вещество.

Краткая теория

Свойство атомов и молекул поглощать свет определенных длин волн, характерных для данного вещества, широко используется в медицине и фармации для качественных и количественных исследований. Измерение спектров поглощения позволяет судить о концентрации различных химических веществ. Для измерения концентрации веществ по спектрам поглощения их растворов используют прибор фотоэлектроколориметр.

Спектры поглощения веществ определяются разностью энергий между энергетическими уровнями молекул, составляющими вещество, а также вероятностями перехода между ними. Разность энергий определяет длину волны, на которой происходит поглощение света, вероятность перехода - коэффициент поглощения вещества. Для веществ в растворе характерны широкие полосы поглощения, обусловленные электронными, колебательными и вращательными уровнями.

При прохождении через вещество свет поглощается. Рассмотрим слой толщины l, в котором в концентрации c находится вещество, поглощающее свет. В этом случае, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, интенсивность I света, прошедшего через слой, и интенсивность I0 света, падающего на него, связаны соотношением:

, (1)

где е ~ 2,72 - основание натуральных логарифмов, k - коэффициент пропорциональности, характерный для данного вещества и для данной длины волны. Для практических приложений закон (6.1) записывается в виде

, (2)

где величина cl - молярный коэффициент поглощения на длине волны l. Показатель степени в формуле (2), взятый с обратным знаком, называют оптической плотностью:

. (3)

Как видно из формул (1) и (2), измерив отношение интенсивностей падающего и прошедшего света и зная величину сl, можно определить концентрацию с вещества.

На практике измеряют две физические величины: оптическую плотность D и коэффициент пропускания t. Коэффициент пропускания t - это отношение интенсивности света, прошедшего через образец, к интенсивности падающего света:

. (4)

Значения t могут меняться от 0 (весь свет поглощается) до 1 (весь свет проходит), обычно их выражают в процентах.

Как видно из формулы (2), оптическая плотность D - это десятичный логарифм отношения падающего и прошедшего света. Она связана с коэффициентом пропускания:

. (5)

Как видно из формулы (5), когда коэффициент пропускания t падает от 100% до 0% , оптическая плотность D соответственно растет от 0 до 1. Используются следующие единицы измерений: t и D - безразмерные величины; концентрация поглощающего вещества [с] = моль/л; [I] = см; [сl] = л/моль см.

Спектром поглощения называют зависимость молярного коэффициента поглощения сl от длины волны l. Спектры поглощения можно измерять различными приборами. В видимом диапазоне (380-760 нм) спектр поглощения определяет цвет вещества, поэтому прибор для измерения спектров называется колориметром (от лат. color - цвет). Современные колориметры позволяют производить измерения в более широком спектральном диапазоне от ультрафиолета до ближнего инфракрасного (315-980 нм).

Принципиальная оптическая схема фотоэлектроколориметра

Термин «фотоэлектроколориметр» означает, что это прибор для измерения цвета (колориметр), в котором оптическое излучение (фото) преобразуется в электрический сигнал (электро). Фотоэлектроколориметр состоит из следующих основных блоков (рис. 6.1): источника света (И), светофильтров (СФ), двух кювет: К1 - кюветы сравнения, заполненной растворителем, и К2 - кюветы для исследуемого раствора, полупрозрачного зеркала (3), расщепляющего прошедший пучок света на два фотоэлемента (Ф1) и (Ф2).

Рисунок А.1 - Принципиальная оптическая схема фотоэлектроколориметра

Источник света создает излучение в широком диапазоне длин волн, светофильтр выделяет из него нужный участок спектра. Этот свет далее проходит либо через кювету (К2), в которую помещают исследуемый раствор, либо через кювету сравнения (К1), в которой находится растворитель. Пучок света, прошедший через кювету, расщепляется полупрозрачным зеркалом на два пучка, интенсивности которых регистрируются фотоприемниками Ф1 и Ф2. Два фотоприемника используются для измерений в разных участках спектра.

Оптическая схема фотоэлектроколориметра типа КФК-2МП, используемого в работе, естественно, существенно сложнее. Кроме того, в этом приборе применяется микропроцессорная система для получения и обработки данных. Фотоэлектроколориметр (рисунок А.2) конструктивно состоит из колориметрического блока (1) и вычислительного блока (2), в котором размещена микропроцессорная система (МПС).

Рисунок А.2 - Блок-схема колориметра КФК-2МП

В колориметрическом блоке (1) размещен источник света и 11 стеклянных светофильтров, вмонтированных в диск. Нужный светофильтр вводится в световой пучок поворотом диска (ручка (3)). Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется. Длина волны, которую пропускает данный фильтр, отсчитывается на ручке (3) против белой риски, нанесенной на корпус прибора.

В кюветном отделении (4) в кюветодержателе, устанавливаемом на подвижный столик, располагают кюветы. Кюветодержатель устанавливают так, чтобы две маленькие пружины находились со стороны источника света. Ввод в световой пучок той или иной кюветы осуществляют перемещением ручки (5) влево или вправо до упора (положение «1» или «2»). В положении «1» в световой пучок вводится кювета с растворителем, в положении «2» - с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается крышкой (6).

При открытой крышке специальная шторка перекрывает световой пучок, чтобы не засвечивать фотоприемники. Дело в том, что фотоприемники даже в отсутствии освещения дают на выходе «темновой» сигнал, свойства которого меняются после изменения освещенности и искажают результаты измерений. Поэтому при открытом кюветном отделении световой пучок перекрывают, а после закрытия крышки необходимо подождать некоторое время, прежде чем производить измерения.

Переключение фотоприемников для регистрации в фиолетовой или красной областях спектра осуществляют с помощью ручки (7).

В вычислительный блок 2 (рисунок А.2) входит микропроцессорная система (МПС).

На передней панели МПС расположены клавиатура, цифровое табло и два сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24 клавиш. Клавиша «пуск» предназначена для запуска микропроцессорной системы. Клавиши «Ь» и «с» предназначены для вызова на цифровое табло из памяти МПС значений соответствующих коэффициентов для их контроля или ввода новых значений. Клавиша «сбр» (сброс) предназначена для стирания значения вызванного коэффициента (в случае необходимости задания нового значения).

Клавиши «О», «1-9», «-» «,» предназначены для набора на цифровом табло МПС нового значения коэффициента «Ь» или «с».

Клавиша «УТВ» (утверждение) предназначена для записи в память МПС нового значения коэффициента, набранного на цифровом табло.

Клавиши «К(1)», «т(2)», «D(5)», «C(4)» предназначены для выполнения калибровки прибора, т.е. установки 100%-го пропускания, измерений коэффициента пропускания, оптической плотности исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе.

Клавишей «А(3)» производится измерение активности. Клавиша «Ц/Р» предназначена для перевода МПС в один из двух режимов выполнения измерений: режим одиночных (разовых «Р») измерений или режим циклических (Ц) измерений. В режиме одиночных измерений измерения выполняются один раз при нажатии соответствующей клавиши, в режиме циклических измерений первое измерение производится при нажатии соответствующей клавиши, затем они повторяются циклически с периодом 5 с до тех пор, пока МПС не будет переведена в режим выполнения одиночных измерений. Перевод МПС из режима циклических измерений в режим одиночных измерений и обратно происходит при нажатии клавиши «Ц/Р». Сигнальный светодиод «Ц» и сигнальный светодиод «Р» служат для указания режима измерения. В режиме одиночных измерений горит светодиод «Р», в циклическом - горит светодиод «Ц».

Цифровое табло состоит из 6 индикаторов. Первый индикатор служит для отображения одного из символов «1», «2», «3», «4», «5», «0», появляющегося при нажатии одной из клавиш

«К (1)», «?(2)», «А (3)», «С (4)», «D (5)» соответственно и при проверочном измерении «нулевого отсчета» «Ш (0)», т.е. темнового отсчета при перекрытом световом потоке. Индикаторы 2-6 служат для вывода результатов измерений и значений параметров «с» и «Ь».

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока F0, прошедшего через растворитель, по отношению к которому производится измерение и потока F, прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки F0, F фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы U0 и U, которые обрабатываются микро-ЭВМ колориметра. Результаты представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации, активности.

С помощью микро-ЭВМ рассчитывается коэффициент пропускания исследуемого раствора по формуле

, (6)

где UT - величина темнового сигнала при перекрытом световом потоке.

Оптическая плотность исследуемого раствора рассчитывается по формуле

. (7)

Измерение концентрации исследуемого раствора на колориметре возможно при соблюдении основного закона светопоглощения, закона Бугера-Ламберта-Бера, т.е. при линейной зависимости оптической плотности Dj исследуемого раствора от концентрации ci.

Концентрация исследуемого раствора рассчитывается ЭВМ по формулам

, (8)

, (9)

где с, b - коэффициенты, определяемые исследователем по градуировочной характеристике.

Выполнение работы

Внимание! 1. Микропроцессорная система (МПС), как и любая ЭВМ, работает строго по программе. При выполнении команд описания типа «открыть крышку» или «закрыть крышку» срабатывают специальные микропереключатели, которые включают нужные разделы программы, поэтому обращайте внимание на точное выполнение подобных команд.

. Микропроцессорная система (МПС) представляет собой универсальное устройство, с этим связано использование двойных обозначений для каждого параметра: буквенного и цифрового.

Задание 1. Проведите метрологическую проверку колориметра.

. Подсоедините колориметр к сети 220 В, 50/60 Гц, откройте крышку кюветного отделения и включите тумблер «сеть», при этом должна загореться сигнальная лампа. Нажмите клавишу «пуск» - на цифровом табло появится мигающая запятая и включится индикатор «Р». Если запятая не появилась - повторно нажмите «пуск». Выдержите колориметр во включенном состоянии в течение 5 мин. при открытой крышке кюветного отделения.

В процессе прогрева прибора измерьте диапазон длин волн, видимых глазом человека. Вращая рукоятку выбора светофильтра, установите светофильтр 340 нм. Поместите в кюветное отделение около выхода светового пучка после светофильтра лист белой бумаги.

Переключая рукоятку выбора светофильтра в сторону увеличения длин волн, зафиксируйте момент, когда появится цветное пятно на бумаге, запишите соответствующее значение длины волны. Затем увеличивайте далее длину волны, отмечая длины волн, соответствующие голубому, зеленому, оранжевому и красному излучению. При дальнейшем вращении зафиксируйте момент, когда изображение пятна пропадет - это граница инфракрасного излучения. Составьте таблицу длин волн, соответствующих границам восприятия глаза человека, а также указанным выше цветам.

. Крышку кюветного отделения закройте и откройте. По истечении 5 с нажмите клавишу «Ш (0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высветится значение нулевого отсчета n0, а слева - символ «0». Значение n0 должно быть не менее 0,001 и не более 1,000.

. В режиме одиночных измерений - горящий индикатор «Р» - произведите измерение коэффициентов пропускания контрольных светофильтров. Для этого ручкой 3 установите светофильтр 540 нм; ручкой 6 установите соответствующий фотоприемник «315-540». Закройте крышку кюветного отделения. Подождите 1 мин. для выдерживания фотоприемника в освещенном состоянии (время выдерживания удлиняют до 5 мин. после длительного, более 5 мин., нахождения колориметра при открытой крышке кюветного отделения). Нажмите клавишу «К(1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорается символ «1». Установите контрольный светофильтр «К-1» во входное окно кюветного отделения. Закройте крышку. Через 1 мин. нажмите клавишу «?(2)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появится символ «2», справа - отсчет коэффициента пропускания. Запишите данные в таблицу и сравните с паспортными данными:

Контрольный светофильтрКоэффициент пропускания t, %ПаспортОпыт 1Опыт 2Опыт 3К-115 ± 3К-280 ±3

. Повторите согласно п.3 процесс измерения коэффициента пропускания светофильтра К-1 еще 2 раза. Результаты запишите в таблицу.

. Произведите согласно п.3 трехкратное измерение коэффициента пропускания контрольного светофильтра К-2. Результаты запишите в таблицу.

Совпадение опытных и паспортных данных свидетельствует о соответствии фотоколориметра техническим требованиям.

Задание 2. В режиме одиночных измерений - горящий индикатор «Р» - произведите определение длины волны максимума поглощения исследуемого вещества.

Для этого: 1) заполните первую кювету растворителем (до метки), вторую кювету (до метки) раствором с известной наименьшей концентрацией, откройте крышку кюветного отделения, поместите кюветы в кюветодержатель: растворитель в дальнее от оператора гнездо держателя (положение 1), раствор - в ближнее (положение 2). Держатель с кюветами установите в кюветное отделение на столик так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны кюветодержателя.

Внимание. Кюветы следует удерживать руками за верхние (выше метки) нерабочие поверхности. Кюветы следует заполнять жидкостью до метки. Рабочие поверхности кювет перед каждым опытом следует тщательно протирать сухой чистой тканью или тканью, смоченной спирто-эфирной смесью.

После смены светофильтра, после длительного (более 5 мин.) состояния колориметра с открытой крышкой кюветного отделения (при этом шторка перекрывает световой поток от источника к фотоприемнику) следует перед измерением выдержать фотоприемник 5 мин. в освещенном состоянии, т. е. при закрытой крышке.

Ручкой 3 установите светофильтр 315 нм. Ручкой 7 установите соответствующий фотоприемник «315-540».

. Крышку кюветного отделения закройте и откройте. По истечении 5 с нажатием клавиши «Ш (0)» произведите проверку «нулевого отсчета».

. Ручку 5 переведите в положение «1». Закройте крышку кюветного отделения. Через 1 мин. нажмите клавишу «К (1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорится символ «1».

Ручку 5 переведите в положение «2». Нажмите клавишу «D (5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появится символ «5», справа отсчет оптической плотности. Последовательно устанавливая ручкой 3 светофильтры 340 нм, 400 нм, 440 нм, 490 нм, 540 нм и т. д., аналогично проведите измерение оптической плотности. Результаты запишите в таблицу:

Светофильтр, l, нм331533404400444044905540559066707750D, отн. ед

Внимание. Перед каждым видом измерений (коэффициент пропускания, оптическая плотность, концентрация, активность) и при переключении фотоприемников следует провести проверку «нулевого отсчета» и при необходимости его регулировку.

Ручкой 3 установите светофильтр 590 нм. Ручкой 7 установите соответствующий фотоприемник «590-980». Проведите измерение оптической плотности аналогично для светофильтров 670 нм, 750 нм. Результаты запишите в указанную таблицу. Определите длину волны, соответствующую максимуму поглощения lmax погл.

Задание 3. В режиме одиночных измерений - горящий индикатор «Р» - произведите определение концентрации вещества в растворе по градуировочному графику.

. При открытой крышке кюветного отделения заполните первую кювету растворителем (до метки), вторую кювету (до метки) раствором с известной наименьшей концентрацией. Поместите кюветы в кюветодержатель: растворитель в дальнее от оператора гнездо держателя (положение «1»), раствор в ближнее (положение «2»). Держатель с кюветами установите в кюветное отделение на столик так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны кюветодержателя.

Ручкой 3 установите светофильтр, соответствующий длине волны максимума поглощения. Ручкой 7 установите соответствующий фотоприемник. 2. Крышку кюветного отделения закройте и откройте. По истечении 5 с нажатием клавиши «III (0)» произведите проверку «нулевого отсчета». 3. Ручку 5 переведите в положение «1». Закройте крышку кюветного отделения. Через 1 мин. нажмите клавишу «К (1)». На цифровом табло слева загорится символ «1». Ручку 5 переведите в положение «2». Нажмите клавишу «D (5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появится символ «5», справа - отсчет оптической плотности. Результаты запишите в таблицу:

c, %D, отн. ед

Аналогично проведите измерения оптических плотностей всех растворов известной концентрации. Результаты запишите в таблицу.

По значениям оптической плотности для раствора известных концентраций постройте градуировочный график (рисунок А.3). По градуировочному графику определите коэффициенты с и b.

с = D0 - значение оптической плотности при c= 0, т. е. при пересечении градуировочного графика с осью оптической плотности D:

где ? - угол между градуировочной прямой и осью концентраций сi;

(Сi; Di) - координаты какой-либо точки графика D, b, ci.

Рисунок А.3 - Градуировочный график

Введите в память вычислительного блока коэффициенты с и b. Для этого нажмите клавиши «с» («b»), «сбр» - на цифровом табло слева от мигающей запятой высветится символ «с» («b»), наберите с помощью клавиатуры значение коэффициента с (b). На цифровом табло справа от мигающей запятой высветится набранное значение коэффициента. Затем нажмите клавишу «УТВ» - информация на цифровом табло исчезнет.

. Установите в ближнее гнездо кюветного отделения кювету с исследуемым раствором. Ручку 5 переведите в положение «1». Закройте крышку, нажмите клавишу «К (1)». Ручку 5 переведите в положение «2». Нажмите клавишу «С (4)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появится символ «4». Справа - значение концентрации сх исследуемого раствора.

Запишите результат в тетрадь.

. Абсолютная погрешность ?сх рассчитывается по градуировочному графику, исходя из линейной зависимости Di и ci.

По оси ординат отложите отрезок AD, равный единице последнего значащего порядка D^. Перпендикулярами к оси ординат перенесите отрезок на градуировочную прямую, а с нее перпендикулярами к оси абсцисс на ось абсцисс. Выделенный отрезок и определяет величину ?сх. Для удобства перенесений, с учетом линейной связи Di и сi, можно увеличить величину откладываемого по оси ординат отрезка AD в десять раз, тогда для определения абсолютной погрешности ?cх, величину полученного отрезка на оси абсцисс следует уменьшить в десять раз. Окончательно представьте результат в виде

Задание 4. Решите задачи.

Задача 1. Коэффициенты пропускания для трех различных растворов составляют 10%, 1% и 0,1%. Определите оптические плотности этих растворов.

Задача 2. Коэффициенты пропускания для трех различных растворов одного вещества составляют 10%, 1% и 0,1%. Как соотносятся концентрации окрашенного вещества в этих растворах?

Задача 3. Коэффициенты пропускания для двух растворов составляют 10 и 5%. Определите соотношение концентраций красителей в этих растворах, если длина второй кюветы вдвое больше, чем первой.

Контрольные вопросы и задания

. Дайте определение спектра поглощения вещества.

. Как связаны интенсивность света, прошедшего через слой вещества, и интенсивность света, падающего на этот слой?

. На каком физическом явлении основан принцип работы фотоэлектроколориметра?

. Объясните принципиальную оптическую схему фотоэлектроколориметра. Почему используется два фотоприемника?

. В каких областях применяется фотоэлектроколориметр? Приведите практические примеры.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» Физическ

Больше работ по теме: