close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu metodmonitor 2016

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна»
Кафедра инженерной химии и промышленной экологии
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Методические указания для студентов заочной формы обучения
направления подготовки 20.03.01 (280700.62) – Техносферная
безопасность
Составитель
В. И. Биненко
Санкт-Петербург
2016
Утверждено
на заседании кафедры
11.01.2016 г., протокол № 5
Рецензент В. В. Викторов
Оригинал-макет подготовлен составителем
Подписано в печать 02.02.2016. Формат 60х84/16.
Усл. п. л. 1,7. Тираж 100 экз. Заказ 190/16.
http://publish.sutd.ru
Отпечатано в типографии СПбГУПТД
191028, С.-Петербург, ул. Моховая, 26
Цель дисциплины
Целью
дисциплины
является
формирование
компетенций
обучающихся в области современных методов и средств мониторинга
контроля качества окружающей среды, аналитических приборов и
способов пробоподготовки, применяемых при проведении экологического
контроля.
Задачи дисциплины
–
освоение методов комплексного (наземного, водного и
аэрокосмического) мониторинга окружающей среды;
–
создание банка данных о фоновых и экстремальных
параметрах окружающей среды с целью дальнейшего выделения трендов
их динамики;
–
оценка и выделение изменений состояния окружающей среды,
обусловленных как по причине природной изменчивости, так и в
результате деятельности человека с выделением экстремальных и
чрезвычайных ситуаций;
–
краткосрочное и долгосрочное прогнозирование тенденций
изменения состояния окружающей среды.
1. Содержание дисциплины
Основное содержание дисциплины отражено в учебном пособии
В. И. Биненко «Методы и средства мониторинга и контроля качества
окружающей среды» (2015), доступном через электронную библиотеку
СПГУТД. Учебное пособие представляет собой лабораторный практикум с
подробным описанием теоретического материала к лабораторным работам.
Учебный модуль 1. инструментальные - контактные и
дистанционные методы анализа ОС
Тема 1. Введение, инструментальные методы анализа ОС,
погрешности
Тема 2. Стандартные образцы
Учебный модуль 2. Физико-химические методы контроля ОС
Тема 3. Применение спектральных методов анализа
Тема 4. Применение хроматографических методов анализа, массспектрометрия.
Учебный модуль 3 Экологический контроль ОС
Тема 5 Электрохимические методы анализа
Тема 6. Автоматизированные системы контроля и метрологическое
обеспечение экологического контроля
Учебный модуль 4 Методы и средства анализа состава газов
Тема 7. Контролируемые газы
Тема 8. Типы газоанализаторов
3
Учебный модуль 5 Спутниковый мониторинг
Тема 9. Основные характеристики спутников
Тема 10. Дистанционные методы зондирование ОС
Для решения задач контроля и прогнозирования динамики развития
окружающей среды в большинстве стран мирового сообщества создаются
системы мониторинга (от греческого «монитор»-впередсмотрящий ) –
системы наблюдения за изменениями состояния окружающей среды
вызванными как природными, так и антропогенными причинами.
Основными задачами системы комплексного (наземного, водного и
аэрокосмического) мониторинга являются:
наблюдения за изменениями состояния элементов биосферы и
создание банка данных о фоновых и экстремальных параметрах
окружающей среды с целью дальнейшего выделения трендов их динамики;
оценка и выделение изменений состояния окружающей среды,
обусловленных как по причине природной изменчивости, так и в
результате деятельности человека с выделением экстремальных и
чрезвычайных ситуаций;
краткосрочное и долгосрочное прогнозирование тенденций
изменения состояния окружающей среды;
оценка, контроль и принятие управленческих решений по
сохранению
устойчивого
состояния
окружающей
среды
или
экологического равновесия в экосистемах.
Практически любое физическое свойство, характерное для
отдельного элемента или соединения, может служить основой метода
аналитического определения.
Общим для всех этих методов и приборов является выделение
полезного сигнала от преобразователя или детектора об исследуемом
объекте на фоне шума при том или ином физическом или химическом
воздействии на вещество, а для получения количественной характеристики
сигнала - проведение калибровки на основе каких-либо стандартных
образцов. Искомая информация о веществе, как правило, выдается в виде
электрического сигнала и с помощью соответствующей электронной
схемы регистрируется считывающим устройством.
Аналитические
приборы
должны
обладать
максимальной
чувствительностью, чтобы с достаточной точностью измерить сигнал,
поступающий с детектора или преобразователя.
Чувствительность S аналитического метода или прибора можно
определить, как отношение изменения сигнала R к изменению
измеряемого количества вещества или его концентрации С:
S
4
dR
R
или
,
dC
C
где R и С представляют собой малые, но конечные разности. Наряду с
чувствительностью часто используется параметр предел обнаружения и
определяемый как наименьшая концентрация, при которой аналитический
сигнал ( при С0) ещё можно зарегистрировать.
Аналитический процесс связан с такими понятиями, как принцип,
метод и способ выполнения анализа.
Принцип анализа базируется на изученных ранее явлениях природы.
Он выражает взаимодействия, которым надо подвергнуть пробу, чтобы
получить аналитические данные.
Метод анализа – предписывает ход анализа в общих чертах, без
частностей, т.е. характерные моменты подготовки пробы, измерения и
обработки результатов, а в связи с энергетическими взаимодействиями и
видом подводимой к пробе энергии.
Способ выполнения анализа (методика) - определяет ход анализа во
всех подробностях. Он представляет собой следующую рабочую пропись:
1) подготовка пробы, включая необходимые реактивы, вспомогательные
вещества и аппаратуру; 2) порядок измерений и предписаний об
использовании аппаратуры; 3) градуировочная функция и принципы
градуировки; 4) область применений, значений холостых определений и
пределов обнаружения; 5) селективность и специфичность; 6)
систематические и случайные погрешности.
Стадии аналитического процесса – (отбор пробы, пробоподготовка,
измерение и обработка результатов) являются равнозначными звеньями
цепи для получения аналитической информации.
Основное требование к отбору пробы гласит: проба должна быть
достаточно представительной относительно объекта исследования. То же
относится к приготовлению градуировочных и стандартных проб,
представляющих как бы идеальные объекты. Лишь немногие методы
анализа допускают возможность исследования пробы без какой-либо
предварительной пробоподготовки в исходном состоянии. Химические и
электрохимические методы анализа, например, применимы исключительно
к растворам.
Твёрдые вещества чаще всего оказываются неоднородными. Для
определения общего состава необходимой предпосылкой является
гомогенизация механическим путем или путем растворения.
Необходимо помнить, что обусловленная отбором пробы
погрешность выбранного способа анализа уменьшается с уменьшением
размера частиц материала и с увеличением объема пробы. Для решения
вопроса о составе и долях отдельных компонентов в твёрдых материалах
требуется разделение фаз, перевод в растворимое состояние и т. д..
Наиболее часто пробы переводятся в растворенное состояние. Под
термином растворение надо понимать только тот случай, когда налицо
процесс преодоления (С ПОМОЩЬЮ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ
5
ЭНЕРГИИ) энергии кристаллической решётки твёрдого тела энергией
сольватации. Во всех других случаях твёрдое вещество переводится в
растворимую форму путём химического воздействия. Все остальные
процессы пробоподготовки обозначены как разложение. Целесообразно
подразделять все эти способы на следующие группы:
1. Перевод в раствор (мокрый способ).
2. Плавление и перевод в раствор.
3. Перевод в растворённое состояние действием газов.
Общая погрешность каждого метода анализа почти в равной степени
зависит от ошибок при отборе пробы и от погрешностей измерения. И те и
другие должны иметь одинаковый порядок.
Принцип измерения характеризуется видом взаимодействия,
которому подвергают пробу. В принципе различают упругие и неупругие
взаимодействия.
1. Упругие взаимодействия – при этом внутренняя энергия пробы не
изменяется. В основе их лежат оптические явления, которые могут быть
описаны с помощью волновых или корпускулярных представлений.
2. Неупругие взаимодействия пробы с внешними источниками
энергии при этом происходит изменение и энергии пробы, и энергии
внешней системы.
Упругие взаимодействия лежат в основе оптических волновых
явлений. При неупругих взаимодействиях обмен энергиями между
излучением и частицами образца протекает на основе квантово-оптических
процессов в ограниченной части электромагнитного спектра и
определенной области энергии.
В результате этих взаимодействий на основе принципов анализа,
соответствующих законов природы и аппаратуры происходит измерение
аналитического сигнала. При этом в основе каждого метода анализа лежит
градуирование. На основе градуировочных данных с использованием
интерполяции, а в некоторых случаях экстраполяции получают
неизвестную аналитическую информацию. На рис. 1 представлены области
электро-магнитного спектра, соответствующие им формы внутренней
энергии и основанные на них принципы анализа.
6
Рис. 1. Схема электромагнитного спектра и методы анализа,
основанные на взаимодействии с электромагнитным излучением
Большинство инструментальных аналитических методов основано на
сравнении какого-либо физического свойства анализируемого вещества и
стандарта или серии стандартов, содержащих то же самое вещество в
известных количествах. Такое сравнение можно осуществить с помощью
градуировочного графика, который представляет собой зависимость
величины, выражающей его физическое свойство, от концентрации
определяемого компонента.
Концентрация есть физическая величина, характеризующая
содержание компонента в единице объёма. Возможные наименования,
определяющие их уравнения, размерности концентраций представлены в
табл. 1.1.
Следует отметить, что между приведёнными величинами для
конкретного химического вещества из заданных условий эксперимента
существует однозначное соответствие
7
mB mB
m
n
m
n

  , B  B  MB , B  B  MB  
V
m
V
V
V
m
т.е. существует возможность взаимного пересчёта величин,
отражающих вещественный состав объектов.
Максимальный размах концентраций, определяемых с известной
надежностью,
составляет
область
определяемых
концентраций
(динамический интервал). Ее нижняя граница определяется случайными
флуктуациями (шумом) в сигнале прибора. Для не очень точного
измерения отношение сигнал/шум должно быть равно, по крайней мере,
двум, но для точных измерений оно должно быть больше. Верхняя граница
определяемых концентраций связана с явлением «насыщения», например,
с растворимостью анализируемого соединения или возможностью
детектора. Область определяемых концентраций для некоторых методов
составляет 4-5 порядков измеряемой величины, для некоторых же
ограничена одним порядком.
Т а б л и ц а 1 . Определяющие уравнения величин концентраций,
их наименования и размерности
Наименование
величины
Массовая концентрация
компонента В
Молярная концентрация
компонента В
Молекулярная (атомарная)
концентрация компонента В
Массовая доля компонента В
Молярная доля компонента В
Объёмная доля компонента В
Моляльность компонента В
Парциальное давление
компонента В
Определяющее уравнение
mв/V, где mв масса компоненты В в
системе, V-объём системы
св = nB/V, где nB количество вещества
компонента В в системе
СВ = NB/N, где число молекул (атомов)
компонента В в системе
В= mв /m, где m-масса системы
xB= nB /n, где n количество вещества
системы
В= VB/ xA Vm,A, где объем
компонента В в системе Vm,A молярные объёмы чистых веществ
bB= nB/mA, где mA-масса растворителя
Рв= xB Р, где Р давление газовой смеси
Обозначение
единицы
кг/м3
моль/м3
моль/дм3
1/м3
1/дм3
%
%, %о
млн-1(ppm)
млрд-1(ppb)
%,
млн-1
млрд-1
моль/кг
Па
Воспроизводимость и погрешность измерений
Воспроизводимость, определяемая как разброс повторных
измерений, характеризуется стандартным отклонением, дисперсией,
математическим ожиданием или погрешностью. Чем меньше его значение,
тем лучше воспроизводимость (при исключении систематических
ошибок). Воспроизводимость можно повысить, повторив анализ и проведя
соответствующую обработку данных.
8
Методика выявления и оценки ошибок (погрешностей) измерений
основана на теории погрешностей – разделе математической статистики,
посвящённом численному определению значений величин по данным
измерений.
Измерить физическую величину – это значит сравнить ее значение
опытным путём с помощью измерительных приборов с другой,
однородной величиной, принятой за единицу.
Различают два основных типа измерений физических величин:
прямые и косвенные.
Прямые измерения – измерения, при которых результаты находят
непосредственно
при
помощи
отсчета
по
соответствующему
измерительному прибору
Косвенными измерениями называются измерения, при которых
результаты находят на основании прямых измерений одной или
нескольких величин, связанных с измеряемыми величинами известной
зависимостью. Именно эти измерения типичны для инструментальных
физико-химических методов анализа.
Абсолютно точных измерений не бывает, а при многократных
равноточных измерениях за наиболее достоверное значение x0 измеряемой
величины принимается среднее арифметическое x значение, которое
определяют по формуле:
x
1 n
1
xi   x1  x2  x3  ...  xn  .

n i 1
n
Погрешности измерений – отличия результатов измерений от
среднеарифметического значения измеряемой величины, то есть когда
можно оценить интервал неопределённости или степень достоверности
результата измерений. Абсолютная погрешность Δх числа х0,
рассматривается как разность (x – x0) т.е. x  x  x0 , а интервал x0  x; x0
 x – доверительным интервалом с доверительной вероятностью
(коэффициентом доверия) Ρ(от 0 до 1,обычно берут Ρ = 0,95),
характеризующей степень достоверности того, что действительное
значение измеряемой величины x помещается внутри установленного по
наблюдениям интервала между x0  x) и ( x0  x.
Результат измерения физической величины x представляют как
x  x0  x , а значение погрешности x необходимо округлять до одной
значащей цифры; а в записи численного значения x0 необходимо указывать
все цифры вплоть до последнего десятичного разряда, использованного
для записи погрешности.
По характеру, происхождению, а также по способам оценки и
исключению влияния на результат измерения экспериментальные
погрешности делят на случайные, систематические и грубые (промахи).
9
Случайные
погрешности
ε(x)
измерений
обусловлены
непредсказуемыми помехами, влияющими как на измерительные приборы,
так и на исследуемый физический объект или процесс Значения и знаки
случайных погрешностей изменяются от опыта к опыту, избавиться от них
невозможно, но их можно минимизировать, используя методы
статистической обработки результатов измерений.
Систематические погрешности Θx измерений сохраняют свое
значение и знак от опыта к опыту; они связаны с ограниченной точностью
прибора и метода измерений, а также округлением при считывании со
шкалы. Если выяснить причину их вызывающую, то от некоторых из них
можно избавиться.
Грубые погрешности измерений (промахи) – обычно связаны с
неправильным отсчётом по прибору, неправильной записью результата
наблюдения и если результат измерения более, чем втрое отличается от
значений величин многократных измерений одного и того же параметра,
то это измерение можно исключить.
Отношение абсолютной погрешности к действительному значению
измеряемой
величины,
выраженное
в
процентах,
называется
относительной погрешностью x 
x
100% . Относительная погрешность
x0
характеризует качество измерений. Если относительная погрешность
известна, то абсолютную погрешность можно вычислить по формуле: x 
x0x.
Отклонения  xi  x  показывают, насколько результат i-го измерения
xi отличается от среднего x , и могут быть как положительными, так и
отрицательными. Поэтому можно рассчитать стандартное отклонение
n
x 
 x  x 
i 1
2
i
n 1
,
которое
всегда
имеет
положительное
значение.
Погрешность, которая выходит за пределы интервала  x  3 x  в
классической теории погрешностей считается промахом. Дисперсия D–
мера рассеивания случайных величин (отклонения их от среднего), т. е.
среднее арифметическое из квадратов отклонений величин x1, ..., xn от их
 ...   xn  x 
среднего арифметического D  
.
n
Среднее квадратичное отклонение S  x  результата многократных
2
x
x  x
 1
2
2
n
измерений вычисляют по формуле: S  x  
x

n
 x  x 
i 1
2
i
n  n  1
.
Случайную погрешность результата измерения x получают,
умножая среднее квадратичное отклонение S  x  на коэффициент
10
Стьюдента tn(Ρ). Доверительная случайная погрешность ε(x) результата
прямых многократных измерений: ε(x) = S  x  ·tn(Ρ), Для заданной
доверительной вероятности Ρ коэффициент Стьюдента tn(Ρ) является
поправочным множителем, учитывающим снижение надёжности
результата измерения из-за ограниченности числа повторных наблюдений.
Суммарная доверительная погрешность x результата прямых
измерений включает обе составляющие погрешности: случайную x и
приборную (систематическую) x): x    x   2x .
Инструментальная (приборная) погрешность x для доверительной
2
вероятности Ρ = 0,95 вычисляется по формуле: x  1,1 h2   Cmin d  , где h –
наибольшая погрешность измерительного прибора, при которой он
признаётся годным. Предел погрешности h прибора приводится в паспорте
прибора. Погрешность отсчёта Cmind определяется ценой Cmin
минимального деления шкалы прибора и оцениваемой долей d этого
2
деления. Если шкала равномерная, то цена деления Cmin 
xmax
.
N
В физико-химическом практикуме большинство измерений –
косвенные, и интересующая нас величина является функцией w = f(x, y, z,
...) одной или нескольких непосредственно измеряемых величин.
Доверительную абсолютную погрешность Δw результата
косвенного измерения вычисляют по формуле: w  wx2  wy2  wz2  ... .,где
f

 x 
x


f
w y 
 y 
y
,

f
wz 
 z 

z

...

wx 
вклады
в
погрешность
Δw,
обусловленные
погрешностями всех аргументов Δx, Δy, Δz,..., входящих в рабочую
формулу, называют частными абсолютными погрешностями Δwx, Δwy,
Δwz,.
Если функция w = f(x, y, z, ...) = F1(x)·F2(y)·F3(z)·..., может быть
представлена в виде произведения некоторых простых функций
измеряемых аргументов x, y, z, ..., то оказывается проще вычислить
относительную
погрешность
δw
косвенного
измерения:
2
2
2
w  wx  wy  wz  ... .,где частные относительные погрешности δwx, δwy,
δwz, ..., обусловленные погрешностями аргументов x, y, z,
11
wx 
wy 
wz 
wx
w
wy
w
wz
w

1 dF1
 x 
F1 dx


1 dF2

 y 
F2 dy
.

1 dF3


 z 
F3 dz


...


Доверительная абсолютная погрешность Δw вычисляется по
формуле w  w  w .Окончательный результат записывают в виде:
w  w  w,   0,95 .
Графический анализ линейной зависимости
Во многих случаях связь между совместно измеряемыми
физическими величинами x и y описывается линейной функцией y = ax  b,
где a и b  постоянные. Графиком линейной функции является прямая
линия, которая пересекает ось y в точке y  b. Коэффициент a (угловой
коэффициент, определяющий наклон линии) равен отношению
приращения значения функции y к соответствующему приращению
значения аргумента x, т. е. численно равен тангенсу угла наклона линии.
Определение значений a и b с помощью графика является одним из видов
косвенных измерений.
Построение прямой по экспериментальным точкам рекомендуется
производить в следующем порядке:
1. Выполните не менее пяти пар (N  5) прямых или косвенных
совместных измерений величин x и y.
2. Определите диапазон изменения переменных, который
исследовался в эксперименте, поскольку только этот диапазон должен
быть представлен на графике. Для этого наибольшие из измеренных
значений xi и yi округлите в большую сторону, а наименьшие  в меньшую.
3. Выберите удобные для расчётов и восприятия графика масштабы
переменных, откладываемых по координатным осям, и постройте оси.
4. Нанесите на график экспериментальные точки, которые отвечают
парам (xi, yi).
5. Вычислите для каждой экспериментальной точки доверительные
погрешности Δx и Δy.
6. Нанесите доверительные интервалы в виде вертикальных и
горизонтальных отрезков. Погрешность Δx откладывается вправо и влево
от экспериментальной точки, а погрешность Δy  вверх и вниз
12
7. Нанесите на график центр тяжести C экспериментальных точек,
координаты которого xC и yC вычислите по формулам среднего
1
N
арифметического
1
yC 
N
xC 

N
 x 
i 1
i
.
yi 


i 1
N
8. Через центр тяжести C экспериментальных точек проведите по
линейке прямую так, чтобы по обе стороны от неё оказалось примерно
одинаковое число экспериментальных точек, а отклонения точек от
прямой были в среднем минимальны рис. 2.
Определение числовых значений параметров прямой.
Для вычисления приближённого значения углового коэффициента a
произвольно выберите две расположенные на проведенной прямой точки
так, чтобы было удобно считывать их координаты. Такими, например,
будут точки, одна из координат которых кратна единице масштаба.
Начальную точку с координатами (xн, yн) выбирают вблизи наименьшего
из измеренных значений x, а конечную  с координатами (xк, yк)  вблизи
наибольшего. Далее оценку углового коэффициента a вычисляют по
формуле: a 
 yк  yн  .
 xк  xн 
Погрешность Δa определяют приближённо, сравнивая оценки
параметра a для наиболее крутой и наиболее пологой прямой. Эти прямые
проводят через центр тяжести C и границы доверительных интервалов
начальной и конечной точки, как показано на рис. 2.
Погрешность Δa можно определить по приближённой формуле:
a 
2y
, где погрешность y определяют двумя различными способами
xк  xн
в зависимости от степени разброса экспериментальных точек около
проведенной прямой.
1. Прямая проходит в пределах погрешностей результатов
измерений. Это означает, что проведённая прямая пересекает отрезки,
изображающие погрешности всех экспериментальных точек (см. рис. 2, A).
Тогда погрешность y определяется погрешностью отдельного измерения
Δy и подставляется значение y = Δy. Если погрешность Δy не одинакова
для различных значений аргумента xi, то в качестве y берётся величина
Δy для ближайшей к центру тяжести C экспериментальной точки.
2. Прямая проходит вне пределов погрешностей результатов
измерений (см. рис. 2, Б). В этих случаях отклонения некоторых из
экспериментальных точек от прямой больше погрешности отдельного
измерения Δy. На графике прямая проходит в стороне хотя бы от одного из
отрезков, изображающего экспериментальные погрешности. В таких
случаях погрешность y определяется наибольшим из отклонений Δymax
13
экспериментальных точек по оси y от прямой/подставляется значение y =
Δymax.
Значение параметра b находят из уравнения прямой, в которое
подставляются уже найденные значения параметра a и координат (xC, yC)
центра тяжести экспериментальных точек. В результате оценку параметра
b вычисляют по формуле: b = yC  axC.
Рис. 2. Графический анализ линейный зависимости относительно центра
тяжести C (с координатами xC и yC) экспериментальных точек:
А – прямая проходит в пределах погрешностей результатов измерений;
Б – прямая проходит вне пределов погрешностей результатов измерений
Погрешность Δb находят двумя различными способами в
зависимости от того, пересекает ли проведённая прямая ось y в пределах
области (от x1 до xN), содержащей экспериментальные точки.
1. Прямая пересекает ось ординат в пределах области, содержащей
экспериментальные точки. В этом случае основной вклад в погрешность
Δb даёт погрешность y : b  y (Рис. 3, А).
14
2. Прямая пересекает ось ординат за пределами области, содержащей
экспериментальные точки. Тогда погрешность Δb определяется
погрешностью Δa, и её вычисляют по формуле: Δb = Δa·xC (рис. 3, Б)
Что касается обработки неравноценных наблюдательных данных, то
для этого используется метод наименьших квадратов.
Y
А
Б
0
5
10
15
20
X
25
Рис. 3. Два типа расположения массива экспериментальных данных
относительно нуля абсцисс
15
2. Вопросы к зачету
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Основные конструктивные особенности спектрометров.
Основы анализа атомных спектров, что возможно определить на
основе атомно-абсорбционного анализа?
Примеры использования фотометрических методов
Область применения атомной флуоресцентной спектроскопии
ИК -спектроскопия и её особенности.
Что лежит в основе Фурье - спектроскопии?
Общие представления о спектроскопии магнитного резонанса.
Основы и виды хроматографии
Основные узлы газового хроматографа
Интегральные и дифференциальные детекторы.
Масс-спектроскопия как инструментальный метод анализа.
Основные узлы масс-спектрометра.
Гибридные методы анализа
Электрохимические методы анализа.
Уравнение Нернста.
Окислительно-восстановительные реакции в электролитической
ячейке.
Ионоселективные электроды.
3. Вопросы к экзамену
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
16
Что понимается под системой мониторинга и, в частности,
экологического мониторинга?
Что лежит в основе метода аналитического определения тех или
иных соединений?
Основные характеристики аналитических приборов
Что понимается под чувствительностью, пределом обнаружения и
идентификации?
Бывают ли абсолютно точные измерения, какие измерения
называются прямыми и косвенными.
Воспроизводимость и погрешность аналитических измерений
Случайные, систематические и грубые погрешности.
Абсолютная, относительная и доверительная погрешность
измерений
Стандартные образцы и добавки
Роль градуировочных графиков и функциональных зависимостей
Физические величины, отражающие состав веществ.
Аналитический процесс, принцип, метод, методика - дайте
определение.
Каковы стадии аналитического процесса?
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
41.
43.
44.
В чём особенности отбора проб для аналитического процесса?
Какие области электромагнитного спектра и соответствующие им
формы внутренней энергии сопряжены с теми или иными
принципами анализа?
Дайте определение закон Бугера -Ламберта- Бера в
дифференциальной и интегральной форме
Фотометрия поглощения, колориметрия, нефелометрия - основные
особенности.
Дайте определение коэффициента пропускания, оптической
плотности
Основные конструктивные особенности спектрометров.
Основы анализа атомных спектров, что возможно определить на
основе атомно-абсорбционного анализа
Примеры использования фотометрических методов
Область применения атомной флуоресцентной спектроскопии
ИК -спектроскопия и её особенности.
Что лежит в основе Фурье-спектроскопии?
Общие представления о спектроскопии магнитного резонанса.
Основы и виды хроматографии
Основные узлы газового хроматографа
Интегральные и дифференциальные детекторы.
Масс-спектроскопия как инструментальный метод анализа.
Основные узлы масс-спектрометра.
Гибридные методы анализа.
Электрохимические методы анализа.
Уравнение Нернста.
Окислительно-восстановительные реакции в электролитической
ячейке.
Ионоселективные электроды.
Методы определения химического потребления кислорода.
Контролируемые газы.
Типы газоанализаторов.
Устройство и принцип работы газоанализатора.
Спутниковый мониторинг нижележащей поверхности и атмосферы.
Основные характеристики спутников и приборов, устанавливаемых
на них.
Дистанционные методы зондирование ОС и техносферы
Что понимается под системой мониторинга и, в частности,
экологического мониторинга?
Что лежит в основе метода аналитического определения тех или
иных соединений?
17
4. Список рекомендованной литературы
1. Биненко, В. И. Риски и экологическая безопасность природнохозяйственных систем / В. И. Биненко, В. К. Донченко, В. В. Растоскуев. –
СПб.: СПбГУ, НИЦЭБ РАН, 2010. – 291 с..
2. Биненко, В. И. Инструментальные методы контроля окружающей
среды – экологический мониторинг. Лабораторный практикум / В. И.
Биненко, С. В. Петров. – СПб.: СПбГУТД, 2009. http://publish.sutd.ru
3. Биненко, В. И. Физико-химические методы контроля окружающей
среды. Лабораторный практикум / В. И. Биненко, С. В. Петров. – СПб.:
РГГМУ, 2008. – 118 с.
4. Биненко, В. И. Методы и средства мониторинга и контроля
качества окружающей среды: учеб. пособие – лабораторный практикум /
В. И. Биненко, С. В. Петров, Т. И. Маркова.– СПб.: ФГОУВПО
«СПГУТД», 2015. – 116 с.
5. Юинг Г. В. Инструментальные методы химического анализа / Г. В.
Юинг. – М.: Мир, 1989.–608 с.
6. Горелик Д. О. Экологический мониторинг. Оптико-электронные
приборы и системы: в 2 т. / Д. О. Горелик, Л. А. Конопелько, Э. Д. Панков.
– СПб., 1998. – 735 с.
7. Энциклопедия
«Экометрия».
Контроль
химических
и
биологических параметров окружающей среды / под ред. Л. К. Исаева. –
СПб., изд-во «Союз», 1998. – 896 с.
8. Фомин, Г. С. Почва. Контроль качества и экологической
безопасности по международным стандартам. Справочник / Г. С. Фомин,
А. Г. Фомин. – М.: Протектор, 2001. – 304 с
9. Петин, Ю. А. Физические исследования в химии / Ю. А. Петин, Л.
В. Вилков. – М: ООО «Изд-во АСТ», 2003. – 628 с.
5. Задания к контрольной работе № 1
Вариант 1
1. В результате измерений получены значения оптической плотность
Д = 0,69 Н и ее абсолютной погрешности 0,075. Найти относительную
погрешность измерения и записать результат в окончательном виде.
2. При прямых измерениях получены следующие значения величины
х: 15,6; 15,9; 15,3 моль/л. Определить среднее квадратическое отклонение
результата измерений величины х.
3. Физическая величина P задана рабочей формулой P = 3 a / c 2, где
а = (5,7  0,5) Н; с = (3,2  0,1) м. Рассчитать значения величины P, ее
абсолютной погрешности и записать окончательный результат измерения.
18
4. Зависимость координаты точки от времени имеет вид x = аt + в.
По графику этой зависимости найти значения углового коэффициента а и
его абсолютной погрешности, если прямая проходит вне границ
экспериментальных погрешностей, а наибольшие из отклонений
экспериментальных точек от проведенной прямой равны: x max = 0,05 м;
tmax = 0,8 с.
x, м
7
6
5
4
3
2
1
t, c
0
0
20
40
60
80
100
Рис. 1. График зависимости координаты точки x от времени t
Вариант 2
1. Вычислено значение физической величины плотности ρ, равное
3,748 103 кг/м3, с относительной погрешностью 0,08. Найти абсолютную
погрешность результата измерения и записать результат в окончательном
виде.
2. Измерения напряжения выполняются миливольтметром с классом
точности 0,25, ценой минимального деления шкалы 1 мВ/дел и пределом
измерения 50 мВ (оцениваемая доля d = 0,5 дел.). Рассчитать
систематическую погрешность миливольтметра.
3. По рабочей формуле р = а/(t – t0 ) определить значение р, если: а =
(72,0  5,0) Дж; t = (13,8  0,7) с; t0 = (2,9  0,4) с. Рассчитать абсолютную
погрешность измерения и записать окончательный результат.
4. Зависимость сопротивления от времени имеет вид v = аt + в. По
представленному графику этой зависимости найти значение углового
коэффициента а и его абсолютную погрешность, если прямая проходит вне
границ экспериментальных погрешностей, а наибольшие из отклонений
экспериментальных точек от проведенной прямой равны: tmax = 0,3 с;
vmax = 0,2 м/с.
4
v , м/с
3
2
1
t, c
0
0
2
4
6
8
Рис. 2. График зависимости скорости v от времени t
19
Вариант 3
1. Найти абсолютную погрешность табличного значения удельной
теплоемкости алюминия с = 896 Дж/кг град. Привести окончательный
результат.
2. При проведении измерений в неизменных условиях опыта
получены следующие значения сила тока I: 0,29; 0,31; 0,33 А. Рассчитать
случайную погрешность результата измерения. Значение коэффициента
Стьюдента 4,3.
3. Среднее квадратическое отклонение результата измерения
времени t составляет 0,4 с; систематическая погрешность прямого
измерения 0,5 с. Значение коэффициента Стьюдента 2,78. Найти
суммарную погрешность результата измерения и привести окончательный
результат, если наилучшая оценка времени равна 78,2 с.
4. Физическая величина задана рабочей формулой В = а2 + 3 с, где а
= (6,2  0,1) м; c = (4,7  0,2) м2. Найти значение величины В, ее
абсолютную погрешность и записать окончательный результат.
Вариант 4
1. В единственном опыте была зафиксирована температура 54 (0С).
Приборная погрешность термометра составляет 1,2 (0С). Найти
абсолютную и относительную погрешности результата измерения и
привести окончательный результат.
2. Определить среднее квадратическое отклонение результата
измерения амплитуды А, если при проведении трех опытов (в неизменных
условиях) были получены следующие ее значения: 3,2; 3,1; 3,3 см.
3. Физическая величина С описывается уравнением С =( в3 / 2) – а3,
где:
а = (2,6  0,1) моль/дм3; в = (4,0  0,2) моль/дм3. Рассчитать
величину С, ее абсолютную погрешность и привести окончательный
результат измерения.
4. Зависимость давления от температуры имеет вид: P = аT. По
представленному графику этой зависимости найти значения углового
коэффициента а и его абсолютной погрешности, если все измерения
выполнены с погрешностями: Т = 10 К; P = 8 кПа, а прямая проходит в
пределах погрешностей экспериментальных точек.
20
P , кПа
200
100
T, К
0
100
200
300
400
500
Рис. 3. График зависимости давления Р от температуры Т
Вариант 5
1. Какое из двух приведенных измерений выполнено точнее и
почему:
t = (5,6  0,3)˚С; R = (0,60  0,05млн-1?
2. В результате прямых измерений напряжения были получены
следующие данные: среднее значение напряжения 13,0 В; систематическая
погрешность 1,0 В; случайная погрешность 1,4 В; среднеквадратическое
отклонение 0,5 В. Определить суммарную погрешность результата
измерения и привести окончательный результат.
3. Энергетическая светимость, как результат косвенного измерения,
рассчитывается по рабочей формуле R = 2 а / в 2, где: a = (3,8  0,3) кВт; в
= (2,0  0,1) м. Рассчитать величину R, ее абсолютную погрешность и
привести окончательный результат измерения.
4. По представленному графику зависимости координаты тела от
времени x = at + b, определить значения углового коэффициента а, его
абсолютной погрешности и коэффициента в, если погрешности измерений
времени и координаты одинаковы и равны: t = 0,4 с; x = 0,1 см, а прямая
проходит в пределах погрешностей экспериментальных точек.
15
x, cм
12
9
6
3
t, с
0
10
20
30
40
50
60
Рис. 4. График зависимости координаты тела x от времени t
Вариант 6
1. В ходе обработки результатов измерения была получена
наилучшая оценка концентрации С = 68,2 млрд-1. Относительная
21
погрешность измерения составляет 5%. Определить абсолютную
погрешность измерения и привести окончательный результат.
2. Найти среднее квадратическое отклонение результата прямых
измерений температуры газа Т, если его случайная погрешность равна 0,6
К. Значение коэффициента Стьюдента 2,78.
3. Скорость материальной точки определяется рабочей формулой v =
v0 + (с / 2в), где: v0 = (3,3  0,2) м/с; с = (16,2  0,3) м; в = (2,6  0,1) с.
Рассчитать значение v, абсолютную погрешность результата косвенного
измерения и записать окончательный результат.
4. Температурная зависимость сопротивления металла имеет вид R =
aT Определить значения углового коэффициента а и его абсолютной
погрешности, если абсолютные погрешности результата измерения
температуры и сопротивления постоянны, и соответственно равны 10 К и
50 Ом, а прямая проходит в пределах погрешностей экспериментальных
точек.
1
R, кОм
0,5
T, К
0
200
400
600
700
Рис. 5. График зависимости сопротивления R от температуры Т
Вариант 7
1. Найти абсолютную погрешность табличного значения удельной
теплоты плавления меди  = 1,76 105 Дж/кг. Привести окончательный
результат в наглядном виде.
2. Секундомер имеет предел допускаемой приборной погрешности
0,4 с, цену минимального деления шкалы 0,1 с/дел. и оцениваемую долю
d = 1дел. Рассчитать систематическую погрешность секундомера.
3. По результатам прямых измерений массы тела было получено:
масса тела 125,0 г, приборная погрешность 2,3 г, случайная погрешность
5,2 г, среднее квадратическое отклонение 1,2 г. Рассчитать абсолютную
погрешность результата измерения и записать окончательный результат.
4. Определить значение и абсолютную погрешность величины Р,
если она задается уравнением Р = а – (в / с2), где а = (18,0  0,7) Н/м2;
в = (56  5) Н; с = (3,40  0,05) м. Привести окончательный результат
измерения величины Р в наглядном виде с нужным числом значащих
цифр.
22
Вариант 8
1. Какое из двух измерений выполнено точнее: С = (1,5  0,3)
моль/кг, m = (38  5) г?
2. В результате прямых измерений получены значения напряжения
U: 6,9; 7,0; 7.1. В (в неизменных условиях). систематическая погрешность
составляет 0,2 B. Значение коэффициента Стьюдента 4,3. Рассчитать
абсолютную
погрешность
результата
измерения
и
привести
окончательный результат.
3. Плотность водяных паров, как результат косвенного измерения,
определяется по рабочей формуле р = в / с 3, где в = (82,0  0,8) кг;
с = (14,0  0,2) м. Найти значения величины р, абсолютной погрешности и
записать окончательный результат измерения.
4. По результатам прямых измерений был построен график
зависимости перемещения от времени вида S = at. Абсолютные
погрешности результатов измерений определяются как систематические и
равны: S = 0,01 м; t = 0,4 с, а прямая проходит в пределах погрешностей
экспериментальных точек. Определить значение углового коэффициента а
и его абсолютную погрешность.
0,4
S, м
0,2
t, c
0
3
6
Рис. 6. График зависимости перемещения S от времени t
Вариант 9
1. Какое из измерений выполнено точнее: m = (145  1) г;
С = (23,6  0,2) моль/кг? Ответ обосновать.
2. Определить среднее квадратическое отклонение результата
измерения частоты тока , если при проведении трех опытов (в
неизменных условиях) были получены следующие ее значения: 49,6; 49,3;
49,9 Гц.
3. Найти наиболее вероятную скорость молекул газа V и ее
абсолютную погрешность, если V = (2R Т /М) 1/2, где: R = (8,310  0,005)
Дж/ моль К; М= (32,00  0,05) 10–3 кг/ моль; Т = (320  20) К.
4. По представленному графику зависимости координаты тела от
времени x = at + b определить значения углового коэффициента а, его
абсолютной погрешности и коэффициента b, если прямая проходит вне
23
границ экспериментальных погрешностей, а наибольшие из отклонений
экспериментальных точек от проведенной прямой равны: t = 0,4 с; x = 0,2 м.
x, м
20
10
t, c
0
3
6
Рис. 7. График зависимости координаты тела x от времени t
Вариант 10
1. Представьте следующие окончательные результаты измерений в
наиболее наглядном виде с нужным числом значащих цифр:
q = (3,21 10–19  2,67 10–20) Кл; А = (3,378 103  43) Дж.
2. В результате прямых измерений напряжения получено: среднее
значение напряжения 36,00 В, систематическая погрешность 0,50 В,
случайная погрешность 1,50 В, среднее квадратическое отклонение 0,54 В.
Определить абсолютную погрешность результата измерения и привести
окончательный результат.
3. Энергия заряженного проводника как результат косвенного
измерения рассчитывается по рабочей формуле Е = CU2/2, где
C = (1,7  0,1)10–8 Ф; U = (115  5) В. Рассчитать значение величины Е, ее
абсолютную погрешность и привести окончательный результат измерения.
4. Зависимость скорости от времени имеет вид v = at + b. По
представленному графику этой зависимости найти значения углового
коэффициента а, его абсолютной погрешности и коэффициента b, если
прямая проходит вне границ экспериментальных погрешностей, а
наибольшие из отклонений экспериментальных точек от проведенной
прямой равны: t = 0,4 с; v = 0,2 м/с.
Представить окончательный результат в наиболее наглядном виде с
нужным числом значащих цифр.
v , м/с
5
4
3
2
1
t, c
0
2
4
6
8
Рис. 8. График зависимости скорости v от времени t
24
Вариант 11
1. В результате вычислений получено значение момента инерции
цилиндра I = 2,543 10–2 кг·м2 с абсолютной погрешностью 0,41 10–2 кг·м2.
Рассчитать относительную погрешность измерения и записать
окончательный результат в наиболее наглядном виде с нужным числом
значащих цифр.
2. При проведении измерений в неизменённых условиях опыта
получены следующие значения концентрации СD: 0,52; 0,54; 0,53 моль/кг.
Найти случайную погрешность измерения. Значение коэффициента
Стьюдента 4,3.
3. Среднее квадратическое отклонение результата измерения массы
m составляет 0,05 кг. Систематическая погрешность прямого измерения
равна 0,08 кг. Найти суммарную доверительную погрешность результата
измерения и записать окончательный результат, если наилучшая оценка
массы – 28,00 кг. Значение коэффициента Стьюдента 2,78.
4. Кинетическая энергия вращающегося диска определяется рабочей
формулой Е = Iw2 / 2, где:
I = (3,2  0,2) 10–2 кг м2;
w = (12,6  0,4) рад/с.
Рассчитать значения величины E, ее абсолютной погрешности и
записать окончательный результат измерения.
Вариант 12
1. Удельная теплота плавления свинца r задана табличным
значением 2,26 104 Дж/кг. Определить абсолютную погрешность этой
величины и привести окончательный результат.
2. Измерения напряжения выполняются вольтметром с классом
точности 1,0, ценой минимального деления шкалы 2 В/дел и пределом
измерения 150 В (оцениваемая доля d = 0,5 дел). Рассчитать
систематическую погрешность вольтметра.
3. Зависимость линейной скорости тела от времени движения
задается уравнением v = Аt + Вt2, где: А = 3 10–2 м/с2; В = 10–2 м/с3 –
коэффициенты, погрешностями которых можно пренебречь. Значение
времени t = (5,0  0,4) с получено в результате прямого измерения. Найти
значение величины v, ее абсолютную погрешность и привести
окончательный результат измерения.
4. По данным прямых измерений силы тока и напряжения (см. табл.
1) построить график зависимости I = aU. Абсолютные погрешности силы
тока и напряжения соответственно равны 0,5.мА и 2,5 В. Определить
значения углового коэффициента а и его абсолютной погрешности.
25
(Масштаб: 2 клетки – 1мА; 4 клетки – 10 В). Привести окончательный
результат измерения величины а.
Т а б л и ц а 1 . Исходные данные
I, мА
U, В
22,5
110
24,5
120
25,5
130
27,5
140
Задание 13
1. В ходе опыта получено наилучшее значение периода колебаний
маятника Т = 1,8 с. Относительная погрешность измерения составляет 6 %.
Определить абсолютную погрешность результата измерения и дать
окончательный результат.
2. В результате многократных измерений линейного размера тела а
(в неизменных условиях) получены следующие значения: 12,2; 12.1; 12,3
мм. Систематическая погрешность составляет 0,16 мм. Значение
коэффициента Стьюдента 4,3. Рассчитать суммарную погрешность
результата измерения и привести окончательный результат.
3. Ускорение тела при движении по окружности описывается
уравнением а = V2 / R, где: V = (0,70  0,02) м/с; R = (0,20  0,01) м.
Определить значения величины а, ее абсолютной погрешности и
привести окончательный результат измерения.
4. По данным измерений натурального логарифма высоты столба
жидкости и времени (см. табл. 2) нарисовать график зависимости Lnh = at + b.
Абсолютные погрешности результатов измерений Lnh и времени t
постоянны и соответственно равны 0,2 и 0,5 с. Определить значения
углового коэффициента а, его абсолютной погрешности и дать
окончательный результат. (Масштаб: для оси Lnh: одна клетка – 0,1; для
оси t: две клетки – 1,0 с).
Т а б л и ц а 2 . Исходные данные
Lnh
t, с
26
-2,6
7,5
-2,9
10,5
-3,1
13,5
-3,4
16,5
Вариант 14
1. Представить окончательный результат измерения в наиболее
наглядном
виде
с
нужным
числом
значащих
цифр:
 = (0,000005636  0,00000023) м.
2. При проведении измерений в неизменных условиях опыта
получены следующие значения напряжения U: 12,3; 12,0; 12,3 В.
Рассчитать случайную погрешность результата измерения. Коэффициент
Стьюдента 4,3.
3. Среднее квадратическое отклонение результата измерений
концентрации С составляет 0,4 моль/м3, систематическая погрешность
прямого измерения 0,8 моль/м3. Найти суммарную погрешность результата
измерения и привести окончательный результат, если наилучшая оценка
силы С равна 37,0 моль/м3. Значение коэффициента Стьюдента 2,78.
4. Кинетическая энергия тела, как результат косвенного измерения,
определяется формулой Е = mV 2 / 2, где значения массы и скорости
получены в результате прямых измерений и равны: m = (2,6  0,1) кг;
V = (0,80  0,02) м/с. Найти значения величины Е, ее абсолютной
погрешности и записать окончательный результат измерения.
Вариант 15
1. Представьте следующие окончательные результаты измерений в
наиболее наглядном виде с нужным числом значащих цифр:
H = (4,06  0,02329) м; T = (14,6452  1) с.
2. При прямых измерениях массы тела m получены следующие
результаты: 1,6; 1,8; 1,7 г. Чему равны среднее арифметическое значение m
и среднее квадратическое отклонение результата измерений?
3. Определить суммарную доверительную погрешность результата
измерений напряжения, если случайная погрешность равна 0,25 В,
систематическая погрешность 0,10 В, значение коэффициента Стьюдента
2,78, а наилучшая оценка напряжения U равна 15,78 В. Привести
окончательный результат измерения.
4. Определить значение и абсолютную погрешность величины Р,
если она задается уравнением Р = а – (в / с2), где:
а = (18,0  0,7) Н/м2, в = (56  5) Н, с = (3,40  0,05) м.
Привести окончательный результат величины Р в наглядном виде с
нужным числом значащих цифр.
27
6. Задания к контрольной работе № 2
Вариант 1
1. Что понимается под системой мониторинга и, в частности,
экологического мониторинга?
2. Основные конструктивные особенности спектрометров.
3. Ионоселективные электроды
Вариант 2
1. Что лежит в основе метода аналитического определения тех или
иных соединений?
2. Основы анализа атомных спектров, что возможно определить на
основе атомно-абсорбционного анализа?
3. Окислительно-восстановительные реакции и электролитическая
ячейка.
Вариант 3
1. Основные характеристики аналитических приборов?
2. Примеры использования фотометрических методов
3. Уравнение Нернста
Вариант 4
1. Что понимается под чувствительностью, пределом обнаружения и
идентификации?
2. Область применения атомной флуоресцентной спектроскопии.
3. Электрохимические методы анализа
Вариант 5
1. Воспроизводимость и погрешность аналитических измерений?
2. ИК-спектроскопия и её особенности.
3. Гибридные методы анализа.
Вариант 6
1. Стандартные образцы и добавки?
2. Общие представления о спектроскопии магнитного резонанса.
3. Гибридные методы анализа.
28
Вариант 7
1. Роль градуировочных графиков и функциональных зависимостей
2. Основы и виды хроматографии
3. Гибридные методы анализа
Вариант 8
1. Физические величины, отражающие состав веществ.
2. Основные узлы газового хроматографа.
3. Основные узлы масс-спектрометра.
Вариант 9
1. Аналитический процесс, принцип, метод, методика -дайте
определение.
2. Интегральные и дифференциальные детекторы.
3. Масс-спектроскопия как инструментальный метод анализа.
Вариант 10
1. Масс-спектроскопия как инструментальный метод анализа.
2. Уравнение Нернста.
3. Что понимается под системой мониторинга и, в частности,
экологического мониторинга?
Вариант 11
1. Закон Бугера-Ламберта-Бэра.
2. ИК-Фурье спектрометр.
3. Какие области электромагнитного спектра и соответствующие им
формы внутренней энергии сопряжены с теми или иными принципами
анализа?
Вариант 12
1. Дайте определение коэффициента пропускания, оптической
плотности.
2. Фотометрия поглощения, колориметрия, нефелометрия – основные
особенности.
3. Уравнение Нернста.
29
Вариант 13
1. Ионоселективные электроды.
2. Основы и виды хроматографии.
3. Аналитический процесс, принцип, метод, методика – дайте
определение.
Вариант 14
1. Устройство атомно-абсорбционного спектрометра
2. Аналитический процесс, принцип, метод, методика – дайте
определение.
3. Основы и виды хроматографии.
Вариант 15
1. Закон Бугера-Ламберта-Бэра в дифференциальной и интегральной
форме.
2. Электрохимические методы анализа.
3. Аналитический процесс, принцип, метод, методика – дайте
определение.
Номер задания выбирается по первой букве фамилии
А,
Б
1
30
В,
Г
2
Д,
Е
3
Ж,
З
4
И,
К
5
Л,
М
6
Н О
7
8
П,
Р
9
С,
Т
10
У,
Ф
11
Х,
Ц
12
Ч,
Ш
13
Щ,
Э
14
Ю,
Я
15
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
379
Размер файла
1 387 Кб
Теги
2016, metodmonitor
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа