Лекція 3. Класифікація і основні характеристики екоаналітичних засобів (2 год)

1. Основні відомості про одиниці фізичних величин

Людина у своєму прагненні пізнати фізичні об’єкти виділяє деяку відокремлену кількість властивостей, загальних у якісному відношенні для ряду об’єктів, але індивідуальних для кожного з них в кількісному відношенні. Такі властивості отримали назву фізичних величин. Фізичні величини розрізняють як в якісному, так і в кількісному відношенні.

Якісна сторона – визначає «вид» величини, наприклад довжина, маса вологість, тиск тощо, а кількісна її розмір.

Таким чином, фізична величина – властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об’єктів і індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них.

Фізичні величини, як і обєкти яким вони притаманні існують в часі і просторі. Тому їх розміри у векторних величинах є функціями часу і координат простору. Якщо розміри величин не змінюються, то вони звуться сталими, якщо змінюються, то – змінними величинами.

Значення фізичної величини – це кількісна ознака вимірюваної величини повинна бути числом іменованим, а не просто числом. Результат вимірювання повинен бути відображений у визначених одиницях прийнятних для даної величини.

Історично склалося так, що розвиток різноманітних галузей науки і техніки призвів до появи багатьох систем одиниць фізичних величин та великого числа позасистемних одиниць, але в міру розвитку метрології було встановлено, що доцільним є такий вибір одиниць, при якому одиниці деяких розмірів установлюють довільно, незалежно один від одного – такі одиниці називають основними, а одиниці інших розмірів  виражають через основні – називають похідними.

Сукупність основних та похідних фізичних величин називають системою одиниць фізичних величин (метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела, моль).

Одиниці величин, які не належать ні до основних, ні до похідних – називаються додатковими. Одиниці, що не входять у систему одиниць фізичних величин називаються позасистемними (літр, калорія тощо).

Одиницю, що в ціле число разів більша системної або позасистемної одиниці, називають кратною (км, хвилина. тощо). А та що менша в ціле число разів – частковою (мм, мілісекунда тощо).

В 1960 р. ХІ Генеральною конференцією з мір та ваг була прийнята єдина універсальна Міжнародна система одиниць – СІ.

Вона побудована на семи основних та 2-х додаткових одиницях

До основних одиниць СІ відносять:

Метр – дорівнює шляху, який проходить у вакуумі світло за 299792458 с^-1.

Кілограм – це одиниця маси та дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма

Секунда – дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома рівнями основного стану атома Цезію-133.

Ампер – дорівнює сил незмінного струму, який під час проходження по двох безмежно довгих паралельних прямолінійних провідниках, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії,

яка дорівнює 2*10^-7 Н.

Кельвін – одиниця термодинамічної температури. Дорівнює 273,16^-1 частині термодинамічної температури потрійної точки води.   (0 ^оК = -273,15 ^оС ).

Кандела – сила світла у напрямі джерела, визначається прийняттям фіксованого числового значення сили світла монохроматичного випромінювання частоти 540×10¹²Гц, енергетична сила якого при цьому становить 683 Вт/см.

Моль – це така кількість речовини, яка містить стільки частинок (атомів, молекул, йонів та ін.), скільки міститься атомів у нукліді  Карбону -12  масою 0,012 кг (12 г). Експериментально доведено, що 1 моль речовини містить 6,02•1023 (скорочено 6•1023) частинок (атомів, молекул, йонів та ін.). Це число на честь італійського вченого називається числом Авогадро.

Додаткові одиниці СІ:

Радіан – дорівнює куту між двома радіусами кола, довжина дуги між якими дорівнює радіусу.

Стерадіан – дорівнює тілесному куту з вершиною у центрі сфери.

Одним із головних напрямків метрології є передача розміру одиниці ФВ від зразка іншим засобам вимірювання з найменшою втратою точності. Така передача може бути забезпечена тільки при наявності перевірочної схеми, під якою розуміється затверджений в установленому порядку документ, що встановлює засоби, методи і точність передачі розміру одиниці від еталона до робочих засобів вимірювання.

Еталоном називають засіб вимірювання, або комплекс засобів вимірювань, що забезпечує відтворення та зберігання одиниці міри з метою передачі її розміру нижчестоящим за перевірковою схемою засобам вимірювання, виконаним за особливими вимогами та офіційно затвердженим в установленому порядку в якості еталона.

Еталони для посередніх вимірювань ФВ не застосовуються, а використовуються для передачі розміру одиниць іншим засобам вимірювань.

За точністю відтворення розмірів одиниць і за службовим призначенням еталони поділяються на первинні, вторинні, державні тощо.

Первинним називають еталон, якій забезпечує відтворення розміру ФВ з найвищою в державі точністю.

Вторинним - називають еталон, що відтворює розмір одиниці ФВ за первинним та періодично звіряється з ним.

Державний еталон це офіційно затверджений первинний еталон у якості вихідного для держави.

Еталон-копія - це вторинний еталон, який призначається для передачі розміру одиниці ФВ робочим еталоном.

Робочий еталон – еталон, призначений для передачі розміру ФВ засобам вимірювання.

Еталон передавання це вторинний еталон, що призначається для взаємного порівняння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо.

2. Відомості про вимірювання екологічних параметрів

Вимірювання є кількісним пізнанням властивостей того чи іншого матеріального об'єкта та ланкою, що пов'язує науку про матеріальний світ з самим матеріальним світом. Отже, вимірювання - це метод експериментального виявлення об'єктивно існуючих закономірностей та практичної перевірки теоретичних співвідношень. Таким чином, вимірювання є доцільно організованою дією людини, що чиниться з метою визначення фізичної величини (ФВ), необхідної для кількісного і якісного пізнання властивостей матеріального об'єкта.

Відповідно до ДСТУ 2681-94, вимірювання це відображення ФВ їх значеннями за допомогою експерименту та обчислень із застосуванням спеціальних технічних засобів.

За характером знаходження значення вимірюваної величини, вимірювання класифікують на прямі, непрямі, опосередковані, сукупні та сумісні. Розрізняють також статичні та динамічні вимірювання та ін.

Пряме вимірювання - вимірювання, в якому значення величини (однієї) знаходять безпосередньо без перетворення її роду та використання відомих залежностей. До таких вимірювань можна віднести вимірювання маси, часу, довжини, сили електричного струму, атмосферного тиску тощо.

Непряме вимірювання - вимірювання, в якому значення однієї чи декількох величин, що вимірюються, знаходять після перетворення роду величини чи обчислення за відомими їх залежностями від декількох величин, що вимірюються прямо. До непрямих вимірювань відносять сукупне, сумісне та опосередковане. Опосередковане вимірювання є різновидом непрямого вимірювання однієї величині з перетворенням її роду чи обчисленням за результатами вимірювання інших величин, з якими вимірювана величина пов'язана явною функціональною залежністю. Наприклад, при вимірюванні площі прямокутної ділянки потрібно визначити прямими вимірюваннями довжину (а) та ширину (b), а значення площі обчислити за функціональною залежністю: S=ab.

Сукупне вимірювання - непряме вимірювання, в якому значення декількох одночасно вимірюваних однорідних величин отримують розв'язанням рівнянь, які пов'язують їх з іншими величинами, що вимірюються прямо чи опосередковано.

Наприклад, при визначенні струмів в розгалуженому електричному колі, за наявності значень опорів резисторів та е.р.с., складають систему рівнянь за першим і другим законами Кірхгофа.

Сумісне вимірювання непряме вимірювання, в якому значення декількох одночасно вимірюваних різнорідних величин отримують розв'язанням рівнянь, які пов'язують їх з іншими величинами, що виміряються прямо чи опосередковано.

Статичне вимірювання вимірювання величини, яку можна вважати незмінною за час вимірювання.

Динамічне вимірювання вимірювання величини, що змінюється за час проведення вимірювань.

Одноразове вимірювання вимірювання, яке здійснюється одноразово за один прийом (вимірювання часу по годиннику).

Багаторазові вимірювання вимірювання однієї і тієї ж ФВ, результат яких отримують за декілька вимірювань, впорядкованих одне за одним.

Рівноточні вимірювання - ряд вимірювань будь-якої ФВ, що виконано однаковими за точністю засобами вимірювальної техніки (ЗВТ) в одних і тих самих умовах

Нерівноточне вимірювання ряд вимірювань ФВ, виконаних різними за точністю ЗВТ в різних умовах.

3. Класифікація засобів вимірювань

На цей час існує кілька класифікацій засобів вимірювань, в основу яких, в залежності від мети досліджень, покладені різні принципи для класифікації. Так, засоби екоаналітичних вимірювань можна розділити на групи:

- автоматичні і неавтоматичні («ручні») – в залежності від ступеня їх автоматизації, тобто здатності засобів виконувати всі або окремі операції екоаналітичного циклу (пробовідбір, пробопідготовка, власне вимірювання тощо) без участі людини;

- мобільні і стаціонарні – в залежності від можливості переміщення ЗВ до джерела забруднення (розрізняють «ті, що переносяться» – однією людиною, причому постійно, «ті, що переносяться» – однією або кількома людьми для епізодичного вимірювання і «ті, що перевозяться» – за допомогою будь-яких транспортних засобів);

- аналізатори і сигналізатори – в залежності від форми аналітичного ефекту, що видається («аналізатор» – у вигляді кількісної характеристики вмісту речовини або іншого показника НС, а «сигналізатор» – у вигляді любого сигналу, що свідчить про перевищення допустимого рівня фіксованого параметра);

- універсальні ЗВ – вимірюють вміст практично любих речовин різних класів (наприклад, хроматограф або спектрофотометр), групові - аналізують ряд схожих за властивостями речовин одного класу або групи (наприклад, атомно-адсорбційний аналізатор важких металів або багатоцільовий аналізатор вихлопних газів автотранспорту) і цільові – специфічні до конкретних речовин (наприклад, аналізатор СО, аналізатор Нg тощо);

- за аналізованим середовищем: газоаналізатор – для газів атмосфери, аква-аналізатори – для аналізу вод, аналізатори сипучих тіл (ґрунту, пилу та інші) тощо; - аналогові і цифрові – за способом реєстрації результатів тощо.

Часто класифікують екоаналітичні засоби за методами отримання інформації:

- хімічні (реактиви і обладнання стаціонарних хімічних лабораторій, так звана «мокра хімія»).

- фізико-хімічні: оптичні (спектрофотометри, фотоелектроколориметри), електрохімічні (йономіри, кондуктометри, полярографи), хроматографічні (рідинні і газові хроматографи та різні хроматографічні колонки);

- фізичні: радіометри і дозиметри, електромагнітометри, масспектрографи, шумоміри.

Є класифікація екоаналітичних засобів за методами вимірювань, які складають основу (принцип) дії ЗВ. Досить часто назва методу дає ім’я і засобу вимірювання («хроматограф», «спектрофотометр», «хромато-масспектрометр», «кондуктометр», «нефелометр», "полярограф» тощо). Беручи до уваги всі вищевказані мотиви класифікацій і при подальшій деталізації засобів вимірювання за особливостями досліджуваних середовищ формується найбільш широко застосовна на даний час на практиці „прагматична” класифікація засобів вимірювань. Поділ засобів вимірювань на групи і підгрупи в ній здійснюється за досліджуваним середовищем, його особливостями, а дальше за методами, класами і видами досліджуваних речовин тощо.

4. Похибки вимірювання

Процедура вимірювання складається з таких основних етапів:

• прийняття моделі об'єкту вимірювання;

• вибір методу вимірювання;

• вибір засобів вимірювань;

• проведення розрахунків з метою обрання числового значення результату вимірювання.

Різного роду недоліки, властиві цим етапам, призводять до того, що результат вимірювання відрізняється від істинного значення вимірюваної величини. Величину, що характеризує відхилення результату вимірювання від істинного вимірюваної величини, називають похибкою вимірювання.

Похибки є властивістю будь-якого вимірювання, вони обумовлені пізнавальним характером процесу вимірювання відносно до наших знань. В науці слово "похибка" не мас звичайного значення чогось невірного. Похибки, власне, не слід відносити до помилок експериментатора, їх неможливо уникнути, намагаючись бути дуже уважним. Найкраще, на що можна розраховувати - це звести похибки до мінімуму і надійно розрахувати їх величини.

Причин, що призводять до появи похибок при вимірюваннях, надзвичайно багато. Вони зумовлені:

– недостатнім знанням властивостей досліджуваного об'єкта;

– недосконалістю методів та засобів вимірювань;

– зовнішніми впливами (тиску, температури, вологості тощо);

– суб'єктивними властивостями оператора (експериментатора);

– округленням результатів вимірювання до парних чи непарних чисел тощо.

Звичайно, одним з основних завдань при проведенні будь-якого вимірювання є виявлення та усунення причин та завад, що призводять до появи похибок.

Можна зробити висновок, що жодне з вимірювань, як би ретельно воно не проводилося, не може обійтись без похибок. В зв'язку з тим, що істинне значення вимірюваної величини залишається невідомим, неможливо визначити й істинне значення похибки вимірювання, тобто на практиці можна знайти лише наближене значення похибки, виконати її оцінку.

Таким чином, до задач вимірювання входить не тільки визначення значення ФВ, але також й оцінка похибки, що була допущена під час вимірювань. Тому вимірювання вважається закінченим тільки в тому випадку, якщо відомо, з якою похибкою воно здійснене.

Класифікацію похибок вимірювання здійснюють у залежності від джерела виникнення, умов проведення, характеру величини, що вимірюється в часі, та способу вираження.

За джерелом виникнення : Похибки методу вимірювання - спричинені недосконалістю цього методу, а також недостатністю обґрунтування його теорії, застосуванням наближених формул для спрощення розрахунків тощо.

Інструментальна похибка складова похибки вимірювання, яка зумовлена недосконалістю засобів вимірювальної техніки (ЗВТ). Ця похибка може бути також обумовлена конструктивними та технологічними недоліками. Наприклад, через неточність виготовлення та нестабільності елементів ЗВТ, неправильне градуювання шкали приладу тощо.

Суб'єктивні (особисті) похибки як правило, є наслідком особистих властивостей спостерігача (експериментатора), які зумовлені особливостями його організму (недосконалість зору, втомленість тощо).

За умовами проведення вимірювань

Основна похибка - похибка, яка виникає за нормальних умов застосування ЗВТ (20±5°С, 750±30 мм. ат. ст., 65±15% вологості). Ця похибка нормується і вказується у відповідних документах (технічному паспорті, формулярі).

Додаткова похибка - обумовлюється відхиленням однієї чи декількох впливових величин (температури, тиску, вологості тощо) від нормального значення. Значення додаткової похибки, як і основної, нормується і вказується у відповідних технічних документах.

За характером виявлення Систематична похибка - складова похибки, яка залишається сталою або закономірно змінюється при повторних вимірюваннях однієї і тієї ж величини. Вона зумовлена впливом на результат вимірювання багатьох факторів, дію яких не усунуто та не прийнято до уваги. Ці фактори можуть бути або постійно діючими. або закономірно змінюватись. У ряді випадків систематичні похибки можуть бути визначені дослідним шляхом. В залежності від причин виникнення систематичні похибки поділяють на інструментальні, суб'єктивні, а також похибки методу та похибки від зовнішніх впливів.

На практиці повне усунення систематичних похибок неможливе, отже, результат будь-якого вимірювання містить залишки не виключених систематичних похибок.

Випадкова похибка - це та складова похибки, яка за повторних вимірювань однієї й тієї ж величини, проведених за допомогою одного й того ж приладу, в однакових умовах, з однаковою старанністю, дасть результати спостережень, що мають (хоч незначно) відрізнятись один від одного. Це вказує на те, що при багаторазових вимірюваннях результати спостережень та їх похибки є випадковими величинами.

Поява випадкових похибок зумовлена спільним впливом на засіб та об'єкт вимірювання багатьох випадкових факторів, поміж якими відсутній взаємний зв'язок. Іншими словами, результат будь-якого вимірювання «обтяжений» випадковими похибками.

Груба похибка - це похибка вимірювання, яка істотно перевищує очікувану за даних умов похибку.

За характером зміни вимірюваної величини у часі

Статична похибка – похибка при вимірюванні постійної в часі величини. Наприклад, похибка вимірювання постійного струму тощо.

Динамічна похибка - різниця між похибкою в динамічному режимі (похибка при вимірюванні змінної в часі величини) і статичною похибкою, яка відповідає значенню виміряної величини у відповідний момент часу.

За способом виразу.

Абсолютна похибка вимірювання це алгебраїчна різниця між отриманим при вимірюванні значенням та істинним значенням вимірюваної величини.

Оскільки істинне значення вимірюваної величини невідоме, то його замінюють на дійсне (яке має бути наближеним до істинного).

Відносна похибка - відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення вимірюваної величини: