Объекты исследования, оборудование и материалы. 3.1. Объектами исследования в данной работе являются:

3.1. Объектами исследования в данной работе являются:

- концевая мера длины с номинальным размером 10 мм и эталонная концевая мера 2 разряда с тем же номиналом;

- сферическая пробка шарового крана

3.2. Лабораторное оборудование, с помощью которого выполняются необходимые измерения.

3.2.1 Вертикальный оптиметр ОВО-16 со следующими метрологическими характеристиками:

Цена деления шкалы.......................................................1 мкм

Диапазон измерений наружных длин и диаметров..... 0-180 мм

Пределы допускаемой погрешности............................. ±0,2 мкм

3.2.2. Оптический длиномер фирмы Цейс со следующими метрологическими характеристиками:

Диапазон измерения.....................................................250 мм

Пределы допускаемой погрешности............................. 1,5 – 2 мкм

Задание на работу

4.1. Измерить срединную длину и наибольшее отклонение от плоскопараллельности концевой меры длины с номинальным размером 10 мм.

4.2. Определить отклонение от сферичности наружной поверхности пробки шарового крана

Порядок выполнения работы

5.1 Измерение действительного размера концевой меры длины с помощью вертикального оптиметра.

- установить нулевое показание оптиметра по эталонной концевой мере 2 разряда;

- для исследуемой концевой меры измерить отклонение её размера от номинала в центре (т.О₁) и по краям (тт. a, b, c, d)

- вновь установить нулевое показание оптиметра по эталонной концевой мере 2 разряда и провести вторую серию измерений в обратном порядке, начиная с точки d.

Рассчитать:

- отклонение срединной длины проверяемой концевой меры от номинала

ΔL = (O₁_c_р – О_ср)

- действительную срединную длину проверяемой концевой меры

L = L_n + (O₁_c_р – О_ср)

Наибольшее отклонение от плоскопараллельности по точкам a, b, c, d

Δ L₁ = L_ср._max - L_ср._min

Результаты измерений и вычисления заносятся в 1-ю часть бланка отчета.

5.2 Измерение отклонений от сферичности пробки шарового крана.

Для сферической пробки шарового крана, установленной в специальную подставку, следует зафиксировать отсчет по ОМС в наивысшей точке при 5...7 различных положениях сферы. Отклонение от сферичности вычислить как полуразность максимального и минимального отсчетов

Результаты занести во 2-ю часть бланка отчета.

Контрольные вопросы

1. Поясните сущность закона независимости световых лучей.

2. Какие свойства оптических систем используются в оптико-механических измерительных приборах?

3. На каком принципе основано устройство оптиметра?

Список использованной литературы

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов: в 5 кн. / И. В. Савельев.— М.: АСТ: Астрель, 2008-.— ISBN 978-5-17-008962-8 ((ООО "Издательство АСТ")).— ISBN 978-5-271-01033-0 ((ООО "Издательство Астрель")).— ISBN 978-985-13-8725-6 ((ООО "Харвест")).

2. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики: Справочник, - Киев: Наук. Думка, 1989.-864с.

3. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. [электронный ресурс]: учеб. пособие / Дубов Г.М., Дубинкин Д.М. — Электрон. текстовые данные. - М.:Издательство КузГТУ 2011. – 224 с. ISBN:978-5-89070-791-8 – Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=6659 - ЭБС Издательство «Лань» по паролю.

4. Городецкий Ю.Г. Конструкции, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов. М., «Машиностроение». 1984, 376с.

Содержание отчета

1 Измерение действительного размера концевой меры длины с помощью вертикального оптиметра.

Результаты измерения

Номинальный размер меры L_n, мм	Порядок измерения	Отклонение оптиметра от 0 при установке по эталонной мере	Результаты измерений проверяемой меры по точкам, мм
О₁	a	b	c	d
	1-е измерение
2-е измерение
Среднее арифметическое

Примечание: Второе измерение производится в обратном порядке, начиная с точки d.

Действительная срединная длина проверяемой концевой меры:

L = L_n + (O₁_c_р – О_ср)

Отклонение срединной длины проверяемой концевой меры от номинала

ΔL = (O₁_c_р – О_ср)

Наибольшее отклонение от плоскопараллельности по точкам a, b, c, d

Δ L₁ = L_ср._max - L_ср._min

2 Измерение отклонений от сферичности пробки шарового крана.

Результаты измерения

№ измерения
Отсчет по ОМС L, мм

Отклонение от сферичности:

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 5

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ В РАСТВОРАХ

НА ПРИМЕРЕ ФОТОМЕТРА КФК-3

Цель и задачи работы

- изучение физических основ фотометрии;

- изучение принципа действия фотоэлектрического фотометра КФК-3;

- получение навыков измерения концентрации веществ в растворе; измерение содержания железа в водопроводной воде.

Теоретические положения

2.1. Физические основы фотометрии

Ценность и значение оптических методов в аналитической технике и измерении концентраций основаны на строго определенном взаимодействии между электромагнитным излучением (светом) и веществом.

Под влиянием электромагнитного излучения носители заряда с низкого уровня энергии могут переходить на более высокий уровень, поглощая это излучение. Возможные уровни энергии в атоме или молекуле и вытекающее отсюда число возможных скачков энергии дискретно и ограничено; то есть взаимодействие между излучением и веществом является специфичным и строго определенным процессом.

Если электромагнитная волна данной частоты проходит через пространство с равномерно распределенной материей, параметры волны (скорость распространения и амплитуда) могут изменяться, в то время как частота является неизменным параметром. Изменение скорости выражается коэффициентом преломления, изменение амплитуды – коэффициентом поглощения. Зависимость потока излучения от числа исследуемых частиц является основой количественной фотометрии, предназначенной для определения количеств и концентраций. В этом случае поток излучения измеряют при определенной длине волны или в узкой области спектра, что обеспечивается постановкой соответствующих светофильтров или монохроматоров.

В практике оптических методов измерения энергетические величины определяются не по абсолютной величине, а в относительных величинах. В области фотометрического измерения концентраций измеряется отношение потока излучения до и после прохождения через пробу

Эта величина называется степенью поглощения или коэффициентом пропускания; она зависит от концентрации С поглощающего вещества и от толщины s поглощающего слоя. Зависимость между этими величинами носит экспоненциальный характер. Линейную зависимость между поглощением энергии излучения, концентрацией и толщиной слоя можно получить, если вычислить отрицательный логарифм степени поглощения и выразить его в виде оптической плотности

где e - молярный коэффициент оптической плотности, который для поглощающего вещества при определенной длине волны является постоянной величиной.

Приведенное выражение носит название закона Бугера-Ламберта-Бера и является основой количественной абсорбционной фотометрии.

Зависимость коэффициента e от длины волны определяет наличие абсорбционных спектров (спектров поглощения), характерных для каждого вещества, по которым можно идентифицировать это вещество. Знание абсорбционных спектров является непременным условием минимизации погрешностей при количественном фотометрическом анализе.

Области применения количественной фотометрии:

- при неизменном во времени поглощении –количественное определение веществ (атомов, ионов, молекул);

- при меняющемся во времени поглощении – определение активности ферментов, исследование кинетики хода реакций, исследование влияния макроконцентраций на ход реакций;

- при изменении поглощения в пространстве – денситометрическое измерение потемнения пленок и фотопластин, чтение тонкослойных хроматограмм, и т.д.

Приборы для измерения потока излучения от сред, испускающих или поглощающих излучение, называются фотометрами. В однолучевых фотометрах тело сравнения и анализируемую пробу помещают на пути излучения последовательно и измеряют соотношение обоих потоков излучения. В данной лабораторной работе будет рассмотрен типовой представитель фотометров этого класса.

Метрологическое обеспечение аналитических измерений осуществляется на основе использования стандартных образцов состава, поверочных смесей с заданными свойствами. Для фотометрических приборов это набор мер коэффициентов пропускания и оптической плотности.

2.2. Принцип действия и устройство фотометров на примере фотометра КФК-3

Фотометры фотоэлектрические КФК-3 предназначены для измерения спектрального коэффициента направленного пропускания (СКНП), оптической плотности и скорости изменения оптической плотности прозрачных жидкостных растворов, а также для определения концентрации веществ в растворах после предварительной градуировки фотометров пользователем.

Фотометры применяются в клинико-диагностических лабораториях медицинских учреждений для проведения биохимических исследований; в сельском хозяйстве; на предприятиях водоснабжения; в металлургической, химической, пищевой промышленности.

Принцип действия фотометра основан, как уже говорилось, на сравнении потока излучения Ф₀, прошедшего через «холостую пробу» (растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение) и потока излучения Ф, прошедшего через исследуемый раствор.

Потоки излучения Ф₀ и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы U₀, U и U_т (сигнал при неосвещенном фотоприемнике), которые обрабатываются встроенной микро-ЭВМ и представляются на индикаторе в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации.

Оптическая схема фотометра представлена на рис.1.

Нить лампы 1 изображается конденсором 2 в плоскости входной щели Д1, заполняя её светом. Далее входная щель изображается вогнутой дифракционной решеткой 4 и вогнутым зеркалом 5 в плоскости выходной щели Д2. Вращая дифракционную решетку вокруг оси, параллельной её штрихам, выделяют выходной щелью излучение в узких спектральных интервалах в диапазоне от 315 до 990 нм. Объектив 7, 8 изображает с увеличением выходную щель перед линзой 10. Линза 10 создает в плоскости фотоприемника 11 световое пятно.

В кюветное отделение между объективом и линзой устанавливаются прямоугольные кюветы 9.

Светофильтр 3 автоматически вводится при работе в диапазоне длин волн 315-400 нм для уменьшения рассеянного излучения.

Конструктивно фотометр выполнен в виде одного блока на металлическом основании 1 с закрепленными на нем отдельными узлами, которые закрываются кожухом 2 (рис.2).

Кюветное отделение закрывается съемной крышкой 3. Ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется перемещением ручки 4 до упора влево или вправо. При установке ручки до упора влево в световой пучок вводится кювета с «холостой пробой» (растворителем или контрольным раствором), при установке ручки до упора вправо в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. При открытой крышке кюветного отделения шторка автоматически перекрывает световой пучок. Ручка 5 служит для поворота дифракционной решетки и установки требуемой длины волны.

Рис.1. Оптическая схема фотометра КФК-3

Основными функциональными блоками фотометра являются:

1. Блок подключения к сетевому напряжению.

2. Монохроматор, предназначенный для выделения излучения заданного спектрального состава; главным элементом монохроматора служит дифракционная решетка.

3. Кюветное отделение с механизмом перемещения кювет.

4. Микропроцессорная система (МПС) с выведенной на панель прибора клавиатурой и индикаторами. С помощью клавиатуры выбирается режим работы (метод измерения того или иного параметра) в прямой и обратной последовательности; осуществляется перевод на другой режим, вводится цифровая информация в память МПС.

Рис. 2