МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УО ”БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ” ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Кафедра физико-химических методов сертификации продукции КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине Организация и технология испытаний Тема работы Разработка методики оценки неопределенности результата определения кислотности патоки по ГОСТ 5194 п. 3.7 Выполнил: cтудент 4 курса, Клюй А.Д. Минск 2022 Реферат МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ, РАСЧЕТ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ, КИСЛОТНОСТЬ ПАТОКИ, ТИТРОВАНИЕ. Целью данной курсовой работы является разработка методики оценки неопределенности результата определения кислотности патоки по ГОСТ 5194. При написании курсовой работы были рассмотрены следующие разделы: методика выполнения измерений теоретические основы расчета неопределенностей разработка методики расчета неопределенностей измерений пример расчета неопределенностей Èçì. Ëèñò Ðàçðàá. Ïðîâåð. Í. Êîíòð. Óòâ. ¹ äîêóì. Клюй А. Д. Заяц Н. И. Ïîäïèñü Äàòà ÀÁÂÃ.123456.000 Ëèò. Ëèñò Ëèñòîâ 1 2 Содержание Введение......................................................................................................... 4 1. Определение кислотности патоки методом титрования ....................... 6 1.1 Сущность метода..................................................................................... 6 1.2 Аппаратура, материалы и реактивы ...................................................... 6 1.3 Подготовка к испытанию ....................................................................... 7 1.4 Проведение испытания ........................................................................... 7 2. Теоретические основы расчёта неопределённостей.............................. 8 2.1 Общие положения ................................................................................... 8 3. Разработка методики расчета неопределенностей измерений ........... 13 4 Пример расчёта неопределённости ........................................................ 15 Заключение .................................................................................................. 16 Список использованных источников ........................................................ 17 Приложение А ............................................................................................. 18 ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Введение расчет неопределенность измерение массовая доля С начала ХХI в. требования, предъявляемые к точности и достоверности измерений, изменялись очень быстро. На сегодняшний день количество областей человеческой деятельности, в которых требуются достоверные измерения, заметно возросло даже по сравнению с недалёким прошлым. Достоверные измерения в области испытаний пищевой продукции приобретают всё большую важность не только вследствие её большого объёма и высокой экспортной стоимости в международной торговле, но и в связи с вопросами безопасности пищевой продукции. Для оценки точности полученных результатов предпочитают использовать не погрешность, а неопределенность. Это связано с тем, что уже первоначально неопределенность имеет более расширенную область распространения, чем погрешность. На мировой арене неопределенность занимает ведущее место в оценке точности измерений, а от погрешности стараются отступать, так как считают, что погрешность не может в полной мере отразить точность результатов измерений. В РБ все чаще стараются проводить и оценивать измерения так, как это делают в мировой практике, поэтому мы тоже вместо погрешности используем неопределенность. Неопределенность – это параметр, который связан с результатами измерений и характеризует разброс значений, которые могут быть предписаны измеряемой величине. В соответствии с требованиями СТБ ИСО/МЭК 17025 результаты испытаний должны оцениваться неопределенностью. Неопределенность делится на следующие виды: - стандартную неопределенность (неопределенность типа А); - расширенную неопределенность (неопределенность типа В). Неопределенность типа А рассчитывается статистической обработкой результатов измерений, как случайная погрешность. Неопределенность типа В рассчитывается другими методами, но не статической обработкой. Неопределенность рассчитывается обычно в следующей последовательности: 1. Описание измерений, состояние модели и выявление источников неопределенности. 2. Оценивание значений и стандартных неопределенностей входных величин. Значение входных величин являются их математическими ожиданиями (среднеарифметическое, справочная величина). 3. Анализ корреляций. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 4. Расчет оценки выходной величины. 5. Расчет стандартной неопределенности выходной величины. 6. Расчет расширенной неопределенности. 7. Представление результата. Таким образом, оценка неопределённости является очень важным аспектом при проведении измерений. Она позволяет давать более точные результаты, помогает оценить правильность и достоверность полученных результатов. А при анализе пищевых продуктов тем более необходимо иметь достоверные сведения о количественном содержании компонентов, так как безопасность продуктов имеет первостепенное значение. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 1. Определение кислотности патоки методом титрования 1.1 Сущность метода Сущность метода заключается в нейтрализации кислот и кислых солей, содержащихся в 100 г сухих веществ патоки, раствором гидроокиси натрия концентрацией 0,1 моль/дм3 (0,1 н.) в присутствии индикатора фенолфталеина. 1.2 Аппаратура, материалы и реактивы Бюретка 2-го класса точности вместимостью 25 или 50 см3 по ГОСТ 20292. Пипетка 2-го класса точности вместимостью 100 см3 по ГОСТ 20292. Колбы конические вместимостью 250 см3 по ГОСТ 25336. Натрия гидроокись по ГОСТ 4328, раствор концентрацией 0,1 моль/дм3 (0,1 н.). Фенолфталеин по ТУ 6—09—5360, спиртовой раствор с массовой долей фенолфталеина 1%. Спирт этиловый ректификованный по ГОСТ 5962 или спирт этиловый питьевой 95%-ный по ГОСТ 5963. Вода дистиллированная по ГОСТ 6709. Допускается применять импортное оборудование, посуду и реактивы с техническими характеристиками не ниже отечественных аналогов. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 1.3 Подготовка к испытанию Приготовление основного раствора патоки. В предварительно взвешенный стакан взвешивают навеску патоки массой (50,0±0,05) г и смывают горячей дистиллированной водой в мерную колбу вместимостью 250 см3. После охлаждения раствора до 20°С его объем доводят водой до метки и тщательно» перемешивают. Основной раствор патоки используют для определения массовой доли редуцирующих веществ, кислотности, pH и присутствия свободных минеральных кислот. 1.4 Проведение испытания Из основного раствора патоки пипеткой отбирают 100 см3, переносят в коническую колбу вместимостью 250 см3, добавляют 3—5 капель раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроокиси натрия концентрацией 0,1 моль/дм3 (0,1 н.) до появления заметно розовой окраски. 1.5 Обработка результатов Кислотность (Х) в кубических сантиметрах вычисляем по формуле: 𝑋 𝑉 ∙ 𝐾 ∙ 100 ∙ 250 𝐴 ∙ 50 1 где V – объём раствора гидроокиси натрия, израсходованный на титрование, см3 ; K – поправочный коэффициент для перевода раствора гидрооксида натрия точно в 0,1 моль / дм3 (0,1н); A – массовая доля сухих веществ в патоке, %; 50 – масса навески патоки, взятая для приготовления основного раствора, г; 100 – коэффициент пересчёта сухих веществ патоки в %; 250 – объём основного раствора патоки, см3. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 2. Теоретические основы расчёта неопределённостей 2.1 Общие положения Неопределенность обычно рассчитывается в следующем порядке: 1. Описание измерения, составление его модели и выявление источников неопределенности. Любой процесс измерения можно представить в виде последовательности выполняемых операций. Поэтому для описания измеряемой величины и выявление источников неопределенности целесообразно представить цепь преобразования измеряемой величины в виде схемы, отображающей последовательность процесса измерений. Например: Этап 1 пробоподготовка Этап 2и т.д. Источниками неопределенности могут быть пробоотбор, условия хранения, аппаратурные эффекты, чистота реактивов, условия измерений, влияние пробы, вычислительные и случайные эффекты, влияние оператора. Модель измерения – эта функциональная зависимость, которая связывает измеряемую величину (У) с другими величинами (Х). Например, У 𝑓 Х1, … , Х𝑁 , где У - физическая величина измеряемая (выходная величина); Х – входные величины. Х может зависеть от других физических величин: Х1= f(z1,…,zN), Существуют прямые измерения, непосредственно связана с входной, и тогда: когда выходная У=Хпоказания прибора ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 величина Все входные величины являются источниками неопределенностей. Все выявленные источники неопределенностей располагают на диаграмме причина – следствие, например: Оценивание значений и стандартных неопределенностей входных величин. Значение входных величин являются их математическим ожиданием (среднее арифметическое, справочная величина). Стандартные неопределенности могут быть рассчитаны 2 способами: 1) оценивание неопределенностей, возникающие от каждого источника с последующим суммированием. 2) определение суммарного вклада неопределенностей от нескольких источников, с использованием информации об эффективности метода. Показатели эффективности метода устанавливают в процессе разработки МВИ, по межлабораторным и внутрилабораторным использованием. К показателям эффективности относятся следующие: - смещение метода; - воспроизводимость; - сходимость; - промежуточная прецизионность. Так как при оценке эффективности не могут быть учтены все факторы неопределенности, то влияние оставшихся факторов следует учесть отдельно. Для расчета неопределенности от каждого источника необходимо знать закон распределения случайной величины Х. Оценивание их возможно осуществить 2 путями: - по типу А: n U (x)= (X i 1 i X )2 n(n 1) S - по типу В: используют 3 закона: ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 а) нормальное распределение; б) прямоугольное распределение; в) треугольное распределение. Прямоугольное распределение: 𝑎 𝑈 𝑥 √3 , где а – границы неточности измерений. Этот закон используется, когда известна а, но нет доверительной вероятности (р). Треугольное распределение: 𝑎 𝑈 𝑥 √6 Рассчитываются стандартные неточностью мерной посуды. Нормальное распределение: неопределенности, вызванные U(xi)=Sx a U(xi) = 2 при р=0,95 – если дан интервал; a U(xi) = 3 при р = 0,95 – если дан интервал. Анализ корреляций: Две входные величины могут быть связаны друг с другом, т.е. коррелированны. Имеется в виду корреляция не математическая, а логическая. Например, может существовать связь между двумя входными величинами, если при их определении использовалось одно и тоже СИ или справочные данные. Мерой взаимной корреляции является коэффициент корреляции R(r). Если две входные величины коррелированны, то при расчете неопределенности необходимо учитывать их корреляцию через коэффициент корреляции. Расчет оценки выходной величины: ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Оценку выходной величины (результат измерения) рассчитывают из уравнения связи, подставив в формулу вместо Х их оценки (математические ожидания). Расчет стандартной неопределенности выходной величины: Стандартная неопределенность выходной величины определяется суммированием стандартных неопределенностей входной величины, и является суммарной стандартной неопределенностью. Если входные величины некоррелированны, то Uc(y) рассчитывается по следующим формулам соответственно: m dy ( dx ) U(x) Uc(y) = i 1 dy C dx Uc(y) = m C 2 i U ( xi )2 i=1 Чаще всего формулу упрощают, и Сi = 1. Если функциональная зависимость представляет собой сумму или разность, то Uc(y) = m U ( x ) 2 i i=1 Если функциональная зависимость – произведение или частное, то: U c ( y) y m ( i 1 U ( xi ) 2 ) xi Расчет расширенной неопределенности: U=K*Uc(y) , где K- коэффициент охвата. При нормальном распределении: р = 0,95 K = 2 р = 0,99 K = 3 ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Если стандартная неопределенность входной величины является доминирующей, т.е. в 3 раза больше. Чем стандартная неопределенность других величин, и она распределена по прямоугольному закону, то: р = 0,95 K = 1,65 р = 0,99 K = 1,71 Результат может быть представлен следующим образом: А) (y ± U) ед. измер. , р= Б) (y ± Uc(y)) В) у; Uc(y). ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 3. Разработка методики расчета неопределенностей измерений Методика расчета неопределенности метода определения кислотности патоки титрованием по ГОСТ 5194-91[1]. Методика разработана в соответствии с требованиями СТБ ИСО/МЭК 17025- 2001[12] согласно «Руководства по выражению неопределенности». Методика содержит 9 разделов и 2 приложения. 1 раздел называется «Назначение», там описывается, на какой метод разработаны методика. 2 раздел – «Измерительная задача» - описывается сущность метода, оборудование и все используемые реактивы. 3 раздел – «Модель измерения» - дана математическая модель метода с полной характеристикой входных величин. 4 раздел – «Результаты измерения» - здесь даны ссылки на формулы из раздела 3, по которым необходимо рассчитать все величины. 5 раздел – «Анализ входных величин» - где дана таблица с метрологической характеристикой всех входных величин, с расчетом стандартных неопределенностей. 6 раздел – «Корреляция» - приведены сведения о корреляции входных величин. 7 раздел – «Суммарная неопределенность» - приводится формула для расчета суммарной неопределенности. 8 раздел – «Расширенная неопределенность» - определяется коэффициент охвата и проводится формула для расчета расширенной неопределенности. 9 раздел – «Полный результат измерения» - записывается окончательный результат. Сама методика расчета неопределенностей измерения приведена в Приложении А. Методика расчета неопределенностей измерений состоит из следующих разделов: Назначение В этом разделе указывается назначение разрабатываемой методики, ТНПА на метод испытаний и ТНПА, в соответствии с требованиями которого разработана методика. 2. Измерительная задача Данный раздел содержит суть метода измерений и оборудование, используемое для проведения измерений. 3. Модель измерения ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 В данном разделе указывается функциональная зависимость, которая связывает измеряемую величину с другими величинами, которые входят в модель и являются источниками неопределенностей. Все выявленные источники неопределенностей отражаются на диаграмме причина-следствие. 4. Результаты измерения В данном разделе указывается, что является результатом измерений. 5. Анализ входных величин В данном разделе рассчитываются стандартные неопределенности входных величин, которые являются источниками неопределенностей. 6. Корреляция В данном разделе содержится информация о том, коррелированны ли входные величины. 7. Суммарная неопределенность В данном разделе рассчитывается суммарная неопределенность всех влияющих величин. 8. Расширенная неопределенность В данном разделе рассчитывается расширенная неопределенность как произведение стандартной неопределенности и коэффициента охвата, значение которого зависит от вида распределения. 9. Полный результат измерения В данном разделе представляется полный результат измерений с учетом стандартной неопределенности. Пример методики расчета неопределенностей измерений приведен в приложении А. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 4 Пример расчёта неопределённости Методика расчёта неопределённости метода определения кислотности патоки описана в Приложении А. Здесь же будут приведены только расчеты стандартных неопределённостей всех входных величин, а также рассчитаны суммарная и расширенная неопределённости. 1 В ходе проведения испытаний было проведено 4 параллельных опыта по определению кислотности патоки: 1) опыт: 𝑉 24.26 см ; Х1 = 155,5 см 2) опыт: 𝑉 24.21 см ; Х2 = 155,2 см 3) опыт: 𝑉 24.3 см ; Х3 = 155,8 см 4) опыт: 𝑉 24.2 см ; Х4 = 155,1 см Х1 Х 2 Х 3 Х 4 4 Х= = 155,4 см Расчёт стандартных неопределённостей всех входных величин приведён в методике расчёта. Найдём суммарную неопределённость: 𝑈 𝑋 155.4 ∙ 0.115 78 0.043 25 0.087 250 0.0288 50 0.35 см Расширенная неопределённость рассчитывается как произведение суммарной неопределённости на коэффициент охвата, который для выбранного уровня доверия Р=95 % k=2. U = k ꞏ Uc = 2 ꞏ 0,35 = 0,7 % Полный результат измерения имеет следующий вид: X=(155.4 ± 0,4), см ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Заключение В ходе данной курсовой работы была разработана методика оценки неопределённости определения кислотности патоки. Предварительно составили модель измерения и определили все источники неопределённостей. Также был сделан подробный анализ входных величин и рассчитаны стандартные неопределённости от каждой из них. Таким образом, суммарная стандартная неопределённость составила 0.7 см и можно сделать вывод, что данный метод является достаточно точным для определения кислотности патоки. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Список использованных источников 1 Ламоткин, С.А., Егорова, З.Е., Заяц, Н.И. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. – Мн.: БГТУ, 2005. – 372 2 ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». ИПК Издательство стандартов,2001.24 с. 3 ГОСТ 5194-91 «Патока крахмальная. Технические условия» - М.: Госстандарт, 1992.- 21 с. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 Приложение А УО ”БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ” Утверждаю Заведующий кафедрой ____________ ______________ подпись инициалы и фамилия «___»__________________20__г. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ РЕЗУЛЬТАТА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОТНОСТИ ПАТОКИ по ГОСТ 5194-91 Разработано Клюй А. Д. Студент 4 курса ф-та _____ гр. ____ «____» ______________ 20__ г. Минск 2022 ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 1 Назначение Настоящий документ устанавливает методику оценки неопределённости определения кислотности патоки титрованием раствором гидроокиси натрия по ГОСТ 5194-91. Методика разработана в соответствии с требованиями СТБ ИСО/МЭК 17025-2001 согласно "Руководства по выражению неопределённости". 2 Измерительная задача Метод измерения: метод основан на титровании исследуемого раствора раствором гидроокиси натрия в присутствии индикатора фенолфталеина. Используемое оборудование: Бюретка 2-го класса точности вместимостью 25 или 50 см3 по ГОСТ 20292. Пипетка 2-го класса точности вместимостью 100 см3 по ГОСТ 20292. Колбы конические вместимостью 250 см3 по ГОСТ 25336. Натрия гидроокись по ГОСТ 4328, раствор концентрацией 0,1 моль/дм3 (0,1 н.). Фенолфталеин по ТУ 6—09—5360, спиртовой раствор с массовой долей фенолфталеина 1%. Спирт этиловый ректификованный по ГОСТ 5962 или спирт этиловый питьевой 95%-ный по ГОСТ 5963. Вода дистиллированная по ГОСТ 6709. Допускается применять импортное оборудование, посуду и реактивы с техническими характеристиками не ниже отечественных аналогов. 3 Модель измерения 3.1. Выразим математически зависимость между выходной величиной Х и входными величинами. 𝑋 𝑉 ∙ 𝐾 ∙ 100 ∙ 𝑉п 𝐴 ∙ 𝑚п 1 где V – объём раствора гидроокиси натрия, израсходованный на титрование, см3 ; K – поправочный коэффициент для перевода раствора гидрооксида натрия точно в 0,1 моль / дм3 (0,1н); A – массовая доля сухих веществ в патоке, %; ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 𝑚п – масса навески патоки, взятая для приготовления основного раствора, г; 100 – коэффициент пересчёта сухих веществ патоки в %; 𝑉п – объём основного раствора патоки, см3. Все входные величины с указанием применяемых условные обозначений и единиц измерений, в которых они будут оцениваться, приведены в таблице Б.1. Таблица А.1 – Входные величины Величина Xi Обозначение Единица измерения Коэффициент для перевода раствора K 3 гигроксида натрия точно в 0,1 моль / дм (0,1н) Массовая доля сухих веществ в патоке A % Количество NaOH, израсходованное на V см3 титрование испытуемого раствора Масса навески патоки г 𝑚п 𝑉п Объём основного раствора патоки см3 4 Результаты измерения Определить кислотность по формуле (1). Провести n наблюдений, по которым определить арифметическое значение массовой доли титруемых кислот n X i 1 Xi n , (4) где n – количество независимых наблюдений. ¹ Ï ÀÁÂÃ.123456.000 среднее 5 Анализ входных величин Входные величины некорреллированы. Их стандартные неопределённости представлены в таблице A.2. Так как при определении кислотности предполагается использование раствора NaOH 0,1 моль / дм3 (0,1н), то коэффициент перевода будет равен 1 и неопределённости, связанной с этим коэффициентом не будет. Таблица A.2 – Анализ входных величин Составляющие неопределённости и их расчёт Входная величина Xi Тип оценивания неопределенности: В 𝑚п Вид распределения: равномерное Оцененное значение: 50 г Интервал, в котором находится значение входной величины: Δm = ±0,05 г Стандартная неопределенность: 0,05 0,0288 г 𝑢 𝑚п √3 A Тип оценивания неопределенности: В Вид распределения: равномерное Оцененное значение: 78 % Интервал, в котором находится значение входной величины: ΔA = ±0,2 % (взят из ГОСТ 5194) Стандартная неопределенность: 0,2 0,115 % 𝑢 𝐴 √3 V 𝑉к.т.т. ¹ Тип оценивания неопределенности: В Вид распределения: треугольное Оцененное значение: 25 см Интервал, в котором находится значение входной величины: ∆𝑉 = ±0,1 см Стандартная неопределенность: 0,1 𝑢 𝑉 0,041 см √6 Ï ÀÁÂÃ.123456.000 𝑉 Тип оценивания неопределенности: В Вид распределения: равномерное Оцененное значение: 25 см Интервал, в котором находится значение входной величины – отклонение объема изза колебаний температуры в пределах 20±5°С, определяется исходя из указанного диапазона температуры и коэффициента объемного расширения гидроксида натрия 𝛼 2,65 ∙ 10 ℃ и имеет значение 𝑉 ∙ 𝛼 ∙ ∆𝑡 25 ∙ 2,65 ∙ 10 ∙ 5 0.033 см Стандартная неопределенность: 0,033 𝑢 𝑉 0,0135 см √6 Стандартная суммарная неопределённость объёма гидроксида натрия 𝑢 𝑉 𝑉 0.043 см 𝑉 𝑉 к.т.т. √0.0135 0.041 Тип оценивания неопределенности: В Вид распределения: равномерное Оцененное значение: 250 см Интервал, в котором находится значение входной величины: ∆𝑉 = ±0,15 см Стандартная неопределенность: 0,15 0,087 см 𝑢 𝑉 √3 6 Суммарная неопределённость Так как модель измерения представляет собой произведение и отношение некоррелированных входных величин, суммарная неопределённость представлена в виде относительной суммарной неопределённости: 𝑈 𝑋 𝑋∙ ¹ 𝑢 𝐴 𝐴 Ï 𝑢 𝑉 𝑉 𝑢 𝑉п 𝑉п 𝑢 𝑚п 𝑚п ÀÁÂÃ.123456.000 5 7 Расширенная неопределенность Коэффициент охвата для выбранного уровня доверия Р=95 % k=2. Расширенная неопределённость рассчитывается по формуле: U = k ꞏ Uc (6) 8 Полный результат измерения X ± 2 Uc (7) 9 Бюджет неопределённости Надлежащая форма бюджета неопределённости приведена в таблице А.3 данной методики. Таблица А.3 – Бюджет неопределённости Наименование величины 1 Массовая доля сухих веществ в патоке Масса навески патоки Обозначение величины Единица измерения Значение величины 2 3 4 A mп Объем NaOH V Объем основного Vп раствора патоки ¹ % г см3 см3 Ï A mп 50 250 Стандартная неопределенность u(xi) 5 u(A) u(A) u(V) u(Vп) Процентный вклад, % Относительная стандартная неопределенность u ( xi) xi 6 7 0,115/A 𝑢 𝐴 ∑𝑢 𝑥 0,0288/50 𝑢 𝑚п ∑𝑢 𝑥 0,041/V 𝑢 𝑉 ∑𝑢 𝑥 0,087/A 𝑢 𝑉п ∑𝑢 𝑥 ÀÁÂÃ.123456.000