Τεχνολογία Μετρήσεων Ι

Περιγραφή μαθήματος – Βασικές έννοιες: Το μάθημα (θεωρία & εργαστήριο) «Τεχνολογία Μετρήσεων Ι», επιδιώκει να αποκτήσουν οι φοιτητές βασικές ικανότητες στον σχεδιασμό και εκτέλεση διαδικασιών μέτρησης και δειγματοληψίας, στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων, ανάλυσης και αξιολόγησης των σφαλμάτων καθώς και στην εύρεση και ανάλυση των φυσικών προτύπων που διέπουν τα φυσικά ή τεχνητά συστήματα και στον υπολογισμό φυσικών ιδιοτήτων και παραμέτρων.

Στατιστική ανάλυση πειραματικών μετρήσεων: Η διάλεξη αναφέρεται στην μελέτη της Στατιστικής Επεξεργασίας Αναλυτικών Δεδομένων. Ειδικότερα πραγματοποιείται η εισαγωγή στους ορισμούς της αληθινής ή πραγματικής τιμής (μ), της μέσης και διάμεσης τιμής, του απόλυτου σφάλματος (Ε), των συστηματικών ή τυχαίων σφαλμάτων, της επαναληπτικότητας, της απόκλισης και μέσης απόκλισης, της τυπικής απόκλισης και της διασποράς. Επίσης, γίνεται εκτενής αναφορά στην κατανομή του GAUSS, στην κατανομή μέσων τιμών των δειγμάτων, στη δοκιμασία STUDENT (σύγκριση πειραματικής μέσης τιμής με την αληθινή τιμή), στη δοκιμασία t (σύγκριση δυο μέσων πειραματικών τιμών Χ1 και Χ2), στην απόρριψη αμφίβολης τιμής σε σειρά πειραματικών δεδομένων (Q-test), στην απόρριψη αμφίβολης τιμής σε σειρά πειραματικών δεδομένων (κριτήριο CHAUVENET) και τέλος στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων.

Βασικές αρχές αισθητήρων: Στην διάλεξη γίνεται εισαγωγή στην έννοια των αισθητήρων για τα συστήματα μέτρησης και ελέγχου (συστήματα ελέγχου ανοικτού και κλειστού βρόχου) καθώς επίσης και αναφορά στην ορολογία που χρησιμοποιείται, όπως και στα χαρακτηριστικά τους.

Μετρήσεις στάθμης, ύψους, βάρους και όγκου: Στόχος της διάλεξης είναι η συσχέτιση των διαφορετικών φυσικών παραμέτρων της στάθμης, τους ύψους, του όγκου, του βάρους και της δύναμης καθώς επίσης και η μελέτη των διαφόρων ειδών αισθητήρων που υπάρχουν για τη μέτρηση της ποσότητας ενός υλικού.

Μέτρηση της πίεσης: Η κατανόηση της έννοιας της πίεσης και των συσκευών που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρησή της αποτελούν το αντικείμενο της διάλεξης. Συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στους αισθητήρες πίεσης οι οποίοι διακρίνονται σε κάποιες γενικές κατηγορίες, όπως μανόμετρα (μανόμετρο υοειδούς σωλήνα και μανόμετρο κεκλιμένου σωλήνα), ελαστικοί αισθητήρες πίεσης (μετρητής πίεσης με σωλήνα Bourdon, φυσητήρας, χωρητικοί αισθητήρες πίεσης, πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης, αισθητήρες πίεσης με πιεζοαντίσταση & μετρητές μηχανικής τάσης) και βαρόμετρα (βαρόμετρο υγρού, μεταλλικό βαρόμετρο). Τέλος γίνεται αναφορά και σε άλλες ειδικευμένες μορφές αισθητήρων πίεσης όπως αυτοί που μετρούν το ‘υψηλό κενό’.

Μέτρηση της θερμοκρασίας: Στην διάλεξη γίνεται εισαγωγή στον ορισμό της θερμοκρασίας, τις συσκευές και τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται συνηθώς για τη μέτρηση της. Συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στα θερμόμετρα διαστολής υγρού (θερμόμετρα υγρού και μεταλλικά θερμόμετρα), στη διαστολή μετάλλων και στο διμεταλλικό έλασμα (διμεταλλικός θερμοστάτης και διμεταλλικό θερμόμετρο), στην ηλεκτρική αντίσταση (θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης και θερμίστορ), στον θερμοηλεκτρισμό, στην ακτινοβολία θερμότητας και στο οπτικό πυρόμετρο νήματος (πυρόμετρο υπερύθρου).

Μέτρηση της ροής: Στην διάλεξη μελετώνται οι τρεις τρόποι με τους οποίους μπορεί να ποσοτικοποιηθεί μια ροή, που είναι ο ογκομετρικός ρυθμός ροής (μετρητής ελικοειδούς κοχλία, μετρητής περιστρεφόμενων λοβών, μετρητής στροβίλου, μετρητής υδροτροχού), ο ρυθμός ροής μάζας και η ταχύτητα (σωλήνας Pitot, ανεμόμετρο θερμού σώματος, μετρητής ροής μεταβλητής διατομής). Επίσης περιγράφονται μερικές από τις συσκευές (σωλήνας Venturi, ηλεκτρομαγνητικός μετρητής ροής, μετρητής ροής υπερήχων) και τεχνικές (μέθοδος με κάθετο στόμιο εκροής, μέθοδος του ακροφυσίου) που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ροής.

Περιγραφή εργαστηρίου: Το μάθημα (θεωρία & εργαστήριο) «Τεχνολογία Μετρήσεων Ι», επιδιώκει να αποκτήσουν οι φοιτητές βασικές ικανότητες στον σχεδιασμό και εκτέλεση διαδικασιών μέτρησης και δειγματοληψίας, στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων, ανάλυσης και αξιολόγησης των σφαλμάτων καθώς και στην εύρεση και ανάλυση των φυσικών προτύπων που διέπουν τα φυσικά ή τεχνητά συστήματα και στον υπολογισμό φυσικών ιδιοτήτων και παραμέτρων.

Στοιχειώδεις εργαστηριακές τεχνικές: Στο εργαστήριο γίνεται εισαγωγή σε στοιχειώδεις εργαστηριακές τεχνικές και συγκεκριμένα γίνεται αναφορά στις εξής τεχνικές: 1. Θέρμανση - πύρωση, όπου η ενέργεια υπό τη μορφή θερμότητας απαιτείται σε ένα χημικό εργαστήριο επειδή πολλές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς και σε πολλές άλλες διεργασίες. 2. Ψύξη, όπου πολλά πειράματα όπως η υγροποίηση και συλλογή πτητικών προϊόντων, η διεξαγωγή ισχυρά εξώθερμων αντιδράσεων κ.ο.κ απαιτούν χαμηλές θερμοκραασίες. 3. Μέτρηση του όγκου, όπου αναφέρονται τα όργανα που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση του όγκου υγρών (ποτήρια ζέσεως, κωνικές φιάλες, σιφώνια, προχοΐδες κ.τ.λ). 4. Χειρισμός σιφωνίων και προχοΐδας. 5. Διαλύματα, εισαγωγή στις έννοιες του διαλύματος, του διαλύτη, της διαλυμένης ουσίας, της διαλυτότητας κ.τ.λ. 6. Τρόποι εκφράσεως της συγκέντρωσης (μοριακότητα και κανονικότητα). 7. Αραίωση διαλυμάτων.

Ζύγιση αντιδραστηρίων – ακρίβεια μετρήσεων και διαστήματα εμπιστοσύνης: Το εργαστήριο αναφέρεται στη ζύγιση αντιδραστηρίων, στην ακρίβεια των μετρήσεων και στα διαστήματα εμπιστοσύνης. Γίνεται εισαγωγή στις έννοιες της μάζας και τους βάρους καθώς αναφέρονται και οι διάφοροι τύποι ζυγών ανάλογα με την χρήση, την αρχή λειτουργίας, τα εξωτερικά και τα μετρολογικά χαρακτηριστικά τους. Συγκεκριμένα πραγματοποιείται μια σειρά μετρήσεων της μάζας συγκεκριμένης ποσότητας ενός υλικού με στόχο την στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων και την μελέτη της ακρίβειας των πειραματικών μετρήσεων.

Αραίωση διαλυμάτων – μέτρηση pΗ διαλυμάτων: Το εργαστήριο ασχολείται με την αραίωση των διαλυμάτων καθώς επίσης και με την μέτρηση του pH αυτών των διαλυμάτων. Πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στα υδατικά διαλύματα και ειδικότερα στους ορισμούς του pH και στις μεθόδους με τους οποίους προσδιορίζεται. Συγκεκριμένα ο σκοπός του πειράματος είναι η παρασκευή διαλυμάτων με αραίωση, η μέτρηση του pH των διαλυμάτων με πεχάμετρο (ηλεκτρομετρική μέθοδος) και τέλος η στατιστική επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων.

Τιτλοδότηση διαλύματος με τη μέθοδο της ογκομέτρησης- Aπόρριψη αμφίβολης τιμής/Κριτήριο Q: Η τιτλοδότηση διαλύματος με τη μέθοδο της ογκομέτρησης και η απόρριψη αμφίβολης τιμής με το κριτήριο Q αποτελεί το αντικείμενο του εργαστηρίου. Πραγματοποιείται εισαγωγή στις έννοιες της ογκομέτρησης, του ισοδύναμου και του τελικού σημείου. Επίσης παρουσιάζονται εκτενώς οι προϋποθέσεις που πρέπει να ικανοποιούνται για να χρησιμοποιηθεί η ογκομέτρηση ως μέθοδος ποσοτικού προσδιορισμού, τα είδη των ογκομετρήσεων, τα κυριότερα στάδια μιας ογκομετρικής ανάλυσης, τα σφάλματα στην ογκομετρική ανάλυση καθώς επίσης και οι δείκτες οξέων - βάσεων που χρησιμοποιούνται κατά τη μέθοδο. Τέλος σκοπός του πειραματικού μέρους είναι ο προσδιορισμός της κανονικότητας ισχυρού HCL με τη μέθοδο της ογκομέτρησης με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης NaOH, παρουσία δείκτη. Η διαδικασία της ογκομέτρησης θα επαναληφθεί αρκετές φορές με στόχο την απόρριψη αμφισβητήσιμων τιμών και την ελαχιστοποίηση των πειραματικών σφαλμάτων.

Όξινη βροχή: Στο εργαστήριο μελετάται το φαινόμενο της όξινης βροχής, οι διάφοροι μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα για τον σχηματισμό της και οι επιπτώσεις που έχει σε όλα σχεδόν τα συστατικά της βιόσφαιρας. Σκοπός του πειραματικού μέρους είναι η μέτρηση του pH διαλύματος με πεχάμετρο, η μελέτη της επίδρασης του διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα στο pH του απιονισμένου νερού και τέλος η μελέτη της επίδρασης του διαλυμένου θειϊκού οξέος σε διάφορους τύπους νερού.

Μέτρηση της τάσης ατμών: Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μέτρηση της τάσης ατμών του νερού συναρτήσει της θερμοκρασίας και αποτελεί το αντικείμενο της έβδομης διάλεξης. Συγκεκριμένα γίνεται αναφορά στις έννοιες της τάσης ατμών, της ισορροπίας, της εξάχνωσης, της καμπύλης κορεσμού, του σημείου δρόσου, του σημείου φυσαλίδας, του κορεσμού καθώς επίσης παρουσιάζεται και η μεταβολή της τάσης ατμών με τη θερμοκρασία. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το πειραματικό μέρος και τέλος τα αποτελέσματα και οι υπολογισμοί.

Ποιότητα των υδάτων – Ολικά διαλυμένα στερεά: Η όγδοη εργαστηριακή άσκηση ασχολείται με την ποιότητα των υδάτων και τα ολικά διαλυμένα στερεά. Γίνεται αναφορά στις μορφές των στερεών που εμπεριέχονται στα υδάτινα ρεύματα καθώς και ο τρόπος προσδιορισμού των Ολικών Διαλυμένων Στερεών (Total Dissolved Solids). Επίσης αναφέρονται και οι παράγοντες που επηρεάζουν τη συγκέντρωση των ΟΔΣ σε έναν όγκο νερού. Στο πειραματικό μέρος της εργαστηριακής άσκησης πραγματοποιούνται μετρήσεις αγωγιμότητας και Ολικών Διαλυμένων Στερεών με τη χρήση αισθητήρα αγωγιμότητας σε μια σειρά δειγμάτων και τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και οι υπολογισμοί.

Τήξη και Πήξη του νερού: Στην ένατη εργαστηριακή άσκηση γίνεται μια αναφορά στα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των στερεών, των υγρών και των αερίων καθώς και μια εισαγωγή στις έννοιες της μετατροπής φάσης, της τήξης, της πήξης, της εξάτμισης, της εξάχνωσης, της συμπύκνωσης, του σημείου πήξεως και τήξεως καθώς και της ενθαλπίας τήξεως. Στο πειραματικό μέρος της εργαστηριακής άσκησης πραγματοποιείται η μέτρηση της θερμοκρασίας θέρμανσης και ψύξης του νερού και ο προσδιορισμός του σημείου τήξεως και πήξεως του νερού.

Φασματοφωτομετρική ποσοτική ανάλυση: Η φασματοφωτομετρική ποσοτική ανάλυση αποτελεί το αντικείμενο της δέκατης εργαστηριακή άσκησης. Παρουσιάζονται αναλυτικά η έννοια της απορρόφησης, η μαθηματική έκφραση της απορρόφησης που εκφράζεται από το νόμο των Lambert - Beer, τα πλεονεκτήματα για την επιλογή του λmax ως αναλυτικού μήκους κύματος και οι αποκλίσεις από το νόμο των Lambert - Beer. Επίσης γίνεται αναφορά στις βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελούνται τα φασματοφωτόμετρα καθώς και τα σπουδαιότερα στάδια μιας φασματοφωτομετρικής ποσοτικής ανάλυσης. Στο πειραματικό μέρος της εργαστηριακής άσκησης πραγματοποιείται ποσοτικός προσδιορισμός του ιόντος τρισθενούς σιδήρου (Fe3+) με τη μορφή συμπλόκου με θειοκυανιούχο αμμώνιο (SCN-).