臭氧老化箱臭氧氣體濃度不確定度評定分析

程麗萍,賀媛媛,宮兆隆,劉學剛,劉培源,徐廣強

(青島市計量技術研究院,山東 青島 266101)

0 引 言

目前,隨著橡膠制品質檢實驗數(shù)量的增加,臭氧老化箱的運用越來越廣泛。臭氧老化箱可以模擬和強化大氣中的臭氧條件,研究臭氧對橡膠的作用規(guī)律,進而采取有效的防老化措施,以提高橡膠制品的使用壽命[1]。橡膠制品老化過程中臭氧老化箱中臭氧濃度是質檢過程中的重要參數(shù),質檢準確程度直接影響橡膠產(chǎn)品的老化效果[2]。另外,臭氧氣體是比氧氣更強的氧化劑,臭氧老化箱中的臭氧濃度較高,對人體有一定的損害[3]。臭氧老化箱通常由臭氧發(fā)生系統(tǒng)、試驗老化箱室和控制系統(tǒng)三大部分組成。臭氧發(fā)生濃度是臭氧老化箱的主要計量參數(shù),其可靠性影響臭氧老化效果[4]。本文針對低濃度和高濃度兩種范圍臭氧老化箱,對其產(chǎn)生的臭氧濃度校準結果不確定度進行分析。

1 測量設備及被測設備

1.1 測量設備

本次校準所用的儀器為2B Technologies公司的106-M型臭氧氣體檢測儀,如圖1,該儀器的量程為摩爾分數(shù)(0～1000)×10-6,分辨率為摩爾分數(shù)0.01×10-6或2%讀值。

圖1 106-M型臭氧氣體檢測儀

1.2 被檢設備

本次被檢設備為高鐵檢測儀器(東莞)有限公司生產(chǎn)的OZ-0500AC型臭氧老化箱,如圖2,該老化箱有兩種量程,低量程:摩爾分數(shù)(0～500)×10-8,高量程:摩爾分數(shù)(0～500)×10-6。主要研究該儀器高量程的臭氧老化箱測量結果的不確定度,并將該量程分為低濃度臭氧段摩爾分數(shù)(0～0.5)×10-6和高濃度臭氧段摩爾分數(shù)(0.5～500)×10-6兩個濃度段進行示值誤差不確定度評定。

圖2 臭氧老化箱

2 測量數(shù)學模型

評價不確定度的數(shù)學模型如式(1)[4]:

(1)

3 標準不確定度分量評定

3.1 測量不確定度構成要素

由數(shù)學模型式(1)可知,不確定度要素來源于被檢臭氧老化箱氣體重復性引入的標準不確定度分量u1(C)和被檢臭氧老化箱分辨力引入的標準不確定度u2(C)以及臭氧氣體檢測儀引入的標準不確定度u3(C)[5]。

3.2 低濃度段臭氧老化箱的不確定度

低濃度段時,臭氧氣體檢測儀引入的不確定度分量u13(C)的變化對示值誤差不確定度的影響較大,且臭氧濃度越大,臭氧氣體檢測儀引入的不確定度u13(C)越大,所以低濃度臭氧段選擇以最高點摩爾分數(shù)0.50×10-6為評定點。

3.2.1臭氧老化箱重復性引出的不確定度u11(C)

儀器預熱穩(wěn)定后,設置臭氧老化箱輸出的目標臭氧濃度為0.5×10-6mo1/mo1,儀器運行30 min后,用臭氧氣體檢測儀對臭氧老化箱內(nèi)部的臭氧濃度進行檢測,測量10次,得到數(shù)據(jù):0.51,0.53,0.52,0.50,0.54,0.51,0.52,0.53,0.51,0.52(單位:10-6mo1/mo1)。

s=0.01×10-16mol/mol

3.2.2臭氧老化箱示值引出的不確定度u12(C)

被檢臭氧老化箱最小分度值為0.01×10-6mo1/mo1,估讀誤差為1/2分度值,按均勻分布。

3.2.3臭氧氣體檢測儀引出的不確定度u13(C)

由臭氧氣體檢測儀證書可知,臭氧氣體檢測儀定值的不確定度為Urel=3.4%,k=2,因此:

u13(C)=(0.50×3.4%)/2=0.009×10-6mo1/mo1

3.3 高濃度段臭氧老化箱的不確定度

根據(jù)長期的客戶調(diào)查、資料研究及檢校經(jīng)驗,高濃度段時客戶常用的最大臭氧濃度為250.0×10-6mol/mol,所以高濃度臭氧段選擇以250.0×10-6mol/mol為評定點。

3.3.1臭氧老化箱重復性引出的不確定度u21(C)

選用一臺臭氧老化箱檢測儀,發(fā)生臭氧濃度為250.0×10-6mol/mol,測量10次,得到數(shù)據(jù):243.0,246.6，251.3，256.4，253.4，244.4，254.9，256.3,257.9,247.3(單位:10-6mol/mol)。

s=4.916×10-6mol/mol

3.3.2臭氧老化箱示值引出的不確定度u22(C)

被檢臭氧老化箱最小分度值為0.1×10-6mol/mol,估讀誤差為1/2分度值,按均勻分布。

3.3.3臭氧氣體檢測儀引出的不確定度u23(C)

由臭氧氣體檢測儀證書可知,臭氧氣體檢測儀定值的不確定度為Urel=3.4%,k=2,因此:

u23(C)=(250×3.4%)/2=4.25×10-6mol/mol

3.4 合成標準不確定度及擴展不確定度的評定

3.4.1靈敏系數(shù)

不確定度的傳播由數(shù)學模型式(2)～式(5)得到,通過公式計算,將各分量列于表1。

表1 (0～0.5)×10-6mol/mol臭氧老化箱不確定度分量

(2)

(3)

(4)

(5)

表2 (0.5～500)×10-6mol/mol臭氧老化箱不確定度分量

3.4.2合成不確定度uc(C)[6]

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的合成不確定度:

=0.012×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的合成不確定度:

=5.11×10-6mol/mol

3.4.3擴展不確定度U及相對擴展不確定度Urel

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的擴展不確定度,取k=2:

U=kuc1=0.024×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的相對擴展不確定度,取k=2:

Urel=(kuc2÷250)×100%=4.1%

4 結束語

對臭氧老化箱采取了分段不確定度評定,列舉了兩個濃度段中,臭氧老化箱檢測結果的具體不確定度,為臭氧老化箱的檢測校準提供技術依據(jù)。