全自動(dòng)工業(yè)分析儀校準(zhǔn)方法的研究及不確定度評(píng)定

楊 佳，江寧川，邢 捷

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192)

0 引 言

煤炭是人們生產(chǎn)和生活中最主要的能源資源之一，煤的工業(yè)分析是評(píng)判煤炭質(zhì)量的重要參數(shù)。全自動(dòng)工業(yè)分析儀主要用于煤炭中灰分和揮發(fā)分含量的測(cè)定，極大的提高了煤質(zhì)分析工作的效率，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大電廠和煤炭實(shí)驗(yàn)室。全自動(dòng)工業(yè)分析儀測(cè)定結(jié)果的可靠性很大程度上取決于測(cè)量不確定度[1]。不確定度表征合理地賦予被測(cè)量之值得分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。

1 工業(yè)分析儀測(cè)量原理

工業(yè)分析儀(以下簡(jiǎn)稱儀器)的測(cè)量原理為熱重分析法。將遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備與稱量用的電子天平結(jié)合在一起，在特定的氣氛條件下、規(guī)定的溫度、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)稱量試樣在受熱過程中的質(zhì)量變化，以此計(jì)算出試樣的水分、灰分和揮發(fā)分等工業(yè)分析指標(biāo)。儀器由控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)(包括高溫爐、電子天平、電熱偶等)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[2-3]。

2 工業(yè)分析儀的校準(zhǔn)方法

依據(jù)JJG 1140-2017 《工業(yè)分析儀》，工業(yè)分析儀的主要計(jì)量包括內(nèi)部高溫爐的溫度校準(zhǔn)和相應(yīng)煤標(biāo)樣對(duì)儀器的示值誤差和重復(fù)性的校準(zhǔn)兩部分，表1為工業(yè)分析儀的示值誤差和重復(fù)性要求。在工業(yè)分析儀的實(shí)際計(jì)量中可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)全自動(dòng)工業(yè)分析儀都是高度集成化的，想要校準(zhǔn)儀器內(nèi)部高溫爐的溫度幾乎是不可能的，所以本文采用煤物理特性和化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)工業(yè)分析儀的測(cè)量結(jié)果灰分和揮發(fā)分指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度從側(cè)面也驗(yàn)證了溫度值的準(zhǔn)確程度。

表1 儀器的計(jì)量性能表

本次校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心生產(chǎn)的“煤物理特性和化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”，編號(hào)分別為GBW11101i、GBW11108r、GBW11109r，這三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)滿足表1中所要求的灰分和揮發(fā)分含量。儀器校準(zhǔn)項(xiàng)目有示值誤差、測(cè)量重復(fù)性。按照全自動(dòng)工業(yè)分析儀使用說明，分別稱取3個(gè)灰分范圍和2個(gè)揮發(fā)分范圍的煤標(biāo)樣各進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算儀器示值誤差和重復(fù)性，分析測(cè)量結(jié)果的不確定度。

3 工業(yè)分析儀校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 煤中灰分

三個(gè)不同范圍的灰分值分別由式(1)～式(3)得到：

yAd(10.75)=xAd(10.75)

(1)

yAd(16.86)=xAd(16.86)

(2)

yAd(31.87)=xAd(31.87)

(3)

式中，yAd(10.75)為工業(yè)分析儀顯示的灰分值；xAd(10.75)為由煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)的灰分值；yAd(16.86)為工業(yè)分析儀顯示的灰分值；xAd(16.86)為由煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)的灰分值；yAd(31.87)為工業(yè)分析儀顯示的灰分值；xAd(31.87)為由煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)的灰分值。

3.1.2 煤中揮發(fā)分

兩個(gè)不同范圍的揮發(fā)分值分別由式(4)～式(5)得到：

yVd(19.46)=xVd(19.46)

(4)

yVd(30.02)=xVd(30.02)

(5)

式中，yVd(19.46)為工業(yè)分析儀顯示的揮發(fā)分值；xVd(19.46)為煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)的揮發(fā)分值；yVd(30.02)為工業(yè)分析儀顯示的揮發(fā)分值；xVd(30.02)為煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)測(cè)的揮發(fā)分值。

3.2 不確定度來源分析

常規(guī)不確定度的來源涉及實(shí)驗(yàn)人員、環(huán)境、方法、儀器等。本文所做實(shí)驗(yàn)不確定度來源主要有：灰分和揮發(fā)分的重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度ur(Ad)、ur(Vd)以及煤物理特性和化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度us(Ad)、us(Vd)[4]。標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

3.3.1 示值重復(fù)性引入的不確定度分量

示值重復(fù)性引入的不確定度分量屬于A類評(píng)定，由6次測(cè)量求得的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)，見式(6)。

(6)

分別重復(fù)測(cè)量6次，根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以得到由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度ur，詳見表3。

表3 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量

由校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書上獲得，見式(7)。

(7)

由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度us，詳見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc由式(8)計(jì)算得到：

(8)

擴(kuò)展不確定度Ucel由式(9)計(jì)算得到，詳見表5。

表5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

Ucel=k×uc

(9)

4 結(jié)束語

由上文可知，工業(yè)分析儀校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度主要取決于煤物理特性和化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度。與傳統(tǒng)的分析方法相比，采用工業(yè)分析儀進(jìn)行煤的工業(yè)分析不但極大的提高了工作效率同時(shí)也大大提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。