量熱儀熱容量標(biāo)定結(jié)果不確定度的評定

【摘 要】在煤質(zhì)檢測活動中，不確定度的評定是質(zhì)量控制和技術(shù)管理工作的難點(diǎn)。現(xiàn)以自動量熱儀熱容量標(biāo)定結(jié)果的不確定度評定分析為例，根據(jù)熱容量標(biāo)定的原理和量熱儀的測定程序進(jìn)行分析，得出影響熱容量標(biāo)定結(jié)果的數(shù)學(xué)模型，分析了不確定度的來源，分別用兩種不同方法對不確定組分進(jìn)行了評定、合成，最后計(jì)算出相對擴(kuò)展不確定度。

【關(guān)鍵詞】自動量熱儀;熱容量;標(biāo)定;不確定度;評定結(jié)果比較

1 引言

自動量熱儀量熱系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中，除了水，還有內(nèi)筒、氧彈、攪拌器，溫度計(jì)都要吸收熱量，因此不能通過簡單的分析計(jì)算獲得量熱儀的熱容量，目前只能采用已知熱值的基準(zhǔn)物如苯甲酸來測定量熱儀量熱系統(tǒng)每升高1K所需吸收的熱量來計(jì)算量熱儀的熱容量。為了能準(zhǔn)確測量樣品的發(fā)熱量，就需要先準(zhǔn)確的標(biāo)定儀器的熱容量，因?yàn)闊崛萘繕?biāo)定的好壞直接影響到發(fā)熱量的測定。評定熱容量標(biāo)定過程的不確定度，對計(jì)算發(fā)熱量的不確定度是非常必要的。

本實(shí)驗(yàn)以JJG 672-2001《氧彈熱量計(jì)檢定規(guī)程》為標(biāo)準(zhǔn)，參照MT/T1013-2006《煤炭檢驗(yàn)中測量不確定度評定指南》、JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》和GB/T213-2008 《煤的發(fā)熱量測定方法》，對本廠自動量熱儀進(jìn)行熱容量標(biāo)定，并用兩種不同評定方法對標(biāo)定的熱容量結(jié)果進(jìn)行不確定度評定、合成，目的是為了證明用簡易的MT/T1013-2006中介紹的評定方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通過靈敏度系數(shù)來評定不確定度。

2 設(shè)備概況及實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件

本次評定所用設(shè)備為長沙開元儀器股份有限生產(chǎn)的自動量熱儀，型號為5E-AC/PL（恒溫式），投用時間為2012年10月。檢測環(huán)境溫度15～28℃;環(huán)境濕度（RH）<85%;正常大氣壓。

3 被測說明

3.1測量原理

儀器熱容量的標(biāo)定：稱量一定量已知熱值的標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸片，將其置于浸沒在一定量水中的氧彈內(nèi)燃燒，燃燒放出的熱量使整個量熱系統(tǒng)溫度升高，測量燃燒前后水溫，根據(jù)水溫的升高（經(jīng)冷卻校正后），計(jì)算儀器的熱容量。

3.2測量熱容量E的數(shù)學(xué)模型

恒溫式量熱儀熱容量計(jì)算公式為：

4 不確定度來源分析

影響熱容量標(biāo)定結(jié)果的參數(shù)：標(biāo)定熱容量的重復(fù)性、苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值、苯甲酸片質(zhì)量、測量溫升、冷卻校正值（恒溫式量熱儀）、內(nèi)筒水質(zhì)量、點(diǎn)火熱、硝酸校正熱。

5 不確定度組分的量化

5.1依據(jù)MT/T1013-2006對熱容量的不確定度u（E）進(jìn)行量化

5.1.1熱容量的不確定度組分分析

1）A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度（重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差）u（E，rep）

熱容量的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1（苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值：26454J/g;點(diǎn)火熱50J）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果?????? 熱容量標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)偏差s=2.97 J/K;相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.029%。

此次標(biāo)定的熱容量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.20%，因此標(biāo)定結(jié)果有效。

熱容量E為5次標(biāo)定結(jié)果的平均值（J/K），其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2）苯甲酸片質(zhì)量的不確定度u（m）

稱量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱量誤差為0.0002g，按均勻分布轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（m）

3）苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值的不確定度u（Q）

苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中給出的標(biāo)準(zhǔn)熱值為26454J/g（證書號GBW（E）130035），其擴(kuò)展不確定度為0.1%（取kp=2）。換算為標(biāo)準(zhǔn)不確定度（相對）：

4）內(nèi)筒水定量引入的不確定度u（w）

本儀器內(nèi)筒水水量采用的是自動平衡定量法，定量的整個過程采用自動控制，不需人工稱量內(nèi)筒水重，內(nèi)筒水量的重復(fù)誤差小于 0.5g。

5）總溫升的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δt）

a）本儀器所用的溫度計(jì)為數(shù)字顯示溫度計(jì)，其分辨率為0.0001k，溫度測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

b）冷卻校正值引入總溫升的不確定度：

研究表明，冷卻校正值通常為（0.01～0.03K）間，相對誤差不超過0.5%，按95%置信概率正態(tài)分布，kp=1.96。標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

總溫升引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

6）硝酸校正熱的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

研究表明，硝酸校正系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定uN為0.0001，對于熱容量，硝酸校正熱的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

7）點(diǎn)火熱引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)GB/T213-2008煤的發(fā)熱量測定方法知，計(jì)算彈筒發(fā)熱量時，點(diǎn)火熱與熱容量計(jì)算公式中的點(diǎn)火熱q1可以基本抵消，對發(fā)熱量測定結(jié)果影響甚小，可以不予考慮。

5.1.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度各組分

熱容量不確定度組分量值見表2。

5.1.3 擴(kuò)展不確定度

取擴(kuò)展因子k=2，

熱容量標(biāo)定值E的擴(kuò)展不確定度：

U（E）=2×5.6=11.2

5.2 依照J(rèn)JF1059-1999對熱容量的不確定度u（E）進(jìn)行量化

5.2.1 根據(jù)不確定度的傳播定律，熱容量的不確定度可以表示為：

其中靈敏系數(shù)為：

5.2.2 熱容量的不確定度組分分析

1）A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度（重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差）u（E，rep）

熱容量的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1（苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值：26454J/g;點(diǎn)火熱50J）。

熱容量E為5次標(biāo)定結(jié)果的平均值（J/K），其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2）苯甲酸片質(zhì)量的不確定度u（m）

稱量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱量誤差為0.0002g，按均勻分布轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（m）

3）苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值的不確定度u（Q）

苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中給出的標(biāo)準(zhǔn)熱值為26454J/g（證書號GBW（E）130035），其擴(kuò)展不確定度為0.1%（取kp=2）。換算為標(biāo)準(zhǔn)不確定度（相對）：

4）溫度測量的不確定度u（Δt'）

本儀器所用的溫度計(jì)為數(shù)字顯示溫度計(jì)，其分辨率為0.0001k，溫度測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

5）冷卻校正值引入的不確定度：

研究表明，冷卻校正值通常為（0.01～0.03K）間，相對誤差不超過0.5%，按95%置信概率正態(tài)分布，kp=1.96。標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

6）內(nèi)筒水定量引入的不確定度u（w）

本儀器內(nèi)筒水水量采用的是自動平衡定量法，定量的整個過程采用自動控制，不需人工稱量內(nèi)筒水重，內(nèi)筒水量的重復(fù)誤差小于 0.5g，

5.2.3 合成不確定度各組分

熱容量不確定度組分量值見表3。

5.2.4 擴(kuò)展不確定度

取擴(kuò)展因子k=2，

熱容量標(biāo)定值E的擴(kuò)展不確定度：

U（E）=2×5.3=10.6

6 結(jié)束語

本次熱容量標(biāo)定結(jié)果為：（10358±11）J/K，相對擴(kuò)展不確定度為：0.11%，小于國標(biāo)要求0.20%。在實(shí)驗(yàn)條件和儀器熱容量不變的情況下，采用此熱容量標(biāo)定結(jié)果的不確定度來計(jì)算發(fā)熱量的不確定度。兩種方法評定的不確定度無明顯差異。

作者簡介：

張秀燕，女，1977年11月出生，漢族，江蘇泰州人，工程師，2002年畢業(yè)于東北電力大學(xué)，應(yīng)用化學(xué)系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)為國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司技術(shù)員，聯(lián)系電話13382469731（手機(jī)號碼）。

（作者單位：江蘇省泰州市高港區(qū)永安州鎮(zhèn) 國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司）