煤的彈筒發熱量不確定度分析與評定

陳娟 閆濤 劉喆 張智芳 慕苗 馬向榮 薛成虎

摘 ?????要： 依據標準JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》及測定煤彈筒發熱量的數學模型，解析了彈筒發熱量的不確定度主要來源，并對每個不確定分量進行評定。結果表明：煤的彈筒發熱量合成標準不確定度為0.032 MJ/kg，擴展不確定度為0.064 MJ/kg。彈筒發熱量相對合成標準不確定度分量中，熱容量標定相對不確定度（u_rel（E）=8.07×10^-4）略微偏大，對最終結果準確程度影響略高。

關 ?鍵 ?詞：煤;彈筒發熱量;不確定度;擴展不確定度

中圖分類號：TQ 533 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0619-04

Uncertainty Analysis and Evaluation of Bomb Calorific Value of Coal

CHEN Juan¹，?YAN Tao²，?LIU Zhe²， ZHANG Zhi-fang¹， MU Miao¹ ，MA Xiang-rong¹， XUE Cheng-hu¹

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Yulin University， Shaanxi Yulin?719000， China;

2. National Coal and Salt Chemical Product Quality Supervision and Inspection Center（Yulin），?Shaanxi Yulin 719000， China）

Abstract： ?Based on the standard JJF1059.1-2012“Evaluation and expression of uncertainty in measurement”and the mathematical model for measuring the bomb?calorific value of coal， the main sources of uncertainty of coal bomb calorific value were analyzed， and each uncertainty component was evaluated. The result showed that the combined standard uncertainty of bomb calorific value was 0.032 MJ/kg and expanded uncertainty was 0.064 MJ/kg. The relative uncertainty of calorific capacity calibration （u_rel（E）=8.07×10^-4） was slightly larger than that other uncertainty component， which had a slightly higher impact on the accuracy of final results.

Key words： coal; ?bomb calorific value;??uncertainty; ?expanded uncertainty

煤的發熱量是評價煤質和熱工計算的最重要指標^[1]，是煤作為能源的使用價值高低的體現。在國際和中國煤炭分類中，發熱量還是低煤化程度煤的分類指標之一^[2]，其測定結果的準確性是煤炭供需雙方、科研人員及工程技術人員關注的焦點。而不確定度是評價測定結果準確程度的標尺，不確定度越小，測定結果準確程度越高^[3]，數據使用價值越高，反而反之。本文結合JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》^[4，5]及GB/T 213-2008《煤的發熱量測定方法》^[6]對該測定結果的不確定度來源進行全面細致的分析，并對各不確定度分量作出評價，最終給出合成標準不確定度與擴展不確定度。

1 ?測定方法、測量儀器與數學模型

1.1 ?測定方法

首先用標準物質苯甲酸對量熱儀進行標定，苯甲酸熱值為264 71 J/g，擴展不確定度為0.1 %，k=2。再利用標定了熱容量的量熱儀測定煤的發熱量。

在燃燒皿中稱取一定質量粒度小于0.2 mm的空氣干燥基煤樣，將已知質量的點火絲彎曲接近煤樣，其兩端接在氧彈的兩個電極柱上^[7]。往氧彈中加入10 mL蒸餾水，小心擰緊氧彈蓋，并緩緩充入氧氣，壓力至2.8～3.0 MPa。把氧彈放入裝好水的內筒，插入電極插頭，蓋上量熱計的蓋子，試驗結果由儀器顯示直接讀出。

1.2 ?測量儀器

長沙開元儀器有限公司5E-C5500型量熱儀，梅特勒—托利多儀器（上海）有限公司ME204E/02型電子天平。

1.3 ?數學模型^[8-10]

（1） 熱容量的數學模型

式中：E—量熱儀熱容量，J/K;

Q—苯甲酸發熱量，J/g;

m₁—苯甲酸重量，g;

q₁₁—熱熔標定點火絲熱值，J;

q₁₂—熱熔標定添加物產生的熱值，J;

Δt₁—熱熔標定主期溫升，K;

C₁—熱熔標定冷卻校正系數，K。

（2）彈筒發熱量的數學模型

式中：Q_b，ad—空氣干燥基煤樣彈筒發熱量，J/g;

E—量熱儀熱容量，J/K;

m₂—試樣質量，g;

q₂₁—發熱量測定點火絲熱值，J;

q₂₂—發熱量測定添加物產生的熱值，J;

Δt₂—發熱量測定主期溫升，K;

C₂—發熱量測定冷卻校正系數，K。

2 ?不確定度來源解析

按照國家計量技術規范《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1-2012）的要求，結合數學模型關系式，測量彈筒發熱量的不確定度來源主要包括以下兩方面：

（1）熱容量不確定度u_E來源分析

標定熱容量重復性引入的不確定度u_A（E），按A類方法評定;苯甲酸稱量不準引入的不確定度u_B（m₁），按B類方法評定;苯甲酸的標準熱值引入的不確定度u_B（Q），按B類方法評定;儀器引入的不確定度u_B（Y₁）包括標定主期溫升Δt₁、內桶水稱量和冷卻校正系數C₁，與儀器本身的精密度相關，故由儀器精密度和分辨率引入的不確定度分量共同合成儀器不確定度u_B（Y₁）。

（2）彈筒發熱量不確定度u_Qb來源分析

熱容量不確定度u_E，試樣彈筒發熱量重復性測定引入的不確定度u_A（Q_b），按A類方法評定;試樣稱量不準引入的不確定度u_B（m₂），按B類方法評定;儀器引入的不確定度u_B（Y₂）包括標定主期溫升Δt₂、內桶水稱量和冷卻校正系數C₂，與儀器本身的精密度相關，故由儀器精密度和分辨率引入的不確定度分量共同合成儀器不確定度u_B（Y₂），按B類方法評定。

3 ?不確定度分量評定

3.1 ?熱容量不確定度u_E評定

3.1.1 ?標定熱容量重復實驗引入的不確定度u_A（E）分量

依照煤的發熱量測定國標^[11]，用標準物質苯甲酸對量熱儀進行熱容量標定，進行5次重復測定，結果見表1。

單個測得值的實驗標準偏差由貝塞爾公式得：

其相對標準不確定度為：

3.1.2 ?苯甲酸稱量不準引入的不確定度u_B（m₁）評定

苯甲酸稱量不準主要由天平稱量不準和天平本身分辨力決定，具體如下：

（1）m₁稱量誤差造成的不確定度分量u_B1（m₁）^[12]

電子天平的最大允許誤差為±0.000 2 g，則區間半寬a=0.000 2 g，k=，故由天平稱量誤差引入的標準不確定度為：

（2）天平分辨能力引入的不確定度分量u_B2 （m₁）^[12]

該電子天平分辨力δ=0.000 1 g，則由此引入的標準不確定度為：

（3）稱量m₁的合成標準不確定度u_B（m₁）

苯甲酸稱量的合成標準不確定度由互不相關的兩個分量u_B1（m₁）和u_B2（m₁）合成得到^[12];另稱量包括兩次，一次為空盤重量，另一次為苯甲酸重量，故該分量u_B（m₁）需計算兩次。

其相對標準不確定度為：

3.1.3 苯甲酸的標準熱值引入的不確定度u_B（Q）評定

由苯甲酸標準證書得知其熱值為26 471 J/g^[11]，其擴展不確定度為0.1%，取K_P=2。

u_B （Q） =0.1% /2=0.05%

u_rel （Q） =0.000 5

3.1.4 ?儀器引入的不確定度u_B（Y₁）評定

儀器說明書給出分辨率為0.000 1 ℃，服從均勻分布，區間半寬a=0.000 05 ℃，包含因子k=，由此引入的不確定度為：

儀器精密度不大于0.15 %，本次熱容量標定由6次試驗平均值取得，長期實驗系統水溫恒定精度1 ℃，其不確定度為：

其相對不確定度為：

可知，儀器的分辨力造成的不確定度小，可忽略。

3.1.5 ?熱容量合成相對標準不確定度u_rel（E）

3.2彈筒發熱量不確定度u_Qb評定

3.2.1 ?熱容量標定引入的不確定度u（E），根據3.1評定結果可知，

u_rel（E）=8.07×10^-4

3.2.2重復性測量引入的標準不確定度u_A（Q_b）評定

對于同一煤樣的Q_b進行5次重復測定，結果表2。

單個測得值的實驗標準偏差由貝塞爾公式得：

其相對標準不確定度為：

3.2.3 ?煤樣稱量不準引入的不確定度u_B（m₂）評定

煤樣稱量誤差的不確定度u_B（m₂）評定與苯甲酸稱量誤差的不確定度u_B（m₁）評定方法相同^[12]，即：

u_B（m₂）=u_B（m₁）=0.000 168 g

3.2.4 ?儀器引入的不確定度u_B（Y₂）評定

煤樣彈筒發熱量測定由儀器引入的不確定度u_B（Y₂）與熱容量標定由儀器引入的不確定度u_B（Y₁）相同。

其相對不確定度為：

4 ?彈筒發熱量合成標準不確定度u_Qb

彈筒發熱量合成標準不確定度：

5 ?擴展不確定度U評定

在置信概率95 %時，取k=2，其擴展不確定度為：

U =k×u_Qb=2×0.032 MJ/kg=0.064 MJ/kg

試驗煤樣的彈筒發熱量測定結果表示為：Q_b，ad=（31.881±0.064） MJ/kg

6 ?結 論

煤的彈筒發熱量合成標準不確定度為0.032 MJ/kg，滿足不確定度小于60 J/g的要求^[8]，擴展不確定度為0.064 MJ/kg。彈筒發熱量相對合成標準不確定度分量中，熱容量標定相對不確定度（u_rel（E）=8.07×10^-4）略微偏大，對最終結果準確程度影響略高。

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