全自动工业分析仪校准方法的研究及不确定度评定

杨 佳，江宁川，邢 捷

(天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192)

0 引 言

煤炭是人们生产和生活中最主要的能源资源之一，煤的工业分析是评判煤炭质量的重要参数。全自动工业分析仪主要用于煤炭中灰分和挥发分含量的测定，极大的提高了煤质分析工作的效率，目前已经广泛应用于各大电厂和煤炭实验室。全自动工业分析仪测定结果的可靠性很大程度上取决于测量不确定度[1]。不确定度表征合理地赋予被测量之值得分散性，与测量结果相联系的参数。

1 工业分析仪测量原理

工业分析仪(以下简称仪器)的测量原理为热重分析法。将远红外加热设备与称量用的电子天平结合在一起，在特定的气氛条件下、规定的温度、规定的时间内称量试样在受热过程中的质量变化，以此计算出试样的水分、灰分和挥发分等工业分析指标。仪器由控制系统、测试系统(包括高温炉、电子天平、电热偶等)、数据处理系统组成[2-3]。

2 工业分析仪的校准方法

依据JJG 1140-2017 《工业分析仪》，工业分析仪的主要计量包括内部高温炉的温度校准和相应煤标样对仪器的示值误差和重复性的校准两部分，表1为工业分析仪的示值误差和重复性要求。在工业分析仪的实际计量中可以发现，大多数全自动工业分析仪都是高度集成化的，想要校准仪器内部高温炉的温度几乎是不可能的，所以本文采用煤物理特性和化学成分标准物质对工业分析仪的测量结果灰分和挥发分指标进行校准。测量结果的准确程度从侧面也验证了温度值的准确程度。

表1 仪器的计量性能表

本次校准采用标准物质为国家煤炭质量监督检验中心生产的“煤物理特性和化学成分标准物质”，编号分别为GBW11101i、GBW11108r、GBW11109r，这三种标准物质满足表1中所要求的灰分和挥发分含量。仪器校准项目有示值误差、测量重复性。按照全自动工业分析仪使用说明，分别称取3个灰分范围和2个挥发分范围的煤标样各进行6次实验，根据实验数据计算仪器示值误差和重复性，分析测量结果的不确定度。

3 工业分析仪校准结果不确定度评定

3.1 数学模型

3.1.1 煤中灰分

三个不同范围的灰分值分别由式(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)为工业分析仪显示的灰分值；xAd(10.75)为由煤标准物质实测的灰分值；yAd(16.86)为工业分析仪显示的灰分值；xAd(16.86)为由煤标准物质实测的灰分值；yAd(31.87)为工业分析仪显示的灰分值；xAd(31.87)为由煤标准物质实测的灰分值。

3.1.2 煤中挥发分

两个不同范围的挥发分值分别由式(4)～式(5)得到：

yVd(19.46)=xVd(19.46)

(4)

yVd(30.02)=xVd(30.02)

(5)

式中，yVd(19.46)为工业分析仪显示的挥发分值；xVd(19.46)为煤标准物质实测的挥发分值；yVd(30.02)为工业分析仪显示的挥发分值；xVd(30.02)为煤标准物质实测的挥发分值。

3.2 不确定度来源分析

常规不确定度的来源涉及实验人员、环境、方法、仪器等。本文所做实验不确定度来源主要有：灰分和挥发分的重复性测量引入的不确定度ur(Ad)、ur(Vd)以及煤物理特性和化学成分标准物质引入的不确定度us(Ad)、us(Vd)[4]。标准不确定度分量见表2。

表2 标准不确定度分量

3.3 标准不确定度计算

3.3.1 示值重复性引入的不确定度分量

示值重复性引入的不确定度分量属于A类评定，由6次测量求得的相对标准偏差估计，见式(6)。

(6)

分别重复测量6次，根据测量结果可以得到由测量重复性引入的不确定度ur，详见表3。

表3 测量重复性引入的不确定度

3.3.2 标准物质引入的不确定度分量

由校准所用标准物质证书上获得，见式(7)。

(7)

由标准物质引入的不确定度us，详见表4。

表4 标准物质引入的不确定度

3.4 合成标准不确定度与扩展不确定度

合成标准不确定度uc由式(8)计算得到：

(8)

扩展不确定度Ucel由式(9)计算得到，详见表5。

表5 合成标准不确定度与扩展不确定度

Ucel=k×uc

(9)

4 结束语

由上文可知，工业分析仪校准结果的不确定度主要取决于煤物理特性和化学成分标准物质的不确定度。与传统的分析方法相比，采用工业分析仪进行煤的工业分析不但极大的提高了工作效率同时也大大提高测量结果的准确性。