酚醛燃燒熱值測定結果的不確定度評定

陳現景 趙美玲 劉娟 宋兆明 朱亞州

(山東省消防產品質量監督檢驗站,山東濟南 250033)

酚醛燃燒熱值測定結果的不確定度評定

陳現景 趙美玲 劉娟 宋兆明 朱亞州

(山東省消防產品質量監督檢驗站,山東濟南 250033)

對燃燒熱值的測定原理及試驗過程進行分析,研究了氧彈量熱儀在測定酚醛外墻保溫材料燃燒過程中可能出現的不確定因素,得出影響材料燃燒熱值測定結果的數學模型,并對燃燒熱值的不確定度分量進行評定;經過對各個分量的計算、合成和擴展,最終得出材料燃燒熱值測定的不確定度。

酚醛 燃燒熱值 不確定度

1 引言

央視大火、美院大火、科技館火災、濟南全運會火災、南京中環國際火災、上海教師公寓大火等事故,其“元兇”基本都出在使用劣質有機保溫材料上。因此,防止和減少有機保溫材料在施工和使用過程中引發火災事故,已迫在眉睫。建筑材料的燃燒熱值是表征建筑材料潛在火災危險性的重要參數,是計算建材燃燒釋放熱量和火災荷載必不可少的基礎數據。

當前,建筑材料防火性能是安全性的一項最重要指標。《建筑材料燃燒性能分級方法》(GB 8624～2006)規定所有申請燃燒性能A級和部分燃燒性能A級的建筑制品都必須采用氧彈量熱儀測定燃燒熱值。隨著我國加入WTO,不確定度在計量質量工作中的應用越來越廣泛,在計量方面不確定度的研究較多,在質量檢驗方面特別是一次性檢驗方面,不確定度的研究較少[1],鑒于氧彈量熱儀的應用廣泛性和重要性,從試驗報告的嚴謹性考慮,有必要對試驗結果的不確定度進行評定。不確定度的大小與測量結果的質量直接相關,不確定度越小,可信度越大,測量結果的質量越高,測量結果的使用價值也就越大。

測量不確定度是對測量結果而言,表征該結果的分散程度。按照《測量不確定度指南》,該分散度是由許多成分組成。對這些成分,依照統計分布(A類)或經驗和其他信息的概率分布類(B類)得出結果的不確定度;將A類和B類不確定度按平方和開方的辦法疊加起來,就是合成標準不確定度。測量的目的:確定被測量的值或獲取可用測量結果。測量不確定度用于表征測量結果的質量。本文針對EPS的熱值測試原理,分析計算EPS熱值測試不確定度。

2 測試原理

本文采用IKA C2000量熱儀,將按照GB/T 14402-2007制成EPS燃燒熱值測試試樣。采取周邊等溫模式,試樣在氧彈中燃燒放出熱量使整個量熱體系溫度升高,兩者成正比關系。根據試驗前后溫升,計算酚醛熱值。

熱容量的標定采用國家一級標準苯甲酸片。

表1

3 EPS燃燒熱值測量不確定度評定

3.1 測量酚醛的燃燒熱值的數學模型

根據燃燒前后水的溫升,計算酚醛的燃燒熱值[2]見公式(1):

式中:Q——EPS的燃燒熱值,J/g;

M——EPS的質量,g;

△T1——量熱時量熱系統溫升,℃;

E——量熱系統的熱容量,J/℃;

q1——點火絲的燃燒熱值,J。

根據熱容量的定義,采用標準苯甲酸片標定即可得到系統的熱容量:

式中:Qs——標準物質的發熱量,J/g;

ms——標準物質的質量,g;

△T——標定時量熱體系的溫升,℃。根據熱值測試原理和JJF 1059-1999[3]酚醛燃燒熱值Q作為被測量值,由熱容量E、系統的溫升△T1,點火熱q1,酚醛試樣的質量m決定。由試驗原理及試驗程序可知,m與E相互獨立,△T1與m正相關,E與△T1負相關[4]。故有相關系數:

故酚醛熱值測量的合成標準不確定度為:

表2

3.2 系統熱容量不確定度的評定

3.2.1 不確定度源識別

從熱容量標定原理及試驗過程可知,標定熱容量的重復性、內筒水質量、苯甲酸標準熱值、點火熱和溫度測量的不確定度決定了系統熱容量的不確定度。

3.2.2 系統熱容量的不確定度(如表1)

根據不確定度的傳播定律,熱容量的不確定度可以表示為:

(1)苯甲酸標準熱值引入的標準不確定度。標準苯甲酸片證書給出的標準熱值為26456J/g,其不確定度為0.1%。按正態分布,取k=1.96,其標準不確定度為:

(2)溫度升高值的測量不確定度。儀器溫度測量的分辨率為0.0001K,按均勻分布,取k=。其標準不確定度為:

(3)試樣質量的標準不確定度。分析天平分辨率為0.1mg;不確定度按B類均勻分布計算,取k=。其標準不確定度為:

將試驗數據及上面計算出的靈敏度系數分別帶入式(4),即可得出由各輸入量引入的系統熱容量不確定度:

(5)熱量儀內筒水稱量的不確定度。儀器內筒水稱量的誤差為0.15g,水的比熱C=4.2J/(℃g),內筒水量引入的不確定度:

(6)重復測量引起的不確定度:

由以上可得出系統熱容量的不確定度為:

3.3 酚醛稱量引入的不確定度分量

分析天平分辨率為0.1mg;不確定度按B類均勻分布計算,取k=。其標準不確定度為:

3.4 酚醛熱值的不確定度

分別做5組試驗,如表2。

將以上試驗數據代入公式(3),各影響因素引起的熱值測量的不確定度 u（ Q）=47.2 J/g

3.5 酚醛熱值重復測量引起的不確定度

將重復測得的5組試驗數據代入貝塞爾公式:

3.6 不確定度合成

由不確定度的傳播定律,EPS熱容量的合成不確定度為:

3.7 擴展不確定度

擴展不確定度 U =Ku( Q),取包含因子k=2,則擴展不確定度U=103.8,相對擴展不確定度

4 結語

(1)總結以上分析,進行酚醛燃燒熱值的不確定度分析時首先確定檢測過程所使用的數學模型,以評定模型為基礎,分析出不確定度分量,各個不確定度分量的構成,確定A類標準不確定度和B類標準不確定度,分別進行計算各分量值,最后報出測量不確定度。

(2)通過計算可以看出,雖然酚醛熱值的不確定度較大,但相對不確定度比較小。因此,在已知試驗條件下測量的酚醛的熱值具有較高的準確度。

(3)通過計算過程可知,測量重復性和量熱儀系統熱容引起不確定度分量較大,所以在測試樣品熱值試驗中,提高儀器精確度及改進測量方法,如在樣品的制備和調試過程中,避免因取樣不均勻或調試不平衡導致重復性不確定度增大;另外,人員操作的熟練程度也是導致重復性不確定度的重要因素,因此在質檢工作中,檢測人員必須對標準、設備了解透徹,進行上崗培訓,是保證熱值檢測數據的質量有效手段。

[1]陸皓波.不確定度評定在質量檢驗工作中的運用[J].計量與測試技術,2002.1:41-44.

[2]孫坤瑜,周麗娟.自動氧彈熱量計熱值誤差測量的不確定度評定[J].中國計量,2009(7):95-96,102.

[3]JJF 1059-1999測量不確定度評定與表示[S].

[4]王中宇,劉智敏,夏新濤,等.測量誤差與不確定度評定[M].北京:科學出版社,2008.

Analysis to the measurement principle and test process of the combustion heat.The uncertainties of combustion heat testing of Phenolic were analysed. The mathematical model of determination results of material combustion heat was obtained. And the Uncertainty components of combustion heat were analysed; Through the calculation of each component, combination, expansion, obtained the uncertainty of combustion heat testing.

Phenolic Combustion heat testing Uncertainty