臭氧老化箱臭氧氣體濃度不確定度評定分析

程麗萍,賀媛媛,宮兆隆,劉學(xué)剛,劉培源,徐廣強(qiáng)

(青島市計量技術(shù)研究院,山東 青島 266101)

0 引 言

目前,隨著橡膠制品質(zhì)檢實驗數(shù)量的增加,臭氧老化箱的運(yùn)用越來越廣泛。臭氧老化箱可以模擬和強(qiáng)化大氣中的臭氧條件,研究臭氧對橡膠的作用規(guī)律,進(jìn)而采取有效的防老化措施,以提高橡膠制品的使用壽命[1]。橡膠制品老化過程中臭氧老化箱中臭氧濃度是質(zhì)檢過程中的重要參數(shù),質(zhì)檢準(zhǔn)確程度直接影響橡膠產(chǎn)品的老化效果[2]。另外,臭氧氣體是比氧氣更強(qiáng)的氧化劑,臭氧老化箱中的臭氧濃度較高,對人體有一定的損害[3]。臭氧老化箱通常由臭氧發(fā)生系統(tǒng)、試驗老化箱室和控制系統(tǒng)三大部分組成。臭氧發(fā)生濃度是臭氧老化箱的主要計量參數(shù),其可靠性影響臭氧老化效果[4]。本文針對低濃度和高濃度兩種范圍臭氧老化箱,對其產(chǎn)生的臭氧濃度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行分析。

1 測量設(shè)備及被測設(shè)備

1.1 測量設(shè)備

本次校準(zhǔn)所用的儀器為2B Technologies公司的106-M型臭氧氣體檢測儀,如圖1,該儀器的量程為摩爾分?jǐn)?shù)(0～1000)×10-6,分辨率為摩爾分?jǐn)?shù)0.01×10-6或2%讀值。

圖1 106-M型臭氧氣體檢測儀

1.2 被檢設(shè)備

本次被檢設(shè)備為高鐵檢測儀器(東莞)有限公司生產(chǎn)的OZ-0500AC型臭氧老化箱,如圖2,該老化箱有兩種量程,低量程:摩爾分?jǐn)?shù)(0～500)×10-8,高量程:摩爾分?jǐn)?shù)(0～500)×10-6。主要研究該儀器高量程的臭氧老化箱測量結(jié)果的不確定度,并將該量程分為低濃度臭氧段摩爾分?jǐn)?shù)(0～0.5)×10-6和高濃度臭氧段摩爾分?jǐn)?shù)(0.5～500)×10-6兩個濃度段進(jìn)行示值誤差不確定度評定。

圖2 臭氧老化箱

2 測量數(shù)學(xué)模型

評價不確定度的數(shù)學(xué)模型如式(1)[4]:

(1)

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

3.1 測量不確定度構(gòu)成要素

由數(shù)學(xué)模型式(1)可知,不確定度要素來源于被檢臭氧老化箱氣體重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(C)和被檢臭氧老化箱分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(C)以及臭氧氣體檢測儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(C)[5]。

3.2 低濃度段臭氧老化箱的不確定度

低濃度段時,臭氧氣體檢測儀引入的不確定度分量u13(C)的變化對示值誤差不確定度的影響較大,且臭氧濃度越大,臭氧氣體檢測儀引入的不確定度u13(C)越大,所以低濃度臭氧段選擇以最高點摩爾分?jǐn)?shù)0.50×10-6為評定點。

3.2.1臭氧老化箱重復(fù)性引出的不確定度u11(C)

儀器預(yù)熱穩(wěn)定后,設(shè)置臭氧老化箱輸出的目標(biāo)臭氧濃度為0.5×10-6mo1/mo1,儀器運(yùn)行30 min后,用臭氧氣體檢測儀對臭氧老化箱內(nèi)部的臭氧濃度進(jìn)行檢測,測量10次,得到數(shù)據(jù):0.51,0.53,0.52,0.50,0.54,0.51,0.52,0.53,0.51,0.52(單位:10-6mo1/mo1)。

s=0.01×10-16mol/mol

3.2.2臭氧老化箱示值引出的不確定度u12(C)

被檢臭氧老化箱最小分度值為0.01×10-6mo1/mo1,估讀誤差為1/2分度值,按均勻分布。

3.2.3臭氧氣體檢測儀引出的不確定度u13(C)

由臭氧氣體檢測儀證書可知,臭氧氣體檢測儀定值的不確定度為Urel=3.4%,k=2,因此:

u13(C)=(0.50×3.4%)/2=0.009×10-6mo1/mo1

3.3 高濃度段臭氧老化箱的不確定度

根據(jù)長期的客戶調(diào)查、資料研究及檢校經(jīng)驗,高濃度段時客戶常用的最大臭氧濃度為250.0×10-6mol/mol,所以高濃度臭氧段選擇以250.0×10-6mol/mol為評定點。

3.3.1臭氧老化箱重復(fù)性引出的不確定度u21(C)

選用一臺臭氧老化箱檢測儀,發(fā)生臭氧濃度為250.0×10-6mol/mol,測量10次,得到數(shù)據(jù):243.0,246.6，251.3，256.4，253.4，244.4，254.9，256.3,257.9,247.3(單位:10-6mol/mol)。

s=4.916×10-6mol/mol

3.3.2臭氧老化箱示值引出的不確定度u22(C)

被檢臭氧老化箱最小分度值為0.1×10-6mol/mol,估讀誤差為1/2分度值,按均勻分布。

3.3.3臭氧氣體檢測儀引出的不確定度u23(C)

由臭氧氣體檢測儀證書可知,臭氧氣體檢測儀定值的不確定度為Urel=3.4%,k=2,因此:

u23(C)=(250×3.4%)/2=4.25×10-6mol/mol

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的評定

3.4.1靈敏系數(shù)

不確定度的傳播由數(shù)學(xué)模型式(2)～式(5)得到,通過公式計算,將各分量列于表1。

表1 (0～0.5)×10-6mol/mol臭氧老化箱不確定度分量

(2)

(3)

(4)

(5)

表2 (0.5～500)×10-6mol/mol臭氧老化箱不確定度分量

3.4.2合成不確定度uc(C)[6]

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的合成不確定度:

=0.012×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的合成不確定度:

=5.11×10-6mol/mol

3.4.3擴(kuò)展不確定度U及相對擴(kuò)展不確定度Urel

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的擴(kuò)展不確定度,取k=2:

U=kuc1=0.024×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的相對擴(kuò)展不確定度,取k=2:

Urel=(kuc2÷250)×100%=4.1%

4 結(jié)束語

對臭氧老化箱采取了分段不確定度評定,列舉了兩個濃度段中,臭氧老化箱檢測結(jié)果的具體不確定度,為臭氧老化箱的檢測校準(zhǔn)提供技術(shù)依據(jù)。