全自動工業分析儀校準方法的研究及不確定度評定

楊 佳，江寧川，邢 捷

(天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192)

0 引 言

煤炭是人們生產和生活中最主要的能源資源之一，煤的工業分析是評判煤炭質量的重要參數。全自動工業分析儀主要用于煤炭中灰分和揮發分含量的測定，極大的提高了煤質分析工作的效率，目前已經廣泛應用于各大電廠和煤炭實驗室。全自動工業分析儀測定結果的可靠性很大程度上取決于測量不確定度[1]。不確定度表征合理地賦予被測量之值得分散性，與測量結果相聯系的參數。

1 工業分析儀測量原理

工業分析儀(以下簡稱儀器)的測量原理為熱重分析法。將遠紅外加熱設備與稱量用的電子天平結合在一起，在特定的氣氛條件下、規定的溫度、規定的時間內稱量試樣在受熱過程中的質量變化，以此計算出試樣的水分、灰分和揮發分等工業分析指標。儀器由控制系統、測試系統(包括高溫爐、電子天平、電熱偶等)、數據處理系統組成[2-3]。

2 工業分析儀的校準方法

依據JJG 1140-2017 《工業分析儀》，工業分析儀的主要計量包括內部高溫爐的溫度校準和相應煤標樣對儀器的示值誤差和重復性的校準兩部分，表1為工業分析儀的示值誤差和重復性要求。在工業分析儀的實際計量中可以發現，大多數全自動工業分析儀都是高度集成化的，想要校準儀器內部高溫爐的溫度幾乎是不可能的，所以本文采用煤物理特性和化學成分標準物質對工業分析儀的測量結果灰分和揮發分指標進行校準。測量結果的準確程度從側面也驗證了溫度值的準確程度。

表1 儀器的計量性能表

本次校準采用標準物質為國家煤炭質量監督檢驗中心生產的“煤物理特性和化學成分標準物質”，編號分別為GBW11101i、GBW11108r、GBW11109r，這三種標準物質滿足表1中所要求的灰分和揮發分含量。儀器校準項目有示值誤差、測量重復性。按照全自動工業分析儀使用說明，分別稱取3個灰分范圍和2個揮發分范圍的煤標樣各進行6次實驗，根據實驗數據計算儀器示值誤差和重復性，分析測量結果的不確定度。

3 工業分析儀校準結果不確定度評定

3.1 數學模型

3.1.1 煤中灰分

三個不同范圍的灰分值分別由式(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)為工業分析儀顯示的灰分值；xAd(10.75)為由煤標準物質實測的灰分值；yAd(16.86)為工業分析儀顯示的灰分值；xAd(16.86)為由煤標準物質實測的灰分值；yAd(31.87)為工業分析儀顯示的灰分值；xAd(31.87)為由煤標準物質實測的灰分值。

3.1.2 煤中揮發分

兩個不同范圍的揮發分值分別由式(4)～式(5)得到：

yVd(19.46)=xVd(19.46)

(4)

yVd(30.02)=xVd(30.02)

(5)

式中，yVd(19.46)為工業分析儀顯示的揮發分值；xVd(19.46)為煤標準物質實測的揮發分值；yVd(30.02)為工業分析儀顯示的揮發分值；xVd(30.02)為煤標準物質實測的揮發分值。

3.2 不確定度來源分析

常規不確定度的來源涉及實驗人員、環境、方法、儀器等。本文所做實驗不確定度來源主要有：灰分和揮發分的重復性測量引入的不確定度ur(Ad)、ur(Vd)以及煤物理特性和化學成分標準物質引入的不確定度us(Ad)、us(Vd)[4]。標準不確定度分量見表2。

表2 標準不確定度分量

3.3 標準不確定度計算

3.3.1 示值重復性引入的不確定度分量

示值重復性引入的不確定度分量屬于A類評定，由6次測量求得的相對標準偏差估計，見式(6)。

(6)

分別重復測量6次，根據測量結果可以得到由測量重復性引入的不確定度ur，詳見表3。

表3 測量重復性引入的不確定度

3.3.2 標準物質引入的不確定度分量

由校準所用標準物質證書上獲得，見式(7)。

(7)

由標準物質引入的不確定度us，詳見表4。

表4 標準物質引入的不確定度

3.4 合成標準不確定度與擴展不確定度

合成標準不確定度uc由式(8)計算得到：

(8)

擴展不確定度Ucel由式(9)計算得到，詳見表5。

表5 合成標準不確定度與擴展不確定度

Ucel=k×uc

(9)

4 結束語

由上文可知，工業分析儀校準結果的不確定度主要取決于煤物理特性和化學成分標準物質的不確定度。與傳統的分析方法相比，采用工業分析儀進行煤的工業分析不但極大的提高了工作效率同時也大大提高測量結果的準確性。