摘要:论述了氧化锆氧气体分析器计量检定过程中不确定度的合成方法,给出了评定结果。
1 引 言
氧化锆氧分析仪器是气体分析仪器中应用较为普遍的一种用于测量气体中含氧量的台式分析仪器。近年来,随着科技水平的进步,仪器制造技术有了长足的发展,该类仪器也已由过去的仪表指针式发展为电子显示。仪器内部结构中氧化锆管材及制备工艺的趋于成熟,使其构成的氧浓差电池的稳定性、重复性大大改观,其表现在:仪器量程的扩展,传感器使用寿命的延长,技术精度的提高。其应用领域也从单纯测量各种工业炉和窑中烟气的含氧量,发展到工矿生产流程、石油化工、环境保护、航空航天、医疗卫生以及科学研究等诸多领域。
因此,建立和完善该项计量标准,保障氧化锆氧分析器计量标准量值的传递与溯源,评估检定过程中引入示值误差的影响因素及不确定度的合成方法将是开展该计量检定工作的重要内容。本文依据JJG 535—88[1]、JJF 1059—1999[2]的要求,对氧化锆氧分析器计量检定过程中的不确定度进行了分析与评定。
2 氧化锆氧分析器工作原理
利用氧化锆材料添加一定量的稳定剂后,通过高温烧成,在一定温度下成为氧离子固体电解质。在该材料两侧焙烧铂电极,当两侧间氧分压不同时,两电极间产生浓差电动势,构成氧浓差电池,其电池反应如下:
式中,R为气体常数;T为电池的绝对温度;F为法拉第常数;n为参加反应的电子数;P0为参比气体氧分压;P为被测气体氧分压;E为浓差电池的电动势。
由此,如果已知氧浓差电池的温度和参比气体氧分压,便可通过测量仪表求出电动势,从而测量气体中氧的含量。
3 氧化锆氧分析器计量检定过程的描述
根据JJG 535—88《氧化锆氧分析器》国家计量检定规程,该仪器的计量检定主要是通过对仪器的基本误差、稳定度、重复性、电源电压波动影响等主要技术指标的检定,而完成对仪器性能的评价。
其检定过程为:使用钢瓶装氮中氧气体标准物质以及钢瓶配套使用的减压阀、压力表以及稳压、 稳流装置,经过管路将气体标准物质通入气体氧分析器中,观测仪器显示值与气体标准物质之间的差值,从而完成对各项技术参数的检定。
4 检定过程中测量误差的数学模型
氧化锆氧分析器计量检定过程中检定不确定度的评估对象为:各主要检定项目的仪器示值与气体标准物质之间差值不确定度的评定。 因此,被检仪器测量示值的平均值与气体标准 物质差值之间的函数关系为:
5 方差和灵敏度系数
6 根据数学模型列出的检定装置的不确定度
6·1 A类标准不确定度的计算方法
6·1·1 贝塞尔法
6·1·2 极差法
6·2 B类标准不确定度的计算方法
规程所规定的技术参数以及检定证书及其它技术文件所提供的技术参数。
当能估算出影响量的相对标准偏差时,按下式计算其标准不确定度对应的自由度
7 氧化锆氧分析器计量检定不确定度的来源及估算
按JJG 535—88国家计量检定规程及制造厂给出的测量准确度,检定仪器量程最小为1·0% O 2, 最大值为25% O 2,其示值误差小于5·0%F·S为例进行不确定度的评估。
7·1 氮中氧气体标准物质定值的不确定度
7·2 检定过程中气体流量稳定性引入的不确定度
当气体标准物质通入氧化锆氧气体分析器时,由于气体流量的变化,会直接影响仪器示值的波动,其体现在对仪器示值误差、稳定度及重复性检定中。按规程规定,被测气体的流量,应严格按仪器制造厂的规定而定,如无特殊要求,均按300mL/min,但流量波动不得大于±50 mL/min。
7·3 稳定度检定过程中引入的不确定度
按规程规定,其检定过程为,在仪器中通入满度值50%的O 2 / N 2气体标准物质,每间隔0·5 h测量1次, 4 h内连续测量6次,用贝赛尔公式计算由于稳定度检定过程中引入的不确定度,该不确定度为基本误差的1/2,即被检仪器的相对标准偏差的允许值为2·5%,则平均值测量结果的标准不确定度为:
7·4 测量重复性引入的不确定度
环境温度、压力及人员操作对检定装置引起的误差,体现在被检仪器的重复性测量误差。在本检定过程中,在重复条件下,独立测量6次获得的不确定度(相对标准偏差),按规程规定,用贝赛尔公式计算测量重复性的不确定度为基本误差的1/2,即被检仪器的相对标准偏差的允许值为2·5%,则平均值测量结果的标准不确定度为:
7·5 测量过程中由于电源电压变化引起仪器示值变化而引入的不确定度
按规程规定,其不确定度为2·5%,该项检定为在同一测量点,调节仪器的电源电压,使其在额定电压的±10%,观测仪器示值的变化,分别测量3次,按下式计算测量附加误差,即:
7·6 检定结果的合成不确定度
8 结 论
根据以上不确定度分析,氧化锆氧分析器计算检定的不确定度为5%。
参考文献:
[1] JJG 535—88,氧化锆氧分析器国家计量检定规程[S]·
[2] JJF 1059—1999,测量不确定度评定与表示[S]·
[3]李庆忠,等·测量不确定度评估要点[J]·计量技术,2003, (1)·
作者简介:
李春瑛,女,毕业于北京化工大学,国家标准物质研究中心高级工程师,国家计量一级考评员,现从事气体分析工作,曾多次获得部级、所级科技成果奖,以第1完成人发表研究论文30余篇。
