臭氧老化箱臭氧气体浓度不确定度评定分析

程丽萍,贺媛媛,宫兆隆,刘学刚,刘培源,徐广强

(青岛市计量技术研究院,山东 青岛 266101)

0 引 言

目前,随着橡胶制品质检实验数量的增加,臭氧老化箱的运用越来越广泛。臭氧老化箱可以模拟和强化大气中的臭氧条件,研究臭氧对橡胶的作用规律,进而采取有效的防老化措施,以提高橡胶制品的使用寿命[1]。橡胶制品老化过程中臭氧老化箱中臭氧浓度是质检过程中的重要参数,质检准确程度直接影响橡胶产品的老化效果[2]。另外,臭氧气体是比氧气更强的氧化剂,臭氧老化箱中的臭氧浓度较高,对人体有一定的损害[3]。臭氧老化箱通常由臭氧发生系统、试验老化箱室和控制系统三大部分组成。臭氧发生浓度是臭氧老化箱的主要计量参数,其可靠性影响臭氧老化效果[4]。本文针对低浓度和高浓度两种范围臭氧老化箱,对其产生的臭氧浓度校准结果不确定度进行分析。

1 测量设备及被测设备

1.1 测量设备

本次校准所用的仪器为2B Technologies公司的106-M型臭氧气体检测仪,如图1,该仪器的量程为摩尔分数(0～1000)×10-6,分辨率为摩尔分数0.01×10-6或2%读值。

图1 106-M型臭氧气体检测仪

1.2 被检设备

本次被检设备为高铁检测仪器(东莞)有限公司生产的OZ-0500AC型臭氧老化箱,如图2,该老化箱有两种量程,低量程:摩尔分数(0～500)×10-8,高量程:摩尔分数(0～500)×10-6。主要研究该仪器高量程的臭氧老化箱测量结果的不确定度,并将该量程分为低浓度臭氧段摩尔分数(0～0.5)×10-6和高浓度臭氧段摩尔分数(0.5～500)×10-6两个浓度段进行示值误差不确定度评定。

图2 臭氧老化箱

2 测量数学模型

评价不确定度的数学模型如式(1)[4]:

(1)

3 标准不确定度分量评定

3.1 测量不确定度构成要素

由数学模型式(1)可知,不确定度要素来源于被检臭氧老化箱气体重复性引入的标准不确定度分量u1(C)和被检臭氧老化箱分辨力引入的标准不确定度u2(C)以及臭氧气体检测仪引入的标准不确定度u3(C)[5]。

3.2 低浓度段臭氧老化箱的不确定度

低浓度段时,臭氧气体检测仪引入的不确定度分量u13(C)的变化对示值误差不确定度的影响较大,且臭氧浓度越大,臭氧气体检测仪引入的不确定度u13(C)越大,所以低浓度臭氧段选择以最高点摩尔分数0.50×10-6为评定点。

3.2.1臭氧老化箱重复性引出的不确定度u11(C)

仪器预热稳定后,设置臭氧老化箱输出的目标臭氧浓度为0.5×10-6mo1/mo1,仪器运行30 min后,用臭氧气体检测仪对臭氧老化箱内部的臭氧浓度进行检测,测量10次,得到数据:0.51,0.53,0.52,0.50,0.54,0.51,0.52,0.53,0.51,0.52(单位:10-6mo1/mo1)。

s=0.01×10-16mol/mol

3.2.2臭氧老化箱示值引出的不确定度u12(C)

被检臭氧老化箱最小分度值为0.01×10-6mo1/mo1,估读误差为1/2分度值,按均匀分布。

3.2.3臭氧气体检测仪引出的不确定度u13(C)

由臭氧气体检测仪证书可知,臭氧气体检测仪定值的不确定度为Urel=3.4%,k=2,因此:

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

3.3 高浓度段臭氧老化箱的不确定度

根据长期的客户调查、资料研究及检校经验,高浓度段时客户常用的最大臭氧浓度为250.0×10-6mol/mol,所以高浓度臭氧段选择以250.0×10-6mol/mol为评定点。

3.3.1臭氧老化箱重复性引出的不确定度u21(C)

选用一台臭氧老化箱检测仪,发生臭氧浓度为250.0×10-6mol/mol,测量10次,得到数据:243.0,246.6，251.3，256.4，253.4，244.4，254.9，256.3,257.9,247.3(单位:10-6mol/mol)。

s=4.916×10-6mol/mol

3.3.2臭氧老化箱示值引出的不确定度u22(C)

被检臭氧老化箱最小分度值为0.1×10-6mol/mol,估读误差为1/2分度值,按均匀分布。

3.3.3臭氧气体检测仪引出的不确定度u23(C)

由臭氧气体检测仪证书可知,臭氧气体检测仪定值的不确定度为Urel=3.4%,k=2,因此:

u23(C)=(250×3.4%)/2=4.25×10-6mol/mol

3.4 合成标准不确定度及扩展不确定度的评定

3.4.1灵敏系数

不确定度的传播由数学模型式(2)～式(5)得到,通过公式计算,将各分量列于表1。

表1 (0～0.5)×10-6mol/mol臭氧老化箱不确定度分量

(2)

(3)

(4)

(5)

表2 (0.5～500)×10-6mol/mol臭氧老化箱不确定度分量

3.4.2合成不确定度uc(C)[6]

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的合成不确定度:

=0.012×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的合成不确定度:

=5.11×10-6mol/mol

3.4.3扩展不确定度U及相对扩展不确定度Urel

1.(0～0.5)×10-6mol/mol量程的扩展不确定度,取k=2:

U=kuc1=0.024×10-6mol/mol

2.(0.5～500)×10-6mol/mol量程的相对扩展不确定度,取k=2:

Urel=(kuc2÷250)×100%=4.1%

4 结束语

对臭氧老化箱采取了分段不确定度评定,列举了两个浓度段中,臭氧老化箱检测结果的具体不确定度,为臭氧老化箱的检测校准提供技术依据。