陳現(xiàn)景 趙美玲 劉娟 宋兆明 朱亞州

(山東省消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,山東濟(jì)南 250033)

酚醛燃燒熱值測定結(jié)果的不確定度評(píng)定

陳現(xiàn)景 趙美玲 劉娟 宋兆明 朱亞州

(山東省消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,山東濟(jì)南 250033)

對(duì)燃燒熱值的測定原理及試驗(yàn)過程進(jìn)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(xiàn)的不確定因素,得出影響材料燃燒熱值測定結(jié)果的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)燃燒熱值的不確定度分量進(jìn)行評(píng)定;經(jīng)過對(duì)各個(gè)分量的計(jì)算、合成和擴(kuò)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(zāi)、濟(jì)南全運(yùn)會(huì)火災(zāi)、南京中環(huán)國際火災(zāi)、上海教師公寓大火等事故,其“元兇”基本都出在使用劣質(zhì)有機(jī)保溫材料上。因此,防止和減少有機(jī)保溫材料在施工和使用過程中引發(fā)火災(zāi)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(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù),是計(jì)算建材燃燒釋放熱量和火災(zāi)荷載必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)前,建筑材料防火性能是安全性的一項(xiàng)最重要指標(biāo)?！督ㄖ牧先紵阅芊旨?jí)方法》(GB 8624～2006)規(guī)定所有申請(qǐng)燃燒性能A級(jí)和部分燃燒性能A級(jí)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(jì)量質(zhì)量工作中的應(yīng)用越來越廣泛,在計(jì)量方面不確定度的研究較多,在質(zhì)量檢驗(yàn)方面特別是一次性檢驗(yàn)方面,不確定度的研究較少[1],鑒于氧彈量熱儀的應(yīng)用廣泛性和重要性,從試驗(yàn)報(bào)告的嚴(yán)謹(jǐn)性考慮,有必要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定。不確定度的大小與測量結(jié)果的質(zhì)量直接相關(guān),不確定度越小,可信度越大,測量結(jié)果的質(zhì)量越高,測量結(jié)果的使用價(jià)值也就越大。

測量不確定度是對(duì)測量結(jié)果而言,表征該結(jié)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(duì)這些成分,依照統(tǒng)計(jì)分布(A類)或經(jīng)驗(yàn)和其他信息的概率分布類(B類)得出結(jié)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(biāo)準(zhǔn)不確定度。測量的目的:確定被測量的值或獲取可用測量結(jié)果。測量不確定度用于表征測量結(jié)果的質(zhì)量。本文針對(duì)EPS的熱值測試原理,分析計(jì)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(gè)量熱體系溫度升高,兩者成正比關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)前后溫升,計(jì)算酚醛熱值。

熱容量的標(biāo)定采用國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸片。

表1

3 EPS燃燒熱值測量不確定度評(píng)定

3.1 測量酚醛的燃燒熱值的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)燃燒前后水的溫升,計(jì)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(zhì)量,g;

△T1——量熱時(shí)量熱系統(tǒng)溫升,℃;

E——量熱系統(tǒng)的熱容量,J/℃;

q1——點(diǎn)火絲的燃燒熱值,J。

根據(jù)熱容量的定義,采用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸片標(biāo)定即可得到系統(tǒng)的熱容量:

式中:Qs——標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量,J/g;

ms——標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)量,g;

△T——標(biāo)定時(shí)量熱體系的溫升,℃。根據(jù)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(tǒng)的溫升△T1,點(diǎn)火熱q1,酚醛試樣的質(zhì)量m決定。由試驗(yàn)原理及試驗(yàn)程序可知,m與E相互獨(dú)立,△T1與m正相關(guān),E與△T1負(fù)相關(guān)[4]。故有相關(guān)系數(shù):

故酚醛熱值測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

表2

3.2 系統(tǒng)熱容量不確定度的評(píng)定

3.2.1 不確定度源識(shí)別

從熱容量標(biāo)定原理及試驗(yàn)過程可知,標(biāo)定熱容量的重復(fù)性、內(nèi)筒水質(zhì)量、苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值、點(diǎn)火熱和溫度測量的不確定度決定了系統(tǒng)熱容量的不確定度。

3.2.2 系統(tǒng)熱容量的不確定度(如表1)

根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)熱值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸片證書給出的標(biāo)準(zhǔn)熱值為26456J/g,其不確定度為0.1%。按正態(tài)分布,取k=1.96,其標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(3)試樣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算,取k=。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)及上面計(jì)算出的靈敏度系數(shù)分別帶入式(4),即可得出由各輸入量引入的系統(tǒng)熱容量不確定度:

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

(6)重復(fù)測量引起的不確定度:

由以上可得出系統(tǒng)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(jì)算,取k=。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3.4 酚醛熱值的不確定度

分別做5組試驗(yàn),如表2。

將以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(fù)測量引起的不確定度

將重復(fù)測得的5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(kuò)展不確定度

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

4 結(jié)語

(1)總結(jié)以上分析,進(jìn)行酚醛燃燒熱值的不確定度分析時(shí)首先確定檢測過程所使用的數(shù)學(xué)模型,以評(píng)定模型為基礎(chǔ),分析出不確定度分量,各個(gè)不確定度分量的構(gòu)成,確定A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,分別進(jìn)行計(jì)算各分量值,最后報(bào)出測量不確定度。

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

(3)通過計(jì)算過程可知,測量重復(fù)性和量熱儀系統(tǒng)熱容引起不確定度分量較大,所以在測試樣品熱值試驗(yàn)中,提高儀器精確度及改進(jìn)測量方法,如在樣品的制備和調(diào)試過程中,避免因取樣不均勻或調(diào)試不平衡導(dǎo)致重復(fù)性不確定度增大;另外,人員操作的熟練程度也是導(dǎo)致重復(fù)性不確定度的重要因素,因此在質(zhì)檢工作中,檢測人員必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備了解透徹,進(jìn)行上崗培訓(xùn),是保證熱值檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量有效手段。

[1]陸?zhàn)┎?不確定度評(píng)定在質(zhì)量檢驗(yàn)工作中的運(yùn)用[J].計(jì)量與測試技術(shù),2002.1:41-44.

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

[3]JJF 1059-1999測量不確定度評(píng)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(píng)定[M].北京:科學(xué)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