工业分析仪校准方法探讨

毕经亮 畅小军 尹 博 李春丽 周巍松

(钢铁研究总院，北京100081)

0 引言

工业分析仪是近几年兴起的进行煤质分析的自动化测试仪器[1-2]，相对于传统的用马弗炉、电子天平进行的煤的工业分析[3-4]，能更快速准确地检测煤中的水分、灰分和挥发分等成分，且能节省大量的人力物力，受到了广大工业分析工作者的认可，广泛应用在电力、煤炭、环保、冶金、造纸、化工和地勘等行业以及科研和商检质检机构。为了保证工业分析检测结果的准确性、一致性和溯源性，必须对工业分析仪进行检定校准，目前，国家尚没有工业分析仪的检定规程。笔者根据此类分析仪器的使用特点，结合其他分析仪器的检定校准方法[5-8]，建立了工业分析仪的校准方法，以保证检测数据的准确性，实现量值的传递与溯源，同时，也为实验室合理评价、验收该类分析仪及相应计量检定规程的编写提供了借鉴。

1 仪器工作原理

工业分析仪工作原理是热重分析法，它将加热设备与电子天平结合在一起，在特定的气氛条件、规定的温度和规定的时间内，称量受热过程中的试样质量，通过计算试样在不同温度下的失重计算出水分、灰分和挥发分等工业分析指标。

空气干燥的煤样置于加热炉中，在107℃下干燥氮气流中加热至恒重，根据煤样的质量损失可计算水分的含量；将水分残留物在氧气流下，以一定的速度加热至500℃恒温，然后，高温炉升至800℃左右，灼烧至质量恒定，由残留物的质量计算灰分的产率；空气干燥的煤样在高温炉中900℃左右灼烧一段时间，然后，在恒温炉107℃下干燥冷却约30min，以减少质量占样品的百分数减去该煤样空气干燥水分含量作为煤样的挥发分。

工业分析仪是一种自动化程度比较高的分析仪器，一般试样的称重、进样、加热、计算等都可以自动完成。

2 校准技术要求

2.1 温度误差和稳定性[9-10]

温度是保证工业分析仪测量数据准确的重要参数之一。仪器的温度读数和实际工作温度的相差应不超过±10℃，达到设定温度后，30min内仪器温度变化不超过10℃。

2.2 示值误差和重复性

示值误差是反映仪器测量数据准确性的重要指标，它是试样的测量值和标准值的差值，是工业分析仪的重要计量特性。考虑到煤中水分受环境等的影响很大，一般不将水分作为煤(包括煤质标准物质)的计量指标，只将灰分和挥发分的含量准确性作为考察的依据。根据仪器实际使用情况，单位对煤质的要求和相关文献，灰分和挥发分的示值误差应不大于±2%。

重复性是衡量仪器测试结果重现性的计量特性，灰分、挥发分的重复性应不大于1.0%。

2.3 天平重复性[11]

配套天平的称量重复性应小于天平最小分度的5倍。

3 校准条件

3.1 实验室条件

室内温度：15～35℃，相对湿度：≤85%；供电电源：(220±4.4)V，(50±1)Hz，仪器接地良好；无明显机械振动，无强电和磁场干扰，无易燃易爆和腐蚀性气体。

3.2 校准设备与校准用标准物质

1)E2等级标准砝码(毫克组)，经计量检定合格；

2)二等铂铑10—铂标准热电偶；

3)温湿度巡检仪，经计量检定合格；

4)根据被校准仪器的测量对象，选择适用的、能覆盖测量范围的高、中、低含量的煤质成分用标准物质3～4种。

4 校准项目和校准方法

4.1 校准前准备

按仪器说明书要求开机预热，稳定后按要求进行仪器的条件化(烧空白等)，在选定的量程范围内，选择一种标准物质校准仪器。

4.2 温度误差

工业分析仪高温炉和恒温炉的温度都是通过热电偶来测量的，将标准热电偶从工业分析仪上盖垂直插入，将其测量端与炉体热电偶测量端对齐进行标定。选择100℃、500℃、800℃和900℃四个测量点进行测试，仪器的温度读数与温湿度巡检仪读数的差值即为温度误差，可通过式(1)计算：

Δt=t-tr

(1)

式中，Δt为温度误差，℃；t为仪器温度读数，℃；tr为温湿度巡检仪温度读数，℃。

4.3 温度稳定性

仪器恒温炉升至500℃，将与温湿度巡检仪连接的标准热电偶与仪器的测量热电偶连接，每隔10s巡检仪自动记录温度一次，30min内测量温度的最大值与最小值之差可用来表征温度的稳定性，如式(2)计算：

ts=tmax-tmin

(2)

式中，ts为温度稳定性，℃；tmax为30min内温度最大读数，℃；tmin为30min内温度最小读数，℃。

4.3 示值误差

在选定的仪器测量范围内，依次选择低、中、高灰分和挥发分含量的标准物质，分别重复测量三次，计算平均值与标准值的差值即为仪器示值误差，按式(3)进行计算。

(3)

4.4 重复性

选取灰分含量15%～30%和挥发分含量20%～40%的标准物质，重复测量7次，按式(4)、式(5)计算标准偏差及相对标准偏差，相对标准偏差即仪器的测量重复性。

(4)

(5)

4.5 天平称量重复性

根据仪器实际测量时的称样量，选择相应的砝码，重复测量7次，最大的称量值和最小的称量值之差作为天平的重复性。

5 校准实例分析

笔者按照本校准方法对某钢铁企业检测烟煤的5E-MAC/G6600型全自动工业分析仪(长沙开元仪器厂制造)进行了校准，所用煤质标准物质见表1，结果及数据处理见表2～表6，符合本校准方法规定的校准技术要求。

表1 煤质标准物质

表2 工业分析仪温度误差校准结果

表3 工业分析仪温度重复性校准结果

表4 工业分析仪示值误差校准结果

表5 工业分析仪重复性校准结果

表6 工业分析仪天平称量重复性校准结果

备注：5E-MAC/G6600有两个内置分析天平，最小分度值0.0001g，称量重复性均不大于5倍最小分度值

6 结论

笔者利用本方法对国内多个研究和生产单位的全自动工业分析仪进行了校准，结果较为满意。本校准方法能够准确合理地评价工业分析仪的性能，保证了工业分析仪测试数据的准确性、一致性和溯源性为实验室人员验收和评价该仪器提供了借鉴，同时也可作为计量工作人员校准该类仪器时的参考。

参考文献

[1] 罗丕蓉.5E-MAG6600工业分析仪在测定燃煤、石油焦中的应用[J].广州化工，2009，39(2)

[2] 吴雪. 全自动工业分析仪在煤质分析中的应用[J].煤质分析，2008(6)

[3] GB/T 212—2008 煤的工业分析方法. 北京：中国标准出版社，2008

[4] GB/T 2001—1991 焦炭工业分析测定方法. 北京：中国标准出版社，1991

[5] JJF 1321—2011元素分析仪校准规范[S]. 北京：中国计量出版社，2011

[6] JJG 395—1997定碳定硫分析仪检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，1997

[7] 畅小军，王蓬，毕经亮.氧氮氢分析仪校准方法探讨[J].化学分析计量，2012，21(5)

[8] JJG 1006—2005煤中全硫测定仪检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2005

[9] JJF 1184—2007 热电偶检定炉温度测试技术规范[S]. 北京：中国计量出版社，2007

[10] JJG 617—1996数字温度指示调节仪器检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，1996

[11] JJG 1036—2008电子天平检定规程[S].北京：中国计量出版社，2008