酚醛燃烧热值测定结果的不确定度评定

陈现景 赵美玲 刘娟 宋兆明 朱亚州

(山东省消防产品质量监督检验站,山东济南 250033)

酚醛燃烧热值测定结果的不确定度评定

陈现景 赵美玲 刘娟 宋兆明 朱亚州

(山东省消防产品质量监督检验站,山东济南 250033)

对燃烧热值的测定原理及试验过程进行分析,研究了氧弹量热仪在测定酚醛外墙保温材料燃烧过程中可能出现的不确定因素,得出影响材料燃烧热值测定结果的数学模型,并对燃烧热值的不确定度分量进行评定;经过对各个分量的计算、合成和扩展,最终得出材料燃烧热值测定的不确定度。

酚醛 燃烧热值 不确定度

1 引言

央视大火、美院大火、科技馆火灾、济南全运会火灾、南京中环国际火灾、上海教师公寓大火等事故,其“元凶”基本都出在使用劣质有机保温材料上。因此,防止和减少有机保温材料在施工和使用过程中引发火灾事故,已迫在眉睫。建筑材料的燃烧热值是表征建筑材料潜在火灾危险性的重要参数,是计算建材燃烧释放热量和火灾荷载必不可少的基础数据。

当前,建筑材料防火性能是安全性的一项最重要指标。《建筑材料燃烧性能分级方法》(GB 8624～2006)规定所有申请燃烧性能A级和部分燃烧性能A级的建筑制品都必须采用氧弹量热仪测定燃烧热值。随着我国加入WTO,不确定度在计量质量工作中的应用越来越广泛,在计量方面不确定度的研究较多,在质量检验方面特别是一次性检验方面,不确定度的研究较少[1],鉴于氧弹量热仪的应用广泛性和重要性,从试验报告的严谨性考虑,有必要对试验结果的不确定度进行评定。不确定度的大小与测量结果的质量直接相关,不确定度越小,可信度越大,测量结果的质量越高,测量结果的使用价值也就越大。

测量不确定度是对测量结果而言,表征该结果的分散程度。按照《测量不确定度指南》,该分散度是由许多成分组成。对这些成分,依照统计分布(A类)或经验和其他信息的概率分布类(B类)得出结果的不确定度;将A类和B类不确定度按平方和开方的办法叠加起来,就是合成标准不确定度。测量的目的:确定被测量的值或获取可用测量结果。测量不确定度用于表征测量结果的质量。本文针对EPS的热值测试原理,分析计算EPS热值测试不确定度。

2 测试原理

本文采用IKA C2000量热仪,将按照GB/T 14402-2007制成EPS燃烧热值测试试样。采取周边等温模式,试样在氧弹中燃烧放出热量使整个量热体系温度升高,两者成正比关系。根据试验前后温升,计算酚醛热值。

热容量的标定采用国家一级标准苯甲酸片。

表1

3 EPS燃烧热值测量不确定度评定

3.1 测量酚醛的燃烧热值的数学模型

根据燃烧前后水的温升,计算酚醛的燃烧热值[2]见公式(1):

式中:Q——EPS的燃烧热值,J/g;

M——EPS的质量,g;

△T1——量热时量热系统温升,℃;

E——量热系统的热容量,J/℃;

q1——点火丝的燃烧热值,J。

根据热容量的定义,采用标准苯甲酸片标定即可得到系统的热容量:

式中:Qs——标准物质的发热量,J/g;

ms——标准物质的质量,g;

△T——标定时量热体系的温升,℃。根据热值测试原理和JJF 1059-1999[3]酚醛燃烧热值Q作为被测量值,由热容量E、系统的温升△T1,点火热q1,酚醛试样的质量m决定。由试验原理及试验程序可知,m与E相互独立,△T1与m正相关,E与△T1负相关[4]。故有相关系数:

故酚醛热值测量的合成标准不确定度为:

表2

3.2 系统热容量不确定度的评定

3.2.1 不确定度源识别

从热容量标定原理及试验过程可知,标定热容量的重复性、内筒水质量、苯甲酸标准热值、点火热和温度测量的不确定度决定了系统热容量的不确定度。

3.2.2 系统热容量的不确定度(如表1)

根据不确定度的传播定律,热容量的不确定度可以表示为:

(1)苯甲酸标准热值引入的标准不确定度。标准苯甲酸片证书给出的标准热值为26456J/g,其不确定度为0.1%。按正态分布,取k=1.96,其标准不确定度为:

(2)温度升高值的测量不确定度。仪器温度测量的分辨率为0.0001K,按均匀分布,取k=。其标准不确定度为:

(3)试样质量的标准不确定度。分析天平分辨率为0.1mg;不确定度按B类均匀分布计算,取k=。其标准不确定度为:

将试验数据及上面计算出的灵敏度系数分别带入式(4),即可得出由各输入量引入的系统热容量不确定度:

(5)热量仪内筒水称量的不确定度。仪器内筒水称量的误差为0.15g,水的比热C=4.2J/(℃g),内筒水量引入的不确定度:

(6)重复测量引起的不确定度:

由以上可得出系统热容量的不确定度为:

3.3 酚醛称量引入的不确定度分量

分析天平分辨率为0.1mg;不确定度按B类均匀分布计算,取k=。其标准不确定度为:

3.4 酚醛热值的不确定度

分别做5组试验,如表2。

将以上试验数据代入公式(3),各影响因素引起的热值测量的不确定度 u（ Q）=47.2 J/g

3.5 酚醛热值重复测量引起的不确定度

将重复测得的5组试验数据代入贝塞尔公式:

3.6 不确定度合成

由不确定度的传播定律,EPS热容量的合成不确定度为:

3.7 扩展不确定度

扩展不确定度 U =Ku( Q),取包含因子k=2,则扩展不确定度U=103.8,相对扩展不确定度

4 结语

(1)总结以上分析,进行酚醛燃烧热值的不确定度分析时首先确定检测过程所使用的数学模型,以评定模型为基础,分析出不确定度分量,各个不确定度分量的构成,确定A类标准不确定度和B类标准不确定度,分别进行计算各分量值,最后报出测量不确定度。

(2)通过计算可以看出,虽然酚醛热值的不确定度较大,但相对不确定度比较小。因此,在已知试验条件下测量的酚醛的热值具有较高的准确度。

(3)通过计算过程可知,测量重复性和量热仪系统热容引起不确定度分量较大,所以在测试样品热值试验中,提高仪器精确度及改进测量方法,如在样品的制备和调试过程中,避免因取样不均匀或调试不平衡导致重复性不确定度增大;另外,人员操作的熟练程度也是导致重复性不确定度的重要因素,因此在质检工作中,检测人员必须对标准、设备了解透彻,进行上岗培训,是保证热值检测数据的质量有效手段。

[1]陆皓波.不确定度评定在质量检验工作中的运用[J].计量与测试技术,2002.1:41-44.

[2]孙坤瑜,周丽娟.自动氧弹热量计热值误差测量的不确定度评定[J].中国计量,2009(7):95-96,102.

[3]JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示[S].

[4]王中宇,刘智敏,夏新涛,等.测量误差与不确定度评定[M].北京:科学出版社,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