酸碱浓度检测仪测量结果的不确定度评定.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 7作者简介:马静静(1 9 8 4),女,陕西榆林人,高级工程师,硕士研究生,研究方向:化学计量。酸碱浓度检测仪测量结果的不确定度评定马静静1,王林平2,云彩丽1,郭应龙1(1.内蒙古自治区计量测试研究院;2.呼和浩特职业学院,内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 0 0)摘 要:文章以一台多功能酸碱浓度检测仪校准为例进行测量结果的不确定度评定。评定了该仪器电导率测量结果的不确定度、酸和碱在1%和3%测量点的不确定度,得到的测量不确定度分别为电导率:Ur e l=1.0%(k=2)、1%N a OH:Ur e l=1.7%(k=2)、3%N a OH:Ur e l=1.2%(k=2)、1%H2S O4:Ur e l=1.4%(k=2)、3%H2S O4:Ur e l=1.0%(k=2)。并根据实验结果,得出根据测量实际需求选取与被测量点相接近的酸或者碱进行仪器的校准,再进行测量可以得到更好的测量结果。为相关技术人员在校准酸碱浓度检测仪过程中提供参考。关键词:酸碱浓度检测仪;不确定度评定 中图分类号:O 6 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 30 1 1 30 4 酸碱浓度检测仪主要用于监测离子交换器中再生液的浓度,是离子交换法制取高纯水的必备仪表,可用于电力、化工、冶金、食品、制药等行业对盐酸、硫酸、氢氧化钠等溶液浓度的监测。酸碱浓度检测仪是采用测量电导率,再换算为酸碱浓度的方法,对溶液中的酸碱浓度进行测量。但由于酸碱溶液的电导率非常大,高浓度的酸碱溶液电导率接近1 0 0 0 m S/c m,而电导率标准溶液一般低于2 0 0 m S/c m,另外用电导率值也不能直观地反映出酸碱的浓度,不利于实际操作,所以不适合用电导率标准溶液对仪器进行校准1。目前,由于没有该仪器的国家计量技术规范,其量值溯源问题一直未得到解决。因为不同的酸(碱),即使浓度相同,电导率也不同,所以要对不同的酸(碱)分别进行校准,再在对应的方法下测量,才能得到正确的结果。笔者依据仪器说明书首先对仪器的电导率进行了校 准,接 下 来 分 别 用 一 定 浓 度 的N a OH和H2S O4对碱和酸的测量范围进行校准。笔者 依 据 测 量 不 确 定 度 评 定 与 表 示(J J F 1 0 5 9.12 0 1 2)2,以一台多功能酸碱浓度检测仪校准为例进行测量结果的不确定度评定。1 实验部分1.1 主要标准器电解 质 电 导 率 标 准 物 质,G BW 1 3 1 2 3,1 2.8 5 m S/c m,Ur e l=0.1 0%(k=2);氢氧化钠滴定溶液标准物质,G BW(E)0 8 0 4 9 4,c(N a OH)=0.9 7 2 3 m o l/L和c(N a OH)=0.4 7 9 m o l/L,Ur e l=0.3%(k=2);硫 酸 滴 定 溶 液 标 准 物 质,G BW(E)0 8 0 4 9 6,c(1/2 H2S O4)=0.9 7 6 6 m o l/L,Ur e l=0.3%(k=2);单标线吸量管,2 5 m L,最大允许误差0.0 3 0 m L;电子天平,A B 2 6 5-S,级。1.2 被校准设备多功能酸碱浓度检测仪,德国默克,型号MV P I C ON。该仪器可以对电导率和酸碱浓度进行校准和测量。1.3 环境条件温度:(2 05);相对湿度:3 0%5 0%。1.4 标准物质浓度单位的换算目前,能 购 买 到 的 标 准 物 质 的 浓 度 是 按 照m o l/L的单位给出,而仪器的浓度是以质量分数给出,因此测量标准物质密度,通过单位换算为质量分数。换算过程如下。1.4.1 标准物质密度的测量取标准物质2 5 m L,称量标准物质质量,称量的标准物质质量和取用标准溶液体积的比值即为标准溶液的密度,数据见表1。有条件的实验室也可以用液体密度计直接测量标准溶液的密度。3112 0 2 3年7月内 蒙 古 科 技 与 经 济J u l y 2 0 2 3第1 3期 总第5 2 7期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 3 T o t a l N o.5 2 71.4.2 换算为标准物质质量分数通过酸或碱标准物质浓度、标准物质摩尔质量和标准物质密度按公式(1)计算标准物质质量分数,计算结果见表2。w=csM1 0 0 0(1)式中:cs 酸 或 碱 标 准 物 质 浓 度,m o l/L;M 标准物质摩尔质量,g/m o l;标准物质密度,g/m L。表1 标准物质密度名称标准值/(m o l/L)取标准物质体积/m L称量标准物质质量/g标准物质密度/(g/m L)氢氧化钠c(N a OH)=0.9 7 2 32 52 5.9 4 0 91.0 3 8氢氧化钠c(N a OH)=0.4 7 92 52 5.7 2 4 91.0 2 9硫酸c(1/2 H2S O4)=0.9 7 6 62 52 5.7 1 6 01.0 2 9表2 标准物质质量分数名称标准值/(m o l/L)标准物质摩尔质量/(g/m o l)-标准物质密度/(g/m L)标准物质质量百分比/%氢氧化钠c(N a OH)=0.9 7 2 34 01.0 3 83.7 5氢氧化钠c(N a OH)=0.4 7 94 01.0 2 91.9 3硫酸c(1/2 H2S O4)=0.9 7 6 64 91.0 2 94.6 51.5 实验方法用1 2.8 5 m S/c m的电导率标准物质对仪器进行校准。对1 2.8 5 m S/c m的电导率标准物质进行测量。用0.9 7 6 6 m o l/L的硫酸和0.9 7 2 3 m o l/L的氢氧化钠分别对酸和碱的测量范围进行校准。对酸和碱在1%和3%测量点进行测量。1.6 实验过程1.6.1 标准溶液的制备称取一定体积的标准物质,稀释到一定的质量,计算出稀释后标准物质质量分数,标准溶液配制见表3。表3 标准溶液的配制配制后溶液的理论质量浓度标准物质浓度/(m o l/L)取标准物质体积/mL稀释后标准溶液质量/g稀释后标准物质质量分数/%1%N a OHN a OH:0.9 7 2 32 54 9.4 6 5 5N a OH:3.0 03%N a OHN a OH:0.4 9 72 53 2.4 4 2 6N a OH:1.0 01%H2S O41/2H2S O4:0.9 7 6 62 51 1 9.1 5 8 5 H2S O4:3.0 13%H2S O41/2H2S O4:0.9 7 6 62 53 9.7 1 2 2H2S O4:1.0 01.6.2 仪器测量结果用校准后的酸碱浓度检测仪分别测量电导率标准物质、1%N a OH、3%N a OH、1%H2S O4和3%H2S O4,测量结果见表4。2 数学模型酸碱浓度检测仪在校准中,主要对电导率、酸碱浓度进行不确定度评定,其数学模型为:x=X(2)c=csV标M1 0 0 0m(3)式 中:X 电 导 率 测 量 平 均 值,m S/c m;cs 酸或碱标准物质浓度,m o l/L;V标 标准物质取样量,m L;M 标准物质摩尔质量,g/m o l;m 稀释后标准溶液质量,g。表4 测量结果序号电导率m S/c m1%N a OH/%3%N a OH/%1%H2S O4/%3%H2S O4/%11 2.9 91.0 43.0 81.0 72.9 221 3.0 91.0 53.0 91.0 62.9 231 2.8 61.0 63.0 71.0 82.9 741 3.0 41.0 53.0 71.0 72.8 951 2.7 81.0 53.0 11.0 72.9 561 2.9 81.0 23.0 81.0 92.9 271 2.8 31.0 23.0 11.0 72.9 381 2.8 51.0 33.0 41.0 92.9 591 2.9 91.0 43.0 81.0 52.9 41 01 2.8 71.0 23.0 71.0 82.9 7平均值1 2.9 31.0 43.0 61.0 72.9 4相对示值误差0.63.82.07.3-2.13 不确定度来源影响电导率测量结果的不确定度主要来源于重复测量的不确定度uA和标准物质定值的不确定度uB。影响酸碱浓度测量结果不确定度的因素有:重复测量的不确定度u1 r;标准物质定值的不确411总第5 2 7期内 蒙 古 科 技 与 经 济定度u2 r;标准物质取样的不确定度u3 r;稀释后溶液质量的不确定度u4 r;标准物质摩尔质量的不确定度,由于该值是理论值,不确定度较小,故忽略不计。根据不确定度传播定律,由式(2)、式(3)得出:电导率:uc=u2A+u2B酸碱浓度:uc r=u21r+u22r+u23r+u24r4 不确定度评定4.1 电导率测量结果标准不确定度评定4.1.1 电导率测量重复性引入的标准不确定度评定电导率测量结果见表4,实验标准差为:s=ni=1(ci-c)n-1=0.1 0 3 m S/c m实际情况是在重复性条件下连续测量3次,则重复性引入的标准不确定度为:uA=s3=0.0 5 9 m S/c m4.1.2 电导率标准物质引入的标准不确定度根据标准物质证书,电导率溶液标准物质引入的不确定度为Ur e l=0.1 0%,k=2,可得到电导率标准物质引入的标准不确定度:uB=1 2.8 50.1%2=0.0 0 6 m S/c m4.2 1%N a OH、3%N a OH、1%H2S O4和3%H2S O4测量结果的标准不确定度评定u1 r溶液浓度计算的测量模型各分量都是乘的关系,为避免复杂的灵敏度计算,各分量均采用相对不确定度评定。4.2.1 1%N a OH、3%N a OH、1%H2S O4和3%H2S O4测量重复性引入的标准不确定度评定u1 r1%N a OH、3%N a OH、1%H2S O4和3%H2S O4测量结果见表2,标准偏差为:s=ni=1(ci-c)n-1实际情况是在重复性条件下连续测量3次,则重复性引入的相对标准不确定度为:u1=s3其相对标准不确定度为:u1=u1c得到1%N a OH:u1 r=0.8 2%;3%N a OH:u1 r=0.5 6%;1%H2S O4:u1 r=0.6 7%;3%H2S O4:u1 r=0.4 9%4.2.2 标准物质引入的标准不确定度u2 r根据标准物质证书,标准物质引入的不确定度均为Ur e l=0.3%,k=2,可得到标准物质引入的相对标准不确定度u2 r=0.1 5%。4.2.3 标准物质取样量引入的标准不确定度u3 ru3 r由单标线吸量管最大允许误差和温度影响引入的不确定度组成。4.2.3.1 A级2 5 m L单标线吸量管最大允许误差为0.0 3 0 m L,假定为均匀分布,可得到单标线吸量管最大允许误差引入的相对标准不确定度为:u3r(V1)=0.0 3 032 5=0.0 7%4.2.3.2 溶液温度与校准温度不同引入的标准不确定度。水的膨胀系数为2.11 0-4/,实验室温度控制在(2 05),V标=2 5 m L,按均匀分布,可得到温度引入的相对标准不确定度为:u3r(V2)=2 52.11 0-452 5 3=0.0 6%可得到标准物质取样量引入的相对标准不确定度为:u3r=0.0 7%2+0.0 6%2=0.0 9%4.2.4 稀释后溶液质量引入的标准不确定度根据该电子天平在0m5 0,最大允许误差为0.5 m g;在5 0m2 0 0,最 大 允 许 误 差 为1.0 m g,假定为均匀分布,可得到溶液质量引入的相 对 标 准 不 确 定 度 为:1%N a OH:u4 r=0.0 0 0 6%;3%N a OH:u4 r=0.0 0 0 9%;1%H2S O4:u4 r=0.0 0 0 5%;3%H2S O4:u4 r=0.0 0 0 7%天平重复性引入的不确定度已经包括在测量结果的不确定度中,因此在此不再重复评定。4.3 合成标准不确定度评定由于各分量独立且不相关,则合成相对标准不确定度为:电导率:uc=u2A+u2B=0.0 6 m S/c m1%N a OH:uc r=u21r+u22r+u23r+u24r=0.8 4%3%N a OH:uc r=u21r+u22r+u23r+u24r=0.5 8%1%H2S O4:uc r=u21r+u22r+u23r+u24r=0.6 8%3%H2S O4:uc r=u21r+u22r+u23r+u24r=0.5 2%511马静静,等 酸碱浓度检测仪测量结果的不确定度评定2 0 2 3年第1 3期表5 电导率测量不确定度分量汇总不确定度来源相对标准不确定度/(m S/c m)电导率测量测量重复性引入0.0 5 9电导率标准物质引入0.0 0 6 表6 酸碱浓度测量不确定度分量汇总 单位:%不确定度来源1%N a OH/%3%N a OH/%1%H2S O4/%3%H2S O4/%测量测量重复性引入u1 r0.8 20.5 60.6 70.4 9标准物质引入u2 r0.1 50.1 50.1 50.1 5标准物质取样量引入u3 r0.0 90.0 90.0 90.0 9溶液质量引入u4 r0.0 0 0 60.0 0 0 90.0 0 0 50.0 0 0 74.4 扩展不确定度评定取包含因子k=2。相对扩展不确定度计算结果为:电导率:U=0.1 2 m S/c m;1%N a OH:Ur e l=1.7%;3%N a OH:Ur e l=1.2%;1%H2S O4:Ur e l=1.4%;3%H2S O4:Ur e l=1.0%。5 结论目前买到的标准物质计量单位为m o l/L,仪器又是按百分比显示,因此需要单位的换算。换算步骤非常繁琐,且容易出错,希望有条件的标准物质研制单位,尽快研制计量单位为百分比的标准物质,方便各类人员的使用。从表4测量结果表中可以看出1%N a OH测量点相对示值误差为3.8%;3%N a OH测量点相对示值误差为2.0%;1%H2S O4测量点相对示值误差为7.3%;3%H2S O4测量点相对示值误差为-2.1%。因用于校准的仪器的溶液氢氧化钠为3.7 5%,硫酸为4.6 5%。因此可以看出,选择与被测量点相接近的酸或者碱进行仪器的校准,再进行测量可以得到更好的测量结果。从表6酸碱浓度测量不确定度分量汇总表可以看出酸碱浓度监测仪的测量不确定度主要来源于仪器测量重复性、标准物质定值及标准物质取样量。溶液质量引入的不确定度可以忽略。电导率测量不确定度主要来源于重复测量引入的不确定度。酸碱浓度检测仪是采用电极法测量酸碱浓度的,可引起电导率浓度变化的物质均会干扰测量结果。参考文献1 傅家乐,石玮.酸碱浓度计校准方法的探讨J.计量测试与技术,2 0 1 8,4 5(6):9 3-9 4.2 全国法制计量管理计量技术委员会.测量不确定度评定与表示:J J F 1 0 5 9.12 0 1 2S.北京:中国标准出版社,2 0 1 2.(上接第1 1 2页)当配电线路发生故障时,功率方向是由线路流向母线,则有功功率方向是反向的。经上述分析可知,配电线路是否发生故障的零序暂态功率方向是相反的。在重载铁路供电系统的故障处理环节上,在维系基本故障判断原理的基础上,也要积极利用国内外先进的科技手段,满足我国重载铁路不断发展的新需求。4 结束语随着近年来的发展及“公转铁”政策的不断深化,铁路运输在交通运输行业显得愈发重要。自动化系统及作为保障铁路供电的重要设备,其对所需的二次设备采取系统层级的组合和优化之后再进行深度处理,其与继电保护装置的结合使用,使得牵引供电领域的稳定性与可靠性有了大幅度提升,但不乏有故障的产生,分析探讨故障出现的方式及查找故障的方法,在一定程度上做到了信息化手段与常规思维的结合,在重载铁路相关技术发展的今天,逐渐有了平衡供电,贯通式同相供电等新兴供电技术的产生,但逐其根本都离不开先进的自动控制技术,学习国内外成熟的应用经验,也能够对我国的铁路发展事业带来极大的帮助。参考文献1 王明飞.浅谈铁路配电所综合自动化技术J.城市建设理论研究(电子版),2 0 1 8(5):6 9.2 刘建华.配电自动化在铁路供电系统中的应用J.电子技术与软件工程,2 0 1 7(2):1 3 3-1 3 4.3 王悦,吕晓君.采用零序瞬时功率方向法的配电故障线路定位研究J.科技与企业,2 0 1 5(1 9):2 1 0.4 张慧芬,潘贞存,田质广,等.基于注入法的配电网接地故障检测方法J.济南大学学报(自然科学版),2 0 0 4(2):1 6 4-1 6 8.611总第5 2 7期内 蒙 古 科 技 与 经 济