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        校準方式對智能型pH計示值誤差檢定的影響

        2010-07-26 11:22:08丁海銘黑龍江省計量檢定測試院
        上海計量測試 2010年4期
        關鍵詞:標度示值電位

        丁海銘/黑龍江省計量檢定測試院

        0 引言

        目前,單片機技術在酸度計中的應用已經(jīng)非常普遍,過去常見的功能調節(jié)旋鈕被按鍵或觸摸屏所取代,儀器測量前的校準過程也由手動旋鈕調節(jié)轉變成智能自動校準方式。這種智能型pH計已經(jīng)成為市場上的主流產(chǎn)品,由于各個公司采用的pH標度、校準點、校準方案各不相同,檢定中對于如此復雜的儀器校準方式如果不加以分析,勢必對電計示值誤差的檢定結果帶來影響。

        1 校準方式的不同約束

        JJG119-2005《實驗室pH(酸度)計檢定規(guī)程》中對pH示值誤差的檢定做了明確要求:連接好線路,高阻R不接入,儀器溫度補償器調至25℃(或溫度補償器某一中間溫度點)。根據(jù)儀器說明書校準儀器,然后用檢定儀向電計輸入標準信號pH輸入,分別記下電計pH示值,用輸入增加和減少的方式各測量一次,取平均值計算電計示值誤差。

        檢定中發(fā)現(xiàn),對于智能校準型儀器,各生產(chǎn)廠家儀器說明書提出的校準方式五花八門,為了適應不同的測量需要,儀器內部采用的pH標度不同,有的儀器將不同的pH標度同時融合到儀器中,可以根據(jù)測量需要進行選擇。為了提高測量準確程度,儀器可供選擇的校準點一般設為2~3點,有的儀器甚至達到7點;允許的同時校準點大多數(shù)儀器為1~2點,有的允許3點,有些甚至允許5點或更多點同時校準。儀器的校準方案各不相同。但是不管如何變化,實際上校準的核心依然是對Nernt公式(E=E0- k × pH)中的E0、k進行分段求解,以便將電極測量的電位值轉換成對應的pH值。

        可以看出,檢定規(guī)程中對儀器校準方式的要求為“根據(jù)儀器說明書校準儀器”,這種校準與說明書中儀器使用時校準方式的要求是有區(qū)別的。檢定規(guī)程中要求的是參考說明書中的校準方式對二次表電計部分進行校準,而儀器設計的校準方式是充分考慮pH傳感器的電極特性。由于電極的線性及酸堿誤差的影響,對于溶液的酸性及堿性區(qū)間,要求采用不同的校準點,甚至同一區(qū)間的不同段,為了很好地擬合傳感器的線性,也會對應地選擇相應的校準點。這就要求必須正確地理解規(guī)程中的校準含義,把握pH計電計部分二次表的自身特點,采用合理的方法進行儀器的校準。

        2 校準方式對電計示值誤差檢定的影響

        智能型pH計中設定的校準點根據(jù)采用的pH標度不同而不同,常見的pH校準點為美國標度1.68、4.01、7.00、10.01(25℃ );歐洲標度 2.00、4.01、7.00、9.21、11.00 (25℃ );中國標度 1.68、4.00、6.86、9.18、12.46 (25℃ ) ;日本標度 1.68 、4.01、6.86、9.18 (25℃),個別儀器的校準點可以自行設定。

        用檢定儀模擬輸入pH校準點對應的電位值對儀器進行校準,為了驗證校準方式對檢定的影響,取多個廠家儀器,采用多種校準方式進行試驗。例如,上海某儀器廠生產(chǎn)的PHSJ-4A,該儀器的內設校準點為1.679 pH、4.005 pH、6.865 pH、9.180pH、12.454 pH,檢定中選取2個點對儀器進行校準,數(shù)據(jù)組1為校準點選擇為6.865 pH及9.180 pH,數(shù)據(jù)組2為校準點選擇為6.865 pH及4.005 pH,如表1。

        表1 單位:pH

        再如國外某公司儀器PB-20,該儀器內部設定了四個校準組,分別為25℃調整名義值(2、4、7、10、12)、20℃調整名義值(1、3、6、8、10、13);美國標準與技術研究院(NIT)校準點組(1.68、4.01、6.86、9.18、12.46);德國標準化研究所(DIN)校準點組 (1.09、3.06、4.65、6.79、9.23、12.75)。檢定中儀器可以任取一組校準點進行校準(表 2)。

        表2中,數(shù)據(jù)組1為校準點選擇6.86 pH及12.46 pH、數(shù)據(jù)組2為校準點選擇6.86 pH及9.18 pH、數(shù)據(jù)組3為校準點選擇6.86 pH及1.68 pH、數(shù)據(jù)組4為校準點選擇6.86 pH及4.01 pH、數(shù)據(jù)組5為校準點選擇9.18 pH及4.01 pH、數(shù)據(jù)組6為校準點選擇4.01 pH及9.18 pH、數(shù)據(jù)組7為校準點選擇12.46 pH及1.68 pH、數(shù)據(jù)組8為校準點選擇6.79 pH及12.75 pH、數(shù)據(jù)組9為校準點選擇6.79 pH及1.09 pH。

        可以看出,符合儀器要求的校準方式,由于采用的校準點不同,電計示值誤差的檢定結果也會不相同,并且這種現(xiàn)象在其他廠家生產(chǎn)的智能酸度計產(chǎn)品中也普遍存在。除了個別儀器的使用說明書中有要求,必須按照先零電位附近點、后其他點的校準方式外,實驗證明,校準點的校準順序對儀器電計示值誤差的檢定結果沒有影響。對于pH的酸性段及堿性段,如果校準一個區(qū)域段,例如酸性段,則與校準堿性段相比,會給pH示值誤差的檢定數(shù)據(jù)帶來校準誤差,反之依然。同時,采用相同的pH標度,不同的校準方式(表中組1~組7),檢定結果相差0.03 pH,甚至更大,這個差值遠遠大于儀器示值誤差檢定過程帶來的不確定度。采用不同的pH標度(表中組1~組7為NIST標度,組8~組9為DIN標度)校準儀器,電計示值誤差檢定結果數(shù)據(jù)的差異依然存在。為了排除該差異是檢定標準器帶來的影響,選取考核非常穩(wěn)定的其他生產(chǎn)廠家提供的檢定標準器,該現(xiàn)象依然存在,因此完全有理由證明該差異由儀器校準方式帶來,檢定中儀器校準方式的影響不能不加以重視。

        表2 單位:pH

        3 檢定方法的討論

        產(chǎn)生問題的根本原因是儀器測量的非線性偏差與pH檢定儀的校準電位的偏差,前者正是需要通過檢定得到的,而如果不注意校準方式,后者帶來的影響會對檢定數(shù)據(jù)的良好復現(xiàn)帶來困難。這個差別的產(chǎn)生可以通過圖1說明。

        圖中,通過原點E的直線為理想地使用pH檢定儀的pH-mV對應曲線,C點、H點對應pH標定的上下限名義點,實際上,由于pH檢定儀電器零點及量程的偏移,使E點對應偏移到D點,C點對應偏移到B點,H點對應偏移到F點,因此本來以E、C兩點(堿性段)的校準就變成D、B兩點的校準了。在校準點的反方向段(酸性段),由于pH檢定儀輸出的酸性段量程上限點不變,為F點對應的電位值,而pH計執(zhí)行程序顯示的pH按照BDI直線的函數(shù)關系,變成了O點的pH值。如果按照F、D點校準,對應F點的電位值,pH計執(zhí)行程序顯示的pH按照FDA直線的函數(shù)關系,變成了P點的pH值,明顯O、P兩點產(chǎn)生了較大差別,這就是不同的校準方式產(chǎn)生不同檢定結果的真正原因。圖中僅僅顯示B、F點都偏移到HC直線上面的情況,實際情況中,兩者完全可以分布到直線的兩側。在這樣的情形下,不同校準方式會產(chǎn)生更大的檢定數(shù)據(jù)差別。上述的討論是為了便于說明問題,因此選取了pH標定的上下限點,實際上,該結論對于智能pH計的其他校準點也是適用的。

        圖1

        4 結論

        綜上所述,電計示值誤差檢定實質上是對二次表的線性誤差進行檢定,因此應該充分考慮校準點與被檢儀器二次表量程的關系。對于儀器量程的酸性段或堿性段區(qū)間,校準中應該分別選取酸性段或堿性段區(qū)間兩端的校準點加以校準,然后進行儀器電計示值誤差檢定,以減少檢定儀本身電位偏移對電計示值誤差檢定結果帶來的影響。

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