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        六氟化硫中六氟乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制

        2015-12-25 03:21:58邱惠珍楊遂平
        低溫與特氣 2015年4期
        關(guān)鍵詞:鋼瓶砝碼氣瓶

        周 卉,邱惠珍,楊遂平

        (上海基量標(biāo)準(zhǔn)氣體有限公司,上海200233)

        六氟化硫廣泛應(yīng)用于電導(dǎo)設(shè)備系列,如電源開關(guān)、封閉式電容器組、變壓器、高功率電纜、互導(dǎo)傳感器、避雷針等等,已成為繼氣體和油之后新一代的絕緣性耐超高壓媒質(zhì)。在高壓開關(guān)中用作滅弧和大容量變壓器絕緣材料,也可應(yīng)用于粒子加速器及避雷器中。因此制定了GB/T 18867—2002《電子工業(yè)用氣體 六氟化硫》對(duì)六氟化硫的指標(biāo)進(jìn)行控制。其檢測(cè)需要用到相關(guān)的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),為此開展了六氟化硫中六氟乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制工作。

        1 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備

        1.1 原理

        采用國際通用的ISO6142:2001和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5274—2008氣體分析-校準(zhǔn)用混合氣體的制備-稱量法。標(biāo)準(zhǔn)氣體的摩爾濃度定義為標(biāo)氣摩爾數(shù)與混合氣體的總摩爾數(shù)之比,公式為:

        式中,X為標(biāo)氣的摩爾濃度;ni為標(biāo)氣的摩爾數(shù);nt為混合氣體的總摩爾數(shù)。

        1.2 組分氣體的稱量與組分含量的計(jì)算

        1.2.1 配制一次稀釋混合氣

        此方法適用于配制濃度范圍10-3≤Xi≤1的混合氣。組分含量計(jì)算公式為:

        1.2.2 配制二次稀釋混合氣

        此方法適用于配制濃度范圍10-4≤X2i≤10-3的混合氣。組分含量計(jì)算公式為:

        1.2.3 配制三次稀釋混合氣

        此方法適用于配制濃度范圍10-6≤X3i≤10-4的混合氣。組分含量計(jì)算公式為:

        1.3 制備裝置

        氣體充填裝置采用法國進(jìn)口的TBT精密氣體混合儀。氣體的稱量裝置采用 Sartorius制造,型號(hào)CCE10K3質(zhì)量比較儀,最大量程11.1 kg,分度值1 mg。

        1.4 氣瓶及氣瓶預(yù)處理

        氣瓶采用8 L鋁合金普通氣瓶;氣瓶預(yù)處理裝置:自行設(shè)計(jì);氣瓶預(yù)處理:加熱、抽真空待用。

        1.5 原料的考察與選擇

        1.5.1 儀器設(shè)備及分析方法

        氣體雜質(zhì)檢測(cè):GC-9560-HG氣相色譜儀,氦離子檢測(cè)器,檢測(cè)器溫度180℃;柱1:PORAPAK Q 2 m,柱2:PORAPAK Q 6 m,柱3:13X分子篩20 m,柱4:用于硫化物分析柱。柱箱溫度60℃,輔助1:120℃,輔助2:60℃,輔助3:60℃。載氣流速20~60 mL/min;氣動(dòng)六通閥自動(dòng)進(jìn)樣,進(jìn)樣體積0.5 mL。

        水分雜質(zhì)檢測(cè):Xentaur XPDM露點(diǎn)儀直接測(cè)量。

        1.5.2 考察結(jié)果

        用氣相色譜儀和露點(diǎn)儀對(duì)原料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行純度分析。確定采用純度較高、質(zhì)量穩(wěn)定的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品,生產(chǎn)單位、廠家標(biāo)示純度見表1。

        表1 原料氣體的純度指標(biāo)及生產(chǎn)廠家Table 1 Purity and manufacturer of raw material gas

        1.6 標(biāo)準(zhǔn)氣體的混勻處理

        將氣瓶放置在氣瓶滾動(dòng)混勻裝置上滾動(dòng)2 h后,待用。

        2 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析方法的研究

        在GB/T 18867—2002《電子工業(yè)用氣體 六氟化硫》中其他的分析方法中增加了氦離子氣相色譜法分析,靈敏度有大幅度提高,可滿足不斷提高的分析要求,因此選擇氦離子氣相色譜法作為此項(xiàng)目的檢測(cè)方法。本實(shí)驗(yàn)以氦氣為載氣,通過實(shí)驗(yàn)比較靈敏度、分離程度、出峰時(shí)間以及基線噪音等綜合因素,得到以下最佳實(shí)驗(yàn)條件:GC-9560-HG氦離子氣相色譜儀,氦離子檢測(cè)器,檢測(cè)器溫度180℃;柱1:PORAPAK Q 2 m ,柱2:PORAPAK Q 6m ,柱3:13X分子篩20 m,柱4:用于硫化物分析柱。柱箱溫度60℃,輔助1:120℃,輔助2:60℃,輔助3:60℃。載氣流速20~60 mL/min;氣動(dòng)六通閥自動(dòng)進(jìn)樣,進(jìn)樣體積 0.5 mL。

        3 均勻性檢驗(yàn)

        3.1 均勻性檢驗(yàn)方法

        標(biāo)準(zhǔn)氣體混合均勻的程度將直接影響其組分含量的準(zhǔn)確性,為此,配制后的標(biāo)準(zhǔn)氣體須進(jìn)行均勻化處理。將配制后的鋼瓶放置到滾動(dòng)裝置上滾動(dòng)2 h,使其充分混勻,再靜置2,4,8,24 h,通過氣相色譜的組分含量變化情況進(jìn)行測(cè)量,按照GB/T 15000.3—2008和ISO/REMCO.導(dǎo)則35-2006標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定的通用原理與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,采用方差分析的方法確定其均勻性,公式如表2。

        表2 單因子方差分析表Table 2 One-Way ANOVA

        各個(gè)偏差平方和的計(jì)算:

        根據(jù)自由度及給定的顯著性水平α,將求得的F值與F分布表中的臨界值F1-α(fA,fe)比較,若F< F1-α(fA,fe),則認(rèn)為組內(nèi)與組間無明顯差異,樣品是均勻的;若 F >F1-α(fA,fe),樣品不均勻。

        其中r為均化處理后的5次試驗(yàn),m為每次試驗(yàn)有3個(gè)數(shù)據(jù)。

        3.2 均勻性檢驗(yàn)結(jié)果

        檢驗(yàn)結(jié)果表明:氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制完畢后,通過均化處理2 h即處于均勻狀態(tài),該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性良好。檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

        表3 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)滾動(dòng)均勻性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 3 Gas reference material uniformity inspection with rolling time

        4 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

        4.1 壓力穩(wěn)定性檢驗(yàn)

        氣體分子由于分子質(zhì)量不同以及使用過程中其他可能因素的影響,不能排除不穩(wěn)定的可能性。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),一般認(rèn)為在瓶內(nèi)壓力較低時(shí),有可能產(chǎn)生量值變化。因此,本研究中設(shè)計(jì)了放壓實(shí)驗(yàn),將充分混合均勻的氣體緩慢釋放,每隔一定壓力,通過氣相色譜的組分含量變化情況進(jìn)行測(cè)量,按照GB/T 15000.3—2008和 ISO/REMCO.導(dǎo)則 35-2006標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定的通用原理與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,采用方差分析的方法考察其量值的穩(wěn)定性。

        壓力穩(wěn)定性產(chǎn)生的不確定度:若F>1,則UP=;若 F <1,則

        相對(duì)不確定度為:UP,r=UP/C,對(duì)于不同濃度的C2F6/SF6混合氣,壓力穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別列于表4中。

        表4 壓力穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 4 Pressure stability test data table

        4.2 時(shí)間穩(wěn)定性檢驗(yàn)

        作為標(biāo)準(zhǔn)氣體須在較長時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的,其各組分含量在允許范圍內(nèi)發(fā)生變化,為此要做長時(shí)間穩(wěn)定性考察。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)是以新配制的相近濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為參考,使用同一臺(tái)色譜儀在規(guī)定的測(cè)定條件下,每一個(gè)月測(cè)定一次,共進(jìn)行13次,考察氣體標(biāo)樣組分含量隨時(shí)間的變化,按照GB/T 15000.3—2008和ISO/REMCO.導(dǎo)則35-2006標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定的通用原理考察其穩(wěn)定性,計(jì)算公式如下:

        式中,b1為線性回歸方程的斜率X的平均值;為各次實(shí)際測(cè)量值的平均值。

        式中b0為線性回歸方程的截距;

        式中n為測(cè)量次數(shù);

        式中s(b1)為b1的標(biāo)準(zhǔn)偏差。若< t0.95,n-2× s(b1),表明組分濃度對(duì)時(shí)間變化量無明顯趨勢(shì),樣品穩(wěn)定性良好;若> t0.95,n-2× s(b1),表明組分濃度對(duì)時(shí)間變化量有明顯差異,樣品穩(wěn)定性不好。

        根據(jù)以上公式,可用函數(shù)TINV(0.05,n-2)計(jì)算出穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。長期穩(wěn)定性的不確定度貢獻(xiàn)為:ut=s(b1) ×t,相對(duì)不確定度為:ut,r=ut/C。

        表5數(shù)據(jù)表明,標(biāo)準(zhǔn)氣體組分含量在一年內(nèi)是穩(wěn)定的。因此,標(biāo)準(zhǔn)氣體的有效使用期限定為一年。

        表5 時(shí)間穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 單位:10-6(mol/mol)Table 5 Time stability test data table

        續(xù)表5Table 5(cont.)

        5 不確定度評(píng)定

        5.1 原料純度引入的不確定度u1

        經(jīng)純度分析,C2F6原料氣純度達(dá)到廠家認(rèn)定值為99.98×10-2(mol/mol),其純度的最大相對(duì)誤差為0.02×10-2,按照均勻分布,其相對(duì)不確定度u1=0.02/2=0.01%。

        5.2 稀釋氣體中組分含量引入的不確定度u2

        氣相色譜法檢測(cè)C2F6的檢測(cè)限均為0.05×10-6(mol/mol),稀釋氣SF6檢出C2F6雜質(zhì)含量應(yīng)小于0.1×10-6(mol/mol),故:對(duì)組分 C2F6含量在10 ×10-6(mol/mol)范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體所引入的相對(duì)不確定度<0.60%;對(duì)組分 C2F6含量在50 ×10-6(mol/mol)范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體所引入的相對(duì)不確定度<0.12%;對(duì)組分C2F6含量在100×10-6(mol/mol)范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體所引入的相對(duì)不確定度<0.06%。

        5.3 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稱量配制過程引入的不確定度u3

        5.3.1 天平稱量的不確定度

        稱量法是以經(jīng)典的稱重方法為基礎(chǔ)、以國際單位制“質(zhì)量”為基準(zhǔn)的絕對(duì)法,是國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。稱量法制備的氣體標(biāo)樣,采用精密標(biāo)準(zhǔn)天平分別稱量充入鋼瓶內(nèi)的組分氣體和稀釋氣體的質(zhì)量,然后依據(jù)它們的質(zhì)量計(jì)算確定氣體標(biāo)樣的組分含量。

        5.3.2 鋼瓶充氣后體積改變而引起的浮力變化

        制備全部稱量過程在恒溫條件下進(jìn)行,并且氣瓶與環(huán)境達(dá)到熱平衡,溫度對(duì)于氣瓶體積的影響忽略不計(jì)。

        5.3.3 鋼瓶拆裝過程中機(jī)械磨損引入的不確定度

        采用鋼瓶稱量固定位置裝置,通過多次拆裝鋼瓶實(shí)驗(yàn),即可估算鋼瓶拆裝過程中機(jī)械磨損引入的不確定度。氣瓶與配氣裝置的連接采用不銹鋼接頭,隨機(jī)抽取5個(gè)接頭分別與配氣裝置連續(xù)拆裝7次,考察拆裝對(duì)稱量結(jié)果的影響,結(jié)果表明拆裝過程機(jī)械磨損對(duì)稱量結(jié)果的影響可以忽略。數(shù)據(jù)見表6。

        表6 氣瓶拆裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 單位:gTable 6 Test data statistics for cylinder assembly

        5.3.4 鋼瓶處理及殘存氣體引入的誤差

        鋼瓶內(nèi)壁對(duì)氣體和水分的吸附將會(huì)影響氣體標(biāo)樣組分含量值的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。配氣前選用鋁合金材質(zhì)的鋼瓶(內(nèi)壁光潔度好)并進(jìn)行嚴(yán)格的加溫、抽真空處理,將這一影響降至最小程度,該項(xiàng)誤差很小可以忽略不計(jì)。

        5.3.5 氣體組分摩爾質(zhì)量測(cè)定的不確定度

        由于分子量測(cè)定的不確定度是很小的,一般為10-5~10-6,因此這項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì)。

        5.3.6 稱重

        1.一次稀釋時(shí),根據(jù) GB/T 5274—2008,當(dāng)含量為Xi的稱量不確定度公式如下:

        式中,mi=P1-P2+bi+Fi為充入氣瓶中i組分的質(zhì)量,g;mj=P2-P3+bj+Fj為充入氣瓶中j組分的質(zhì)量,g;Δmi=ΔP+Δbi+ΔFi+W 為 i組分質(zhì)量稱量的不確定度,g;Δmj=ΔP +Δbj+ΔFj+2W為j組分質(zhì)量稱量的不確定度,g;P1為稱空瓶時(shí),砝碼的標(biāo)稱值,g;P2為稱充有i組分的氣瓶時(shí),砝碼的標(biāo)稱值,g;P3為稱充有i、j組分的氣瓶時(shí),砝碼的標(biāo)稱值,g;bi為(P1-P2)砝碼的修正值,g;bj為(P2-P3)砝碼的修正值,g;Fi為稱充有i組分的氣瓶時(shí),氣瓶和砝碼的浮力修正值,g;Fj為稱充有j組分的氣瓶時(shí),氣瓶和砝碼的浮力修正值,g;ΔP為天平稱量的 A類不確定度,g;Δbi為(P1-P2)砝碼修正的不確定度,g;Δbj為(P2-P3)砝碼修正的不確定度,g;ΔFi為稱充有i組分的氣瓶時(shí),氣瓶和砝碼的浮力修正的不確定度,g;ΔFj為稱充有j組分的氣瓶時(shí),氣瓶和砝碼的浮力修正的不確定度,g;W為氣瓶與充氣裝置連接一次,拆裝質(zhì)量變化的最大值,g;ΔMi為i組分摩爾質(zhì)量測(cè)定的不確定度,g;ΔMj為j組分摩爾質(zhì)量測(cè)定的不確定度,g;

        由于ΔMi/M一般在10-6數(shù)量級(jí)完全可以忽略不計(jì),因此

        根據(jù)質(zhì)量比較儀的校準(zhǔn)證書,稱量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為3 mg(k=2),樣品重復(fù)稱量三次,每次稱量前質(zhì)量比較儀要回零,取三次稱量結(jié)果的平均值為最終結(jié)果進(jìn)行定值計(jì)算。

        2.二次稀釋不確定度的計(jì)算公式如下:

        3.三次稀釋不確定度的計(jì)算公式如下:

        根據(jù)GB/T 5274—2008,求得的不確定度實(shí)際上是擴(kuò)展不確定度,因此稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度U3= ΔXi/Xi/2,計(jì)算結(jié)果見表7。

        5.4 各組分在氣瓶中壓力穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性引入的不確定度U4

        U4,結(jié)果見表 7。

        5.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的不確定度合成

        綜合上述分析,將各分差按下式合成

        式中,uc為各分量合成的總不確定度;u1為原料氣純度引入的不確定度分量;u2為稀釋氣純度引入的不確定度分量;u3為稱量引入的不確定度分量;u4為穩(wěn)定性引入的不確定度分量。

        當(dāng)選取95%置信水平,取包含因子k=2,則各組分濃度值的最大擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U=2uc,見表7。

        表7 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度計(jì)算表Table 7 Calculation of uncertainty

        6 比對(duì)和驗(yàn)證

        制備氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品送中國計(jì)量科學(xué)研究院、上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院比對(duì)。比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)見表8。測(cè)試所依據(jù)/參考的技術(shù)文件(代號(hào)、名稱):GB/T10628—2008《氣體分析標(biāo)準(zhǔn)混合氣體組成的測(cè)定和校驗(yàn)比較法》。

        表8 標(biāo)準(zhǔn)氣體的比對(duì)分析結(jié)果 單位:(μmol/mol)Table 8 Comparison of analysis results of reference material

        表中比對(duì)誤差=|(分析值-標(biāo)稱值)|/標(biāo)稱值×100%,比對(duì)誤差均小于2%。

        7 結(jié)果表達(dá)

        六氟化硫中六氟乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用稱量法制備并計(jì)算定值,對(duì)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了制備方法學(xué)研究及均勻性、穩(wěn)定性檢驗(yàn),評(píng)定了定值的不確定度,并通過比對(duì)驗(yàn)證了定值結(jié)果。研制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。各技術(shù)指標(biāo)見表9。

        表9 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)指標(biāo)Table 9 Technical index of standard material

        [1]GB/T 5274—2008氣體分析校準(zhǔn)用混合氣體的制備稱量法[S].

        [2]全浩,韓永志,等.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.計(jì)學(xué)原理[S].

        [4]JJF 1059—1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].

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