碳排放連續檢測氣體分析儀測量結果的不確定度研究

王 靜，鄭 張，張 銘

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

現如今全球對于影響氣候的溫室氣體日益重視，并采取相關措施進行二氧化碳排放量的監測與統計。在能源領域，當前傳統的碳排放統計方法是根據排放因子和核算方法進行估算，然而受到電廠內煤種多樣性及燃燒等多種復雜因素的影響，將這種方法應用于電廠中的準確性有待驗證，因此利用二氧化碳在線檢測系統對碳排放量的統計將更為直觀可靠。二氧化碳在線檢測系統測得的數據不僅能為各電廠碳減排效果評估提供可靠的數據支撐，同時也能為碳交易提供準確性更高的技術支撐，促進碳交易市場穩步發展。

利用碳排放連續檢測氣體分析儀進行濃度測量，需考慮測量所得值的可靠性，因此有必要評定測量結果的不確定程度。不確定度是建立在誤差理論基礎上，表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度[1]，體現了測量結果的分散性。選擇科學而合適的評定方法評定不確定度，既是實驗室檢測工作的一大重點[2]，也是二氧化碳連續檢測系統測量準確性的重要評判依據。

1 測量條件與方法

1.1 測量和評定依據

JJG 968-2002《煙氣分析儀檢定規程》；JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

1.2 環境條件

實驗室所提供的環境溫度范圍在15～30℃，相對濕度≤85%；碳排放連續檢測氣體分析儀所使用的電源電壓：AC220(1±10%)V。

1.3 測量標準

(1)高純氮氣(純度大于99.999%)，用于零點校準。

(2)氮氣中二氧化碳標準氣體(一級標氣)，用于進行實驗測量，標氣濃度的相對擴展不確定度為Urel=0.6%，包含因子k=2。

1.4 被測對象

碳排放連續檢測氣體分析儀(以下簡稱儀器)。

1.5 測量方法

2 測量模型

建立不確定度數學模型是進行計算和分析的基礎，具體公式如下：

式中：Δa-相對示值誤差；

cs-二氧化碳標準氣體的濃度。

靈敏系數：

傳播公式：

因各輸入量互相獨立且不相關，因此：

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3 不確定度來源及標準不確定度評定

實驗的實際測量與操作過程中，會有多種因素影響測量結果的不確定度，合理分析其來源對于評定測量結果的不確定度具有重要影響。將每一個不確定度來源成為標準不確定度分量，各分量與建立的測量模型中的輸入量相對應[5]。標準不確定度的評定方法分為A、B兩類，A類是通過對觀測列統計與分析作為評定結果，通常由重復測量引起的不確定度用A類方法計算，B類基于統計分析以外的方法估計概率分布等進而得到評定結果。

3.1 輸入量的標準不確定度

通過A類方法進行評定，具體測量方法是將濃度值為5.99%的二氧化碳標準氣體通入試驗臺管道被檢測儀器采樣管抽取，儀器進行10次重復測量，測得濃度的示值如表1所示。

表1 濃度測量示值

測量平均值:

單次相對標準偏差：

以儀器示值誤差3次測量的算數平均值計算，則測量重復性引入的標準不確定度為：

從儀器顯示的數值中可以看出，被測分析儀的最小濃度分辨率為0.01%，按照B類方法進行評定。以分辨率的一半作為半寬區間，按照均勻分布計算：

3.2 輸入量cs引入的標準不確定度urel(cs)

由于實驗所用的標準氣體是由重量法配置而得，因此標準氣體自身的不確定度成為了引起輸入量cs的標準不確定度得主要原因。可根據標準物質證書中的定值并采用B類方法來評定。

標準氣體為國家一級標準物質，其不確定度Urel=0.6%，包含因子k=2，此值可按正態分布估計，充分可靠，則其標準不確定度：

4 標準不確定度分量匯總表

對各分量不確定度相關的來源及參數等列表并匯總，如表2所示。

表2 分量匯總

5 合成標準不確定度

由重復性和標氣引入的不確定度是互不相關的兩個分量，因此將結果帶入上式(4)可知，合成標準不確定度為：

6 擴展不確定度的評定

相對擴展不確定度公式：

Urel=ucrel×k (包含因子k值通常取2)

本實驗測量過程中，取k=2，則相對擴展不確定度為：

Urel=0.31%×2=0.62%(k=2)

通過碳排放連續檢測氣體分析儀測量二氧化碳濃度，其結果的相對擴展不確定度為Urel=0.62%，k=2。

7 結束語

本文對碳排放連續檢測氣體分析儀的不確定度進行評定，分析各不確定來源并計算出評定結果。評定結果對于實驗儀器的校準校驗以及不確定度研究方面具有重要意義，同時為碳排放檢測的儀器的測量準確性提供可靠的評定依據，提高二氧化碳檢測有效性，促進超低排放技術發展。為文中的方法亦可為其他類似儀器的評定提供借鑒與參考，同時希望能夠為碳排放在線檢測領域提供案例。