炭罐初始工作能力測量不確定度評定

游云鵬 華晨 李憲斌 王茁 楊雪

摘 要：初始工作能力是汽油車用炭罐的一項重要技術(shù)指標(biāo)，它表征的是炭罐對燃油箱溢出的碳?xì)浠衔镎魵獾奈侥芰Γ钥刂破嚨恼舭l(fā)污染物排放，避免對環(huán)境產(chǎn)生損害。按照HJ/T 390-2007《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)（裝置）》規(guī)定，可使用汽油或丁烷進行試驗，文章應(yīng)用丁烷法進行試驗，對測量結(jié)果進行不確定度評定。闡述了炭罐初始工作能力的測量方法及所用儀器設(shè)備，建立了數(shù)學(xué)模型，并且分析了不確定度的主要來源，評定了各分量引入的不確定度，最終得到炭罐初始工作能力測量的擴展不確定度及相對擴展不確定度。

關(guān)鍵詞：初始工作能力;炭罐;不確定度評定;丁烷法

Abstract： The initial working capacity is an important technical index of the canister of the gasoline vehicle， which represents the adsorption capacity of the canister to the hydrocarbon vapor spilled from the fuel tank， so as to control the emission of evaporative pollutants from the vehicle and avoid the damage to the environment. According to HJ/ T 390-2007 "Technical requirement for environmental protection product： Control system of fuel evaporation pollutants from vehicle with petrol engine"， gasoline or butane can be used for this test. This paper applies the butane method for the test and carries out uncertainty evaluation of measurement results. In this paper， the measuring methods and instruments of the initial working capacity of the canister are described， the mathematical model is established， the main sources of uncertainty are analyzed， the uncertainty introduced by each component is evaluated， and the expanded uncertainty and relative expanded uncertainty of? the initial working capacity of t

前言

初始工作能力是汽油車用炭罐的一項重要技術(shù)指標(biāo)，它表征的是炭罐對燃油箱溢出的碳?xì)浠衔镎魵獾奈侥芰Γ钥刂破嚨恼舭l(fā)污染物排放，避免對環(huán)境產(chǎn)生損害。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，汽車在進行型式核準(zhǔn)和生產(chǎn)一致性檢查時都需要對炭罐進行檢測，可使用汽油或丁烷進行試驗，本文應(yīng)用丁烷法進行試驗，并對測量結(jié)果進行不確定度評定[1-2]。

測量不確定度表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測量不確定度一般由若干分量組成，其中一些分量可根據(jù)一系列測量值的統(tǒng)計分布，按測量不確定度的A類評定進行評定，而另一些分量則可根據(jù)基于經(jīng)驗或其他信息獲得的概率密度函數(shù)，按測量不確定度的B類評定進行評定[3]。

1 測量程序

1.1 有效容積試驗程序

（1） 用電子天平1和量杯1稱取試驗炭罐炭粉質(zhì)量為M1。

（2）用電子天平1和量杯2稱取50g炭罐炭粉質(zhì)量為M2。

（3）使用振動給料機及250ml量筒讀取50g炭粉的體積 ，重復(fù)進行三次，取平均值? 。

（4）由 計算，得試驗炭罐炭粉的有效容積。

1.2 有效吸附量試驗程序

（1）試驗前把電子天平2（輔助天平）和電子天平3（主試驗天平）清零，將炭罐與汽車燃油揮發(fā)物控制裝置性能測試系統(tǒng)連接放置于電子天平3上（主試驗天平），稱量靜止?fàn)顟B(tài)下主試驗天平上試驗炭罐的重量為m1。

（2）用體積比50%的丁烷和50%氮氣的混合氣以丁烷40g/h的速率進行對主試驗天平上試驗炭罐進行吸附，使輔助天平上的輔助炭罐增重2g，即達到2g臨界點，此時讀取主試驗天平上試驗炭罐的重量為m2。

（3）用25L/min速率的壓縮空氣對主試驗天平上試驗炭罐進行沖洗脫附，脫附容積為炭罐有效容積的600倍，試驗結(jié)束后，讀取主試驗天平上試驗炭罐的重量為m3。

（4）炭罐有效吸附量為mp=m2-m3。

1.3 炭罐初始工作能力

炭罐初始工作能力為有效吸附量和有效容積的比值，即初始工作能力 。

1.4 使用的儀器設(shè)備

2 影響因素分析及評定方法的確定

2.1 有效吸附量（MP）

根據(jù)炭罐有效吸附量試驗程序分析可知，炭罐的有效吸附量是由炭罐脫附前后的炭罐質(zhì)量差確定的。由于炭罐前后的質(zhì)量均有電子天平直接稱量讀出，故可以通過電子天平的精度計算得出有效吸附量的不確定度。故根據(jù)電子天平的說明書或校準(zhǔn)證書，對有效吸附量（MP）進行測量不確定度的B類評定。

2.2 有效容積（VP）

炭罐有效容積首先是對部分炭粉進行有效容積的測量，得出部分炭粉有效容積后，通過量筒的精度以及數(shù)學(xué)模型可以求出炭罐有效容積。多次稱量炭粉得出Vi，通過計算公式得出的VP，對有效容積（VP）進行測量不確定度的B類評定。

2.3 測量重復(fù)性引入的不確定度（f1）

下列因素在規(guī)定的同等試驗條件下對試驗結(jié)果有影響，可以通過統(tǒng)計分析的方法對其進行測量不確定度的A類評定：

（1）用正丁烷吸附炭罐時，丁烷及氮氣濃度的不確定度。

（2）丁烷及氮氣的混合比準(zhǔn)確性。

（3）以丁烷40g/L進行吸附的吸附速率準(zhǔn)確性。

（4）使用干燥干空氣以25L/min脫附的脫附速率準(zhǔn)確性。

（5）炭罐有效容積試驗時，測量部分炭粉的有效容積時，觀察量筒讀數(shù)時視覺誤差引起的不確定度。

輔助炭罐達到臨界值2g的準(zhǔn)確性：輔助炭罐達到臨界值2g由設(shè)備計算機進行控制，故對其進行測量不確定度的A類評定。

將以上影響因素所產(chǎn)生的重復(fù)性因素組合在一起，歸為輸出量的重復(fù)性因素，不需要分別評估各輸入量重復(fù)性引入的不確定度分量，而是直接評估測量結(jié)果的重復(fù)性的不確定度引入的不確定度分量（不確定度B類）。

炭罐初始工作能力不確定度的因果關(guān)系圖如圖1所示：

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 炭罐初始工作能力的計算

炭罐初始工作能力為有效吸附量和有效容積的比值，公式如下：

即初始工作能力：

mp——炭罐有效吸附量，單位是g;

Vp——炭罐有效容積，單位是ml;

炭罐有效吸附量mp=m2-m3

m2——脫附前炭罐質(zhì)量，單位是g;

m3——脫附后炭罐質(zhì)量，單位是g;

炭罐有效容積：

M1——有效容積試驗中炭罐炭粉質(zhì)量，單位是g;

M2——有效容積試驗中部分炭粉質(zhì)量，單位是g;

——炭罐有效容積試驗中，測量50g炭粉體積的平均值，單位是ml;

3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算公式

uc（y）——合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

——各不確定度分量的靈敏系數(shù);

r（xi，xj）——輸入量（xi，xj）的相關(guān)系數(shù)，通常正相關(guān)取1，負(fù)相關(guān)取-1;

r（xi，xj）u（xi） u（xj） = u（xi，xj）——輸入量（xi，xj）的協(xié)方差;

因為m2和m3采用同一天平進行測量，所以它們屬于強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r（m2， m3）=1，同理M1和M2屬于強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r（M1， M2）=1，則炭罐初始工作能力的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則炭罐初始工作能力的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

輸出量P的不確定來源有5個方面：

（1）測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（f1）;

（2）50g炭粉質(zhì)量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（M1）;

（3）炭罐炭粉質(zhì)量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（M2）;

（4）炭罐脫附前讀取的炭罐質(zhì)量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（m2）;

（5）炭罐脫附后讀取的炭罐質(zhì)量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（m3）;

（6）50g炭粉體積引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（V）;

靈敏系數(shù)：

c （f1） =1，為重復(fù)性實驗引入的不確定度的靈敏系數(shù);

c （M1） =-1，為炭罐炭粉質(zhì)量的靈敏系數(shù);

c （M2） =1，為50g炭粉質(zhì)量的靈敏系數(shù);

c （m2） =1，為炭罐脫附前讀取的炭罐質(zhì)量的靈敏系數(shù);

c （m3） =-1，為炭罐脫附后讀取的炭罐質(zhì)量的靈敏系數(shù);

=-1，為部分炭粉體積的靈敏系數(shù);

4 測試結(jié)果不確定度的評定

根據(jù)HJ/T 390-2007 《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求 汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)（裝置）》進行6次測試，6次有效吸附量的測量結(jié)果如表2所示：

4.1 測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（f1）

4.2 稱量炭罐炭粉質(zhì)量的不確定度ur（M1）

根據(jù)電子天平1的校準(zhǔn)證書以及說明書，在0≤m≤500g的范圍內(nèi)，該天平的最大允許誤差為±0.05g;在500g

4.3 稱量50g炭粉的不確定度ur（M2）

根據(jù)電子天平的檢定證書以及說明書，在0≤m≤500g的范圍內(nèi)，該天平的最大允許誤差±0.05g;在500g

4.4 炭罐脫附前讀取的炭罐質(zhì)量的不確定度ur（m2）

根據(jù)電子天平2的檢定證書以及說明書，在0≤m≤5000g的范圍內(nèi)，該天平的最大允許誤差為±0.05g;在5000g

4.5 炭罐脫附后讀取的炭罐質(zhì)量的不確定度ur（m3）

由于炭罐脫附前后使用的天平為同一個天平，故 。

4.6 測量稱量50ml量筒的不確定度ur（V）

筒的精度是±2ml，我們以精度來計算量筒的不確定度。區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為 ，區(qū)間半寬為2 ml，由此引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

將所有來源的不確定度值和靈敏系數(shù)代入，得到合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

本次試驗的初始工作能力P=7.4g/100ml，則炭罐初始工作能力的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

6 擴展不確定度評定

直接取包含因子 ，則擴展不確定度為：

7 相對擴展不確定度的評定

8 結(jié)果分析

炭罐初始工作能力P的擴展不確定度U=0.132g/100ml，它是由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（P）=0.0658g/100ml乘以包含因子k=2而得到的。相對擴展不確定度為1.6%。

9 結(jié)論

本文闡述了炭罐初始工作能力的測量方法及所用儀器設(shè)備，建立了數(shù)學(xué)模型，并且分析了不確定度的主要來源，評定了各分量引入的不確定度，最終得到炭罐初始工作能力測量的擴展不確定度及相對擴展不確定度。

參考文獻

[1] GB 18352.6-2016.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）.

[2] HJ/T 390-2007.環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)（裝置）.

[3] JJF 1059.1-2012.測量不確定度的評定與表示.