寬量程膜式燃氣表檢定過程不確定度評定

權亞強, 吳岳飛, 侯雪丹

(成都秦川物聯網科技股份有限公司,四川成都610100)

1 概述

由JJF 1001—2011《通用計量術語及定義》第9.17條可知,計量器具檢定是查明和確認測量儀器符合法定要求的活動,它包括檢查、加標記和(或)出具檢定證書。貿易結算用的家用燃氣表是被國家質檢總局列入強制檢定目錄的工作計量器具,并且限期使用,到期更換。家用燃氣表須經檢定機構檢定合格后方可投入使用。燃氣表計量的準確性直接關系到企業經濟效益和用戶利益,若計量失準將會引起計量糾紛,因此燃氣表的檢定是一項非常重要的工作。燃氣表計量結果準確性可通過對檢定過程的測量不確定度進行分析得到。寬量程膜式燃氣表(簡稱膜式燃氣表)是指通過降低最小流量和(或)降低分界流量而實現更寬量程的膜式燃氣表,其檢定過程可參照JJG 577—2012《膜式燃氣表》。由于檢定過程所使用的標準裝置具有一定的不確定度,如果直接采用JJG 577—2012規定的界限判定,就會使一些處于不確定區域的產品流出,造成質量風險。本文提出在膜式燃氣表的檢定中應考慮影響測量結果的不確定因素,只有這樣才能使檢定結論更為科學合理。

2 測量模型及不確定度傳播律

2.1 測量模型

目前常采用負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表標準裝置對被檢表進行檢定。其原理是,在真空泵的抽吸作用下,檢測介質(實驗室環境空氣)依次流經串聯的被檢燃氣表和臨界流文丘里噴嘴標準器(簡稱標準器),可得被檢燃氣表示值和標準器示值,對兩者進行計算即可得出示值相對誤差。示值相對誤差的計算式為:

(1)

式中e——示值相對誤差

Vind——燃氣表示值,L

Vref——標準器示值,L

2.2 不確定度傳播律

根據不確定度傳播律,有以下關系[1]18:

(2)

式中u(e)——示值相對誤差的標準不確定度

c1——燃氣表示值的靈敏系數

u(Vind)——燃氣表示值的標準不確定度

c2——標準器示值的靈敏系數

u(Vref)——標準器示值的標準不確定度

靈敏系數計算式為:

(3)

(4)

(5)

式中ur(Vind)——燃氣表示值的相對標準不確定度

ur(Vref)——標準器示值的相對標準不確定度

3 示值相對誤差測量不確定度評定

標準不確定度按其評定方法分為A類評定和B類評定。根據實際情況,可只有A類評定不確定度分量,也可只有B類評定不確定度分量,也可兩者兼有。

依據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》中圖1,評定測量不確定度的一般流程為:分析不確定度來源和建立測量模型→評定標準不確定度→計算合成標準不確定度→確定擴展不確定度→報告測量結果。

示值相對誤差測量不確定度的評定主要內容是計算示值相對誤差標準不確定度。

3.1 示值相對誤差測量不確定度的A類評定

JJG 577—2012第7.3.4.2款規定,燃氣表檢定流量點一般為小流量、中流量和大流量,每個流量點至少檢定1次。取1臺膜式燃氣表,選擇最大流量qmax(6 m3/h)、分界流量qt(0.25 m3/h)、最小流量qmin(0.016 m3/h)作為測量點,進行連續3次重復測量。燃氣表分度值為0.2 L,在6、0.25 m3/h流量點,通氣量取燃氣表分度值的200倍,即40 L。在0.016 m3/h流量點,通氣量取最小位字輪轉1圈體積,即10 L。

3個流量點測量數據及示值相對誤差見表1。

表1 膜式燃氣表3個流量點測量數據及示值相對誤差

實驗標準偏差按極差法計算[1]13:

(6)

式中s——實驗標準偏差

eR——極差

C——極差系數,為1.69

極差計算式為:

eR=emax-emin

(7)

式中emax——有限次獨立重復測量中的示值相對誤差最大值

emin——有限次獨立重復測量中的示值相對誤差最小值

示值相對誤差A類標準不確定度為:

uA(e)=s

(8)

式中uA(e)——示值相對誤差A類標準不確定度

3個流量點的計算結果見表2。由表2可知,6、0.25、0.016 m3/h流量點的uA(e)分別為0.053%、0.077%、0.630%。

表2 3個流量點計算結果

3.2 示值相對誤差測量不確定度的B類評定

示值相對誤差測量不確定度的B類評定分為Vind測量不確定度的B類評定和Vref測量不確定度的B類評定。

B類相對標準不確定度uB計算式為[1]15:

(9)

式中uB——B類相對標準不確定度

a——被測量可能值區間的半寬度

k——包含因子

區間半寬度a一般根據以下信息確定:以前測量的數據;對有關技術資料和測量儀器特性的了解和經驗;生產廠提供的技術說明書;校準證書、檢定證書或其他文件提供的數據;手冊或某些資料給出的參考數據;檢定規程、校準規范或測試標準中給出的數據;其他有用的信息等。

①Vind引入的B類相對標準不確定度

②Vref引入的相對標準不確定度

Vref引入的相對標準不確定度分為標準裝置引入的相對標準不確定度ur,eqp和標準裝置泄漏引入的相對標準不確定度ur,leak。

a.標準裝置引入的相對標準不確定度

標準裝置經中國測試技術研究院檢定合格,證書給出其相對擴展不確定度為0.5%。取a=0.5%,k=2,由式(9)可得ur,eqp為0.25%。

b.標準裝置泄漏引入的相對標準不確定度

在檢定中,由于存在管路泄漏使得實際流經標準裝置的氣體流量增加。為使檢定結果可靠,對于由泄漏引入的不確定度應設置上限。假設標準裝置引入的不確定度分為計量標準器(聲速噴嘴和計量軟件系統)、壓力、溫度、泄漏和其他共5個方面等概率的不確定度分量。檢定時,采用的標準裝置的不確定度應不超過示值相對誤差限值IMPEV的1/3,此時標準裝置泄漏引入的不確定度應不超過IMPEV的1/15。

c.ur(Vref)的計算

Vref引入的相對標準不確定度(即標準器示值的相對標準不確定度)計算式為:

(10)

式中ur,eqp——標準裝置引入的相對標準不確定度

ur,leak——標準裝置泄漏引入的相對標準不確定度

由式(10)可得6、0.25、0.016 m3/h流量點的ur(Vref)分別為0.25%、0.25%、0.27%。

③ 示值相對誤差B類標準不確定度

由式(5)可得6、0.25、0.016 m3/h流量點的示值相對誤差B類標準不確定度uB(e)分別為0.25%、0.26%、0.27%。

3.3 示值相對誤差合成標準不確定度的評定

示值相對誤差合成標準不確定度計算式為:

(11)

式中uc(e)——示值相對誤差合成標準不確定度

將6、0.25、0.016 m3/h流量點的相關數據代入式(11),可得各流量點的示值相對誤差合成標準不確定度uc(e)分別為0.26%、0.27%、0.69%。

3.4 示值相對誤差擴展不確定度

示值相對誤差擴展不確定度計算式[1]23為:

U=kuc(e)

(12)

式中U——示值相對誤差擴展不確定度

在置信概率為95%的情況下,取包含因子k=2。6、0.25、0.016 m3/h流量點的示值相對誤差擴展不確定度U分別為0.52%、0.54%、1.40%。

4 測量結果的合格評價

流量記為q。JJG 577—2012規定在流量高區(qt≤q≤qmax),示值相對誤差限值IMPEV為1.5%;在流量低區(qmin≤q

4.1 通用儀器判別方法

如果采用通用的測量儀器評價標準進行評價,按照JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》第5.3.1.4款和第5.3.1.6款對上述不確定度進行符合性評定。例如,在分界流量點0.25 m3/h處評定的U為0.54%,大于流量高區所要求的示值相對誤差限值的1/3,此時判定標準為:當e滿足式(13)時,判為合格;當e滿足式(14)時,判為不合格;當e滿足式(15)時,判為待定。

-IMPEV+U≤e≤IMPEV-U

(13)

|e|≥IMPEV+U

(14)

IMPEV-U<|e|

(15)

將數據代入公式(13)可得該流量點3次獨立測量的e均滿足此要求,可判定被檢燃氣表在該流量點的e合格。如果要繼續判定處于待定的e是否合格,需更高等級的計量標準進行檢定,在一般的驗收中依據合同而定。

4.2 國際建議判別方法

例如,在分界流量點0.25 m3/h處評定的U為0.54%,大于流量高區所要求的示值相對誤差限值IMPEV的1/3,此時e合格的判定區間為[-1.46%,1.46%]。由表1可知該流量點3次獨立測量的e均滿足此要求,由此可判定被檢燃氣表在該流量點的e合格。

同理可判斷出膜式燃氣表在最大流量點6 m3/h和最小流量點0.016 m3/h的e均合格,則該被檢燃氣表示值相對誤差判為合格。

5 結束語

從膜式燃氣表示值相對誤差測量結果的不確定度評定入手,分析和評定了各分量來源的不確定度,并將其合成得到擴展不確定度,按照JJF 1094—2002或OIML R 137-1&2:2012的規定對示值相對誤差進行判定。認為采用此判定方法能增加檢定結論的客觀性。