燃氣表檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度評定

權(quán)亞強，侯雪丹

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 概述

臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置一般由檢定氣路系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成[1]，其中檢定氣路系統(tǒng)見圖1。臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置有正壓法和負壓法之分。圖1為負壓法。

圖1 檢定氣路系統(tǒng)

檢定氣路系統(tǒng)由大氣進口、串聯(lián)被檢表組的進口閥組、串聯(lián)被檢表組、串聯(lián)被檢表組的出口閥組、滯止容器(裝有一組并聯(lián)的且可實現(xiàn)特定流量組合的臨界流文丘里噴嘴)、各噴嘴支路閥組、噴嘴支路匯入的背壓容器、真空泵和大氣出口組成。

2 示值相對誤差及檢定氣路系統(tǒng)泄漏分析

示值相對誤差是指燃氣表顯示的氣體體積(稱為示值)和實際通過燃氣表的氣體體積(稱實際值)之差與實際值的百分比。示值相對誤差是燃氣表最重要的計量特性之一，本質(zhì)上反映了燃氣表準(zhǔn)確度。

示值相對誤差試驗是指在相同時間間隔內(nèi)，氣體連續(xù)流過串聯(lián)被檢表組與滯止容器中的臨界流文丘里噴嘴組成的串聯(lián)管路系統(tǒng)。根據(jù)檢定流量點選擇開啟臨界流文丘里噴嘴，根據(jù)臨界流文丘里噴嘴處的氣體滯止溫度、滯止壓力等參數(shù)計算出實際值，根據(jù)實際值和示值計算得到示值相對誤差。

若檢定氣路系統(tǒng)無任何泄漏，根據(jù)連續(xù)性方程，流過管路任意截面的質(zhì)量流量處處相等，所以采用臨界流文丘里噴嘴的喉部質(zhì)量流量可以作為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量對被檢燃氣表進行檢定和校準(zhǔn)。若檢定氣路系統(tǒng)有泄漏時，臨界流文丘里噴嘴的喉部質(zhì)量流量與被檢燃氣表示值不相等。

由示值相對誤差測量過程可知，其測量不確定度分量來源主要有：測量重復(fù)性引起的不確定度分量urep、檢定裝置本身的不確定度分量ueqp、檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak。GB/T 6968—2019《膜式燃氣表》規(guī)定在流量高區(qū)(分界流量qt到最大流量qmax的區(qū)間內(nèi)，包含qt)，示值相對誤差絕對值最大允許值IMPEV為1.5%。在流量低區(qū)(最小流量qmin到分界流量qt的區(qū)間內(nèi))，IMPEV為3%。由JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》第5.3.1.4款可知，示值相對誤差的擴展不確定度U(包含因子k為2)應(yīng)小于或等于IMPEV的1/3。也就是說將urep、ueqp、uleak合成得到的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k后，得到的值應(yīng)不超過相應(yīng)流量點IMPEV的1/3[2]，即：

(1)

式中k——包含因子

urep——測量重復(fù)性引起的不確定度分量

ueqp——檢定裝置本身的不確定度分量

uleak——檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量

IMPEV——示值相對誤差絕對值最大允許值

若檢定流量點為流量高區(qū)，IMPEV為1.5%。假設(shè)此時測量重復(fù)性引起的不確定度分量urep為0.12%，檢定裝置本身的不確定度分量ueqp為0.20%，則檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak應(yīng)不大于0.09%。

3 泄漏率的不確定度評定

本文的泄漏率的不確定度評定包含泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)、泄漏率的相對擴展不確定度Ur、泄漏率的擴展不確定度U。

3.1 泄漏率測量模型

在對臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置進行密封性檢測時，其泄漏率測量模型如下[1]：

(2)

式中q——泄漏率，m3/h

Δp——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量，Pa

Vfb——封閉系統(tǒng)總凈容積，m3

pjc——封閉系統(tǒng)檢測壓力，Pa

t——檢測時間，s

由式(2)可以看出，泄漏率與封閉系統(tǒng)總凈容積、檢測壓力、檢測時間有關(guān)。相同結(jié)構(gòu)的被測封閉系統(tǒng)壓力變化量越大，泄漏率也越大。

3.2 泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

①ur(q)計算

泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算如下[3]18：

(3)

式中ur(q)——泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(Δp)、ur(Δp)——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量的相對靈敏系數(shù)、B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(Vfb)、ur(Vfb)——封閉系統(tǒng)總凈容積的相對靈敏系數(shù)、B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(pjc)、ur(pjc)——封閉系統(tǒng)檢測壓力的相對靈敏系數(shù)、B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(t)、ur(t)——檢測時間的相對靈敏系數(shù)、B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)式(2)，定義相對靈敏系數(shù)cr(xi)計算式為[3]24：

(4)

式中cr(xi) ——輸入量xi的相對靈敏系數(shù)

xi——輸入量

由式(4)可得cr(Δp)、cr(Vfb)、cr(pjc)、cr(t)的值分別為1、1、-1、-1。

將上述值代入式(3)，可得泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)計算式為[3]18：

ur(q)=

(5)

② 泄漏率不確定度的B類評定

本文以不確定度的B類評定方法為例對泄漏率相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度進行計算分析。根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，B類評定是用非統(tǒng)計分析方法進行的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。此方法需根據(jù)檢定裝置、測量方法、校準(zhǔn)檢定證書等有關(guān)的信息或經(jīng)驗，判斷被測量可能值區(qū)間的半寬度a、包含因子k。B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur計算式為[3]15：

(6)

式中ur——B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

a——被測量可能值區(qū)間的半寬度

區(qū)間半寬度a一般根據(jù)以下信息確定：以前測量的數(shù)據(jù)；對有關(guān)技術(shù)資料和測量儀器特性的了解和經(jīng)驗；生產(chǎn)廠提供的技術(shù)說明書；校準(zhǔn)證書、檢定證書或其他文件提供的數(shù)據(jù)；手冊或某些資料給出的參考數(shù)據(jù)；檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范或測試標(biāo)準(zhǔn)中給出的數(shù)據(jù)；其他有用的信息等。

對于封閉系統(tǒng)中的氣體，溫度是影響氣密性檢測的重要因素。由于檢定裝置位于恒溫(20 ℃)實驗室中，氣密性檢測期間封閉系統(tǒng)內(nèi)外溫度近似相同，故溫度變化對氣密性檢測的影響可忽略不計。

a.Δp的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

b.Vfb的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

串聯(lián)被檢表組、管路和滯止容器組成的封閉系統(tǒng)可認為是剛性封閉容器，認為在氣密性檢測前后，封閉系統(tǒng)的總凈容積不變[4]。故封閉系統(tǒng)總凈容積Vfb的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計。

c.pjc的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

d.t的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置上使用的晶振經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢定合格，證書給出其相對擴展不確定度為7×10-5，取a=7×10-5，k=2。由式(6)可得ur(t)為0.003 5%。

③ur(q)結(jié)果

將以上計算結(jié)果代入式(5)，可得到泄漏率的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)為0.081 7%。檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak應(yīng)不大于0.09%。

3.3 泄漏率的相對擴展不確定度

Ur=kur(q)

(7)

式中Ur——泄漏率的相對擴展不確定度

3.4 泄漏率的擴展不確定度

泄漏率的擴展不確定度計算式為[3]23：

U=qUr

(8)

式中U——泄漏率的擴展不確定度

4 泄漏率的不確定度評定算例

以某地一臺負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置為例，設(shè)定密封性檢測時該裝置封閉系統(tǒng)的凈容積Vfb為0.05 m3。對于流量低區(qū)，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測壓力為94 kPa的條件下封閉400 s，Δp不超過10 Pa；對于流量高區(qū)，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測壓力為90 kPa的條件下封閉50 s，Δp不超過15 Pa。假設(shè)該檢定裝置泄漏率的相對擴展不確定度Ur為0.14%，根據(jù)式(2)、(8)，密封性檢測時，計算泄漏率及其擴展不確定度，見表1。

表1 密封性檢測時各流量點泄漏率及其擴展不確定度

5 檢定裝置的密封性檢測建議

由上述分析和計算可知，泄漏是導(dǎo)致檢定裝置檢測不準(zhǔn)的直接原因，泄漏率可直接反映檢定裝置密封性的可靠程度。

為了保證檢測的準(zhǔn)確性，需采用一組容積與燃氣表容積相近的標(biāo)準(zhǔn)密封器對檢定裝置進行密封性檢測，以下情況時檢定裝置應(yīng)進行密封性檢測。檢定裝置的溫度變送器、壓力變送器、濕度變送器等配套儀器拆卸送檢后重新裝回檢定裝置時；檢定裝置的環(huán)境溫、濕度或其他測量條件發(fā)生了大的變化，剛剛恢復(fù)；檢定裝置發(fā)生了碰撞、跌落等意外事件后；檢定裝置停用一段時間后，重新啟用時；對檢定裝置的檢定性能有懷疑時等。

6 結(jié)語

基于檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的測量過程建立測量模型，通過對泄漏率的不確定度進行B類評定，全面分析了各個分量來源的不確定度，并給出泄漏率的不確定度評定過程及算例。對檢定裝置的密封性檢測提出了建議，可為燃氣表檢定裝置泄漏率的分析研究及不確定度評定等工作提供參考。