煤矿用非色散红外甲烷传感器测量结果不确定度评定

杨须祥　田斌斌

摘 要：矿用非色散红外甲烷传感器是近几年煤矿井下普遍使用的一种先进的气体检测仪器，具有检测精度高，响应时间快，检测范围宽，性能稳定，不受检测环境中其他气体的干扰，寿命长等特点。随着矿用非色散红外甲烷传感器在煤矿安全监控领域得到广泛的应用，对计量检定中的测量结果准确度提出了新的要求。本文根据JJG（皖）37-2012《非色散红外甲烷传感器检定规程》、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，详细介绍了煤矿用非色散红外甲烷传感器示值误差测量结果的不确定度评定方法。

关键词：矿用非色散红外甲烷传感器 测量结果 不确定度评定 方法

中图分类号：TD712.55 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（c）-0223-01

1 测量方法

依据JJG（皖）37-2012《非色散红外甲烷传感器检定规程》检定方法的规定，选用低浓度8.55%CH4和高浓度85.5%CH4的氮气中甲烷气体标准物质，按规定流量通入已标校好的仪器，读取仪器示值和输出的电信号值，分别做4次，取后3次的算术平均值为仪器示值。仪器示值减去标准物质浓度值即为仪器示值误差。

2 测量条件

环境温度15℃～35℃，相对湿度45%～75%，气压80～106 kPa。

3 数学模型

被检仪器示值误差△X，△X=-XS

式中，为测量仪器示值的平均值；XS为氮气中甲烷标准物质标称值。

4 不确定度分量

（1）输入量的标准不确定u（）主要来源于被检仪器的测量重复性、测量环境温度的波动及使用的玻璃转子流量计流量波动的影响。

①被检仪器的测量重复性，可以通过连续测量得到。采用A类方法进行评定。选择3台仪器，用8.55%CH4和85.5%CH4浓度的标气分别连续测量3次，得三组测量列：

第一，通入8.55%CH4标气所得仪器示值：（%CH4）

8.80、8.82、8.80；8.87、8.88、8.91；8.90、8.92、8.92。

则合并样本标准差：

sP（X1）1==1.5×10-2%CH4，那么该平均值的试验标准差为：

u（）1=sP（X1）1/≈8.7×10-3%CH4，自由度voff1=3×2=6。

第二，通入85.5%CH4标气所得仪器示值：（%CH4）

86.8、86.8、86.8；86.3、86.4、86.5；85.6、85.7、85.7。

则合并样本标准差：

sP（X2）1==6.7×10-2%CH4，那么该平均值的实验标准差为：

u（）1=sP（X2）1/≈3.9×10-2 %CH4，自由度voff1=3×2=6。

②温度波动引入的不确定度u（X）2。

试验过程中温度波动均在（25±10）℃范围内，通过多次试验，8.55%CH4点示值变化量为±0.01%CH4，85.5%CH4浓度点仪器示值变化量为±0.1%CH4。假定其满足矩形分布，可得：

u（）2=0.01/≈5.8×10-3%CH4

u（）2=0.1/≈5.8×10-2 %CH4

③使用的玻璃转子流量计引入的不确定度u（）3。

规程中明确在用流量计通常为2.5级。则其流量最大误差为±5 mL/min。通过反复现场试验，此流量误差对仪器8.55%CH4和85.5%CH4浓度点示值的影响分别为±0.01%CH4和±0.1%CH4，假定其均满足矩形分布，

则u（）3=0.01/=5.8×10-3%CH4；u（）3=0.1/=5.8×10-2%CH4，则u（X1）=[u2（）1+u2（）2+u2（）3]0.5=[（8.7×10-3）2+（5.8×10-3）2 +（5.8×10-3）2]0.5=1.2×10-2%CH4

u（X2）=[u2（）1+u2（）2+u2（）3]0.5=[（3.9×10-2）2+（5.8×10-2）2 +（5.8×10-2）2]0.5=9.1×10-2%CH4

（2）输入量XS引入的标准不确定度u（XS）。

输入量XS引入的不确定度主要来源于标准气体浓度定值。可根据标气证书给出的定值不确定度来源评定：因试验用标气为国家二级标准物，其相对不确定度为2%（k=2）可得：

u（XS1）=8.55%×2%/k=8.6×10-2% CH4；u（XS2）=85.5%×2%/k=8.6×10-1% CH4

（3）合成不确定度及扩展不确定度。

由于各输入量彼此不相关，所以合成不确定度可按下式计算：

uC1=[u2（X1）+u2（Xs1）]0.5=[（1.2 ×10-2）2+（8.6×10-2）2]0.5≈8.7×10-2%CH4

uC2=[u2（X2）+u2（Xs2）]0.5=[（9.1 ×10-2）2+（8.6×10-1）2]0.5≈8.6×10-1%CH4

则U1=kuC1=2×8.7×10-2≈1.7×10-1% CH4（k=2）

U2=kuC2=2×8.6×10-1≈1.7%CH4（k=2）

（4）測量不确定度报告。

在8.55%CH4点的测量结果X=8.81% CH4，扩展不确定度：

U1=1.7×10-1%CH4；k=2

在85.5%CH4点的测量结果X=86.4% CH4，扩展不确定度：

U2=1.7%CH4；k=2

从以上误差分析可以看出：按照此规程规定的标准器配置、检定环境、检定方法等内容，所得出的相对不确定约为2%（k=2）。

参考文献

[1] JJG（皖）37-2012，非色散红外甲烷传感器检定规程[S].

[2] JJF1059.1-2012，测量不确定度评定与表示[S].