可燃气体报警器示值误差测量结果的不确定度评定

姚 尧，田郁郁，王志鹏，程 鹏

(天津市计量监督检测科学研究院，天津 南开 科研西路 4号 300192)

1 概 述

可燃气体检测报警器属安全监测仪器，广泛应用于冶金、石油、化工、石化、煤炭工业等行业，可以准确地显示出空气中可燃气体的浓度，做出一级声光报警和二级排风或截止阀动作反应，使用户防患于未然，对防火、防爆、防中毒、保护人民生命财产安全具有极其重要的作用。可燃气体检测报警器计量标准主要由有证空气中甲烷气体标准物质(或异丁烷气体标准物质)和气体流量计组成。采用直接测量法的原理，以甲烷、异丁烷气体标准物质为标准器，同时用气体流量计控制气体流量[1]，直接读取可燃气体检测报警器的示值，所依据为JJG 693—2011《可燃气体检测报警器》检定规程及JJF 1059—2012《测量不确定度评定与表示》。

2 测量方法

2.1 技术依据

JJG 693—2011《可燃气体检测报警器》检定规程；JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》。

2.2 测量使用的标准物质

使用符合国家标准的气体标准物质：异丁烷/空气，测量范围：(0～100)%LEL，扩展不确定度：Urel=2.0% (k=2)。

2.3 测量要求的环境条件

实验过程应在清洁通风的实验室内完成，通风良好，且无干扰被测气体。室温：0～40℃，相对湿度：≤85%。

2.4 示值误差及重复性测量

测量可燃气体检测报警器示值误差时，以空气中异丁烷标准气体为标准气，通入零点气体和浓度约为满量程60%的气体标准物质，调整仪器的零点和示值。然后分别通入浓度为满量程10%、40%、60%的气体标准物质，待仪器示值稳定后读取显示的响应值，按下式计算其示值相对误差：

δ=(X-A)/R×100%

式中，δ为仪器示值相对误差；X为仪器示值的平均值；A为标准气体异丁烷含量；R为被检仪器的量程。

由不确定度传播律：

u2(δ)=C12×u2(X)+C22×u2(A)[2-3]

式中，u2(δ)为标准不确定度平方；u2(X)为由测量仪器引入的不确定度平方；u2(A)为由标准气体引入的不确定度平方；C12、C22为相关不确定度分量的灵敏系数平方。

仪器校准后，通入约满量程80%的标准气体，待示值稳定后，得到测量值Xi，然后回零，重复测量6次，利用下式计算仪器重复性：

3 测量不确定度分析

3.1 测量不确定度来源分析

1. 被检仪器示值测量结果重复性；2. 被检仪器数显量化误差；3. 标准气体准确度；4. 标准气体稳定性；5. 环境条件、人员操作的影响和被检定仪器的变动性[4]。

由于采用直接测量法，测量方法的不确定度可不予考虑；在计量检定规程规定的环境条件下进行检定，环境条件的影响、人员操作的影响、气流稳定性和被检定仪器的变动性均体现在测量重复性中，因此检定结果的不确定度影响因素主要包括检定用标准气体不确定度引起的不确定度分量(B类评定)和测量重复性引起的不确定度分量(A类评定)[5]。

3.2 测量不确定度分量计算

3.2.1仪器示值测量结果重复性的标准不确定度评定uA1(A类评定)

在标准装置及被检仪器正常工作条件下，将含量为1.078%的标准气体分别通入被检仪器，待示值稳定后读取其显示值(异丁烷爆炸下限为1.8%LEL，换算得到标准气体值浓度为59.9%LEL)。重复测量10次，测量数据如下所示。

表1 重复性试验测量结果

单次测量的重复性为：

则其标准不确定度为：

3.2.2仪器数显量化误差的标准不确定度评定uA2(A类评定)

可燃气体检测报警器的分辨率是0.1%，数显量化误差以等概率分布(矩形分布)落在其半宽区间(0.1%)/2=0.05%内，则其标准不确定度为：

3.2.3标准气体标称值准确度的标准不确定度uB1的评定(B类评定)

标准气体证书给出标称值的扩展不确定度为1%，k=2，则标准气体的标称值准确度的标准不确定度为：

uB=U/k=2%/2=1%，

uB1=(-X/A2)×u1(A)=0.7%

3.2.4标准气体的稳定性(年变化率)的标准不确定度评定uB2的评定(B类评定)

4 合成测量不确定度的计算

4.1 测量不确定度分量一览表

表2 输出量标准不确定度分量一览表

4.2 扩展不确定度的计算

取k=2，则对于烟气分析仪扩展不确定度为Urel=2×1.1%=2.2% (k=2)。

根据JJG 693—2011《可燃气体检测报警器》计量检定规程，再分别通入摩尔分数为21×10-6及59×10-6的标准气体，同理可得扩展不确定度，整合如表3所示。

因此，对于测量的示值误差，扩展不确定度为Urel=2×1.1%=2.2%(k=2)。

表3 各浓度气体合成不确定度

5 结 语

可燃气体报警器在各生产企业的使用量巨大，其又与社会效益、人民生命财产安全息息相关。可燃气体报警器示值误差不确定度的评定统一了全市烟气分析仪的量值，确保了量值传递的准确性，又为分析化学领域提供可靠的依据。