燃气表检定气路系统泄漏率的不确定度评定

权亚强，侯雪丹

(成都秦川物联网科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 概述

临界流文丘里喷嘴式燃气表检定装置一般由检定气路系统、信息采集系统、操作控制系统和显示系统组成[1]，其中检定气路系统见图1。临界流文丘里喷嘴式燃气表检定装置有正压法和负压法之分。图1为负压法。

图1 检定气路系统

检定气路系统由大气进口、串联被检表组的进口阀组、串联被检表组、串联被检表组的出口阀组、滞止容器(装有一组并联的且可实现特定流量组合的临界流文丘里喷嘴)、各喷嘴支路阀组、喷嘴支路汇入的背压容器、真空泵和大气出口组成。

2 示值相对误差及检定气路系统泄漏分析

示值相对误差是指燃气表显示的气体体积(称为示值)和实际通过燃气表的气体体积(称实际值)之差与实际值的百分比。示值相对误差是燃气表最重要的计量特性之一，本质上反映了燃气表准确度。

示值相对误差试验是指在相同时间间隔内，气体连续流过串联被检表组与滞止容器中的临界流文丘里喷嘴组成的串联管路系统。根据检定流量点选择开启临界流文丘里喷嘴，根据临界流文丘里喷嘴处的气体滞止温度、滞止压力等参数计算出实际值，根据实际值和示值计算得到示值相对误差。

若检定气路系统无任何泄漏，根据连续性方程，流过管路任意截面的质量流量处处相等，所以采用临界流文丘里喷嘴的喉部质量流量可以作为标准质量流量对被检燃气表进行检定和校准。若检定气路系统有泄漏时，临界流文丘里喷嘴的喉部质量流量与被检燃气表示值不相等。

由示值相对误差测量过程可知，其测量不确定度分量来源主要有：测量重复性引起的不确定度分量urep、检定装置本身的不确定度分量ueqp、检定气路系统泄漏率的不确定度分量uleak。GB/T 6968—2019《膜式燃气表》规定在流量高区(分界流量qt到最大流量qmax的区间内，包含qt)，示值相对误差绝对值最大允许值IMPEV为1.5%。在流量低区(最小流量qmin到分界流量qt的区间内)，IMPEV为3%。由JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》第5.3.1.4款可知，示值相对误差的扩展不确定度U(包含因子k为2)应小于或等于IMPEV的1/3。也就是说将urep、ueqp、uleak合成得到的合成标准不确定度乘以包含因子k后，得到的值应不超过相应流量点IMPEV的1/3[2]，即：

(1)

式中k——包含因子

urep——测量重复性引起的不确定度分量

ueqp——检定装置本身的不确定度分量

uleak——检定气路系统泄漏率的不确定度分量

IMPEV——示值相对误差绝对值最大允许值

若检定流量点为流量高区，IMPEV为1.5%。假设此时测量重复性引起的不确定度分量urep为0.12%，检定装置本身的不确定度分量ueqp为0.20%，则检定气路系统泄漏率的不确定度分量uleak应不大于0.09%。

3 泄漏率的不确定度评定

本文的泄漏率的不确定度评定包含泄漏率的B类相对标准不确定度ur(q)、泄漏率的相对扩展不确定度Ur、泄漏率的扩展不确定度U。

3.1 泄漏率测量模型

在对临界流文丘里喷嘴式燃气表检定装置进行密封性检测时，其泄漏率测量模型如下[1]：

(2)

式中q——泄漏率，m3/h

Δp——泄漏引起封闭系统压力变化量，Pa

Vfb——封闭系统总净容积，m3

pjc——封闭系统检测压力，Pa

t——检测时间，s

由式(2)可以看出，泄漏率与封闭系统总净容积、检测压力、检测时间有关。相同结构的被测封闭系统压力变化量越大，泄漏率也越大。

3.2 泄漏率的B类相对标准不确定度

①ur(q)计算

泄漏率的B类相对标准不确定度计算如下[3]18：

(3)

式中ur(q)——泄漏率的B类相对标准不确定度

cr(Δp)、ur(Δp)——泄漏引起封闭系统压力变化量的相对灵敏系数、B类相对标准不确定度

cr(Vfb)、ur(Vfb)——封闭系统总净容积的相对灵敏系数、B类相对标准不确定度

cr(pjc)、ur(pjc)——封闭系统检测压力的相对灵敏系数、B类相对标准不确定度

cr(t)、ur(t)——检测时间的相对灵敏系数、B类相对标准不确定度

根据式(2)，定义相对灵敏系数cr(xi)计算式为[3]24：

(4)

式中cr(xi) ——输入量xi的相对灵敏系数

xi——输入量

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

将上述值代入式(3)，可得泄漏率的B类相对标准不确定度ur(q)计算式为[3]18：

ur(q)=

(5)

② 泄漏率不确定度的B类评定

本文以不确定度的B类评定方法为例对泄漏率相对标准不确定度进行计算分析。根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》，B类评定是用非统计分析方法进行的相对标准不确定度评定。此方法需根据检定装置、测量方法、校准检定证书等有关的信息或经验，判断被测量可能值区间的半宽度a、包含因子k。B类相对标准不确定度ur计算式为[3]15：

(6)

式中ur——B类相对标准不确定度

a——被测量可能值区间的半宽度

区间半宽度a一般根据以下信息确定：以前测量的数据；对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验；生产厂提供的技术说明书；校准证书、检定证书或其他文件提供的数据；手册或某些资料给出的参考数据；检定规程、校准规范或测试标准中给出的数据；其他有用的信息等。

对于封闭系统中的气体，温度是影响气密性检测的重要因素。由于检定装置位于恒温(20 ℃)实验室中，气密性检测期间封闭系统内外温度近似相同，故温度变化对气密性检测的影响可忽略不计。

a.Δp的B类相对标准不确定度

b.Vfb的B类相对标准不确定度

串联被检表组、管路和滞止容器组成的封闭系统可认为是刚性封闭容器，认为在气密性检测前后，封闭系统的总净容积不变[4]。故封闭系统总净容积Vfb的B类相对标准不确定度可忽略不计。

c.pjc的B类相对标准不确定度

d.t的B类相对标准不确定度

装置上使用的晶振经中国测试技术研究院检定合格，证书给出其相对扩展不确定度为7×10-5，取a=7×10-5，k=2。由式(6)可得ur(t)为0.003 5%。

③ur(q)结果

将以上计算结果代入式(5)，可得到泄漏率的B类相对标准不确定度ur(q)为0.081 7%。检定气路系统泄漏率的不确定度分量uleak应不大于0.09%。

3.3 泄漏率的相对扩展不确定度

Ur=kur(q)

(7)

式中Ur——泄漏率的相对扩展不确定度

3.4 泄漏率的扩展不确定度

泄漏率的扩展不确定度计算式为[3]23：

U=qUr

(8)

式中U——泄漏率的扩展不确定度

4 泄漏率的不确定度评定算例

以某地一台负压法临界流文丘里喷嘴式燃气表检定装置为例，设定密封性检测时该装置封闭系统的净容积Vfb为0.05 m3。对于流量低区，规定在系统的检测压力为94 kPa的条件下封闭400 s，Δp不超过10 Pa；对于流量高区，规定在系统的检测压力为90 kPa的条件下封闭50 s，Δp不超过15 Pa。假设该检定装置泄漏率的相对扩展不确定度Ur为0.14%，根据式(2)、(8)，密封性检测时，计算泄漏率及其扩展不确定度，见表1。

表1 密封性检测时各流量点泄漏率及其扩展不确定度

5 检定装置的密封性检测建议

由上述分析和计算可知，泄漏是导致检定装置检测不准的直接原因，泄漏率可直接反映检定装置密封性的可靠程度。

为了保证检测的准确性，需采用一组容积与燃气表容积相近的标准密封器对检定装置进行密封性检测，以下情况时检定装置应进行密封性检测。检定装置的温度变送器、压力变送器、湿度变送器等配套仪器拆卸送检后重新装回检定装置时；检定装置的环境温、湿度或其他测量条件发生了大的变化，刚刚恢复；检定装置发生了碰撞、跌落等意外事件后；检定装置停用一段时间后，重新启用时；对检定装置的检定性能有怀疑时等。

6 结语

基于检定气路系统泄漏率的测量过程建立测量模型，通过对泄漏率的不确定度进行B类评定，全面分析了各个分量来源的不确定度，并给出泄漏率的不确定度评定过程及算例。对检定装置的密封性检测提出了建议，可为燃气表检定装置泄漏率的分析研究及不确定度评定等工作提供参考。