可燃氣體報警器示值誤差測量結果的不確定度評定

姚 堯，田郁郁，王志鵬，程 鵬

(天津市計量監督檢測科學研究院，天津 南開 科研西路 4號 300192)

1 概 述

可燃氣體檢測報警器屬安全監測儀器，廣泛應用于冶金、石油、化工、石化、煤炭工業等行業，可以準確地顯示出空氣中可燃氣體的濃度，做出一級聲光報警和二級排風或截止閥動作反應，使用戶防患于未然，對防火、防爆、防中毒、保護人民生命財產安全具有極其重要的作用。可燃氣體檢測報警器計量標準主要由有證空氣中甲烷氣體標準物質(或異丁烷氣體標準物質)和氣體流量計組成。采用直接測量法的原理，以甲烷、異丁烷氣體標準物質為標準器，同時用氣體流量計控制氣體流量[1]，直接讀取可燃氣體檢測報警器的示值，所依據為JJG 693—2011《可燃氣體檢測報警器》檢定規程及JJF 1059—2012《測量不確定度評定與表示》。

2 測量方法

2.1 技術依據

JJG 693—2011《可燃氣體檢測報警器》檢定規程；JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》。

2.2 測量使用的標準物質

使用符合國家標準的氣體標準物質：異丁烷/空氣，測量范圍：(0～100)%LEL，擴展不確定度：Urel=2.0% (k=2)。

2.3 測量要求的環境條件

實驗過程應在清潔通風的實驗室內完成，通風良好，且無干擾被測氣體。室溫：0～40℃，相對濕度：≤85%。

2.4 示值誤差及重復性測量

測量可燃氣體檢測報警器示值誤差時，以空氣中異丁烷標準氣體為標準氣，通入零點氣體和濃度約為滿量程60%的氣體標準物質，調整儀器的零點和示值。然后分別通入濃度為滿量程10%、40%、60%的氣體標準物質，待儀器示值穩定后讀取顯示的響應值，按下式計算其示值相對誤差：

δ=(X-A)/R×100%

式中，δ為儀器示值相對誤差；X為儀器示值的平均值；A為標準氣體異丁烷含量；R為被檢儀器的量程。

由不確定度傳播律：

u2(δ)=C12×u2(X)+C22×u2(A)[2-3]

式中，u2(δ)為標準不確定度平方；u2(X)為由測量儀器引入的不確定度平方；u2(A)為由標準氣體引入的不確定度平方；C12、C22為相關不確定度分量的靈敏系數平方。

儀器校準后，通入約滿量程80%的標準氣體，待示值穩定后，得到測量值Xi，然后回零，重復測量6次，利用下式計算儀器重復性：

3 測量不確定度分析

3.1 測量不確定度來源分析

1. 被檢儀器示值測量結果重復性；2. 被檢儀器數顯量化誤差；3. 標準氣體準確度；4. 標準氣體穩定性；5. 環境條件、人員操作的影響和被檢定儀器的變動性[4]。

由于采用直接測量法，測量方法的不確定度可不予考慮；在計量檢定規程規定的環境條件下進行檢定，環境條件的影響、人員操作的影響、氣流穩定性和被檢定儀器的變動性均體現在測量重復性中，因此檢定結果的不確定度影響因素主要包括檢定用標準氣體不確定度引起的不確定度分量(B類評定)和測量重復性引起的不確定度分量(A類評定)[5]。

3.2 測量不確定度分量計算

3.2.1儀器示值測量結果重復性的標準不確定度評定uA1(A類評定)

在標準裝置及被檢儀器正常工作條件下，將含量為1.078%的標準氣體分別通入被檢儀器，待示值穩定后讀取其顯示值(異丁烷爆炸下限為1.8%LEL，換算得到標準氣體值濃度為59.9%LEL)。重復測量10次，測量數據如下所示。

表1 重復性試驗測量結果

單次測量的重復性為：

則其標準不確定度為：

3.2.2儀器數顯量化誤差的標準不確定度評定uA2(A類評定)

可燃氣體檢測報警器的分辨率是0.1%，數顯量化誤差以等概率分布(矩形分布)落在其半寬區間(0.1%)/2=0.05%內，則其標準不確定度為：

3.2.3標準氣體標稱值準確度的標準不確定度uB1的評定(B類評定)

標準氣體證書給出標稱值的擴展不確定度為1%，k=2，則標準氣體的標稱值準確度的標準不確定度為：

uB=U/k=2%/2=1%，

uB1=(-X/A2)×u1(A)=0.7%

3.2.4標準氣體的穩定性(年變化率)的標準不確定度評定uB2的評定(B類評定)

4 合成測量不確定度的計算

4.1 測量不確定度分量一覽表

表2 輸出量標準不確定度分量一覽表

4.2 擴展不確定度的計算

取k=2，則對于煙氣分析儀擴展不確定度為Urel=2×1.1%=2.2% (k=2)。

根據JJG 693—2011《可燃氣體檢測報警器》計量檢定規程，再分別通入摩爾分數為21×10-6及59×10-6的標準氣體，同理可得擴展不確定度，整合如表3所示。

因此，對于測量的示值誤差，擴展不確定度為Urel=2×1.1%=2.2%(k=2)。

表3 各濃度氣體合成不確定度

5 結 語

可燃氣體報警器在各生產企業的使用量巨大，其又與社會效益、人民生命財產安全息息相關。可燃氣體報警器示值誤差不確定度的評定統一了全市煙氣分析儀的量值，確保了量值傳遞的準確性，又為分析化學領域提供可靠的依據。