基于輕型車排放領域的測量不確定度的應用

胡雅璐

摘要：隨著檢測技術能力的提升和各方對檢測結果的準確性有了更高的要求，不同準確性的測量成本是有極大差異的。在汽車排放檢測領域，因其檢測設備及原理的復雜性，引入測量不確定度是有必要的，可合理表征測量結果在一定置信水平下的置信范圍。由于測量不確定度常由很多分量組成，獲得不確定度分量的方法也不同，造成了不確定度的評定比較困難。本文從排放污染物檢測活動的實際情況出發，以Ⅱ型試驗RDE為例，分析了不同類型的不確定度分量，最終評定出測量不確定度。

關鍵詞：測量不確定度;實際行駛污染物排放;RDE試驗

中圖分類號：X830? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0136-03

0? 引言

測量不確定度理論是在誤差理論的基礎上發展的一門新的理論，它不是對誤差理論的否定，而是誤差理論的發展。所謂的誤差，其定義為測量結果減去被測量的真值;而不確定度的定義為與測量結果相關聯的參數，表征合理地賦予被測量值的分散性[1]。它是表征測量結果質量優劣的一個定量的指標，具有較高的可操作性，而測量誤差涉及到被測量的真值，而真值是不能確定的，因而只能使用約定真值的概念，可操作性較差。根據誤差來判定測量過程的合理性和產品的合格性已過于單純。

自2020年7月1日起所有輕型車都需要滿足國六排放標準，因此將不確定理論引入汽車排放領域才能使測量結果更合理、更完整，且不確定度評估是CNAS要求的內容（CNAS-CL07）[2]，不確定度能體現實驗室的專業程度，也能避免一些對于試驗結果的爭議（針對試驗結果接近排放限值臨界值情況）。

1? 不確定度評定的應用

1.1 概述

基于GB 18352.6-2016《輕型車汽車污染物排放限值及測量方法》，將對其中實際行駛污染物排放進行測量不確定度的評定。根據相關檢測設備的計量特性、技術參數及測量數據分析計算，建立數學模型并進行不確定度評估，最終形成試驗結果不確定度評定報告。本文以道路排放試驗中CO排氣污染物測試結果為典型進行評定。

1.1.1 檢測儀器、設備參數

檢測使用設備為AVL MOVE車載排放測試系統，此系統主要組成部分為：氣體測量單元、顆粒測量單元、排氣流量測量單元、GPS接收器、環境氣象站。具體技術參數見表1。

1.1.2 測量原理

AVL MOVE氣體測量單元可測量乘用車搭載的汽油機或者柴油機所排放出的NO/NO2和CO/CO2濃度。NO/NO2的測量是通過NDUV（非分散紫外吸收法）分析儀實現的，可以同時并直接測量NO和NO2而不需要轉化器。CO/CO2的測量使用的是NDIR（非分散紅外）分析儀。排氣流量測量單元采用Pitot管式流量計。

1.1.3 試驗程序

RDE需在測試車上安裝完測試系統后，按照試驗路線和試驗工況進行測試，具體測試程序見圖1。

1.2 不確定度評定流程

不確定度的評定流程如圖2所示。

1.2.1 不確定度評估類別

不確定度評估類別分為A類與B類兩種，這兩種類別的定義與來源見表2。

1.2.1.1 測量不確定度的A類評定

對在規定測量條件下測得的量值用統計分析的方法進行的測量不確定度分量的評定[3]。統計計算方法有以下兩種：①貝塞爾公式：

x：n次獨立測量的算術平均值。

②極差法公式：s（x）=

R：n次獨立測量中，最大值與最小值之差;

C：極差系數，可由表2給出，其值與測量次數有關。

1.2.1.2 B類不確定度分量評估

用不同于測量不確定度A類評定的方法對測量不確定度分量進行的評定[4]。B類通常得到的信息是被測量分布的極限范圍，可以知道輸入量x分布區間的半寬a，即允許誤差限的絕對值。被測量x的標準不確定度為：

u（x）=

1.2.2 評估方法的確定

不確定度影響關系如圖3所示。主要受以下因素影響：

①設備測量的氣體濃度Cgas：主要受氣體分析模塊GAS測量精度和標定零點、量距點影響。標定的情況主要受到所用標準氣體的影響。這兩類不確定度應分別采用B類不確定度評價，在合成為氣體濃度的不確定度。

②采樣流量q：主要受到采樣控制模塊測量精度的影響，采用B類不確定度進行評價。

③行駛距離d：主要受到GPS測量速度的精度的影響，采用B類不確定度進行評價。

④對于一些無法用數學公式表達的不確定度影響，例如駕駛員駕駛行為、燃油品質等，統一采用測量重復性試驗，利用A類不確定度來進行評價。

1.3 數學模型

根據GB18352.6-2016Ⅱ型試驗，污染物的瞬時質量排放可由以下公式得出：

式中：mgas——排氣污染物gas的質量[g/s];

？籽gas——排氣污染物gas的組分密度[kg/m3];根據GB18352.6-2016 表CE.2可以查得=1.25kg/m3;

？籽e——0℃排氣密度[kg/m3];

Cgas——測得排氣污染物gas的濃度[ppm];

q——測得排氣質量流量率[m3/s];

d——相當于測試循環的實際距離[km]。

設試驗時間為T，試驗行駛距離為d，則整個試驗的排氣污染物距離特性排放可表示為：

考慮上述影響測量不確定度的所有來源，代入測量重復性影響因子f，建立數學模型如下：

1.4 RDE試驗不確定度的評估

根據GB18352.6-2016在標準路線工況進行5次RDE試驗。與不確定度計算有關的測試結果如表3所示，其中根據GB18352.6-2016 表CE.2可以查得：？籽CO=1.25kg/m3。

1.4.1 測量重復性引入的相對標準不確定度ur（f）

測量結果的算術平均值為：

重復性標準不確定度為：

1.4.2 采樣流量q引入的相對標準不確定度

根據采樣模塊流量計校準證書，其測量精度為±1%F.S.，試驗最大采樣流量為42.28L/s，試驗時間為5873秒，則車輛試驗時采樣流量的誤差變化為±0.01*42.28*5873=

±2483.1044L。區間內服從均勻分布，包含因子為，區間半寬為2483.1044L。

其標準不確定度為：

相對標準不確定度為：

1.4.3 污染物校正濃度引起的相對標準不確定度

由兩部分合成，分析設備和標準氣體。根據氣體分析設備校準證書，測量精度為測量點的±2%;取前者，區間內服從均勻分布，包含因子為包含因子為，則其標準不確定度為：

根據標準氣體生產廠給出的氣體標定證書， CO濃度為57100ppm 相對擴展不確定度為±1%，包含因子k=2，則由標準氣體引入的不確定度為：

兩個分量的合成標準不確定度為：

相對標準不確定度為：

1.4.4 車輛行駛時實際行駛距離d的相對標準不確定度

根據GPS校準證書，GPS測量速度精度為讀數的±1%，區間內服從均勻分布，包含因子為，那么實際行駛距離的標準不確定度為：

1.4.5 合成標準不確定度評估

合成標準不確定度計算公式為：

1.4.6 靈敏系數計算

靈敏度系數c通常是對測量函數y在Xi=xi的偏導數得到，靈敏度系數是一個有符號和單位的量值，它表明了輸入量xi的不確定度ur影響被測量估計值的不確定度uc的靈敏程度。有些情況下，靈敏系數難以通過函數f計算得到，可以用實驗確定。

c（f）=1，為重復測量的靈敏系數;

c（Cco）==1，為測得排氣污染物的濃度的靈敏

系數;

c（q）==1，為測得排氣質量流量率的靈敏系數;

c（d）==1，為測量試驗時實際行駛距離的靈敏

系數。

1.4.7 不確定度分量匯總

將上述不確定度分量匯總于表4。

本次試驗MCO=149.46mg/km，則合成標準不確定度

1.4.8 擴展不確定度評估

取包含因子k=2，得：

1.4.9 CO排氣污染物檢測結果擴展不確定度報告

輕型汽車實際行駛污染物排放試驗Mco測量結果為149.46mg/km，其擴展不確定度：

或

2? 結語

通過建立不確定度評定數學模型，分析各分量來源，完成不確定度的評估，提升實驗室檢測工作的綜合能力。CNAS規定當客戶要求時報告中需提供測量不確定度，通過該項目的研究，對報告專業水平有一定提升，滿足客戶對報告不確定度的要求，有助于對外業務合作的開展。

參考文獻：

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1：2012，測量不確定度評定與表示[S].

[2]CNAS-CL07：2011，測量不確定度要求[S].

[3]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1：2012，測量不確定度評定與表示[S].

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1：2012，測量不確定度評定與表示[S].

[5]CNAS-GL35：2014，汽車和摩托車檢測領域典型參數的測量不確定度評估指南及實例[S].

[6]CNAS-CL01：2006，檢測和校準實驗室能力認可準則[S].

[7]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB18352.6：2016，輕型車汽車污染物排放限值及測量方法[S].