柴油尾氣凈化液加注機(jī)示值誤差的測(cè)量不確定度

張濤

蘭州城市學(xué)院，甘肅蘭州，730070

0 引言

能源是實(shí)現(xiàn)國(guó)家現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動(dòng)力，新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)能源發(fā)展成就顯著，供應(yīng)能力穩(wěn)步增長(zhǎng)，能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，節(jié)能減排取得成效，科技進(jìn)步邁出新步伐，國(guó)際合作取得新突破，建成世界最大的能源供應(yīng)體系，有效保障了經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展。柴油尾氣凈化液俗稱(chēng)尿素水溶液，能減少柴油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣氮氧化物的排放。為適應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，大氣污染排放控制力度將進(jìn)一步加大。目前加油站加裝了越來(lái)越多的柴油尾氣凈化液加注機(jī)，為了保證消費(fèi)者的合法權(quán)益，對(duì)柴油尾氣凈化液加注機(jī)的計(jì)量監(jiān)管刻不容緩。

1 柴油尾氣凈化液加注機(jī)概述

1.1 結(jié)構(gòu)

自帶泵加注機(jī)的工作原理如圖1所示，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加液泵，在泵壓作用下將液罐中的尿素溶液經(jīng)管道、過(guò)濾器、流量測(cè)量變換器、輸液管、加注機(jī)輸至受液容器[1]。

1.2 用途

主要用于為柴油車(chē)輛添加尿素溶液，計(jì)量尿素溶液的體積累積量。尿素溶液主要用于柴油機(jī)尾氣處理系統(tǒng)中，用來(lái)減少柴油車(chē)輛尾氣中的氮氧化物的排入，改善空氣質(zhì)量，提升生態(tài)治理力度。

1.3 工作原理

加注機(jī)在計(jì)控主板控制下，通過(guò)泵加壓使儲(chǔ)罐中的尿素溶液沿管路流經(jīng)過(guò)濾器、流量測(cè)量變送器、電磁閥、加注膠管和加注槍注入柴油車(chē)的尿素箱中，并在指示裝置上顯示加注量、單價(jià)和相應(yīng)金額等。

2 測(cè)量系統(tǒng)的組成和要求

2.1 測(cè)量系統(tǒng)的組成

加注機(jī)主要由流量測(cè)量變換器、編碼器、電磁閥、加注槍及膠管、計(jì)控主板（電腦控制系統(tǒng)）、輸入及指示裝置、連接管路、殼體等構(gòu)成。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)的要求

2.2.1 計(jì)量特性

（1）測(cè)量范圍：0～45（L/min）

（2）示值誤差和重復(fù)性誤差為加注機(jī)的主要計(jì)量特性。最大允許誤差為±0.30%，重復(fù)性不超過(guò)0.15%。

2.2.2 測(cè)量的環(huán)境

（1）環(huán)境溫度：-40℃～+55℃，依據(jù)尿素溶液加注機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范（JJF（京）54-2018），校驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度的變化應(yīng)不超過(guò)5℃，環(huán)境溫度應(yīng)在加注機(jī)和量器附近測(cè)量[2]。儲(chǔ)罐和管線未做保溫處理的溫度為-30℃～+55℃；

（2）環(huán)境濕度：相對(duì)濕度≤95%RH。

（3）大氣壓力：73kPa~106kPa。

2.2.3 選用的標(biāo)準(zhǔn)器

（1）標(biāo)準(zhǔn)量器：標(biāo)準(zhǔn)量器的測(cè)量范圍0～50L，最大允許誤差為±0.025%[3-4]。

（2）溫度計(jì)：溫度計(jì)的最小分度值為0.1℃。

（3）秒表：分度值不大于0.1s。

校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器及其他輔助計(jì)量器具應(yīng)具有有效的檢定/校準(zhǔn)證書(shū)。

2.3 試驗(yàn)介質(zhì)

（1）試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)采用尿素溶液，不應(yīng)采用水、汽油和柴油等介質(zhì)。

（2）尿素溶液溫度范圍為-10℃～+35℃。

3 影響柴油尾氣凈化液加注機(jī)測(cè)量不確定度的因素

3.1 標(biāo)準(zhǔn)器引入的測(cè)量不確定度

校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)采用二等標(biāo)準(zhǔn)量器，最大允許誤差為±0.025%[5]。由于標(biāo)準(zhǔn)器存在復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性以及材料受溫度等影響，會(huì)對(duì)加油機(jī)校驗(yàn)測(cè)量精度產(chǎn)生影響[6-7]。

3.2 測(cè)量重復(fù)性

根據(jù)測(cè)試要求對(duì)柴油尾氣凈化液加注機(jī)進(jìn)行3次循環(huán)測(cè)量，每次測(cè)量次數(shù)不少于10次，由于測(cè)量環(huán)境、測(cè)量人員的變化會(huì)帶來(lái)重復(fù)性誤差。該誤差往往是誤差的主要來(lái)源，必須引起足夠的重視。

3.3 溫度計(jì)和電測(cè)設(shè)備的影響

測(cè)量過(guò)程中，溫度計(jì)和電測(cè)設(shè)備的讀數(shù)誤差也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不同程度的影響。在不確定的分析中是必須考慮的因素之一。

3.4 溫度波動(dòng)的影響

測(cè)量溫度偏離校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)尿素溶液和標(biāo)準(zhǔn)金屬量器材質(zhì)的膨脹系數(shù)有影響，從而改變體積量，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4 實(shí)例分析

4.1 測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型和靈敏系數(shù)

柴油尾氣凈化液加注機(jī)測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型為：

式中：VB(t)—標(biāo)準(zhǔn)金屬量器在tJ℃下給出的實(shí)際體積值，L。

VB—標(biāo)準(zhǔn)金屬量器在20℃下給出標(biāo)準(zhǔn)容積，L。

βy，βB—分別為檢定介質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)量器材質(zhì)的體膨脹系數(shù)，℃-1。

tJ，tB—分別為加注機(jī)內(nèi)輸出的介質(zhì)溫度和標(biāo)準(zhǔn)量器內(nèi)的液體溫度，℃。

VJ—加注機(jī)在tJ℃下指示的體積值，L。

由于各輸入分量互不相關(guān)，則有：

其中靈敏系數(shù)ci有：

設(shè)測(cè)量介質(zhì)為尿素溶液（βy=4.63×10-4℃-1），標(biāo)準(zhǔn)金屬量器材質(zhì)為不銹鋼（βB=50×10-6℃-1），tJ=20.0℃，tB=21.0℃，計(jì)算得到各分量的靈敏系數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.2.1 輸入量VJ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

輸入量VJ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源主要是加油機(jī)的測(cè)量重復(fù)性。啟動(dòng)加注機(jī)，使加注機(jī)示值為零，向量器內(nèi)注入尿素溶液，當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)注滿量器時(shí)，關(guān)閉加注槍。同時(shí)用溫度計(jì)測(cè)量加注槍出口度試驗(yàn)介質(zhì)的溫度。當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)液面穩(wěn)定后，按要求讀取量器的示值，并測(cè)量量器內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)的溫度。重復(fù)性條件下，進(jìn)行三次誤差校準(zhǔn)。測(cè)量重復(fù)性誤差采用A類(lèi)評(píng)定[8-10]。同一臺(tái)加油機(jī)，流量選擇在100%處，示值波動(dòng)最大，所以把該點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。加油量設(shè)定在45L，用50L金屬量器連續(xù)測(cè)量10次得到一組測(cè)量列，如表2所示。

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

由于連續(xù)測(cè)量10次，取其平均值作為該點(diǎn)的示值誤差，測(cè)量重復(fù)性誤差不確定度為：

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)量器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(VB)

標(biāo)準(zhǔn)量器在50L的最大誤差不超過(guò)±1.25×10-2L。按規(guī)定不確定度采用B類(lèi)方法評(píng)定，按均勻分布估計(jì)[11-13]，則：

4.2.3 尿素溶液的體膨脹系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(βy)

尿素溶液體膨脹系數(shù)βy=4.63×10-4℃-1，界限±4×10-5℃-1，按規(guī)定不確定度采用B類(lèi)方法評(píng)定，按均勻分布估計(jì)，則：

4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)器的體膨脹系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(βB)

標(biāo)準(zhǔn)器的體膨脹系數(shù)，其不確定度來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)金屬量器所用材料不銹鋼的材質(zhì)變化，測(cè)定后的βB=50×10-6℃-1，界限±5×10-6℃-1，不確定度采用B類(lèi)方法評(píng)定，按均勻分布，則：

4.2.5 加油機(jī)內(nèi)流量計(jì)輸出的油溫的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(tJ)

其不確定度主要來(lái)源于溫度測(cè)量?jī)x表的分度誤差，油溫測(cè)量所用的溫度計(jì)的不確定度U=0.1℃，k=2，則：

4.2.6 標(biāo)準(zhǔn)量器內(nèi)的尿素溶液的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(tB)

其不確定度主要來(lái)源于溫度測(cè)量?jī)x表的分度誤差，尿素溶液溫度測(cè)量所用的溫度計(jì)的不確定度U=0.2℃，k=2，則：

表1 各分量的靈敏系數(shù)

表2 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)一覽表

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度，各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度見(jiàn)表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

4.4 擴(kuò)展不確定度

由于合成不確定度接近正態(tài)分布，按置信概率95%估計(jì)[14-15]，取k值為2。

從而柴油尾氣凈化液加注機(jī)體積示值相對(duì)誤差的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

5 結(jié)語(yǔ)

校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)器，包括整個(gè)校驗(yàn)備在校驗(yàn)過(guò)程中引入的擴(kuò)展不確定度U95不超過(guò)被校柴油尾氣凈化液加注機(jī)最大允許誤差絕對(duì)值的1/4。由于尿素溶液加注機(jī)的測(cè)量范圍是0～45（L），最大允許誤差為±0.30%，所以其最大允許誤差絕對(duì)值的1/4為0.034L。本例中的U95為0.02L，因此標(biāo)準(zhǔn)器的選擇符合校驗(yàn)要求。從各因素不確定度的數(shù)值來(lái)看，影響測(cè)量不確定度的主要因素是測(cè)量重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)器引入的測(cè)量不確定度，所以為了減少誤差，標(biāo)準(zhǔn)器的精度等級(jí)要嚴(yán)格按照要求配備，操作時(shí)要按照規(guī)范要求嚴(yán)格進(jìn)行。同時(shí)為了保證測(cè)量精度，復(fù)校周期建議不超過(guò)1年，使用單位也可根據(jù)實(shí)際工況合理確定復(fù)核時(shí)間間隔。