權(quán)亞強(qiáng)，侯雪丹

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1 概述

臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置一般由檢定氣路系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成[1]，其中檢定氣路系統(tǒng)見(jiàn)圖1。臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置有正壓法和負(fù)壓法之分。圖1為負(fù)壓法。

圖1 檢定氣路系統(tǒng)

檢定氣路系統(tǒng)由大氣進(jìn)口、串聯(lián)被檢表組的進(jìn)口閥組、串聯(lián)被檢表組、串聯(lián)被檢表組的出口閥組、滯止容器(裝有一組并聯(lián)的且可實(shí)現(xiàn)特定流量組合的臨界流文丘里噴嘴)、各噴嘴支路閥組、噴嘴支路匯入的背壓容器、真空泵和大氣出口組成。

2 示值相對(duì)誤差及檢定氣路系統(tǒng)泄漏分析

示值相對(duì)誤差是指燃?xì)獗盹@示的氣體體積(稱為示值)和實(shí)際通過(guò)燃?xì)獗淼臍怏w體積(稱實(shí)際值)之差與實(shí)際值的百分比。示值相對(duì)誤差是燃?xì)獗碜钪匾挠?jì)量特性之一，本質(zhì)上反映了燃?xì)獗頊?zhǔn)確度。

示值相對(duì)誤差試驗(yàn)是指在相同時(shí)間間隔內(nèi)，氣體連續(xù)流過(guò)串聯(lián)被檢表組與滯止容器中的臨界流文丘里噴嘴組成的串聯(lián)管路系統(tǒng)。根據(jù)檢定流量點(diǎn)選擇開(kāi)啟臨界流文丘里噴嘴，根據(jù)臨界流文丘里噴嘴處的氣體滯止溫度、滯止壓力等參數(shù)計(jì)算出實(shí)際值，根據(jù)實(shí)際值和示值計(jì)算得到示值相對(duì)誤差。

若檢定氣路系統(tǒng)無(wú)任何泄漏，根據(jù)連續(xù)性方程，流過(guò)管路任意截面的質(zhì)量流量處處相等，所以采用臨界流文丘里噴嘴的喉部質(zhì)量流量可以作為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量對(duì)被檢燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。若檢定氣路系統(tǒng)有泄漏時(shí)，臨界流文丘里噴嘴的喉部質(zhì)量流量與被檢燃?xì)獗硎局挡幌嗟取?/p>

由示值相對(duì)誤差測(cè)量過(guò)程可知，其測(cè)量不確定度分量來(lái)源主要有：測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量urep、檢定裝置本身的不確定度分量ueqp、檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak。GB/T 6968—2019《膜式燃?xì)獗怼芬?guī)定在流量高區(qū)(分界流量qt到最大流量qmax的區(qū)間內(nèi)，包含qt)，示值相對(duì)誤差絕對(duì)值最大允許值IMPEV為1.5%。在流量低區(qū)(最小流量qmin到分界流量qt的區(qū)間內(nèi))，IMPEV為3%。由JJF 1094—2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》第5.3.1.4款可知，示值相對(duì)誤差的擴(kuò)展不確定度U(包含因子k為2)應(yīng)小于或等于IMPEV的1/3。也就是說(shuō)將urep、ueqp、uleak合成得到的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k后，得到的值應(yīng)不超過(guò)相應(yīng)流量點(diǎn)IMPEV的1/3[2]，即：

(1)

式中k——包含因子

urep——測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量

ueqp——檢定裝置本身的不確定度分量

uleak——檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量

IMPEV——示值相對(duì)誤差絕對(duì)值最大允許值

若檢定流量點(diǎn)為流量高區(qū)，IMPEV為1.5%。假設(shè)此時(shí)測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量urep為0.12%，檢定裝置本身的不確定度分量ueqp為0.20%，則檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak應(yīng)不大于0.09%。

3 泄漏率的不確定度評(píng)定

本文的泄漏率的不確定度評(píng)定包含泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)、泄漏率的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Ur、泄漏率的擴(kuò)展不確定度U。

3.1 泄漏率測(cè)量模型

在對(duì)臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置進(jìn)行密封性檢測(cè)時(shí)，其泄漏率測(cè)量模型如下[1]：

(2)

式中q——泄漏率，m3/h

Δp——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量，Pa

Vfb——封閉系統(tǒng)總凈容積，m3

pjc——封閉系統(tǒng)檢測(cè)壓力，Pa

t——檢測(cè)時(shí)間，s

由式(2)可以看出，泄漏率與封閉系統(tǒng)總凈容積、檢測(cè)壓力、檢測(cè)時(shí)間有關(guān)。相同結(jié)構(gòu)的被測(cè)封閉系統(tǒng)壓力變化量越大，泄漏率也越大。

3.2 泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

①ur(q)計(jì)算

泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下[3]18：

(3)

式中ur(q)——泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(Δp)、ur(Δp)——泄漏引起封閉系統(tǒng)壓力變化量的相對(duì)靈敏系數(shù)、B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(Vfb)、ur(Vfb)——封閉系統(tǒng)總凈容積的相對(duì)靈敏系數(shù)、B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(pjc)、ur(pjc)——封閉系統(tǒng)檢測(cè)壓力的相對(duì)靈敏系數(shù)、B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

cr(t)、ur(t)——檢測(cè)時(shí)間的相對(duì)靈敏系數(shù)、B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)式(2)，定義相對(duì)靈敏系數(shù)cr(xi)計(jì)算式為[3]24：

(4)

式中cr(xi) ——輸入量xi的相對(duì)靈敏系數(shù)

xi——輸入量

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

將上述值代入式(3)，可得泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)計(jì)算式為[3]18：

ur(q)=

(5)

② 泄漏率不確定度的B類評(píng)定

本文以不確定度的B類評(píng)定方法為例對(duì)泄漏率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，B類評(píng)定是用非統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。此方法需根據(jù)檢定裝置、測(cè)量方法、校準(zhǔn)檢定證書(shū)等有關(guān)的信息或經(jīng)驗(yàn)，判斷被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度a、包含因子k。B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur計(jì)算式為[3]15：

(6)

式中ur——B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

a——被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度

區(qū)間半寬度a一般根據(jù)以下信息確定：以前測(cè)量的數(shù)據(jù)；對(duì)有關(guān)技術(shù)資料和測(cè)量?jī)x器特性的了解和經(jīng)驗(yàn)；生產(chǎn)廠提供的技術(shù)說(shuō)明書(shū)；校準(zhǔn)證書(shū)、檢定證書(shū)或其他文件提供的數(shù)據(jù)；手冊(cè)或某些資料給出的參考數(shù)據(jù)；檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范或測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中給出的數(shù)據(jù)；其他有用的信息等。

對(duì)于封閉系統(tǒng)中的氣體，溫度是影響氣密性檢測(cè)的重要因素。由于檢定裝置位于恒溫(20 ℃)實(shí)驗(yàn)室中，氣密性檢測(cè)期間封閉系統(tǒng)內(nèi)外溫度近似相同，故溫度變化對(duì)氣密性檢測(cè)的影響可忽略不計(jì)。

a.Δp的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

b.Vfb的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

串聯(lián)被檢表組、管路和滯止容器組成的封閉系統(tǒng)可認(rèn)為是剛性封閉容器，認(rèn)為在氣密性檢測(cè)前后，封閉系統(tǒng)的總凈容積不變[4]。故封閉系統(tǒng)總凈容積Vfb的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)。

c.pjc的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

d.t的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

裝置上使用的晶振經(jīng)中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院檢定合格，證書(shū)給出其相對(duì)擴(kuò)展不確定度為7×10-5，取a=7×10-5，k=2。由式(6)可得ur(t)為0.003 5%。

③ur(q)結(jié)果

將以上計(jì)算結(jié)果代入式(5)，可得到泄漏率的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(q)為0.081 7%。檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的不確定度分量uleak應(yīng)不大于0.09%。

3.3 泄漏率的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

Ur=kur(q)

(7)

式中Ur——泄漏率的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

3.4 泄漏率的擴(kuò)展不確定度

泄漏率的擴(kuò)展不確定度計(jì)算式為[3]23：

U=qUr

(8)

式中U——泄漏率的擴(kuò)展不確定度

4 泄漏率的不確定度評(píng)定算例

以某地一臺(tái)負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置為例，設(shè)定密封性檢測(cè)時(shí)該裝置封閉系統(tǒng)的凈容積Vfb為0.05 m3。對(duì)于流量低區(qū)，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測(cè)壓力為94 kPa的條件下封閉400 s，Δp不超過(guò)10 Pa；對(duì)于流量高區(qū)，規(guī)定在系統(tǒng)的檢測(cè)壓力為90 kPa的條件下封閉50 s，Δp不超過(guò)15 Pa。假設(shè)該檢定裝置泄漏率的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Ur為0.14%，根據(jù)式(2)、(8)，密封性檢測(cè)時(shí)，計(jì)算泄漏率及其擴(kuò)展不確定度，見(jiàn)表1。

表1 密封性檢測(cè)時(shí)各流量點(diǎn)泄漏率及其擴(kuò)展不確定度

5 檢定裝置的密封性檢測(cè)建議

由上述分析和計(jì)算可知，泄漏是導(dǎo)致檢定裝置檢測(cè)不準(zhǔn)的直接原因，泄漏率可直接反映檢定裝置密封性的可靠程度。

為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需采用一組容積與燃?xì)獗砣莘e相近的標(biāo)準(zhǔn)密封器對(duì)檢定裝置進(jìn)行密封性檢測(cè)，以下情況時(shí)檢定裝置應(yīng)進(jìn)行密封性檢測(cè)。檢定裝置的溫度變送器、壓力變送器、濕度變送器等配套儀器拆卸送檢后重新裝回檢定裝置時(shí)；檢定裝置的環(huán)境溫、濕度或其他測(cè)量條件發(fā)生了大的變化，剛剛恢復(fù)；檢定裝置發(fā)生了碰撞、跌落等意外事件后；檢定裝置停用一段時(shí)間后，重新啟用時(shí)；對(duì)檢定裝置的檢定性能有懷疑時(shí)等。

6 結(jié)語(yǔ)

基于檢定氣路系統(tǒng)泄漏率的測(cè)量過(guò)程建立測(cè)量模型，通過(guò)對(duì)泄漏率的不確定度進(jìn)行B類評(píng)定，全面分析了各個(gè)分量來(lái)源的不確定度，并給出泄漏率的不確定度評(píng)定過(guò)程及算例。對(duì)檢定裝置的密封性檢測(cè)提出了建議，可為燃?xì)獗頇z定裝置泄漏率的分析研究及不確定度評(píng)定等工作提供參考。