CNG加气机示值误差测量结果的不确定度评定

CNG加气机示值误差测量结果的不确定度评定

黄文虎

阜阳市计量 测试研究所  236000

摘要；依据JJG996—2012《压缩天然气加气机》检定规程、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定及表示》，在温度为25℃，相对湿度为60%的条件下，用CNG加气机检定装置对性能稳定的CNG加气机进行10次重复性测量，然后根据其示值误差的数学模型，通过对引起其不确定度的分量分析，进行标准不确定度的A类和B类评定，进而评定出大量程百分表示值误差测量结果不确定度。

一、概述

  压缩天然气加气机检定装置主要由质量流量计和温度变送器、压力变送器组成。

  其工作原理是泵把CNG从储气罐打到加气机中，然后通过加气机的加气枪进入到检定装置中，质量流量计测量CNG的质量总量M和密度ρ，温度变送器测量流量计处CNG的温度T，压力变送器测量流量计处CNG的压力ρ，上述4个信号传输到计算机中，经专用的软件处理，当精密压力表测量出CNG的饱和蒸气压力时，即可计算得到流量计处在20℃，饱和蒸压下的体积V。该基准体积V与加气机所测量出来的基准体积进行比较，得出其示值误差。

二、数学模型

CNG加气机检定装置可测量CNG在基准条件下（15℃、饱和蒸气压）的体积。其数学模型

为：

为：

                                          （1）

式中：V——CNG在基准条件下的体积；

      ——CNG温度补偿系数，使用温度T和工况密度ρ，查表[2]得到；

      ——CNG压力补偿系数，使用温度T、工况密度ρ、压力ρ和饱和蒸气压，查表[2]得到；

M——CNG质量总量；

ρ——CNG的工况密度。

温度补偿系数是温度T和密度ρ的函数，即=；但密度变化10时，温度补偿系数不变，而CMF050质量流量计密度测量的最大允许误差仅为±0.5，可以认为密度的允许误差测量内，温度补偿系数与密度不相关。即=，仅为温度的函数。

压力补偿系数是压力差、工况密度ρ和温度T的函数，即；但密度变化10时，压力补偿系数不变化或者仅变化万分之几。而CMF50质量计密度测量的最大允许误差仅为±0.5，可以认为在密度的允许误差范围内，压力补偿系数与密度不相关；温度变化10℃时，压力补偿系数不发生变化。即，仅为压力差的函数。

质量流量计测得的质量总量M和密度ρ彼此间不相关，而且也与温度、压力不相关。

所以，以上四个分量可以认为彼此间相互独立无关，则对式（1）取微分，得到：

              （2）

式（3）除以式（2）得到：

                                          （3）

可以看出，补偿体积的相对标准不确定度的各个分量是温度补偿系数的相对标准不确定、压力补偿系数的相对标准不确定度、质量总量的相对标准不确定度和密度的相对不确定度。下面对各个分量予以评定。

三、装置不确定度的评定

3.1 的相对标准不确定度的评定

温度补偿系数可查ASTM-IP-API表54得到。其横坐标为15℃下的密度，间隔为5；纵坐标为温度，间隔为0.5℃。而可查ASTM-IP-API表53得到。因此必须知道由温度引起的标准不确定度和因引起的标准不确定度。

3.1.1 标准不确定度评定ρ，每个变化5，一般变化5；质量流量计密度最大允许误差为

由ASTM-IP-API表53可知，横坐标为工况密度±0.5，则的最大允许误差为±0.5，假设由工况密度引起的的不确定度分布为均匀分布，则标准不确定度=0.5/；纵坐标为温度，每变化0.5℃，一般变化1，现选用Rosemont公司3244MV温度变送器，温度最大允许误差为±0.2℃，则由此引起的变化0.4。假设由温度引起的的不确定度分布为均匀分布，则=0.4/。因此的标准不确定度为：

                                            （4）

=0.370

由表54可知，变化10时，温度补偿系数不发生变化，因此，可认为由引起温度补偿系数的变化可忽略不计，有

3.1.2 不确定度的评定

由表54可知，温度变化0.5℃，温度补偿系数最大变化0.002。选用Rosemont公司3244MV温度变送器，温度最大允许误差为±0.2℃，则由此引起温度补偿系数最大允许误差为0.0008，假设由温度引起的温度补偿系数的不确定度分布为均匀分布，则=0.0008/=0.000462

3.1.3 的相对标准不确定度的评定

由上可知，影响温度补偿系数的不确定度因素是和温度T，所以有：

                                          （5）

    =0.000462

温度补偿系数在典型情况下，最小为0.962，因此温度补偿系数的相对标准不确定度为：

=                                              （6）

     =0.048%

3.2 的相对标准不确定度的评定

由压力补偿系数表可知，压力补偿系数的横坐标是，间隔为10时，纵坐标为压差，间隔为50kPa；z坐标为温度T，间隔为10℃。因此必须考虑由引起的压力补偿系数的不确定度，由压差引起的压力补偿系数的不确定度，由温度引起的不确定度。下面予以分别评定。

3.2.1 的评定

由压力补偿系数表可知，压差变化100kPa时，压力补偿系数最大仅变化0.0001，而质量流量计密度的最大允许误差为±0.5，因此可认为由引起的压力补偿系数的不确定度=0。

3.2.2的评定

由压力补偿系数表可知，压差变化100kPa时，压力补偿系数最大仅变化0.0005。现选用Rosemont公司3051P压力变送器一支，最大允许误差为1.9kPa。精密压力计一支，其最大允许误差为2.5 kPa。可见，选用的压力计引起的压力补偿系数的不确定度为=0。

3.2.3 的评定

由压力补偿系数表可知，温度变化10℃，压力补偿系数不发生变化，因此有=0

3.2.4 的相对不确定度的评定

由以上分析可知，

                                   （7）

                  =0

所以，

                                                  （8）

                   =0

3.3 的评定

所选用质量流量计质量流量的最大允许误差为流量的0.1%，假设流量的不确定度分布为均匀分布，则质量流量计的相对标准不确定度为：

                                                 （9）

                   =0.058%

3.4 的评定

所选用质量流量计密度的最大允许误差为±0.5，假设密度的不确定度分布为均匀分布，则其标准不确定度：

                                                    （10）

             =0.289

一般，CNG密度范围在500-570的范围内变化，则最大的相对不确定度为：

                                              （11）

               =

               =0.058%

3.5 合成不确定度的评定

由式（3）可知，补偿体积的合成相对不确定度为：

                              （12）

               =

               =0.10%

3.6 扩展不确定度的评定

             U=ku                                               （13）

在95%置信概率下，k=2，则U=0.2

所以U=0.2%（k=2）

参考文献

JJG996—2012《压缩天然气加气机》检定规程

JJF1059.1-2012《测量不确定度评定及表示》

JJF 1001-2011 《通用计量术语及定义》

作者简介：黄文虎，1973年1月出生，男，汉族，本科学历，高级工程师 从事计量技术研究