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轉子流量計在使用過程中的不確定因素

常州市常法儀器儀表有限公司

1 測量問題
    液體容積式流量計是按照JJG667-2010《液體容積式流量計檢定規程》，以實際使用油品為介質，采用容積法（開放式）在線進行檢定的。根據檢定規程要求，廣東省惠州市質量計量監督檢測所配備二等標準金屬量器，標準金屬量器的容量為1000L。本文以本標準檢定0.2級液體容積式流量計（以下簡稱流量計）為例，對其容量示值誤差的不確定度進行分析。
    2 數學模型
    根據規程，容積法（量器為開放式結構）標準值的計算公式為：
    
    式中，V為檢定用標準金屬量器的實際體積，L；Vs為檢定用標準金屬量器讀出的容積，L；βs為檢定用標準金屬量器的體膨脹系數，℃-1；ts為檢定用標準金屬量器處液體溫度平均值，℃。
    根據規程，累積流量的計算，將V的值換算到流量計檢定條件下的累積流量實際值，公式為：
    
    式中，Qs為被檢流量計處的累積流量值；β為液體膨脹系數，℃-1；κ為液體壓縮系數，Pa-1；tm、ts為流量計和檢定用標準金屬量器處液體溫度平均值；pm、ps為流量計和檢定用標準金屬量器處液體表壓力平均值，Pa。
    將式（1）代入式（2），并整理得：
    
    為了簡化下步分析的需要，可對式（3）作必要的簡化，即對不確定度分析結果的影響量可忽略不計的項去除，以便建立數學模型、方差及靈敏系數的計算等。如式（3）中的βs.β（ts-20）.（tm-ts）項與[1+β（tm-ts）+βs（ts-20）]之比，起碼小至10-4數量級；[1-k（pm-ps）]=1的修約準確度也在10-10數量級以上。據此，式（3）可簡化如下：
    
    注：①不銹鋼體膨脹系數：βs=50×10-6℃-1；液體體膨脹系數：-β柴油=9×10-4℃-1，-β汽油=12×10-4℃-1。②液體的壓縮系數：k水=5×10-tm-1，k脫氣石油=（4×10-5～7×10-5）atm-1。
    根據規程，被檢流量計的示值誤差計算，即被檢流量計累積流量誤差的計算，可使用下式：
    
    式中，Qm為被檢流量計示值，L。
    將式（4）代入式（5），得：
    
    3 方差和靈敏系數
    由式（6）可得合成方差為：
    
    式中靈敏系數為：
    
    
    注：①（tm-ts）按規程規定，應在±0.5℃內，即可取（tm-ts） =0.5℃；②ts取規程規定的實驗溫度極限值的半寬，即ts=15℃。
    
    4 標準不確定度一覽表
    標準不確定度一覽表，見表1。

    5 計算分量標準不確定度
    5.1 流量計累積流量示值的不確定度u（Qm）
    5.1.1 測量重復性的不確定度分量u1（Qm）
    流量計測量重復性不確定度分量u1（Qm）是用標準金屬量器對其作10次等精度測量，以實驗標準差s評定，測量數據如下（單位：L）：1001.2、1000.6、1000.2、1000.4、1000.2、1000.8、1000.2、1000.4、1001.2、1000.6。
    
    由于實際檢定通常取3次測量的平均值，于是：
    
    自由度：v1=n-1=9
    5.1.2 流量計示值估讀誤差的不確定度分量u2（Qm）
    通常，準確度較高的表盤指針式讀數的儀表分辨力為1/10分度，次之，也具有1/5分度的分辨力。在此，結合規程的規定，按后者進行分析，即讀數誤差±0.2L，按均與分布，則
    
    估計其可靠性為10%，則
    
    因此，流量計在試驗溫度下累積容量的不確定度分量u（Qm）為：
    
    有效自由度為：
    
    5.2 標準金屬量器容積20℃示值誤差的不確定度分量u（Vs）
    根據國家檢定系統，二等標準金屬量器相對不確定度δ=2.5×10-4，覆蓋因子k=3，則：
    
    按正態分布，自由度：
    v（Vs）=∞
    5.3 油品的體膨脹系數的不確定度分量u（β）
    柴油的體膨脹系數β=9×10-4/℃，由規程提供的β的不確定度為5×10-6/℃，k=2，則其不確定度為：
    
    估計其可靠性為10%，則
    
    5.4  標準金屬量器（材質類型為不銹鋼）的體膨脹系數的標準不確定度分量u（βs）
    標準金屬量器（材質類型為不銹鋼）的體膨脹系數，由規程提供的βs的不確定度為5×10-6℃-1，k=2，則其不確定度為：
    
    估計其可靠性為10%，則：
    
    5.5 流量計油溫測量的不確定度分量
    測量油溫用的溫度計，zui大允許誤差為±0.2℃，屬均與分布，則其標準不確定度為：
    
    估計其可靠性為10%，則：
    
    5.6 標準量器內油溫的不確定度分量u（ts）
    測量油溫用的溫度計，zui大允許誤差為±0.2℃，屬均與分布，則其標準不確定度為：
    
    估計其可靠性為10%，則：
    
    6 合成標準不確定度
    合成標準不確定度為：
    
    7 有效自由度
    有效自由度為：
    
    8 擴展不確定度
    為獲得置信概率為95%的擴展不確定度，由vef（△Q）=28，查t分布表得：
    t95（28）=2.05
    所以，擴展不確定度為：
    U95=t95（28）×uc（△Q）=2.05×0.30=0.61≈0.6（L）
    轉化成相對不確定度為：
    
    9 擴展不確定度表達報告
    在符合本分析條件下檢定/校準流量計的累積流量示值誤差擴展不確定度可表達為：
    Urel=0.06%，k=2，p=95
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