炭罐初始工作能力测量不确定度评定

游云鹏 华晨 李宪斌 王茁 杨雪

摘 要：初始工作能力是汽油车用炭罐的一项重要技术指标，它表征的是炭罐对燃油箱溢出的碳氢化合物蒸气的吸附能力，以控制汽车的蒸發污染物排放，避免对环境产生损害。按照HJ/T 390-2007《环境保护产品技术要求汽油车燃油蒸发污染物控制系统（装置）》规定，可使用汽油或丁烷进行试验，文章应用丁烷法进行试验，对测量结果进行不确定度评定。阐述了炭罐初始工作能力的测量方法及所用仪器设备，建立了数学模型，并且分析了不确定度的主要来源，评定了各分量引入的不确定度，最终得到炭罐初始工作能力测量的扩展不确定度及相对扩展不确定度。

关键词：初始工作能力;炭罐;不确定度评定;丁烷法

Abstract： The initial working capacity is an important technical index of the canister of the gasoline vehicle， which represents the adsorption capacity of the canister to the hydrocarbon vapor spilled from the fuel tank， so as to control the emission of evaporative pollutants from the vehicle and avoid the damage to the environment. According to HJ/ T 390-2007 "Technical requirement for environmental protection product： Control system of fuel evaporation pollutants from vehicle with petrol engine"， gasoline or butane can be used for this test. This paper applies the butane method for the test and carries out uncertainty evaluation of measurement results. In this paper， the measuring methods and instruments of the initial working capacity of the canister are described， the mathematical model is established， the main sources of uncertainty are analyzed， the uncertainty introduced by each component is evaluated， and the expanded uncertainty and relative expanded uncertainty of  the initial working capacity of t

前言

初始工作能力是汽油车用炭罐的一项重要技术指标，它表征的是炭罐对燃油箱溢出的碳氢化合物蒸气的吸附能力，以控制汽车的蒸发污染物排放，避免对环境产生损害。

按照标准规定，汽车在进行型式核准和生产一致性检查时都需要对炭罐进行检测，可使用汽油或丁烷进行试验，本文应用丁烷法进行试验，并对测量结果进行不确定度评定[1-2]。

测量不确定度表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量不确定度一般由若干分量组成，其中一些分量可根据一系列测量值的统计分布，按测量不确定度的A类评定进行评定，而另一些分量则可根据基于经验或其他信息获得的概率密度函数，按测量不确定度的B类评定进行评定[3]。

1 测量程序

1.1 有效容积试验程序

（1） 用电子天平1和量杯1称取试验炭罐炭粉质量为M1。

（2）用电子天平1和量杯2称取50g炭罐炭粉质量为M2。

（3）使用振动给料机及250ml量筒读取50g炭粉的体积 ，重复进行三次，取平均值  。

（4）由 计算，得试验炭罐炭粉的有效容积。

1.2 有效吸附量试验程序

（1）试验前把电子天平2（辅助天平）和电子天平3（主试验天平）清零，将炭罐与汽车燃油挥发物控制装置性能测试系统连接放置于电子天平3上（主试验天平），称量静止状态下主试验天平上试验炭罐的重量为m1。

（2）用体积比50%的丁烷和50%氮气的混合气以丁烷40g/h的速率进行对主试验天平上试验炭罐进行吸附，使辅助天平上的辅助炭罐增重2g，即达到2g临界点，此时读取主试验天平上试验炭罐的重量为m2。

（3）用25L/min速率的压缩空气对主试验天平上试验炭罐进行冲洗脱附，脱附容积为炭罐有效容积的600倍，试验结束后，读取主试验天平上试验炭罐的重量为m3。

（4）炭罐有效吸附量为mp=m2-m3。

1.3 炭罐初始工作能力

炭罐初始工作能力为有效吸附量和有效容积的比值，即初始工作能力 。

1.4 使用的仪器设备

2 影响因素分析及评定方法的确定

2.1 有效吸附量（MP）

根据炭罐有效吸附量试验程序分析可知，炭罐的有效吸附量是由炭罐脱附前后的炭罐质量差确定的。由于炭罐前后的质量均有电子天平直接称量读出，故可以通过电子天平的精度计算得出有效吸附量的不确定度。故根据电子天平的说明书或校准证书，对有效吸附量（MP）进行测量不确定度的B类评定。

2.2 有效容积（VP）

炭罐有效容积首先是对部分炭粉进行有效容积的测量，得出部分炭粉有效容积后，通过量筒的精度以及数学模型可以求出炭罐有效容积。多次称量炭粉得出Vi，通过计算公式得出的VP，对有效容积（VP）进行测量不确定度的B类评定。

2.3 测量重复性引入的不确定度（f1）

下列因素在规定的同等试验条件下对试验结果有影响，可以通过统计分析的方法对其进行测量不确定度的A类评定：

（1）用正丁烷吸附炭罐时，丁烷及氮气浓度的不确定度。

（2）丁烷及氮气的混合比准确性。

（3）以丁烷40g/L进行吸附的吸附速率准确性。

（4）使用干燥干空气以25L/min脱附的脱附速率准确性。

（5）炭罐有效容积试验时，测量部分炭粉的有效容积时，观察量筒读数时视觉误差引起的不确定度。

辅助炭罐达到临界值2g的准确性：辅助炭罐达到临界值2g由设备计算机进行控制，故对其进行测量不确定度的A类评定。

将以上影响因素所产生的重复性因素组合在一起，归为输出量的重复性因素，不需要分别评估各输入量重复性引入的不确定度分量，而是直接评估测量结果的重复性的不确定度引入的不确定度分量（不确定度B类）。

炭罐初始工作能力不确定度的因果关系图如图1所示：

3 数学模型

3.1 炭罐初始工作能力的计算

炭罐初始工作能力为有效吸附量和有效容积的比值，公式如下：

即初始工作能力：

mp——炭罐有效吸附量，单位是g;

Vp——炭罐有效容积，单位是ml;

炭罐有效吸附量mp=m2-m3

m2——脱附前炭罐质量，单位是g;

m3——脱附后炭罐质量，单位是g;

炭罐有效容积：

M1——有效容积试验中炭罐炭粉质量，单位是g;

M2——有效容积试验中部分炭粉质量，单位是g;

——炭罐有效容积试验中，测量50g炭粉体积的平均值，单位是ml;

3.2 合成标准不确定度计算公式

uc（y）——合成标准不确定度;

——各不确定度分量的灵敏系数;

r（xi，xj）——输入量（xi，xj）的相关系数，通常正相关取1，负相关取-1;

r（xi，xj）u（xi） u（xj） = u（xi，xj）——输入量（xi，xj）的协方差;

因为m2和m3采用同一天平进行测量，所以它们属于强相关，相关系数r（m2， m3）=1，同理M1和M2属于强相关，相关系数r（M1， M2）=1，则炭罐初始工作能力的合成标准不确定度为：

则炭罐初始工作能力的相對合成标准不确定度为：

输出量P的不确定来源有5个方面：

（1）测量重复性引入的相对标准不确定度ur（f1）;

（2）50g炭粉质量引入的相对标准不确定度ur（M1）;

（3）炭罐炭粉质量引入的相对标准不确定度ur（M2）;

（4）炭罐脱附前读取的炭罐质量引入的相对标准不确定度ur（m2）;

（5）炭罐脱附后读取的炭罐质量引入的相对标准不确定度ur（m3）;

（6）50g炭粉体积引入的相对标准不确定度ur（V）;

灵敏系数：

c （f1） =1，为重复性实验引入的不确定度的灵敏系数;

c （M1） =-1，为炭罐炭粉质量的灵敏系数;

c （M2） =1，为50g炭粉质量的灵敏系数;

c （m2） =1，为炭罐脱附前读取的炭罐质量的灵敏系数;

c （m3） =-1，为炭罐脱附后读取的炭罐质量的灵敏系数;

=-1，为部分炭粉体积的灵敏系数;

4 测试结果不确定度的评定

根据HJ/T 390-2007 《环境保护产品技术要求 汽油车燃油蒸发污染物控制系统（装置）》进行6次测试，6次有效吸附量的测量结果如表2所示：

4.1 测量重复性引入的相对标准不确定度ur（f1）

4.2 称量炭罐炭粉质量的不确定度ur（M1）

根据电子天平1的校准证书以及说明书，在0≤m≤500g的范围内，该天平的最大允许误差为±0.05g;在500g

4.3 称量50g炭粉的不确定度ur（M2）

根据电子天平的检定证书以及说明书，在0≤m≤500g的范围内，该天平的最大允许误差±0.05g;在500g

4.4 炭罐脱附前读取的炭罐质量的不确定度ur（m2）

根据电子天平2的检定证书以及说明书，在0≤m≤5000g的范围内，该天平的最大允许误差为±0.05g;在5000g

4.5 炭罐脱附后读取的炭罐质量的不确定度ur（m3）

由于炭罐脱附前后使用的天平为同一个天平，故 。

4.6 测量称量50ml量筒的不确定度ur（V）

筒的精度是±2ml，我们以精度来计算量筒的不确定度。区间内服从均匀分布，包含因子为 ，区间半宽为2 ml，由此引入标准不确定度：

5 合成标准不确定度评定

将所有来源的不确定度值和灵敏系数代入，得到合成相对标准不确定度：

本次试验的初始工作能力P=7.4g/100ml，则炭罐初始工作能力的合成标准不确定度：

6 扩展不确定度评定

直接取包含因子 ，则扩展不确定度为：

7 相对扩展不确定度的评定

8 结果分析

炭罐初始工作能力P的扩展不确定度U=0.132g/100ml，它是由合成标准不确定度uc（P）=0.0658g/100ml乘以包含因子k=2而得到的。相对扩展不确定度为1.6%。

9 结论

本文阐述了炭罐初始工作能力的测量方法及所用仪器设备，建立了数学模型，并且分析了不确定度的主要来源，评定了各分量引入的不确定度，最终得到炭罐初始工作能力测量的扩展不确定度及相对扩展不确定度。

参考文献

[1] GB 18352.6-2016.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）.

[2] HJ/T 390-2007.环境保护产品技术要求汽油车燃油蒸发污染物控制系统（装置）.

[3] JJF 1059.1-2012.测量不确定度的评定与表示.