基于轻型车排放领域的测量不确定度的应用

胡雅璐

摘要：随着检测技术能力的提升和各方对检测结果的准确性有了更高的要求，不同准确性的测量成本是有极大差异的。在汽车排放检测领域，因其检测设备及原理的复杂性，引入测量不确定度是有必要的，可合理表征测量结果在一定置信水平下的置信范围。由于测量不确定度常由很多分量组成，获得不确定度分量的方法也不同，造成了不确定度的评定比较困难。本文从排放污染物检测活动的实际情况出发，以Ⅱ型试验RDE为例，分析了不同类型的不确定度分量，最终评定出测量不确定度。

关键词：测量不确定度;实际行驶污染物排放;RDE试验

中图分类号：X830                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）21-0136-03

0  引言

测量不确定度理论是在误差理论的基础上发展的一门新的理论，它不是对误差理论的否定，而是误差理论的发展。所谓的误差，其定义为测量结果减去被测量的真值;而不确定度的定义为与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予被测量值的分散性[1]。它是表征测量结果质量优劣的一个定量的指标，具有较高的可操作性，而测量误差涉及到被测量的真值，而真值是不能确定的，因而只能使用约定真值的概念，可操作性较差。根据误差来判定测量过程的合理性和产品的合格性已过于单纯。

自2020年7月1日起所有轻型车都需要满足国六排放标准，因此将不确定理论引入汽车排放领域才能使测量结果更合理、更完整，且不确定度评估是CNAS要求的內容（CNAS-CL07）[2]，不确定度能体现实验室的专业程度，也能避免一些对于试验结果的争议（针对试验结果接近排放限值临界值情况）。

1  不确定度评定的应用

1.1 概述

基于GB 18352.6-2016《轻型车汽车污染物排放限值及测量方法》，将对其中实际行驶污染物排放进行测量不确定度的评定。根据相关检测设备的计量特性、技术参数及测量数据分析计算，建立数学模型并进行不确定度评估，最终形成试验结果不确定度评定报告。本文以道路排放试验中CO排气污染物测试结果为典型进行评定。

1.1.1 检测仪器、设备参数

检测使用设备为AVL MOVE车载排放测试系统，此系统主要组成部分为：气体测量单元、颗粒测量单元、排气流量测量单元、GPS接收器、环境气象站。具体技术参数见表1。

1.1.2 测量原理

AVL MOVE气体测量单元可测量乘用车搭载的汽油机或者柴油机所排放出的NO/NO2和CO/CO2浓度。NO/NO2的测量是通过NDUV（非分散紫外吸收法）分析仪实现的，可以同时并直接测量NO和NO2而不需要转化器。CO/CO2的测量使用的是NDIR（非分散红外）分析仪。排气流量测量单元采用Pitot管式流量计。

1.1.3 试验程序

RDE需在测试车上安装完测试系统后，按照试验路线和试验工况进行测试，具体测试程序见图1。

1.2 不确定度评定流程

不确定度的评定流程如图2所示。

1.2.1 不确定度评估类别

不确定度评估类别分为A类与B类两种，这两种类别的定义与来源见表2。

1.2.1.1 测量不确定度的A类评定

对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定[3]。统计计算方法有以下两种：①贝塞尔公式：

x：n次独立测量的算术平均值。

②极差法公式：s（x）=

R：n次独立测量中，最大值与最小值之差;

C：极差系数，可由表2给出，其值与测量次数有关。

1.2.1.2 B类不确定度分量评估

用不同于测量不确定度A类评定的方法对测量不确定度分量进行的评定[4]。B类通常得到的信息是被测量分布的极限范围，可以知道输入量x分布区间的半宽a，即允许误差限的绝对值。被测量x的标准不确定度为：

u（x）=

1.2.2 评估方法的确定

不确定度影响关系如图3所示。主要受以下因素影响：

①设备测量的气体浓度Cgas：主要受气体分析模块GAS测量精度和标定零点、量距点影响。标定的情况主要受到所用标准气体的影响。这两类不确定度应分别采用B类不确定度评价，在合成为气体浓度的不确定度。

②采样流量q：主要受到采样控制模块测量精度的影响，采用B类不确定度进行评价。

③行驶距离d：主要受到GPS测量速度的精度的影响，采用B类不确定度进行评价。

④对于一些无法用数学公式表达的不确定度影响，例如驾驶员驾驶行为、燃油品质等，统一采用测量重复性试验，利用A类不确定度来进行评价。

1.3 数学模型

根据GB18352.6-2016Ⅱ型试验，污染物的瞬时质量排放可由以下公式得出：

式中：mgas——排气污染物gas的质量[g/s];

？籽gas——排气污染物gas的组分密度[kg/m3];根据GB18352.6-2016 表CE.2可以查得=1.25kg/m3;

？籽e——0℃排气密度[kg/m3];

Cgas——测得排气污染物gas的浓度[ppm];

q——测得排气质量流量率[m3/s];

d——相当于测试循环的实际距离[km]。

设试验时间为T，试验行驶距离为d，则整个试验的排气污染物距离特性排放可表示为：

考虑上述影响测量不确定度的所有来源，代入测量重复性影响因子f，建立数学模型如下：

1.4 RDE试验不确定度的评估

根据GB18352.6-2016在标准路线工况进行5次RDE试验。与不确定度计算有关的测试结果如表3所示，其中根据GB18352.6-2016 表CE.2可以查得：？籽CO=1.25kg/m3。

1.4.1 测量重复性引入的相对标准不确定度ur（f）

测量结果的算术平均值为：

重复性标准不确定度为：

1.4.2 采样流量q引入的相对标准不确定度

根据采样模块流量计校准证书，其测量精度为±1%F.S.，试验最大采样流量为42.28L/s，试验时间为5873秒，则车辆试验时采样流量的误差变化为±0.01*42.28*5873=

±2483.1044L。区间内服从均匀分布，包含因子为，区间半宽为2483.1044L。

其标准不确定度为：

相对标准不确定度为：

1.4.3 污染物校正浓度引起的相对标准不确定度

由两部分合成，分析设备和标准气体。根据气体分析设备校准证书，测量精度为测量点的±2%;取前者，区间内服从均匀分布，包含因子为包含因子为，则其标准不确定度为：

根据标准气体生产厂给出的气体标定证书， CO浓度为57100ppm 相对扩展不确定度为±1%，包含因子k=2，则由标准气体引入的不确定度为：

两个分量的合成标准不确定度为：

相对标准不确定度为：

1.4.4 车辆行驶时实际行驶距离d的相对标准不确定度

根据GPS校准证书，GPS测量速度精度为读数的±1%，区间内服从均匀分布，包含因子为，那么实际行驶距离的标准不确定度为：

1.4.5 合成标准不确定度评估

合成标准不确定度计算公式为：

1.4.6 灵敏系数计算

灵敏度系数c通常是对测量函数y在Xi=xi的偏導数得到，灵敏度系数是一个有符号和单位的量值，它表明了输入量xi的不确定度ur影响被测量估计值的不确定度uc的灵敏程度。有些情况下，灵敏系数难以通过函数f计算得到，可以用实验确定。

c（f）=1，为重复测量的灵敏系数;

c（Cco）==1，为测得排气污染物的浓度的灵敏

系数;

c（q）==1，为测得排气质量流量率的灵敏系数;

c（d）==1，为测量试验时实际行驶距离的灵敏

系数。

1.4.7 不确定度分量汇总

将上述不确定度分量汇总于表4。

本次试验MCO=149.46mg/km，则合成标准不确定度

1.4.8 扩展不确定度评估

取包含因子k=2，得：

1.4.9 CO排气污染物检测结果扩展不确定度报告

轻型汽车实际行驶污染物排放试验Mco测量结果为149.46mg/km，其扩展不确定度：

或

2  结语

通过建立不确定度评定数学模型，分析各分量来源，完成不确定度的评估，提升实验室检测工作的综合能力。CNAS规定当客户要求时报告中需提供测量不确定度，通过该项目的研究，对报告专业水平有一定提升，满足客户对报告不确定度的要求，有助于对外业务合作的开展。

参考文献：

[1]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1：2012，测量不确定度评定与表示[S].

[2]CNAS-CL07：2011，测量不确定度要求[S].

[3]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1：2012，测量不确定度评定与表示[S].

[4]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1：2012，测量不确定度评定与表示[S].

[5]CNAS-GL35：2014，汽车和摩托车检测领域典型参数的测量不确定度评估指南及实例[S].

[6]CNAS-CL01：2006，检测和校准实验室能力认可准则[S].

[7]国家质量监督检验检疫总局.GB18352.6：2016，轻型车汽车污染物排放限值及测量方法[S].