柴油尾气净化液加注机示值误差的测量不确定度

张涛

兰州城市学院，甘肃兰州，730070

0 引言

能源是实现国家现代化的基础和动力，新世纪以来，我国能源发展成就显著，供应能力稳步增长，能源结构不断优化，节能减排取得成效，科技进步迈出新步伐，国际合作取得新突破，建成世界最大的能源供应体系，有效保障了经济社会持续发展。柴油尾气净化液俗称尿素水溶液，能减少柴油车发动机尾气氮氧化物的排放。为适应“碳达峰、碳中和”目标背景下的生态环境保护，大气污染排放控制力度将进一步加大。目前加油站加装了越来越多的柴油尾气净化液加注机，为了保证消费者的合法权益，对柴油尾气净化液加注机的计量监管刻不容缓。

1 柴油尾气净化液加注机概述

1.1 结构

自带泵加注机的工作原理如图1所示，由电动机驱动加液泵，在泵压作用下将液罐中的尿素溶液经管道、过滤器、流量测量变换器、输液管、加注机输至受液容器[1]。

1.2 用途

主要用于为柴油车辆添加尿素溶液，计量尿素溶液的体积累积量。尿素溶液主要用于柴油机尾气处理系统中，用来减少柴油车辆尾气中的氮氧化物的排入，改善空气质量，提升生态治理力度。

1.3 工作原理

加注机在计控主板控制下，通过泵加压使储罐中的尿素溶液沿管路流经过滤器、流量测量变送器、电磁阀、加注胶管和加注枪注入柴油车的尿素箱中，并在指示装置上显示加注量、单价和相应金额等。

2 测量系统的组成和要求

2.1 测量系统的组成

加注机主要由流量测量变换器、编码器、电磁阀、加注枪及胶管、计控主板（电脑控制系统）、输入及指示装置、连接管路、壳体等构成。

2.2 测量系统的要求

2.2.1 计量特性

（1）测量范围：0～45（L/min）

（2）示值误差和重复性误差为加注机的主要计量特性。最大允许误差为±0.30%，重复性不超过0.15%。

2.2.2 测量的环境

（1）环境温度：-40℃～+55℃，依据尿素溶液加注机校准规范（JJF（京）54-2018），校验过程中环境温度的变化应不超过5℃，环境温度应在加注机和量器附近测量[2]。储罐和管线未做保温处理的温度为-30℃～+55℃；

（2）环境湿度：相对湿度≤95%RH。

（3）大气压力：73kPa~106kPa。

2.2.3 选用的标准器

（1）标准量器：标准量器的测量范围0～50L，最大允许误差为±0.025%[3-4]。

（2）温度计：温度计的最小分度值为0.1℃。

（3）秒表：分度值不大于0.1s。

校准所使用的标准器及其他辅助计量器具应具有有效的检定/校准证书。

2.3 试验介质

（1）试验介质应采用尿素溶液，不应采用水、汽油和柴油等介质。

（2）尿素溶液温度范围为-10℃～+35℃。

3 影响柴油尾气净化液加注机测量不确定度的因素

3.1 标准器引入的测量不确定度

校准使用的标准器应采用二等标准量器，最大允许误差为±0.025%[5]。由于标准器存在复现性、稳定性以及材料受温度等影响，会对加油机校验测量精度产生影响[6-7]。

3.2 测量重复性

根据测试要求对柴油尾气净化液加注机进行3次循环测量，每次测量次数不少于10次，由于测量环境、测量人员的变化会带来重复性误差。该误差往往是误差的主要来源，必须引起足够的重视。

3.3 温度计和电测设备的影响

测量过程中，温度计和电测设备的读数误差也会给测量结果带来不同程度的影响。在不确定的分析中是必须考虑的因素之一。

3.4 温度波动的影响

测量温度偏离校准标准温度对尿素溶液和标准金属量器材质的膨胀系数有影响，从而改变体积量，产生测量误差。

4 实例分析

4.1 测量误差的数学模型和灵敏系数

柴油尾气净化液加注机测量误差的数学模型为：

式中：VB(t)—标准金属量器在tJ℃下给出的实际体积值，L。

VB—标准金属量器在20℃下给出标准容积，L。

βy，βB—分别为检定介质和标准量器材质的体膨胀系数，℃-1。

tJ，tB—分别为加注机内输出的介质温度和标准量器内的液体温度，℃。

VJ—加注机在tJ℃下指示的体积值，L。

由于各输入分量互不相关，则有：

其中灵敏系数ci有：

设测量介质为尿素溶液（βy=4.63×10-4℃-1），标准金属量器材质为不锈钢（βB=50×10-6℃-1），tJ=20.0℃，tB=21.0℃，计算得到各分量的灵敏系数见表1。

4.2 输入量的标准不确定度评定

4.2.1 输入量VJ的标准不确定度

输入量VJ的标准不确定度来源主要是加油机的测量重复性。启动加注机，使加注机示值为零，向量器内注入尿素溶液，当试验介质注满量器时，关闭加注枪。同时用温度计测量加注枪出口度试验介质的温度。当试验介质液面稳定后，按要求读取量器的示值，并测量量器内试验介质的温度。重复性条件下，进行三次误差校准。测量重复性误差采用A类评定[8-10]。同一台加油机，流量选择在100%处，示值波动最大，所以把该点作为测量点进行标准不确定度评定。加油量设定在45L，用50L金属量器连续测量10次得到一组测量列，如表2所示。

单次实验标准差：

由于连续测量10次，取其平均值作为该点的示值误差，测量重复性误差不确定度为：

4.2.2 标准量器引入的标准不确定度u(VB)

标准量器在50L的最大误差不超过±1.25×10-2L。按规定不确定度采用B类方法评定，按均匀分布估计[11-13]，则：

4.2.3 尿素溶液的体膨胀系数标准不确定度u(βy)

尿素溶液体膨胀系数βy=4.63×10-4℃-1，界限±4×10-5℃-1，按规定不确定度采用B类方法评定，按均匀分布估计，则：

4.2.4 标准器的体膨胀系数标准不确定度u(βB)

标准器的体膨胀系数，其不确定度来源于标准金属量器所用材料不锈钢的材质变化，测定后的βB=50×10-6℃-1，界限±5×10-6℃-1，不确定度采用B类方法评定，按均匀分布，则：

4.2.5 加油机内流量计输出的油温的标准不确定度u(tJ)

其不确定度主要来源于温度测量仪表的分度误差，油温测量所用的温度计的不确定度U=0.1℃，k=2，则：

4.2.6 标准量器内的尿素溶液的标准不确定度u(tB)

其不确定度主要来源于温度测量仪表的分度误差，尿素溶液温度测量所用的温度计的不确定度U=0.2℃，k=2，则：

表1 各分量的灵敏系数

表2 重复性测量数据一览表

4.3 合成标准不确定度

为计算标准不确定度，各分量的标准不确定度见表3。

表3 标准不确定度分量汇总表

4.4 扩展不确定度

由于合成不确定度接近正态分布，按置信概率95%估计[14-15]，取k值为2。

从而柴油尾气净化液加注机体积示值相对误差的相对扩展不确定度为：

5 结语

校验用标准器，包括整个校验备在校验过程中引入的扩展不确定度U95不超过被校柴油尾气净化液加注机最大允许误差绝对值的1/4。由于尿素溶液加注机的测量范围是0～45（L），最大允许误差为±0.30%，所以其最大允许误差绝对值的1/4为0.034L。本例中的U95为0.02L，因此标准器的选择符合校验要求。从各因素不确定度的数值来看，影响测量不确定度的主要因素是测量重复性和标准器引入的测量不确定度，所以为了减少误差，标准器的精度等级要严格按照要求配备，操作时要按照规范要求严格进行。同时为了保证测量精度，复校周期建议不超过1年，使用单位也可根据实际工况合理确定复核时间间隔。