石油与天然气化工  2012, Vol. 41 Issue (3): 337-340
标准表法LPG加气机检定装置及其测量不确定度分析与评定
刘东升 , 赵普俊 , 刘缙林 , 邱东利 , 沈一民     
中国测试技术研究院
收稿日期：2011-06-30；修回日期：2011-09-27
作者简介：刘东升(1960-)，男，四川成都人，工学硕士，高级工程师，首批国家一级注册计量师。研究方向为流量计量与测试技术。E-mail:liuds2006@yahoo.com.cn.
摘要：阐述了标准表法液化石油气(LPG)加气机检定装置的检定原理、结构组成、技术特点，并对其测量结果的不确定度进行了分析与评定。结果表明该检定装置完全满足JJG 997—2005的有关要求。LPG加气机检定装置的研制成功，不仅为LPG公平公正的贸易结算提供了有力的检测手段，而且为各级计量技术机构对LPG加气机的计量检定、质量监督、技术评价和法制管理提供了高质量、高水准的技术装备。
关键词：液化石油气加气机    LPG    计量检定    测量不确定度    
Liquefied petroleum gas dispensers verification device based on standard meter method and analysis and evaluation of its measurement uncertainty
Liu Dongsheng , Zhao Pujun , Liu Jinlin , et al     
National Institute of Measurement and Testing Technology, Chengdu 610021, Sichuan, China
Abstract: This paper introduces the verification principle, structure composition and the technical characteristics of liquified petroleum gas (LPG) dispensers verification device based on standard meter method, analyzes and evaluates its uncertainty of measurement results.The results show that the device can completely meet specified requirements of JJG 997-2005. The LPG dispenser verification device can not only be a powerful detection means for fair trade settlement of LPG, but also be a high quality and high level for metrological verification, quality supervision, technology assessment and legal management of LPG dispensers.
Key words: liquefied petroleum gas dispenser    LPG    metrological verification    uncertainty of measurement    

目前，液化石油气(LPG)已用作汽车燃料，为汽车充装LPG的加气机已广泛应用于LPG加气站[1-3]。由于涉及到贸易结算，LPG加气机被列入国家强制检定计量器具目录。LPG加气机检定装置的研制成功，不仅为LPG公平公正的贸易结算提供了有力的检测手段，而且为各级计量技术机构对LPG加气机的计量检定、质量监督、技术评价和法制管理提供了高质量、高水准的技术装备，从而确保计量法在LPG加气机领域的贯彻实施。同时，对规范LPG加气机生产企业的建设，也具有极其重要的意义。

1 检定方法

LPG加气机检定装置采用的检定方法为标准表法[4]，其具体检定流程为：将LPG加气机与标准表串联起来；读取LPG在饱和蒸气压下的温度、密度和压力；计算LPG在15 ℃下的密度；读取标准表的质量示值；计算标准表在15 ℃、饱和蒸气压条件下的基准体积；读取LPG加气机已补偿的体积示值；比较LPG加气机已补偿的体积示值与标准表的基准体积；计算出LPG加气机的示值误差。

2 结构组成

LPG加气机检定装置主要由进口高准确度质量流量计、LPG密度试验装置、密度测量用标准温度计、温度补偿用标准温度计、温度补偿用温度变送器、压力补偿用压力变送器、精密数字压力表、笔记本电脑、检定专用数据处理软件、加气枪、快速接头、管线、阀门等组成。

3 主要技术指标

LPG加气机检定装置的主要技术指标如下：

测量范围：5 L/min~50 L/min

测量不确定度：0.30%(k=2)

测量重复性：优于0.15%

4 测量不确定度分析与评定
4.1 数学模型和相对灵敏系数

LPG加气机检定装置用于检测LPG在基准条件下(15 ℃、饱和蒸气压)的体积[4]。通过对基准体积VREF的测量不确定度来源进行分析可知，基准体积VREF的相对标准不确定度ucr(VREF)的各个分量包括：温度补偿系数CTIMM的相对标准不确定度ur1(CTIMM)、压力补偿系数CPIMM的相对标准不确定度ur2(CPIMM)、累积质量M的相对标准不确定度ur3(M)和饱和状态下的LPG的密度ρ的相对标准不确定度ur4(ρ)。其数学模型[5]为：

(1)

式中：VREF为LPG在基准条件下的体积，L；CTIMM为饱和状态下的LPG温度补偿系数；CPIMM为饱和状态下的LPG压力补偿系数；M为被测量的LPG质量值，kg；ρ为饱和状态下的LPG的密度，kg/L。

对上式进行变换得:

(2)

补偿体积VREF的合成相对标准不确定度ucr(VREF)为：

(3)

式中:cri(xi)为相对灵敏系数：

cr1(CTIMM)=1, cr2(CPIMM)=1, cr3(M)=1, cr4(ρ)=-1

4.2 相对标准不确定度分量的评定
4.2.1 由温度补偿系数CTIMM引入的B类相对标准不确定度ur1(CTIMM)

温度补偿系数CTIMM是温度T和密度ρ15的函数。温度补偿系数CTIMM的标准不确定度u1(CTIMM)分量包括由温度T引入的温度补偿系数CTIMM标准不确定度uTCTIMM和因ρ15引入的温度补偿系数CTIMM标准不确定度uρ15CTIMM。

4.2.1.1 由温度T引入的标准不确定度uTCTIMM

经过查表[6]并进行分析可知，温度T每变化0.5 ℃，温度补偿系数CTIMM最大变化0.002。所选密度测量用标准温度计的最大允许误差为±0.2 ℃，则由此引入的温度补偿系数CTIMM最大允许误差为0.000 8。假设由温度T引入的温度补偿系数CTIMM的不确定度uTCTIMM分布为均匀分布，则标准不确定度为：

(4)
4.2.1.2 由ρ15引入的标准不确定度ρ15CTIMM

ρ15是密度ρ和温度T的函数。ρ15的标准不确定度分量uρ15包括由饱和状态下的LPG的密度ρ引入的ρ15的标准不确定度uρρ15和由温度T引入的ρ15的标准不确定度uTρ15。

(1) 由饱和状态下的LPG的密度ρ引入的ρ15的标准不确定度uρρ15。经过查表[6]并进行分析可知，饱和状态下的LPG的密度ρ每变化5 kg/m3，ρ15一般变化5.0 kg/m3。所选用LPG密度试验装置密度最大允许误差为±1.0 kg/m3，则ρ15的最大允许误差为±1.0 kg/m3。假设由饱和状态下的LPG的密度ρ引入的ρ15的不确定度uρρ15分布为均匀分布，则标准不确定度 。

(2) 由温度T引入的ρ15的标准不确定度uTρ15。经过查表[6]并进行分析可知，温度T每变化0.5 ℃，ρ15一般变化1.0 kg/m3。所选密度测量用标准温度计的最大允许误差为±0.2 ℃，则由此引入的ρ15变化0.4 kg/m3。假设由温度T引起的分布为均匀分布，则标准不确定度 。

(3) 由ρ15引入的合成标准不确定度。由ρ15引入的合成标准不确定度为：

(5)

(4) 由ρ15引入的温度补偿系数CTIMM的合成标准不确定度。经过查表[6]并进行分析可知，ρ15每变化10.0 kg/m3时，温度补偿系数CTIMM变化0.001，则由此引入的温度补偿系数CTIMM最大允许误差为0.000 062 2。假设由ρ15引入的温度补偿系数CTIMM的不确定度uρ15CTIMM分布为均匀分布，则由ρ15引入的温度补偿系数CTIMM合成标准不确定度为：

(6)
4.2.1.3 由温度补偿系数CTIMM引入的合成标准不确定度u1(CTIMM)

由温度补偿系数CTIMM引入的B类合成标准不确定度u1(CTIMM)为：

(7)
4.2.1.4 由温度补偿系数CTIMM引入的相对标准不确定度ur1(CTIMM)

在典型情况下，温度补偿系数CTIMM最小为0.960。因此，温度补偿系数CTIMM的最大相对标准不确定度ur1(CTIMM)为：

(8)
4.2.2 由压力补偿系数CPIMM引入的B类相对标准不确定度ur2(CPIMM)

压力补偿系数CPIMM是温度T和密度ρ的函数。压力补偿系数CPIMM的标准不确定度u2(CPIMM)分量包括由温度T引入的压力补偿系数CPIMM的标准不确定度uTCPIMM、由压力差Δp引入的压力补偿系数CPIMM的标准不确定度uΔPCPIMM和因ρ15引入的压力补偿系数CPIMM的标准不确定度uρ15CPIMM。

4.2.2.1 由温度T引入的标准不确定度uTCPIMM

经过查表[7]并进行分析可知，温度T每变化10 ℃，压力补偿系数CPIMM基本不发生变化。所选密度测量用标准温度计的最大允许误差为±0.2 ℃。因此，可以认为，由温度T引入的压力补偿系数CPIMM标准不确定度为：

(9)
4.2.2.2 由压力差Δp引入的标准不确定度uΔpCPIMM

经过查表[7]并进行分析可知，压力差Δp每变化100 kPa，压力补偿系数CPIMM最大变化量仅为0.000 5。所选压力表的最大允许误差为±25 kPa。因此，由压力差Δp引入的压力补偿系数CPIMM的标准不确定度uΔpCPIMM为：

(10)
4.2.2.3 由ρ15引入的标准不确定度uρ15CPIMM

经过查表[7]并进行分析可知，密度ρ每变化10 kg/m3，压力补偿系数CPIMM最大仅变化0.000 1。所选用LPG密度试验装置密度的最大允许误差为±1.0 kg/m3。因此，由ρ15引入的压力补偿系数CPIMM的标准不确定度uρ15CPIMM为：

(11)
4.2.2.4 由压力补偿系数CTIMM引入的合成标准不确定度u2(CPIMM)
(12)
4.2.2.5 由压力补偿系数CPIMM引入的相对标准不确定度ur2(CPIMM)

在典型情况下，压力补偿系数CPIMM最小为1.000 19，因此压力补偿系数CPIMM的最大相对标准不确定度ur2(CPIMM)为：

(13)
4.2.3 由累积质量M引入的相对标准不确定度ur3(M)

所选用科里奥利质量流量计累计质量流量测量的数学模型为：

(14)

式中：M为被测量的累计质量值，kg；nm为质量流量计输出的脉冲数；am为质量流量计脉冲当量；Km为质量流量计仪表系数。

对上式进行变换得：

(15)
4.2.3.1 脉冲数的影响

质量流量计累计质量脉冲数的计数误差为±1个。为了保证计数准确，设定的最小计数量不小于6000个，并假设由计数误差引入的不确定度分布为均匀分布，则其相对标准不确定度为：

(16)
4.2.3.2 脉冲当量变化的影响

脉冲当量变化的影响包括质量流量计仪表系数的准确度和两次校准期间的稳定性所引入的标准不确定度。由于质量流量计在出厂检定时，已对仪表系数进行了修正，所以其主要误差来源于测量重复性，其最大值为0.075%。为了保证仪表系数的稳定性，要求仪表系数的变化不超过±0.10%。假设由脉冲当量变化引入的不确定度分布为均匀分布，则其相对标准不确定度为：

(17)
4.2.3.3 仪表系数的影响

质量流量计仪表系数的变化要求不超过±0.10%，取k=2，则其相对标准不确定度为：

(18)
4.2.3.4 由累积质量M引入的合成相对标准不确定度ur3(M)
(19)
4.2.4 由饱和状态下的LPG的密度ρ引入的B类相对标准不确定度ur4(ρ)

所选用LPG密度试验装置密度最大允许误差为±1.0 kg/m3。假设由饱和状态下的LPG的密度ρ引入的不确定度分布为均匀分布，则其标准不确定度为：

(20)

一般情况下，LPG的密度在500 kg/m3~650 kg/m3的范围内变化，则饱和状态下的LPG的密度ρ的最大相对标准不确定度为：

(21)
4.2.5 由单次测量重复性引入的A类相对标准不确定度ur5(s)

采用标准表法，将加气机检定装置的示值与被检加气机的示值进行比较，计算出相对误差Ei。按照重复性试验条件，连续测量10次，根据贝塞尔统计方法得到加气机检定装置单次测量结果的重复性为：

(22)

则由单次测量的重复性引入的A类相对标准不确定度为[8]：

(23)
4.3 合成相对标准不确定度
(24)
4.4 检定结果的相对扩展测量不确定度

在95%置信概率下，取k=2，则

(25)
5 结语

上述分析、评定以及实际检定应用表明，该检定装置的相对扩展不确定度小于被检LPG加气机最大允许误差的绝对值的1/3，完全符合JJG997—2005《液化石油气加气机计量检定规程》[4]和JJF 1033-2008《计量标准考核规范》[9]中的相关规定。因此，该标准装置完全适用于各级计量技术机构对LPG加气机进行计量检定和技术评价。

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