煤礦用非色散紅外甲烷傳感器測量結(jié)果不確定度評定

楊須祥　田斌斌

摘 要：礦用非色散紅外甲烷傳感器是近幾年煤礦井下普遍使用的一種先進的氣體檢測儀器，具有檢測精度高，響應(yīng)時間快，檢測范圍寬，性能穩(wěn)定，不受檢測環(huán)境中其他氣體的干擾，壽命長等特點。隨著礦用非色散紅外甲烷傳感器在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，對計量檢定中的測量結(jié)果準確度提出了新的要求。本文根據(jù)JJG（皖）37-2012《非色散紅外甲烷傳感器檢定規(guī)程》、JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，詳細介紹了煤礦用非色散紅外甲烷傳感器示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定方法。

關(guān)鍵詞：礦用非色散紅外甲烷傳感器 測量結(jié)果 不確定度評定 方法

中圖分類號：TD712.55 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0223-01

1 測量方法

依據(jù)JJG（皖）37-2012《非色散紅外甲烷傳感器檢定規(guī)程》檢定方法的規(guī)定，選用低濃度8.55%CH4和高濃度85.5%CH4的氮氣中甲烷氣體標準物質(zhì)，按規(guī)定流量通入已標校好的儀器，讀取儀器示值和輸出的電信號值，分別做4次，取后3次的算術(shù)平均值為儀器示值。儀器示值減去標準物質(zhì)濃度值即為儀器示值誤差。

2 測量條件

環(huán)境溫度15℃～35℃，相對濕度45%～75%，氣壓80～106 kPa。

3 數(shù)學模型

被檢儀器示值誤差△X，△X=-XS

式中，為測量儀器示值的平均值；XS為氮氣中甲烷標準物質(zhì)標稱值。

4 不確定度分量

（1）輸入量的標準不確定u（）主要來源于被檢儀器的測量重復(fù)性、測量環(huán)境溫度的波動及使用的玻璃轉(zhuǎn)子流量計流量波動的影響。

①被檢儀器的測量重復(fù)性，可以通過連續(xù)測量得到。采用A類方法進行評定。選擇3臺儀器，用8.55%CH4和85.5%CH4濃度的標氣分別連續(xù)測量3次，得三組測量列：

第一，通入8.55%CH4標氣所得儀器示值：（%CH4）

8.80、8.82、8.80；8.87、8.88、8.91；8.90、8.92、8.92。

則合并樣本標準差：

sP（X1）1==1.5×10-2%CH4，那么該平均值的試驗標準差為：

u（）1=sP（X1）1/≈8.7×10-3%CH4，自由度voff1=3×2=6。

第二，通入85.5%CH4標氣所得儀器示值：（%CH4）

86.8、86.8、86.8；86.3、86.4、86.5；85.6、85.7、85.7。

則合并樣本標準差：

sP（X2）1==6.7×10-2%CH4，那么該平均值的實驗標準差為：

u（）1=sP（X2）1/≈3.9×10-2 %CH4，自由度voff1=3×2=6。

②溫度波動引入的不確定度u（X）2。

試驗過程中溫度波動均在（25±10）℃范圍內(nèi)，通過多次試驗，8.55%CH4點示值變化量為±0.01%CH4，85.5%CH4濃度點儀器示值變化量為±0.1%CH4。假定其滿足矩形分布，可得：

u（）2=0.01/≈5.8×10-3%CH4

u（）2=0.1/≈5.8×10-2 %CH4

③使用的玻璃轉(zhuǎn)子流量計引入的不確定度u（）3。

規(guī)程中明確在用流量計通常為2.5級。則其流量最大誤差為±5 mL/min。通過反復(fù)現(xiàn)場試驗，此流量誤差對儀器8.55%CH4和85.5%CH4濃度點示值的影響分別為±0.01%CH4和±0.1%CH4，假定其均滿足矩形分布，

則u（）3=0.01/=5.8×10-3%CH4；u（）3=0.1/=5.8×10-2%CH4，則u（X1）=[u2（）1+u2（）2+u2（）3]0.5=[（8.7×10-3）2+（5.8×10-3）2 +（5.8×10-3）2]0.5=1.2×10-2%CH4

u（X2）=[u2（）1+u2（）2+u2（）3]0.5=[（3.9×10-2）2+（5.8×10-2）2 +（5.8×10-2）2]0.5=9.1×10-2%CH4

（2）輸入量XS引入的標準不確定度u（XS）。

輸入量XS引入的不確定度主要來源于標準氣體濃度定值。可根據(jù)標氣證書給出的定值不確定度來源評定：因試驗用標氣為國家二級標準物，其相對不確定度為2%（k=2）可得：

u（XS1）=8.55%×2%/k=8.6×10-2% CH4；u（XS2）=85.5%×2%/k=8.6×10-1% CH4

（3）合成不確定度及擴展不確定度。

由于各輸入量彼此不相關(guān)，所以合成不確定度可按下式計算：

uC1=[u2（X1）+u2（Xs1）]0.5=[（1.2 ×10-2）2+（8.6×10-2）2]0.5≈8.7×10-2%CH4

uC2=[u2（X2）+u2（Xs2）]0.5=[（9.1 ×10-2）2+（8.6×10-1）2]0.5≈8.6×10-1%CH4

則U1=kuC1=2×8.7×10-2≈1.7×10-1% CH4（k=2）

U2=kuC2=2×8.6×10-1≈1.7%CH4（k=2）

（4）測量不確定度報告。

在8.55%CH4點的測量結(jié)果X=8.81% CH4，擴展不確定度：

U1=1.7×10-1%CH4；k=2

在85.5%CH4點的測量結(jié)果X=86.4% CH4，擴展不確定度：

U2=1.7%CH4；k=2

從以上誤差分析可以看出：按照此規(guī)程規(guī)定的標準器配置、檢定環(huán)境、檢定方法等內(nèi)容，所得出的相對不確定約為2%（k=2）。

參考文獻

[1] JJG（皖）37-2012，非色散紅外甲烷傳感器檢定規(guī)程[S].

[2] JJF1059.1-2012，測量不確定度評定與表示[S].