十六烷值測(cè)定的不確定性分析與評(píng)價(jià)

李鳳偉

（中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

十六烷值測(cè)定的不確定性分析與評(píng)價(jià)

李鳳偉

（中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

用十六烷值認(rèn)可參考值為52.99的高值檢驗(yàn)燃料作為試樣，按照GB/T 386-2010方法要求進(jìn)行測(cè)試，對(duì)美國(guó)Waukesha公司生產(chǎn)的十六烷值試驗(yàn)機(jī)ASTM-CFR F5和法國(guó)Normalbab公司生產(chǎn)的自動(dòng)十六烷值標(biāo)準(zhǔn)/辛烷值參比燃料混合器NABLEND8877在人員實(shí)驗(yàn)操作過程中產(chǎn)生的不確定度來(lái)源進(jìn)行分析。通過對(duì)各個(gè)不確定度分量進(jìn)行量化與合成，計(jì)算出了合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。

不確定度；十六烷值；標(biāo)準(zhǔn)燃料；手輪讀數(shù)

不確定度是建立在誤差理論基礎(chǔ)上的一個(gè)新概念，它表示由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度，是定量說(shuō)明測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。從測(cè)量不確定度的詞義上理解，意味著測(cè)量結(jié)果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度［1］。

其產(chǎn)生原因主要是測(cè)量的不完善和人們認(rèn)識(shí)的不足。測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示主要是從計(jì)量學(xué)的角度，結(jié)合測(cè)量結(jié)果形成的整個(gè)過程，通過各分量的不確定度計(jì)算出來(lái)［2］。在測(cè)量不確定度評(píng)估中可通過所用儀器、量具校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，其示值誤差，以及環(huán)境溫度變化的不確定度來(lái)評(píng)估測(cè)量結(jié)果的分散性。也可以利用以前積累的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或方法的重復(fù)性限等參數(shù)來(lái)評(píng)估測(cè)量結(jié)果的分散性。

十六烷值是評(píng)價(jià)柴油性能的重要指標(biāo)，其測(cè)量結(jié)果直接關(guān)系到柴油產(chǎn)品是否合格，因此，對(duì)十六烷值測(cè)量結(jié)果的可信與可靠程度進(jìn)行分析和評(píng)定十分重要。十六烷值試驗(yàn)機(jī)ASTM-CFR F5能有效實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)柴油著火性能的測(cè)試，NABLEND8877自動(dòng)十六烷值標(biāo)準(zhǔn)燃料混合器是配制標(biāo)準(zhǔn)燃料的儀器，儀器設(shè)備和人員操作中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不確定度。本文對(duì)認(rèn)可參考值為52.99的高值檢驗(yàn)燃料進(jìn)行測(cè)試，利用因果圖分析了不確定度來(lái)源，并對(duì)不確定度各個(gè)分量進(jìn)行了評(píng)定［3-4］。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與測(cè)量條件

ASTM-CFR試驗(yàn)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：900±9r/min。

噴油提前角：固定在上止點(diǎn)前13°。

噴油器開啟壓力：10.30±0.34MPa。

噴油量：13.0±0.2mL/min，對(duì)每個(gè)試樣和標(biāo)準(zhǔn)燃料都要測(cè)量。

噴油傳感器間隙：發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，一般將間隙調(diào)整為1mm（0.04in）。

油器冷卻溫度：38±3℃（100±5℉）。

氣門間隙：0.20±0.02mm，熱機(jī)下測(cè)量。

潤(rùn)滑油壓力：在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下為0.17-0.20MPa（25-30Psi）。

潤(rùn)滑油溫度：57±8.5℃（135±15℉）。

冷卻液溫度：100±2℃（212±3℉），在試驗(yàn)期間要恒定在±0.5℃（±1℉）的范圍內(nèi)。

吸入空氣溫度：66±0.5℃（150±1℉）。

1.2試劑

氣缸夾套冷卻劑：水作為冷卻劑，應(yīng)符合GB/T 6682中三級(jí)水的要求。

圖1　十六烷值測(cè)定流程圖

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱潤(rùn)滑油：應(yīng)使用SF/CD或SG/CD的SAE30黏度等級(jí)的潤(rùn)滑油。在100℃時(shí)，其黏度為9.3mm2/s～12.5mm2/s，黏度指數(shù)不小于85。不能使用加有黏度指數(shù)改進(jìn)劑的潤(rùn)滑油，也不能使用多級(jí)潤(rùn)滑油。

正標(biāo)準(zhǔn)燃料：純度≥99.0%（色譜法測(cè)定），十六烷值為100。

七甲基壬烷：純度≥98.0%（色譜法測(cè)定），十六烷值為15。

副標(biāo)準(zhǔn)燃料：T燃料（典型CNARV為73～75），U燃料（典型CNARV為20～22）。

檢驗(yàn)燃料：低十六烷值檢驗(yàn)燃料（典型CNARV為38～42），高十六烷值檢驗(yàn)燃料（典型CNARV為50～55）。

1號(hào)副標(biāo)準(zhǔn)燃料（T燃料和U燃料）混合物，2號(hào)副標(biāo)準(zhǔn)燃料（T燃料和U燃料）混合物，高值檢驗(yàn)燃料（一種用于控制試驗(yàn)質(zhì)量的、性質(zhì)經(jīng)過選擇的、專門用來(lái)檢查十六烷值機(jī)和評(píng)價(jià)柴油十六烷值測(cè)定準(zhǔn)確性的柴油）。

1.3取樣

試樣選取十六烷值認(rèn)可參考值為52.99的高值燃料進(jìn)行測(cè)量，最大允許誤差在±1.02以內(nèi)。

按照GB/T 4756的規(guī)定取樣。取樣和儲(chǔ)存樣品均應(yīng)使用不透明容器，如深棕色玻璃瓶、金屬罐或反應(yīng)活性較小的塑料容器，以盡量較少暴露在陽(yáng)光和紫外線下。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)之前，試樣應(yīng)達(dá)到室溫，典型室溫為18～32℃，試樣可用定性濾紙過濾。

1.4十六烷值的測(cè)定方法

柴油的十六烷值是在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下，在實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，將其著火性質(zhì)與兩個(gè)已知十六烷值的（十六烷值相差不大于5個(gè)單位，能將樣品包括在中間）標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物比較來(lái)測(cè)定，測(cè)定采用內(nèi)插法的手輪法：對(duì)樣品和兩標(biāo)準(zhǔn)燃料中的每一個(gè)均改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比（手輪讀數(shù)），以得到特定的著火滯后期（噴油器開始噴油和燃燒之間的時(shí)間間隔，以曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)表示），然后根據(jù)手輪讀數(shù)用內(nèi)插法計(jì)算十六烷值。實(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示：

十六烷值計(jì)算公式：

CN——柴油試樣的十六烷值；

CN1——低著火性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值，注：本次試驗(yàn)用CN1=50.1

CN2——高著火性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值，注：本次試驗(yàn)用CN2=55.1

a——樣品兩次測(cè)定手輪讀數(shù)的算術(shù)平均值；

a1——低十六烷值標(biāo)準(zhǔn)燃料兩次測(cè)定手輪讀數(shù)的算術(shù)平均值；

a2——高十六烷值標(biāo)準(zhǔn)燃料兩次測(cè)定手輪讀數(shù)的算術(shù)平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1不確定度的來(lái)源分析

有關(guān)的各不確定度來(lái)源如圖2所示。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)燃料和檢驗(yàn)燃料是在短時(shí)間內(nèi)測(cè)定，轉(zhuǎn)速，溫度，壓力對(duì)于三者的影響相同，引起的不確定度可忽略。而稱量過程的重復(fù)性和手輪的重復(fù)性試驗(yàn)對(duì)結(jié)果的影響都會(huì)在測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性中表現(xiàn)出來(lái)，因此，得到簡(jiǎn)化的不確定度來(lái)源因果圖如圖2所示。

從簡(jiǎn)化圖中可以看出各個(gè)不確定度分量：標(biāo)準(zhǔn)燃料的稱量產(chǎn)生的不確定度主要是天平的校準(zhǔn)引入的，手輪讀數(shù)產(chǎn)生的不確定度主要來(lái)自于手輪讀數(shù)分辨率引入，重復(fù)性產(chǎn)生的不確定度主要來(lái)自稱重和手輪讀數(shù)。

2.2不確定度分量的評(píng)定

不確定度可以分為A、B兩大類。A類不確定度主要是指可以用方法計(jì)算出的不確定度，表現(xiàn)為重復(fù)性。B類不確定度包括：手輪讀數(shù)產(chǎn)生的不確定度，主要是分辨率產(chǎn)生的不確定度；配置標(biāo)準(zhǔn)燃料帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，主要是天平校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)產(chǎn)生的不確定度。

2.2.1A類評(píng)定

重復(fù)性引起的不確定度

在測(cè)試條件下進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)同一樣品進(jìn)行了6次測(cè)試，測(cè)定結(jié)果及不確定度評(píng)定結(jié)果見表1。

圖2　各不確定度來(lái)源示意圖

圖3　簡(jiǎn)化合并后的不確定度來(lái)源

2.2.2B類評(píng)定

試驗(yàn)中手輪分辨率引起的十六烷值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

在測(cè)試兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料時(shí)，手輪讀數(shù)平均差值為32個(gè)刻度，每刻度所影響的十六烷值：（55.1-50.1）÷32=0.16

分辨率引起的讀數(shù)誤差±0.5刻度，由手輪分辨率產(chǎn)生的十六烷值的不確定度服從均勻分布，又因每次試驗(yàn)的手輪讀數(shù)是兩次手輪讀數(shù)的平均值，樣品兩次測(cè)定手輪讀數(shù)由分辨率產(chǎn)生的十六烷值不確定度

表2　測(cè)試過程手輪讀數(shù)及計(jì)算結(jié)果

同理，低十六烷值標(biāo)準(zhǔn)燃料兩次測(cè)定手輪讀數(shù)由分辨率產(chǎn)生的十六烷值不確定度：

高十六烷值標(biāo)準(zhǔn)燃料兩次測(cè)定手輪讀數(shù)由分辨率產(chǎn)生的十六烷值-不確定度：

配制標(biāo)準(zhǔn)燃料時(shí)天平校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)燃料的校準(zhǔn)引起的不確定度

（1）配制標(biāo)準(zhǔn)燃料1引起的不確定度

配制標(biāo)準(zhǔn)燃料要用兩種燃料：T燃料（高十六烷值CNT=76.0，ρT=0.7902g/cm3）和U燃料（低十六烷值CNU= 19.4，ρU=0.7794g/cm3）

1）天平校準(zhǔn)

天平檢定證書顯示：10mg-5kg：d=0.1g；e=10d；Max= 2100g。0g-2000g稱量誤差為0～0.2e，最大允許誤差為±2e，標(biāo)準(zhǔn)不確定度服從均勻分布0.2÷3=0.12g。由于稱量要經(jīng)兩次獨(dú)立稱量（瓶重和總重），所以天平校準(zhǔn)不確定度，不論是稱量T燃料和U燃料都是同一臺(tái)天平，所以稱量T燃料的不確定度umT和稱量U燃料的不確定度umU相等，即umT=umU=0.17g。

標(biāo)準(zhǔn)燃料校準(zhǔn)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，由于十六烷值以它為標(biāo)準(zhǔn)賦值，可忽略不確定度。

2）配制過程引起的不確定度

要配制500ml十六烷值為CN1=50.1的標(biāo)準(zhǔn)燃料1，需用十六烷值為75.2的T燃料275.12g和十六烷值為19.4U燃料224.92g，即：

（2）同上，配制CN2=55.1標(biāo)準(zhǔn)燃料2，引起的不確定度

表3　十六烷值測(cè)定各不確定度分量的匯總表

由表3中各個(gè)不確定度分量的比較可看出，十六烷值測(cè)定的不確定度的主要來(lái)源是測(cè)量的過程中重復(fù)性產(chǎn)生的不確定度分量，配置標(biāo)準(zhǔn)燃料和手輪分辨率產(chǎn)生的不確定度相對(duì)較小。

（3）合成不確定度和擴(kuò)展不確定度

把相應(yīng)的數(shù)值代入上式（3）中，得出合成不確定度ue=0.40

在95%置信度水平下，取包含因子k=2

則十六烷值擴(kuò)展不確定度：U=kP×ue=2×0.40=0.80

3　結(jié)論

本文按照測(cè)量不確定度評(píng)定的指導(dǎo)原則，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，確定柴油十六烷值測(cè)定過程中的不確定度來(lái)源有：標(biāo)準(zhǔn)燃料配制過程產(chǎn)生的不確定度、手輪分辨率產(chǎn)生的不確定度、測(cè)試過程中重復(fù)性引起的不確定度。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的各個(gè)不確定度分量逐一進(jìn)行分析與計(jì)算，得出結(jié)論如下：實(shí)驗(yàn)方法不確定度的主要分量為試驗(yàn)過程中重復(fù)性產(chǎn)生的不確定度，用十六烷值認(rèn)可參考值52.99±1.02的高值檢驗(yàn)燃料檢測(cè)，其測(cè)量結(jié)果的合成不確定度為0.40。在95%置信度水平下，取擴(kuò)展因子k=2，則柴油十六烷值測(cè)定的擴(kuò)展不確定度為U=0.80，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 386-2010，6次重復(fù)測(cè)定認(rèn)可參考值52.99的高值檢驗(yàn)燃料十六烷值為CN=53.12±0.80?？梢姕y(cè)量值CN=53.12±0.80在高值檢驗(yàn)燃料認(rèn)可參考值52.99±1.02允許誤差范圍內(nèi)。本文對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的各個(gè)不確定度分量進(jìn)行分析和計(jì)算，為該柴油十六烷值測(cè)定方法的優(yōu)化和測(cè)量結(jié)果的評(píng)定提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)其他實(shí)驗(yàn)室測(cè)定柴油十六烷值的不確定度評(píng)價(jià)均具有很好的借鑒和參考作用。

［1］中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì).石油石化領(lǐng)域理化檢測(cè)測(cè)量不確定度評(píng)估指南及實(shí)例［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)量管理司.質(zhì)量專業(yè)綜合知識(shí)［M］.北京：中國(guó)人事出版社出版，2010.

［3］ASTM D613-05，柴油燃油十六烷值標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［S］.

［4］GB/T 386-2010，柴油十六烷值測(cè)定法［S］.

Analysis and Evaluation for the Uncertainty of Cetane Number

Li Fengwei
（Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Sinopec，Luoyang Henan 471003）

Uncertainty souce of auto cetane Standard/octane reference fuel mixer NABLEND8877of ASTM-CFR F5 testing machine and French NABLEND8877 produced by American Waukesha Company during the experimen?tal operationprocess was analyzed，according to the test of GB/T386-2010，with a high value cetane of52.99 as the test sample.Each uncertainty component was quantized and synthesized，and the synthetic uncertainty and the expanded uncertainty were calculated.

Uncertainty；Cetane number；Standard fuel；Handwheel reading

TQ426.91

A

1003-5168（2015）05-0109-4

2015-4-21

李鳳偉（1971.10-），男，本科，工程師，研究方向：汽柴油燃燒性能研究。