基于輕型車排放領(lǐng)域的測(cè)量不確定度的應(yīng)用

胡雅璐

摘要：隨著檢測(cè)技術(shù)能力的提升和各方對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有了更高的要求，不同準(zhǔn)確性的測(cè)量成本是有極大差異的。在汽車排放檢測(cè)領(lǐng)域，因其檢測(cè)設(shè)備及原理的復(fù)雜性，引入測(cè)量不確定度是有必要的，可合理表征測(cè)量結(jié)果在一定置信水平下的置信范圍。由于測(cè)量不確定度常由很多分量組成，獲得不確定度分量的方法也不同，造成了不確定度的評(píng)定比較困難。本文從排放污染物檢測(cè)活動(dòng)的實(shí)際情況出發(fā)，以Ⅱ型試驗(yàn)RDE為例，分析了不同類型的不確定度分量，最終評(píng)定出測(cè)量不確定度。

關(guān)鍵詞：測(cè)量不確定度;實(shí)際行駛污染物排放;RDE試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：X830? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0136-03

0? 引言

測(cè)量不確定度理論是在誤差理論的基礎(chǔ)上發(fā)展的一門新的理論，它不是對(duì)誤差理論的否定，而是誤差理論的發(fā)展。所謂的誤差，其定義為測(cè)量結(jié)果減去被測(cè)量的真值;而不確定度的定義為與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，表征合理地賦予被測(cè)量值的分散性[1]。它是表征測(cè)量結(jié)果質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)定量的指標(biāo)，具有較高的可操作性，而測(cè)量誤差涉及到被測(cè)量的真值，而真值是不能確定的，因而只能使用約定真值的概念，可操作性較差。根據(jù)誤差來判定測(cè)量過程的合理性和產(chǎn)品的合格性已過于單純。

自2020年7月1日起所有輕型車都需要滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)，因此將不確定理論引入汽車排放領(lǐng)域才能使測(cè)量結(jié)果更合理、更完整，且不確定度評(píng)估是CNAS要求的內(nèi)容（CNAS-CL07）[2]，不確定度能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)程度，也能避免一些對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的爭(zhēng)議（針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果接近排放限值臨界值情況）。

1? 不確定度評(píng)定的應(yīng)用

1.1 概述

基于GB 18352.6-2016《輕型車汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》，將對(duì)其中實(shí)際行駛污染物排放進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的計(jì)量特性、技術(shù)參數(shù)及測(cè)量數(shù)據(jù)分析計(jì)算，建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行不確定度評(píng)估，最終形成試驗(yàn)結(jié)果不確定度評(píng)定報(bào)告。本文以道路排放試驗(yàn)中CO排氣污染物測(cè)試結(jié)果為典型進(jìn)行評(píng)定。

1.1.1 檢測(cè)儀器、設(shè)備參數(shù)

檢測(cè)使用設(shè)備為AVL MOVE車載排放測(cè)試系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要組成部分為：氣體測(cè)量單元、顆粒測(cè)量單元、排氣流量測(cè)量單元、GPS接收器、環(huán)境氣象站。具體技術(shù)參數(shù)見表1。

1.1.2 測(cè)量原理

AVL MOVE氣體測(cè)量單元可測(cè)量乘用車搭載的汽油機(jī)或者柴油機(jī)所排放出的NO/NO2和CO/CO2濃度。NO/NO2的測(cè)量是通過NDUV（非分散紫外吸收法）分析儀實(shí)現(xiàn)的，可以同時(shí)并直接測(cè)量NO和NO2而不需要轉(zhuǎn)化器。CO/CO2的測(cè)量使用的是NDIR（非分散紅外）分析儀。排氣流量測(cè)量單元采用Pitot管式流量計(jì)。

1.1.3 試驗(yàn)程序

RDE需在測(cè)試車上安裝完測(cè)試系統(tǒng)后，按照試驗(yàn)路線和試驗(yàn)工況進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試程序見圖1。

1.2 不確定度評(píng)定流程

不確定度的評(píng)定流程如圖2所示。

1.2.1 不確定度評(píng)估類別

不確定度評(píng)估類別分為A類與B類兩種，這兩種類別的定義與來源見表2。

1.2.1.1 測(cè)量不確定度的A類評(píng)定

對(duì)在規(guī)定測(cè)量條件下測(cè)得的量值用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行的測(cè)量不確定度分量的評(píng)定[3]。統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法有以下兩種：①貝塞爾公式：

x：n次獨(dú)立測(cè)量的算術(shù)平均值。

②極差法公式：s（x）=

R：n次獨(dú)立測(cè)量中，最大值與最小值之差;

C：極差系數(shù)，可由表2給出，其值與測(cè)量次數(shù)有關(guān)。

1.2.1.2 B類不確定度分量評(píng)估

用不同于測(cè)量不確定度A類評(píng)定的方法對(duì)測(cè)量不確定度分量進(jìn)行的評(píng)定[4]。B類通常得到的信息是被測(cè)量分布的極限范圍，可以知道輸入量x分布區(qū)間的半寬a，即允許誤差限的絕對(duì)值。被測(cè)量x的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u（x）=

1.2.2 評(píng)估方法的確定

不確定度影響關(guān)系如圖3所示。主要受以下因素影響：

①設(shè)備測(cè)量的氣體濃度Cgas：主要受氣體分析模塊GAS測(cè)量精度和標(biāo)定零點(diǎn)、量距點(diǎn)影響。標(biāo)定的情況主要受到所用標(biāo)準(zhǔn)氣體的影響。這兩類不確定度應(yīng)分別采用B類不確定度評(píng)價(jià)，在合成為氣體濃度的不確定度。

②采樣流量q：主要受到采樣控制模塊測(cè)量精度的影響，采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

③行駛距離d：主要受到GPS測(cè)量速度的精度的影響，采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

④對(duì)于一些無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的不確定度影響，例如駕駛員駕駛行為、燃油品質(zhì)等，統(tǒng)一采用測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)，利用A類不確定度來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)GB18352.6-2016Ⅱ型試驗(yàn)，污染物的瞬時(shí)質(zhì)量排放可由以下公式得出：

式中：mgas——排氣污染物gas的質(zhì)量[g/s];

？籽gas——排氣污染物gas的組分密度[kg/m3];根據(jù)GB18352.6-2016 表CE.2可以查得=1.25kg/m3;

？籽e——0℃排氣密度[kg/m3];

Cgas——測(cè)得排氣污染物gas的濃度[ppm];

q——測(cè)得排氣質(zhì)量流量率[m3/s];

d——相當(dāng)于測(cè)試循環(huán)的實(shí)際距離[km]。

設(shè)試驗(yàn)時(shí)間為T，試驗(yàn)行駛距離為d，則整個(gè)試驗(yàn)的排氣污染物距離特性排放可表示為：

考慮上述影響測(cè)量不確定度的所有來源，代入測(cè)量重復(fù)性影響因子f，建立數(shù)學(xué)模型如下：

1.4 RDE試驗(yàn)不確定度的評(píng)估

根據(jù)GB18352.6-2016在標(biāo)準(zhǔn)路線工況進(jìn)行5次RDE試驗(yàn)。與不確定度計(jì)算有關(guān)的測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中根據(jù)GB18352.6-2016 表CE.2可以查得：？籽CO=1.25kg/m3。

1.4.1 測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（f）

測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值為：

重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

1.4.2 采樣流量q引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)采樣模塊流量計(jì)校準(zhǔn)證書，其測(cè)量精度為±1%F.S.，試驗(yàn)最大采樣流量為42.28L/s，試驗(yàn)時(shí)間為5873秒，則車輛試驗(yàn)時(shí)采樣流量的誤差變化為±0.01*42.28*5873=

±2483.1044L。區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為，區(qū)間半寬為2483.1044L。

其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

1.4.3 污染物校正濃度引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由兩部分合成，分析設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)氣體。根據(jù)氣體分析設(shè)備校準(zhǔn)證書，測(cè)量精度為測(cè)量點(diǎn)的±2%;取前者，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為包含因子為，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)廠給出的氣體標(biāo)定證書， CO濃度為57100ppm 相對(duì)擴(kuò)展不確定度為±1%，包含因子k=2，則由標(biāo)準(zhǔn)氣體引入的不確定度為：

兩個(gè)分量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

1.4.4 車輛行駛時(shí)實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)GPS校準(zhǔn)證書，GPS測(cè)量速度精度為讀數(shù)的±1%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為，那么實(shí)際行駛距離的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

1.4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)估

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式為：

1.4.6 靈敏系數(shù)計(jì)算

靈敏度系數(shù)c通常是對(duì)測(cè)量函數(shù)y在Xi=xi的偏導(dǎo)數(shù)得到，靈敏度系數(shù)是一個(gè)有符號(hào)和單位的量值，它表明了輸入量xi的不確定度ur影響被測(cè)量估計(jì)值的不確定度uc的靈敏程度。有些情況下，靈敏系數(shù)難以通過函數(shù)f計(jì)算得到，可以用實(shí)驗(yàn)確定。

c（f）=1，為重復(fù)測(cè)量的靈敏系數(shù);

c（Cco）==1，為測(cè)得排氣污染物的濃度的靈敏

系數(shù);

c（q）==1，為測(cè)得排氣質(zhì)量流量率的靈敏系數(shù);

c（d）==1，為測(cè)量試驗(yàn)時(shí)實(shí)際行駛距離的靈敏

系數(shù)。

1.4.7 不確定度分量匯總

將上述不確定度分量匯總于表4。

本次試驗(yàn)MCO=149.46mg/km，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1.4.8 擴(kuò)展不確定度評(píng)估

取包含因子k=2，得：

1.4.9 CO排氣污染物檢測(cè)結(jié)果擴(kuò)展不確定度報(bào)告

輕型汽車實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)Mco測(cè)量結(jié)果為149.46mg/km，其擴(kuò)展不確定度：

或

2? 結(jié)語

通過建立不確定度評(píng)定數(shù)學(xué)模型，分析各分量來源，完成不確定度的評(píng)估，提升實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)工作的綜合能力。CNAS規(guī)定當(dāng)客戶要求時(shí)報(bào)告中需提供測(cè)量不確定度，通過該項(xiàng)目的研究，對(duì)報(bào)告專業(yè)水平有一定提升，滿足客戶對(duì)報(bào)告不確定度的要求，有助于對(duì)外業(yè)務(wù)合作的開展。

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