音速喷嘴法气体流量标准装置不确定度分析

音速喷嘴法气体流量标准装置不确定度分析
一、概述
GLV-Z系列临界流文丘利喷嘴气体流量标准装置（以下简称置），选用符合国际标准（ISO9300）的临界流文丘利喷嘴气体流量标准，采用标准流量计比较发原理进行流量计的检定或测试。

本报告引用643-2003国家计量检定规程“标准表法流量标准装置”。

1、JJG643-2003国家计量检定规程“临界流流量计”；
2、JJG620-94国家计量检定规程“临界流流量计”；
3、CNAL/AC012003“检测和校准实验室认可准则”；
4、CNAL/AG062003“测量不确定度政策实施指南”。

二、装置简介
1、基本结构
该装置按照主要功能分成两大部分：主要的装置设备部分和专用管理软件部分，装置的谁被部分主要由以下五部分组成：
1.1装置计量部分
该部分包括：滞止容器、被压容器、音速喷嘴组、阀门组、压力变送器、温度变送器、阀门组等。

2、工作原理与特点
2.1测量原理
临界流文丘利喷嘴（简称喷嘴），当气体通过喷嘴喉部最小截面时，
在达到临界压比下[P/P ≤0.528时空气]其流速达到最大值（音速），但小
于临界压比时，气体通过该截面上的流速仍然保持最大值，音速不变。

我们就是利用临界流喷嘴具有这一特性，作为气体计量量值标准的理论依据。

根据空气动力学，热力学，分子物理学等知识，经理论推导，通过临界流喷嘴的气体质量流量，可按下式计算：
Qg =
T
p C d φ
3778
.01P PH ϕ
-kg/h (1)
Qg ：通过临界流喷嘴的气体质量流量（㎏/h ） P ：临界流喷嘴前滞止绝对压力（KPa ） T ：临界流喷嘴前滞止绝对温度（K ）
ф：和临界流喷嘴喉部面积等有关系数（制造单位给出） Cd ：流出系数（制造单位给出）
PH ：在实验室条件下饱和蒸汽压力Kpa （计算机内可查） Ф：在实验室条件下相对湿度（湿度计实测获得） Po ：在实验室内大气压力
根据连续性原理，通过被检流量计的质量流量Qg ，一定等于通过临界流喷嘴的质量流量Qg 。

被检气体流量计的输出信号是和体积流量有函数关系，则通过被检定气体流量计的标准体积流量可用下式表示：
Q V1=0.28689
T
P PT 11C d φ
3778
.01P PH ϕ
- (2) P 1：被检气体流量计的表前绝对压力Kpa
T1：被检气体流量计的表后绝对湿度K
通过被检气体流量计的实际指示流量值Qv则其检定结果误差应为
11
V V
V Q Q
Q-
=
σ×100% (3)
三、误差来源分析
根据装置的构成测量原理，形成有效检测的要素主要是：
⑴完全等流量传递通道。

⑵准确的参数（压力温度，湿度等）测量。

⑶准确的临界流计算公司和有效的喷嘴参数。

由此，可以对装置总体误差或不确定度形成影响的项目归类如下：
1、气体泄漏量：
由于本装置的原理是标准表法，要求通过被检表的质量流量与标准表一致，所以从被检表的后端到喷嘴之间不允许有泄漏，其控制指标为0.05%。

2、各类检测传感器和仪表：
包括被检表前后，滞止容器内和音速喷嘴前后的压力变送器，温度变送器，大气压力计以及湿度计。

这些参数是用于判断和计算的依据，因此必须符合要求且经过检定。

3、音速喷嘴组：
须经过专业检定，给出响应的流出系数，临界流系数和检测结果。

4、计算机数据采集：
四、各类参数的不确定度
1、泄漏量
本装置的指标为优于0.05%，根据测试，在区间内为均匀分布，取K= ，
其标准不确定度V 1=
3
0590.0=0.029%
2、一体化温度变送器
根据其检定证书，本装置所附之一体化温度变送器的基本误差限均为0.15%，设温度测量及不均匀引起误差限为0.15℃，则不确定度为
3
)20273(15.0+=
t U =0.030%
3、压力变送器
根据检定证书，本装置所附之压力变送器基本误差最大为0.03%，优于0.05%，不确定度为%029.03
%05.0==
p U
4、计算机数据采集计时Vr=0.01%
5、与喷嘴有关的参数
根据前述数学模型 28689.01=V Q T
P PT 11C d φ
3778
.01P PH ϕ
- (4) 式中Cd-流出采数
P-喷嘴前的绝对滞止压力 T-喷嘴前的绝对温度 P 1-被检表前（或后）度绝对压力 T 1-被检表前（或后）的绝对温度 ф-与临界流喷嘴喉部面积等有关系数
PH-在实验室条件下饱和蒸汽压力 Ф-室内相对温度 Po-实验室内大气压力
由于喷嘴的检质与实际使用时相同，空气压缩系数的不确定度很小，而湿度休整所引起的不确定灵敏度很小。

因此，在该模型中除了压力与温度参数外，流出系数Cd 的不确定度是主要的影响因素。

根据检定证书，检测结果准确度优于0.2%，故%115.03
%2.0==cd V
6、PVTt 法检定喷嘴的精度为0.1%，故%058.03
%1.0==
s U
五、装置的合成不确定度2)]()([i i i i c X V X C U ∑= 其中：Uc-装置的合成不确定度
C 1v-各分量的灵敏系数 U 1v-各分量不确定度 将式（4）简化为d v C T
P PT K Q ==111
K 为简化系数 求偏导： v i i v i i Q X X Q X C •∂∂=1)( d v C T
P KT P Q 1
=∂∂ T P KPC T Q d V 11=
∂∂ T P PT K C Q d v 11
=∂∂
d v C T
P PT P Q 2111-=∂∂ d v C T P PT T Q 31121
•-=∂∂ 由此得出各分量的灵敏系数C 1v
测量不确定度一览表
装置的合成不确定度
U C =[(0.029%)2+(0.115%)2+(0.015%)2+(0.029%)2+(0.030%)2+(0.029%)2+(0.010%)2+(0.058%)2]2
1=0.142%
结论：本装置的标准不确定度为0.142%，取K=2，其扩展不确定度为0.284%，均优于提出的指标要求。

流出系数的不确定度
音速喷嘴检定6次，流出系数C 分别为0.9925，0.9932，0.9925，0.9934，0.9929，0.9923，其平均值为0.9928。

流出系数的重复性为平均值的标准偏差，用贝塞尔公式计算得到：Ur （C ）=0.044% Cr （C ）=
1=∂∂•r
r E C
C E。