王静

摘要：按照JJG 259—2005《标准金属量器》检定规程，以容量比值为1：1容量比较法用20 L的二等标准金属量器对20 L的三等标准金属量器进行容积检定，并对测量结果进行不确定度评定和分析。

关键词：标准金属量器 容量比较法 不确定度

Evaluation and Analysis of Measurement Uncertainty of the Third-class Standard Metal Tank Measuring Instrument

Wang Jing （Nanchong Institute of Metrology and testing）

Abstract： According to the verification regulation of JJG 259—2005， the volume of 20 L third-class standard metal measuring instrument was verified by using 20 L second-class standard metal measuring instrument with a capacity ratio of 1：1， the uncertainty of measurement results was evaluated and analyzed.

Key words： standard metal tank， capacity comparison method， uncertainty

1 引言

标准金属量器，主要采用不锈钢或碳素钢制成，具有确定容积，是用来开展容量量值传递的计量器具。按照准确度等级分类，可分为一等标准金属量器，最大允许误差为±5×10-5;二等标准金属量器，最大允许误差为±2.5×10-4;三等标准金属量器（工作量器），最大允许误差为±（0.5～1）×10-3。三等标准金属量器（工作量器）广泛应用于各石油行业、加油站，主要是為加油机日常期间核查的重要计量器具，量值准确显得尤为重要。作为法定计量检定机构，本单位主要利用二等标准金属量器对三等标准金属量器（工作量器）、燃油加油机、液体流量标准装置、气体流量标准装置等项目按照容量比较法开展实施量值传递。容量比较法是利用高一级标准金属量器，通过检定介质，对被检金属量器进行直接比较，经过温度修正确定被检金属量器容积的方法。为保证量值传递工作的准确性、有效性、可靠性，现就二等标准金属量器检定三等标准金属量器进行测量结果的不确定度评定和分析。

2 概述

2.1 测量依据

JJG 259—2005《标准金属量器》

2.2 环境条件

室温：（20±10）℃，水温与室温之差不得大于5 ℃。

2.3 测量标准

标称容量为20 L的二等标准金属量器，材料为不锈钢， 体胀系数为5×10-5℃-1，MPE：±2.5×10-4;

温度计，测量范围：（0～50）℃，MPE：±0.2℃;

标准玻璃量器组;

超声波测厚仪;

秒表。

2.4 被测对象

标称容量为20 L的三等标准金属量器，材料为不锈钢，体胀系数为5×10-5℃-1。

2.5 测量过程

2.5.1 以水为检定介质，采用二等标准金属量器与被测对象容量比值为1∶1容量比较法，按照JJG 259—2005《标准金属量器》对被测对象的容积和计量颈分度容积进行检定。

2.5.2 按照规程将被检金属量器置于二等标准金属量器的下方，调整水平;用排液软管将二等标准金属量器的排液口与被检金属量器的注液口相连;将检定介质水注入到二等标准金属量器中，充分润湿。打开放液阀门，以最大排量方式将二等标准金属量器的水排放到被检的金属量器中，移开放液软管，使二等标准金属量器处于检定前状态。打开被检量器的放液阀门，将被检量器中的水排空，在滴流状态下等待 2 min，关闭放液阀，使被检金属量器处于待检状态。

2.5.3 将水注至二等标准金属量器的标称容量20 L对应的刻线位置，用温度计测量标准量器内的水温并做好记录。打开标准量器的排液阀门，将其内的水排入被测量器内，在滴流状态下保持2 min，然后关闭阀门;记录水在被测量器计量颈中的液位高度hi，然后测定其水温;按照规程中相关公式即可求出被测量器在20 ℃状况下的容积值。

（1）

式中：

VB――测量标准20 ℃时的容量值，L

V20――被检量器液高hi对应的20 ℃容量值，L; β1――测量标准的体胀系数，℃-1;

β2――被测对象的体胀系数，℃-1;

βW――检定介质（本试验中为水）的体胀系数，℃-1;

t1――测量标准内的水温，℃;

t2――被测量器内的水温，℃。

重复以上步骤三次，将三次测量液位高度hi分别换算到标称容量VB下的液位高度Hi，取三次换算后Hi的算术平均值H作为被检量器标称容量位置对应的液位高度。计算公式如下：

（2）

式中：

f――被检金属量器计量颈的分度容积，mL/mm。

（3）

2.5.4 用容量250 mL的标准玻璃量器按照规程7.2.4.7进行计量颈分度容积检定。计量颈分度容积值计算公式：

（4）

2.5.5 重复2.5.3和2.5.4步骤三次，将三次液位高度的算术平均值换算到标准量器标称容量下的液位高度作为被测量器标称容量位置。计量颈分度容积值采用三次测量的平均值V f表示。

2.6 测量数据

各项测量数据见表1。

计量颈分度容量检定数据见表2。

3 测量模型及灵敏系数

3.1 测量模型

容积检定开始前，标准金属量器与被检金属量器都按照规程要求经充分润湿，被检金属量器排液能力、密封性都满足规定要求。检定过程中，检定介质自标准金属量器流入被检金属量器时，标准金属量器与被检金属量器都按照规程规定排液滴流，忽略标准金属量器壁内、管道上有残留的影响，因此根据规程建立以下测量模型：

（5）

式中： VB ――测量标准20 ℃时的实际容量值（标称容量），L;

V20――被检量器液高hi 对应的20 ℃容量值，L;

β1――测量标准的体胀系数，℃-1;

β2――被检量器的体胀系数，℃-1;

βW――检定介质水的体胀系数，℃-1;

t1――测量标准内的水温，℃;

t2――被检量器内的水温，℃;

ΔV――被检量器液位高度多次测量换算到VB下容量增量，L。

3.2 灵敏系数

本次试验中，β1与β2相等，则公式（5）可简化为：

t1最大值为21.9 ℃，t2最大值为22.0 ℃，进行不确定评定时，分别取最大值，则取t1=21.9 ℃ ，t2= 22.0 ℃，

则

由于各分量（输入量）VB 、β1 、βW 、t1 、t2、ΔV独立互不相关，所以合成标准不确定度可按式（6）计算：

（6）

4 输入量标准不确定度的评定

4.1 输入量VB的标准不确定度u（VB） 的评定

输入量VB 的不确定度来源主要有标准金属量器的准确度等级引入的不确定度u（VB）和标准金属量器定值读数时人为读数误差引入的不确定度u（VB2）。

u（VB1）采用B类方法进行评定，根据JJG 2024—1989《容量计量器具检定系统》规定，二等标准金属量器相对扩展不确定度Urel=2.5×10-4，取k=3，VB=20 L，则

;

标准金属量器在定液位高度值時，估计人为读数误差影响±1 mm，根据标准金属量器计量颈分度容量值Vf =0.800 mL/mm（数据由标准金属量器溯源证书给出），换算到容积误差影响为±0.8 mL，按照均匀分布考虑：

;

4.2 输入量β1的标准不确定度u（β1）的评定

输入量β1的不确定度来源于标准量器材料体膨胀系数的测定，二等标准金属量器材料为不锈钢，体膨胀系数β1=5×10-5℃-1，采用B类方法进行评定，按照均匀分布考虑，包含因子k=，则：

4.3 输入量βW的标准不确定度u（βW）的评定

在规程规定的环境下，水的膨胀系数2×10-4℃-1，采用B类方法进行评定，按照均匀分布考虑，包含因子k=，则：

4.4 输入量t1、t2的标准不确定度u（t1）、u（t2）的评定

输入量t1、t2分别为标准量器和被测量器中水的温度， 其不确定度主要是由温度测量仪表的准确度引起的，采用B类方法进行评定。水银温度计的分度值为0.1 ℃，最大允许误差为±0.2 ℃，因此忽略分辨力引入的不确定度分量，在这里只考虑温度计最大允许误差带入的影响量，最大允许误差按照均匀分布考虑，包含因子k=，所以

4.5输入量ΔV的标准不确定度u（ΔV）的评定

输入量ΔV的不确定度来源于被测量器液位高度的不重复，通过多次连续测量取平均值，对测量结果的影响量主要有重复性测量和读数时的人为估读误差。对被测量器在重复性条件下测量3次，测量结果经换算后如下：69.8399，69.7799，69.7999（单位：mm），采用A类方法进行评定，由极差法可得。

根据测量得出的被测量器的计量颈分度容量Vf=2.13 mL/mm，经换算得：

被测量器在读取液位高度值时，估计人为读数误差影响±1mm，根据被检金属量器计量颈分度容量值检定结果Vf=2.013 mL/mm，换算到容积误差影响为±2.013mL，按照均匀分布考虑：

;

则：

5 标准不确定度数据表

根据以上计算结果，可得到数据表，见表3。

6 合成标准不确定度

7 扩展不确定度

取包含因子k=3，扩展不确定度为

相对扩展不确定度为

8 测量不确定度的报告与表示

三等标准金属量器容量值测量结果的相对扩展不确定度为

20L处，

9 结束语

（1） 从上面的数据、评定过程，我们可以观察到，重复性测量条件下，被检量器多次测量读取的液位高度值换算到20 ℃下对应液位高度是非常接近的，说明重复性是非常小的。容量经过温度修正，与标准量器的标称容量差值几乎趋近于零，因此可以忽略液体从标准量器流出到被测量器后的残留及挂壁影响，所以采用二等金属量器检定三等金属量器时，在建立数学模型时未考虑残留及挂壁影响。那么从多次测量结果液位高度观察，影响液位测量结果的主要因素则是标准金属量器确定标准容积，确定标准容积对应的液位高度。最大的影响因素就是人为操作和读数不准确。再则是读取被检金属量器液位高度值，同样是人为操作和读数不准带来影响量。所以不确度评定主要考虑因素即是标准金属量器的准确度等级和标准金属量器、被检量器液位定值读数时的人为误差。

（2）从测量模型公式中，我们可以观察到，在满足规程规定的环境条件下，被检金属量器与标准金属量器材质相同， ，影响容积计算结果的主要是被检金属量器和标准金属量器内的水的温度。控制好环境温度的变化，环境温度与被测量器水温、标准量器水温温差越小，温度变化对测量结果标称容量的影响越小。测量过程中，环境适宜的条件下，标准量器和被测量器的水温变化是非常小的，因此影响测量结果不确定度的主要是测量水温时，人为读数引起误差。

（3）本次评定过程中未考虑计量颈分度容积检定带来的影响。计量颈分度容积采用A级玻璃量器组实施，A级250 mL标准玻璃量器，其最大允许误差±0.15 mL，和玻璃内应力都满足相关规程要求，所以忽略影响不计。