JJF 2319-2025 激光可调吸收光谱法天然气水含量仪校准规范

　　中华人民共和国国家计量技术规范

JJF 2319—2025

激光可调吸收光谱法天然气水含量仪

校准规范

Calibration Specification for Natural Gas Water Content Analyzers by

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

2025-09-08发布2026-03-08实施

国家市场监督管理总局 发布

归口单位:全国能源资源计量技术委员会能源计量

分技术委员会

主要起草单位:中国计量科学研究院

中石油西南油气田分公司天然气研究院

本规范委托全国能源资源计量技术委员会能源计量分技术委员会负责

解释

本规范主要起草人:

王海峰(中国计量科学研究院)

罗 勤(中石油西南油气田分公司天然气研究院)

李占元(中国计量科学研究院)

参加起草人:

宋小平(中国计量科学研究院)

何 斌(中石油西南油气田分公司天然气研究院)

张佩颖(中石油西南油气田分公司天然气研究院)

目 录

引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ)

1 范围…………………………………………………………………………………… (1)

2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)

3 术语…………………………………………………………………………………… (1)

4 概述…………………………………………………………………………………… (1)

5 计量特性……………………………………………………………………………… (2)

5.1 示值误差…………………………………………………………………………… (2)

5.2 重复性……………………………………………………………………………… (2)

6 校准条件……………………………………………………………………………… (2)

6.1 环境条件…………………………………………………………………………… (2)

6.2 校准用标准器及配套设备………………………………………………………… (2)

7 校准项目和校准方法………………………………………………………………… (3)

7.1 校准准备…………………………………………………………………………… (3)

7.2 示值误差的校准…………………………………………………………………… (3)

7.3 示值误差的重复性………………………………………………………………… (4)

8 示值误差的不确定度评定…………………………………………………………… (4)

9 校准结果表达………………………………………………………………………… (4)

10 复校时间间隔……………………………………………………………………… (5)

附录A 甲烷湿度发生器的实施方法示例…………………………………………… (6)

附录B 水含量示值误差的不确定度评定示例……………………………………… (7)

附录C 校准原始记录格式(供参考) ……………………………………………… (10)

附录D 校准证书(内页)格式(供参考) ………………………………………… (12)

Ⅰ

JJF 2319—2025

引 言

JJF 1071—2010 《国家计量校准规范编写规则》、JJF 1001—2011 《通用计量术语及

定义》和JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范编制工作

的基础性系列规范。

本规范为首次发布。

1 范围

本规范适用于在水含量测量范围5 μL/L~500 μL/L内使用的激光可调吸收光谱法

天然气水含量仪(以下简称水含量仪)的校准。

2 引用文件

本规范引用下列文件:

JJG 499—2021 精密露点仪检定规程

JJG 693—2011 可燃气体检测报警器检定规程

JJF 1094—2002 测量仪器特性评定

凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文

件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。

3 术语

3.1 水含量 water content

天然气中水蒸气的含量。

注:以体积比表示,单位为μL/L。

3.2 水露点 dew point

在等压的条件下将气体冷却,当气体中的水蒸气冷凝成水并达到相平衡状态时的气

体温度。

注:

1 简称露点,单位为℃。

2 相同压力下,水含量越高,露点越高。

3.3 霜点 frost point

在等压的条件下将气体冷却,当气体中的水蒸气冷凝成霜并达到平衡状态时气体的

温度。

注:简称霜点,单位为℃。

3.4 激光可调吸收光谱 tunable diode laser absorption spectrum;TDLAS

通过改变半导体激光器工作电流或工作温度等参数调谐激光输出波长,扫描被测气

体得到某一条或一簇吸收谱线的吸收光谱,通过分析该吸收光谱就可获得被测气体的浓

度信息。

注:这里的吸收光谱包括直接吸收光谱、波长调制光谱、频率调制光谱或腔增强吸收光谱等。

4 概述

激光可调吸收光谱法测量天然气水含量的原理是:波长在一定范围内周期性变化的

1

JJF 2319—2025

激光通过充满天然气的光腔,经过1次或多次反射后到达检测器,通过测量透射激光信

号在调制频率两倍频(2f)处的分量,计算天然气中的水含量。水含量仪的主要组成部

分包括激光、光腔、反射镜和透射光光强检测器等。水含量仪结构如图1所示。

图1 水含量仪结构示意图

1—天然气进气口;2—压力传感器;3—温度传感器;4—天然气出气口;5—光学窗口;6—光电二极管(透射光

光强检测器);7—激光驱动电路;8—微处理器;9—输入/输出接口;10—按键控制面板;11—显示屏;12—光电二

极管;13—光腔;14—反射镜

5 计量特性

5.1 示值误差

水含量的示值误差不超过±0.2 μL/L+5%·X 。其中,X 是水含量测量值,单位

为μL/L。

5.2 重复性

水含量测量重复性不超过0.3 μL/L+1%·X 。

注:以上指标不适用于符合性判别,仅供参考。

6 校准条件

6.1 环境条件

6.1.1 实验室应安装通风设施,周围无强烈振动源干扰,无强电磁干扰。

6.1.2 环境温度:15 ℃~28 ℃。

6.1.3 环境相对湿度:≤80%。

6.1.4 实验室内的甲烷浓度不得超过200 μL/L。

6.2 校准用标准器及配套设备

计量标准装置包括甲烷湿度发生器和冷镜式精密露点仪(以下简称露点仪)。采用

比较法校准,即湿度发生器发出的甲烷湿气,一分为二,分别经过露点仪和水含量仪,

以露点仪的水含量测量结果为标准值,计算水含量仪的示值误差。

6.2.1 甲烷湿度发生器

湿度发生器能够发生甲烷为基体的湿气,甲烷体积分数覆盖80%~100%范围,水

含量覆盖5 μL/L~500 μL/L范围。湿度发生器达到平衡状态后,30 min内霜点波动不

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JJF 2319—2025

超过0.1 ℃。附录A给出了甲烷湿度发生器实施方法的示例。

6.2.2 露点仪

露点仪经过计量技术机构校准,符合JJG 499—2021的要求,具体如表1所示。

表1 露点仪的计量性能指标

测量范围最大允许误差(MPE)

水含量/ (μL/L) 霜点/℃ 霜点/℃

≤39 ≤-50.0 ±0.6

>39 >-50.0 ±0.4

6.2.3 可燃气体分析仪

便携式可燃气体分析仪,甲烷浓度测量范围为1 μL/L~50 000 μL/L,经过计量技

术机构参考JJG 693—2011的要求校准。

6.2.4 校准介质

甲烷气体,纯度不低于99.99%,水含量不超过1 μL/L;氮气,纯度不低于

99.999%,水含量不超过2 μL/L。

7 校准项目和校准方法

7.1 校准准备

关闭窗户,打开通风设施。打开可燃气体检测仪。

7.2 示值误差的校准

1)打开甲烷和氮气钢瓶;打开露点仪、水含量仪和恒温水槽。

2)根据露点仪和水含量仪的最佳流量,计算所需湿气的总流量。

3)调节甲烷气路和氮气气路的流量计,使得混合气的总流量符合上述目标值,并

且甲烷的体积百分比为90%;如果校准客户要求不同的甲烷体积百分比,则调节甲烷和

氮气的流量,使得混合气甲烷体积百分比达到客户要求。

用便携式可燃气体测定仪检测上述校准装置管路接头部位,如发现可燃气体浓度明

显高于环境背景值,应关闭甲烷钢瓶,重新安装管路接头。

4)调节恒温水槽水温,使得流出恒温水槽的混合气的水含量约为10 μL/L,对应

的霜点约为-60.5 ℃。当30 min内水含量变化量不超过0.13 μL/L,即霜点变化量不

超过0.1 ℃时,分别记录水含量仪和露点仪测定的水含量示值,并按照公式(1)计算

水含量示值误差。

ΔX =XTDLAS-XDP (1)

式中:

ΔX ———水含量示值误差,μL/L;

XTDLAS———水含量仪的水含量测量结果,μL/L;

XDP———露点仪的水含量测量结果,μL/L。

每隔2 min测量1次,重复测量6次,得到6个水含量示值误差。按照公式(2)计

算该校准点示值误差的平均值(ΔX )。

3

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ΔX =Σn

i=1ΔXi

n (2)

式中:

ΔX ———水含量示值误差的平均值,μL/L;

ΔXi———第i 次测量结果的示值误差,μL/L;

n———测量次数,n=6。

5)调节甲烷湿度发生器,使得发生的湿气的水含量分别为30 μL/L、100 μL/L和

350 μL/L (对应的霜点分别为-52.1 ℃、-42.1 ℃和-30.7 ℃),各水含量校准点参

照2)~4)步骤进行示值误差的校准。

7.3 示值误差的重复性

根据上述测量结果,按照公式(3)计算每一个校准点的水含量示值误差的标准偏

差,作为重复性。

s= Σn

i=1 (ΔXi -ΔX )2

n -1 (3)

式中:

s———水含量示值误差的标准偏差,μL/L。

8 示值误差的不确定度评定

水含量示值误差的不确定度评定示例见附录B。

9 校准结果表达

根据校准结果填发校准证书,所有校准项目及其结果均应在证书中反映。校准证书

应包括以下信息:

a)标题:“校准证书”;

b)实验室名称和地址;

c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);

d)证书的唯一性标识,每页及总页数的标识;

e)客户的名称和地址;

f)被校准对象的描述和明确标识;

g)进行校准的日期;

h)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;

i)本次校准所使用测量标识的溯源性及有效性说明;

j)校准环境的描述;

k)校准结果及其测量不确定度的说明;

l)对校准规范的偏离的说明;

m)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;

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n)校准结果仅对被校对象有效的声明;

o)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。

10 复校时间间隔

建议水含量仪复校时间间隔为1年,根据水含量仪的使用环境条件、频率等也可由

用户自主决定复校时间间隔。更换重要部件后、维修后或对水含量仪性能和测定数据有

怀疑时,应及时校准。

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附录A

甲烷湿度发生器的实施方法示例

采用比较法校准水含量仪,即湿度发生器发出的甲烷湿气,一分为二,分别经过露

点仪和水含量仪,以露点仪的水含量测量结果为标准值,计算水含量仪的示值误差。渗

透管原理的甲烷湿度发生器实施方式如下。

图A.1展示了渗透管原理的甲烷湿度发生器的基本结构。如图A.1所示,甲烷和

氮气按照一定的体积比混合后,通入浸泡在恒温水中的渗透管的一端,然后从另一端流

出。渗透管为塑料材质。由于塑料的透水性,使得少量的水从塑料管外渗透到塑料管

内,并以水蒸气的形式与管内气体混合。改变恒温水槽的水温,可以调节水蒸气渗透的

速率,从而调节湿气的含水量。恒温水槽的水温在0 ℃~70 ℃范围内可调,对应的湿气

的水含量在5 μL/L~500 μL/L范围内。湿气含水量稳定后,30 min内霜点波动不超过

0.1 ℃。

甲烷和氮气的流量分别用流量计控制,甲烷的流量在1.4 L/min~1.8 L/min范围

内;氮气的流量在0 L/min~0.4 L/min范围内;混合气的总流量在1.8 L/min左右。

通过改变甲烷和氮气的流量,混合气的甲烷的浓度在80%~100%范围内任意可调。从

仪器排出的尾气经管路排到户外。用可燃气体检测仪监测实验室内甲烷浓度,不得超过

200 μL/L。

$)4 /2

L%

5%-"4

! F"

图A.1 甲烷湿度发生器结构示意图

1—甲烷钢瓶;2—氮气钢瓶;3,4—流量计;5—恒温水槽;6—聚丙烯渗透管;

7—流量调节阀;8—露点仪;9—水含量仪

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附录B

水含量示值误差的不确定度评定示例

以甲烷体积分数为90%为例,介绍水含量仪示值误差的不确定度评定。

B.1 测量模型

由于水含量的示值误差等于水含量测量结果和标准值之差[见公式(1)],因此以

公式(1)为测量模型,评定水含量示值误差的不确定度。

B.2 不确定度来源

根据上述测量模型可知,不确定度来源主要有以下几个方面:测量重复性、水含量

标准值,以及湿度发生器波动性。

B.3 不确定度分量评定

B.3.1 测量重复性引入的不确定度u1

选择一台水含量仪,用满足6.2所述要求的计量校准装置,按照7.2所述的校准方

法进行校准。调节湿气的甲烷含量为90%。当湿气的水含量约为10 μL/L时,校准水含

量仪。分别记录水含量仪和露点仪测定的水含量示值,并计算水含量示值误差;重复测

量6次,计算示值误差的平均值和重复性。详细结果见表B.1。

表B.1 测量数据

TDLAS水含量

测量值

μL/L

露点仪水含量

标准值

μL/L

水含量示值

误差

μL/L

水含量示值

误差平均值

μL/L

水含量测量

重复性

μL/L

水含量示值

误差的平均值

的标准偏差

μL/L

9.50 9.20 0.31

9.49 9.20 0.29

9.48 9.20 0.28

9.53 9.21 0.32

9.67 9.22 0.45

9.67 9.22 0.45

0.35 0.079 0.033

以示值误差测量结果的平均值的标准偏差作为测量结果重复性引入的不确定度,如

公式(B.1)所示。

u1 =s

n

= Σn

i=1 (ΔXi -ΔX )2

n(n -1) (B.1)

式中:

u1———测量重复性引入的不确定度,μL/L;

s———单次测量示值误差的标准偏差,μL/L;

n———测量次数,n=6;

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ΔXi———第i 次测量结果的示值误差,μL/L;

ΔX ———示值误差的平均值,μL/L。

根据公式(B.1)计算得到u1 为0.033 μL/L,近似为0.04 μL/L。类似地,当水含

量约为30 μL/L、100 μL/L 和350 μL/L 时,u1 分别为0.02 μL/L、0.08 μL/L 和

0.14 μL/L (见表B.2)。

B.3.2 水含量标准值的不确定度u2

露点仪计量校准证书给出了不同露点的修正值。露点仪的露点测量结果经过修正后

使用。由露点仪的计量校准证书可知,露点修正值的扩展不确定度U 为0.2 ℃。因此修

正后的露点测量结果的扩展不确定度U 为0.2 ℃,标准不确定度u 为0.1 ℃。当水含量

约为10 μL/L、30 μL/L、100 μL/L和350 μL/L时,对应的露点仪引入的不确定度分

量u2 分别为0.14 μL/L、0.38 μL/L、1.16 μL/L和3.68 μL/L (见表B.2)。

B.3.3 甲烷湿度发生器波动性引入的不确定度u3

湿度发生器波动性不超过±0.1 ℃/30 min,湿度发生器露点的可能值出现在

±0.1 ℃中心附近的概率大于接近区间边界的概率,近似三角分布。因此按三角分布计

算,取分布系数k 为6,因此湿度发生器波动性引入的露点不确定度u3 为0.1 ℃/6,

即0.041 ℃。当水含量约为10 μL/L、30 μL/L、100 μL/L和350 μL/L时,对应的露

点仪引入的不确定度分量u3 分别为0.06 μL/L、0.16 μL/L、0.48 μL/L和1.51 μL/L

(见表B.2)。

B.4 不确定度的合成

根据上述水含量示值误差的3个不确定度来源,合成得到示值误差的标准不确定度

uc(ΔX ),如公式(B.2)所示。

uc(ΔX )= u12+u22+u32 (B.2)

如表B.2 所示,当水含量约为10 μL/L 时,u1、u2 和u3 分别为0.04 μL/L、

0.14 μL/L和0.06 μL/L,根据公式(B.2)计算得到uc(ΔX )≈0.16 μL/L。

uc(ΔX )= u21

+u22

+u23

= 0.042+0.142+0.062 μL/L≈0.16 μL/L

类似地,当水含量约为30 μL/L、100 μL/L和350 μL/L,uc(ΔX)分别为0.41 μL/L、

1.26 μL/L和3.98 μL/L (见表B.2)。

B.5 扩展不确定度

当水含量约为10 μL/L时,示值误差的标准不确定度uc(ΔX )=0.16 μL/L,取包

含因子k=2,扩展不确定度为:

Uc(ΔX )=k·uc(ΔX )=2×0.16 μL/L=0.32 μL/L

类似地,当水含量约为30 μL/L、100 μL/L 和350 μL/L 时,Uc(ΔX )分别为

0.82 μL/L、2.52 μL/L和7.96 μL/L,详见表B.2。

8

JJF 2319—2025

表B.2 水含量示值误差的不确定度

水含量测量结果

μL/L

u1

μL/L

u2

μL/L

u3

μL/L

uc(ΔX )

μL/L

Uc(ΔX )

μL/L

10 0.04 0.14 0.06 0.16 0.32

30 0.02 0.38 0.16 0.41 0.82

100 0.08 1.16 0.48 1.26 2.52

350 0.14 3.68 1.51 3.98 7.96

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附录C

校准原始记录格式(供参考)

一、基本信息

委托方名称记录编号

校准地址校准日期

环境温度/℃ 相对湿度/%

规格型号出厂编号

生产单位露点仪证书编号

露点仪证书有效期露点仪校准依据

计量标准编号计量标准测量范围

计量标准不确定度计量标准有效期

用户要求甲烷体积分数甲烷流量/(L/min)

氮气流量/(L/min) 甲烷体积百分数

二、校准结果

水槽水温

℃

水含量仪

测量值

μL/L

露点仪水含量

测量值

μL/L

水含量示值

误差

μL/L

示值误差的

平均值

μL/L

示值误差的

标准偏差

μL/L

示值误差的

最大允差

μL/L

重复性限

μL/L

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(续)

水槽水温

℃

水含量仪

测量值

μL/L

露点仪水含量

测量值

μL/L

水含量示值

误差

μL/L

示值误差的

平均值

μL/L

示值误差的

标准偏差

μL/L

示值误差的

最大允差

μL/L

重复性限

μL/L

校准员 核验员

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附录D

校准证书(内页)格式(供参考)

校准结果

水含量

μL/L

水含量示值误差

μL/L

重复性

μL/L

示值误差不确定度

(U ,k=2)

μL/L