電動葫蘆能效測試結(jié)果不確定度評價

王國防董辛

（1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 鄭州 450001）（2.河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 450004）

?

電動葫蘆能效測試結(jié)果不確定度評價

王國防1，2董辛1

（1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 鄭州 450001）
（2.河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 450004）

摘 要：在論述測量不確定度分析原理基礎(chǔ)上，根據(jù)電動葫蘆能效測試方法建立其不確定度評價模型。通過對電動葫蘆能效測試所使用的儀器精度評估，以CD1 10-9型電動葫蘆為例進(jìn)行了電動葫蘆能效測試，并對測試結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評價。

關(guān)鍵詞：電動葫蘆 能效值 測量不確定度 電能表法

電動葫蘆作為一種輕小型起重設(shè)備，不僅獨立作為一種起重設(shè)備廣泛應(yīng)用，而且隨著起重機(jī)械向輕量化發(fā)展，電動葫蘆以其集成化、簡約化為特點應(yīng)用于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，在單梁型和小噸位雙梁型橋門式起重機(jī)及旋臂起重機(jī)上被越來越廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)。根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在每制造100臺起重機(jī)就有75～80臺是以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的，其能耗也開始越來越引起人們的重視。

隨著GB/T 30028—2013《電動葫蘆能效測試方法》的出臺與實施，電動葫蘆能效測試在方法上有了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，但按照國家節(jié)能方面的規(guī)定，需對電動葫蘆的能效指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)示，標(biāo)示的前提是建立統(tǒng)一的能效評價標(biāo)準(zhǔn)方法。評價方法的可信度和可行性是建立在測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度之上的，但由于測量過程中各種測量的不確定因素的存在，為了使能效測試數(shù)據(jù)具有更大的采信度，需要在測量數(shù)據(jù)的分析中引用測量不確定度評價代替誤差分析。

測量不確定度在《測量不確定度表示指南》中的定義是：是與測量結(jié)果質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)，用來表示被測量值的分散性［1］。本文參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對電動葫蘆能效指標(biāo)進(jìn)行不確定度評價。一般而言，測試結(jié)果的質(zhì)量、水平和使用價值與測量不確定度負(fù)相關(guān)。我國電動葫蘆能效測試工作剛剛開展，尚沒有對測試結(jié)果采用不確定度進(jìn)行分析方面的相關(guān)研究。本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對電動葫蘆能效測試結(jié)果進(jìn)行不確定度評價，不僅可以考察及評價電動葫蘆能效值的質(zhì)量，同時還可以探討電動葫蘆能效測試水平和提高以電動葫蘆為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)能效利用率的技術(shù)措施。

1 不確定度分析原理

1.1 建立數(shù)學(xué)模型

評價電動葫蘆能效測試結(jié)果不確定度前，要先根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計知識建立滿足評價要求的數(shù)學(xué)模型。輸出量Y（即被測量）由N個分量，X1，X2，…，XN；通過函數(shù)關(guān)系f來確定［2-3］，即

式中：

Y——被測量或輸出量；

X——影響量或輸入量。

該模型須遵循以下原則：

1）影響測量結(jié)果的所有輸入量應(yīng)被包含在模型中；

2）影響測量結(jié)果的任何不確定度分量應(yīng)被不遺漏且不重復(fù)的包含在模型中；

3）由于選取的輸入量不同，模型的表達(dá)形式可以不同。

1.2 不確定度的A類、B類評價

不同測量因素均會影響測量結(jié)果不確定度的變化，因此按照評價方法的不同，每個評價來源評價的標(biāo)準(zhǔn)偏差（不確定度分量μi）都有A類和B類兩類評價方法［2］。

●1.2.1 不確定度的A類評價

不確定度的A類評價是指對已有的觀測數(shù)據(jù)運用統(tǒng)計分析的方法，求其標(biāo)準(zhǔn)差的最佳估計［2，4］。按照以上方法評價后的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，即是A類不確定度分量μA。

通過重復(fù)性測量或復(fù)線性測量得到n個測量量：x1，x2，…，xn；有

樣本標(biāo)準(zhǔn)差s（xk）計算式為

●1.2.2 不確定度的B類評價

利用已知的信息進(jìn)行不確定度的B類評價后得到的μ（xi），即是B類不確定度分量，記為μB。一般可通過以下途徑得到［2，4］：

1）以前的測試的數(shù)據(jù)；

2）測量儀器生產(chǎn)單位技術(shù)文件上提供的相關(guān)參數(shù)；

3）計量部門出具的測量儀器檢定或校準(zhǔn)報告或其他相關(guān)文件中提供的結(jié)果；

4）實驗方法類的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或其他具有同等效力的技術(shù)文件給出的復(fù)現(xiàn)性數(shù)據(jù)；

5）技術(shù)手冊或其他類似資料中提供的具有參考價值的數(shù)據(jù)及其不確定度。

1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)式（1）中輸入量彼此不相關(guān)或獨立時，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc（y）為［2-3］：

式中：

μc（y）——輸出估計值y相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

μ（xi）——輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可使用相應(yīng)的方法對其進(jìn)行評價，評價為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度或B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

式（4）也可寫成

靈敏度在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度過程中具有重要作用，其求法可通過以下四種途徑［2］：

1）偏導(dǎo)法：當(dāng)模型函數(shù)f已知時，通過對f求偏導(dǎo)即得靈敏度ci；

3）作圖法：由于不確定度傳遞采取近似線性變化形式時，可采用作圖法來確定其靈敏度ci；

4）機(jī)理分析法：測量模型是根據(jù)測量原理對測量系統(tǒng)和測量過程進(jìn)行機(jī)理分析而得出的，單項不確定度分量μi通過以往的統(tǒng)計分析或查有關(guān)資料已確定，通過此法即可求得靈敏度ci。

1.4 擴(kuò)展不確定度的評價

為判別檢驗質(zhì)量是否在所允許的界限內(nèi)，還需要進(jìn)一步評價擴(kuò)展不確定度。擴(kuò)展不確定度為定義測量值所在區(qū)間的參量，表示被測量值的大部分分布被包含在該區(qū)間內(nèi)。

擴(kuò)展不確定度是把輸出量（估計值y）的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行k倍擴(kuò)展后所得，k被稱為包含因子。即k取2或3，多取2，其取值由被測量的重要程度和危險程度確定。

擴(kuò)展不確定度是測量結(jié)果取值區(qū)間的半寬，期望測量值分布的大部分包含在該區(qū)間內(nèi)，測量值在取值區(qū)間內(nèi)被包含的百分?jǐn)?shù)，叫做置信概率或該區(qū)間的置信水平，用符合p表示，同時用表示與置信區(qū)間相聯(lián)系的擴(kuò)展不確定度，區(qū)間為測量結(jié)果的置信概率p的置信區(qū)間為［y?U， y+U］，一般采用p=95%或p=99%。

2 電動葫蘆能效測試不確定度評價模型

電動葫蘆的能效值按照GB/T 30028—2013中給定方法測試，并通過式（7）計算得出。

式中：

G——測試用載荷質(zhì)量，kg；

Hi——第i個測量周期載荷起升距離，m；

Di——第i個測量周期電動葫蘆在上升階段從電能表上的讀數(shù)，kW·h。

按照測量不確定度的理論，應(yīng)用式（7）進(jìn)行不確定度計算時各輸入量之間必須是相互獨立或不相關(guān)的，所得合成不確定度為：

式中：

u（G）、u（H）、u（D）分別為G、H、D的不確定度。

在鉛頂吹爐“一爐三段”一步煉鉛過程中，每個熔煉階段的氧勢有所不同：在氧化熔煉階段，需要鼓入大量的氧氣將硫化鉛精礦中的硫化物氧化成氧化物，氧勢越高，氧化脫硫效果越明顯，但是當(dāng)氧勢達(dá)到足夠高時，容易讓富鉛渣過氧化而產(chǎn)出大量的Fe3O4使?fàn)t渣泡沫化，形成危害性極大的泡沫渣，不利于渣含鉛的降低；氧勢過低，極易產(chǎn)生鉛冰銅影響還原和煙化效果，不利于降低渣含鉛。

對式（7）分別求導(dǎo)整理得：

相關(guān)被測量測量后，電動葫蘆能效值可通過式（7）計算得到，通過A類或B類評價可得到各分量的不確定度，通過式（8）～式（11）可得到靈敏度ci，合成不確定度就可以通過式（8）計算得到。

3 計算實例

3.1 測量結(jié)果

計算實例通過對CD110-9 M3型電動葫蘆進(jìn)行能效測試，并對測試值進(jìn)行不確定度評價，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 電動葫蘆能效測試數(shù)據(jù)表

3.2 不確定度計算

●3.2.1 測量參數(shù)的不確定度評價

根據(jù)電動葫蘆能效測試方法可知測試過程中測試的參數(shù)為載荷質(zhì)量、升降距離和電度值。下面僅以載荷質(zhì)量的測量不確定度評價過程介紹各分量評價過程。

載荷質(zhì)量的不確定度評價包括A類和B類不確定度評價，重復(fù)性測量引入的不確定度即是A類不確定度評價，質(zhì)量測量裝置準(zhǔn)確度引入的不確定度即是B類不確定度。

1）A類不確定度分量u1

質(zhì)量測量系統(tǒng)（即電子衡器）的最大允差是±20.0kg，測量值在此區(qū)間內(nèi)概率分布為規(guī)則分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2）B類不確定度分量u2

3）合成不確定度為

升降距離、電度值的不確定度評價與上述過程相同，按照同樣方法可求出升降距離和電度值的合成不確定度，由式（8）可計算出電動葫蘆能效值的測量不確定度。結(jié)果見表2。

表2 電動葫蘆能效值測量不確定度計算表

3.3 評價分析

通過對表2中電動葫蘆能效值不確定度數(shù)據(jù)分析可知：

1）各分量測量值的不確定度對能效值影響大小不一，其順序為：電度值、起升距離、載荷質(zhì)量。

2）相對于電度值，載荷質(zhì)量和起升距離的不確定度對能效值的不確定度影響很小，可忽略不計。

3）通過提高電度表的準(zhǔn)確度可以降低能效值測試結(jié)果的不確定度。

4 結(jié)論

本文在介紹測量不確定評價原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電動葫蘆能效測試標(biāo)準(zhǔn)方法建立了電動葫蘆能效值不確定度分析模型，并通過實例來說明電動葫蘆能效值的不確定度評價過程和方法。通過分析得出對電動葫蘆能效值的不確定度影響較大的因素——電度表的準(zhǔn)確度。因此，可在測試過程中考慮提高電度表的準(zhǔn)確度，從而降低電動葫蘆能效值測試結(jié)果的不確定度。

參考文獻(xiàn)

［1］ JJF 1059.1-2012 測量不確定度評價與表示 ［S］.

［2］ 林洪樺.測量誤差與不確定度評估［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 王志國，馬一太，盧葦.不確定度分析原理在鍋爐熱效率測算中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報， 2005， （3）：125-129.

［4］ （澳）萊斯·柯卡普，鮑伯·弗倫克爾.測量不確定度導(dǎo)論 ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2011.

［河南省科技計劃項目：132109000010］

Uncertainty Assessment of the Electric Hoist Energy-efficiency Test

Wang Guofang1，2Dong Xinmin1
（1. Institute of Mechanical Engineering， Zhengzhou University Zhengzhou 450001）
（2. Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and Test Zhengzhou 450004）

AbstractThis paper discusses the principle of uncertainty of measurement analysis， and establishes the uncertainty evaluation model according to electric hoist efficiency test method. Through to making an assessment of accuracy of instrument for electric hoist test of energy efficiency， we evaluate the uncertainty of the test result of CD1 10-9 type electric hoist for efficiency test.

KeywordsElectric hoist Value of energy-efficiency Uncertainty in measurement Electric energy meter method

作者簡介：王國防（1981～），男，碩士，工程師，從事起重機(jī)械故障診斷及檢測研究工作。

收稿日期：（2015-11-19）

中圖分類號：X941

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0040-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.010