測(cè)量不確定度在閥門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用

牛芳清（天津科電石化科技發(fā)展有限公司，天津 300271）

測(cè)量不確定度在閥門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用

牛芳清
（天津科電石化科技發(fā)展有限公司，天津 300271）

針對(duì)目前檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的測(cè)量結(jié)果表示不夠完整，測(cè)量不確定度的應(yīng)用沒(méi)有普及的情況，對(duì)測(cè)量結(jié)果的表述進(jìn)行研究，在調(diào)節(jié)閥檢測(cè)試驗(yàn)中，評(píng)定各檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量不確定度，表明了用測(cè)量不確定度表述檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，比用誤差表示更科學(xué)實(shí)用。通過(guò)測(cè)量不確定度的評(píng)定可以定量評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量，并反映出測(cè)量的可靠程度。將檢測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量不確定度做進(jìn)一步計(jì)算，還可以應(yīng)用于閥門(mén)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)。以回差和泄漏量這兩個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目為例，評(píng)定其測(cè)量不確定度，具體說(shuō)明測(cè)量不確定度在閥門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用。

測(cè)量不確定度；閥門(mén)；檢測(cè)

1　引 言

測(cè)量不確定度反應(yīng)了對(duì)被測(cè)量真值不能肯定的程度，或者說(shuō)測(cè)量值作為被測(cè)量真值的估計(jì)值，可能存在的一個(gè)散布范圍，并在這個(gè)散布范圍內(nèi)以一定的概率包含被測(cè)量真值［1］。它是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，測(cè)量不確定度越小，所述結(jié)果與被測(cè)量的真值愈接近，測(cè)量結(jié)果質(zhì)量越高，其使用價(jià)值越高；反之測(cè)量結(jié)果質(zhì)量就越低。

在實(shí)際工程使用中，調(diào)節(jié)閥是安裝在工藝管道系統(tǒng)中的。閥直接與流體介質(zhì)接觸，因此其結(jié)構(gòu)、材料和性能將直接影響生產(chǎn)裝置的可靠性，其是否合格直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行及其工藝過(guò)程控制質(zhì)量的好壞。所以，在閥門(mén)安裝使用前，常常需要進(jìn)行檢測(cè)。閥門(mén)檢測(cè)也越來(lái)越受到相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的重視，檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也就成了必須要解決的問(wèn)題。對(duì)此，提出用測(cè)量不確定度表述檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，來(lái)定量評(píng)價(jià)檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量。

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測(cè)的主要項(xiàng)目有基本誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差和泄漏量，本文舉例分析回差和泄漏量的測(cè)量不確定度來(lái)源，同時(shí)給出評(píng)定測(cè)量不確定度的具體計(jì)算過(guò)程。

2　調(diào)節(jié)閥及其檢測(cè)

調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩部分組成。根據(jù)使用能源不同，調(diào)節(jié)閥可分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥三類(lèi)。在工業(yè)過(guò)程控制中，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)用最廣。氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種調(diào)節(jié)閥除了執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同以外，所用的閥都是相同的。調(diào)節(jié)閥是工業(yè)過(guò)程控制中的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)。

從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，閥是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件［2］。在一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，這就是閥芯行程的變化量，來(lái)改變閥芯與閥座間的流通截面積，這樣即可改變閥的阻力系數(shù)，以控制流入或流出被控過(guò)程的流體介質(zhì)的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的控制。

調(diào)節(jié)閥有氣開(kāi)、氣關(guān)兩種形式。其理想流量特性有直線型、對(duì)數(shù)型、快開(kāi)型與拋物線型流量特性四種。根據(jù)工程需要，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式很多，有直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥、蝶閥、三通閥、角型閥、隔膜閥、低溫閥、高壓閥、球閥等。

將調(diào)節(jié)閥使用在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，需要符合很多技術(shù)要求，調(diào)節(jié)閥檢測(cè)就是檢測(cè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥的相關(guān)參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的技術(shù)要求包括基本誤差、回差、死區(qū)、始終點(diǎn)偏差、額定行程偏差、泄漏量、填料函及其他連接處的密封性、氣室的密封性、耐壓強(qiáng)度等。

3　閥門(mén)檢測(cè)結(jié)果不確定度的評(píng)定

閥門(mén)檢測(cè)的項(xiàng)目有很多，下面以檢測(cè)中做回差試驗(yàn)和泄漏量試驗(yàn)為例，評(píng)定檢測(cè)結(jié)果的不確定度。被測(cè)調(diào)節(jié)閥為DN50、PN16的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，試驗(yàn)依據(jù)GB/T4213-2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》進(jìn)行，環(huán)境條件為溫度15℃，相對(duì)濕度45%。

3.1回差的測(cè)量不確定度

3.1.1測(cè)量?jī)x器

經(jīng)校準(zhǔn)合乎國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的：

YFC-100液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)；

VC05信號(hào)源，量程為0-30mA，靈敏閾為0.001mA；

YE-100百分表，回程誤差為0.002mm。

液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)是一種閥門(mén)的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備，用于各類(lèi)高、中、低壓閥門(mén)的耐壓強(qiáng)度、泄漏量、密封等各項(xiàng)性能檢測(cè)。它可分為液壓系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、低壓注水泵、液動(dòng)高壓供壓裝置、壓力表、閥門(mén)開(kāi)關(guān)和水箱這幾部分。液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)置有通過(guò)拉桿連接的兩個(gè)工作盤(pán)，它們的內(nèi)側(cè)相對(duì)面上均對(duì)應(yīng)設(shè)置有盲板，兩盲板之間設(shè)置有閥門(mén)固定區(qū)。機(jī)械機(jī)構(gòu)就位于閥門(mén)固定區(qū)，它包括夾緊機(jī)構(gòu)和90度翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)由夾爪的夾緊裝置和徑向移動(dòng)裝置組成。兩工作盤(pán)的外側(cè)面上分別設(shè)置有液壓油缸，油缸與液壓系統(tǒng)連接。

液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)的工作過(guò)程大致有四個(gè)步驟：1調(diào)節(jié)所需的工作壓力；2將被測(cè)閥門(mén)夾緊；3通過(guò)接通不同的水、氣回路，配合不同的裝夾組合，即可進(jìn)行閥門(mén)的各項(xiàng)性能檢測(cè)；4檢測(cè)完畢，用起吊裝置將被測(cè)閥門(mén)吊離測(cè)試機(jī)。在回差的測(cè)量中，液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)主要用于夾裝閥門(mén)。

3.1.2測(cè)量過(guò)程

將規(guī)定的輸入信號(hào)平穩(wěn)地分別按增大和減小方向輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室，測(cè)量各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值，試驗(yàn)點(diǎn)包括信號(hào)范圍的0、25%、50%、75%、100%五個(gè)點(diǎn)，在同一輸入信號(hào)上所測(cè)得的正反行程的最大差值的絕對(duì)值即為回差。

3.1.3數(shù)學(xué)模型的建立

式中Δli——第i點(diǎn)的正反行程差，mm；

li正——第i點(diǎn)的正行程，mm；

li反——第i點(diǎn)的反行程，mm。

由測(cè)量過(guò)程可得式（1），第i點(diǎn)的正行程與反行程的差值即為正反行程差，而回差是正反行程差的最大值的絕對(duì)值。

3.1.4測(cè)量不確定度來(lái)源的分析

在滿(mǎn)足GB/T4213-2008的條件下，由于標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有要求進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，測(cè)量不確定度只包含B類(lèi)分量，B類(lèi)分量主要由儀器誤差引起，所以回差的測(cè)量不確定度主要由百分表的儀器誤差引起。

表1　五個(gè)測(cè)量點(diǎn)的正反行程差

3.1.5測(cè)量不確定度的評(píng)定

測(cè)量信號(hào)范圍的0、25%、50%、75%、100%五個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行程值，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，五個(gè)點(diǎn)的最大正反行程差為0.235mm，所以回差為0.235mm。

采用B類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于回差的測(cè)定，百分表的誤差限為0.002mm，可認(rèn)為服從均勻分布，取包含因子為，所以行程的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取包含因子k=2，置信概率為95.45%，則擴(kuò)展不確定度

相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=U/回差=0.004/0.235≈1.7%

測(cè)量不確定度報(bào)告：回差=0.235mm，Urel=1.7%，k=2

3.2泄漏量的測(cè)量不確定度

3.2.1測(cè)量?jī)x器

經(jīng)校準(zhǔn)合乎國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的：

YFC-100液壓閥門(mén)測(cè)試機(jī)；

VC05信號(hào)源，量程為0-30mA，靈敏閾為0.001mA；

J9-1電子秒表，量程為0～3600s，靈敏閾為0.01s；

IN量筒，量程為0～2L。

3.2.2測(cè)量過(guò)程

室溫15℃的條件下，按照規(guī)定流向?qū)崈舻乃尤腴y內(nèi)，閥出口直通大氣，使閥前后差壓維持在350kPa，當(dāng)確認(rèn)閥和下游各連接管道完全充滿(mǎn)水并且泄漏量穩(wěn)定后，用秒表計(jì)時(shí)1分鐘，用量筒測(cè)取泄漏量。

3.2.3數(shù)學(xué)模型的建立

式中Q——樣品的泄漏量，ml/min；

V——泄漏出的水的體積，ml；

t——時(shí)間，min。

由測(cè)量過(guò)程可得式（2），單位時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)閥泄漏出的水的體積即為泄漏量。

3.2.4測(cè)量不確定度來(lái)源的分析

在滿(mǎn)足GB/T4213-2008的條件下，由于標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有要求進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，測(cè)量不確定度只包含B類(lèi)分量，B類(lèi)分量主要由儀器誤差引起，所以泄漏量的測(cè)量不確定度主要由量筒和秒表的儀器誤差引起。

3.2.5測(cè)量不確定度的評(píng)定

在t=60.18s的時(shí)間內(nèi)，測(cè)得泄漏出的水的體積V=1570ml，所以樣品泄漏量

采用B類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于泄漏量的測(cè)定，量筒的誤差限為10ml，秒表的誤差限為0.07s，可認(rèn)為服從均勻分布，取包含因子為，所以體積和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

泄漏量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取包含因子k=2，置信概率為95.45%，則擴(kuò)展不確定度

相對(duì)擴(kuò)展不確定度

測(cè)量不確定度報(bào)告：

4　數(shù)據(jù)分析

由于對(duì)這兩個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目均只進(jìn)行了單次試驗(yàn)，所以測(cè)量不確定度不包含A類(lèi)分量，均采用B類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。回差的測(cè)量結(jié)果可表述為

泄漏量的測(cè)量結(jié)果可表述為

式中P為置信概率。可知測(cè)量不確定度反映了，回差測(cè)量值可能存在的散布范圍是0.231mm～0.239mm，并在此范圍內(nèi)以95.45%的概率包含被測(cè)量真值；泄漏量測(cè)量值可能存在的散布范圍是1553ml/min～1577ml/min，并在此范圍內(nèi)以95.45%的概率包含被測(cè)量真值。從而量化地表述出檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并通過(guò)置信概率反映出測(cè)量的可靠程度。將上述測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)GB/T4213-2008規(guī)定的技術(shù)要求相比較，即可判斷閥門(mén)的該項(xiàng)參數(shù)是否符合要求。

另外，測(cè)量不確定度還可以應(yīng)用于閥門(mén)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)。為了比較本實(shí)驗(yàn)室與其他取得認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力水平是否一致，兩家實(shí)驗(yàn)室需采用相同的檢測(cè)方法對(duì)同一閥門(mén)進(jìn)行檢測(cè)，得出包含測(cè)量不確定度的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算比率值

式中x1、x2分別為兩家實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)數(shù)據(jù)，U1、U2分別為兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量不確定度。若En≤1，則比對(duì)結(jié)果滿(mǎn)意，確定了實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)檢測(cè)的能力；若En＞1，則比對(duì)結(jié)果不滿(mǎn)意，實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)目的檢測(cè)存在問(wèn)題，需采取糾正措施。

5　結(jié)論

以前測(cè)量誤差常被用來(lái)表述測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。誤差是測(cè)量值與客觀真值的差，真值是客觀存在的，但它只是一個(gè)期望值，一般無(wú)法知道，因此測(cè)量誤差也無(wú)法知道，所以不能把它直接用作測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的量化表示。而測(cè)量不確定度可以量化地表述出測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，所以在測(cè)量結(jié)果的完整表示中，應(yīng)該包含測(cè)量不確定度。在閥門(mén)檢測(cè)中，用測(cè)量不確定度表述檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，就可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量做出量化的評(píng)價(jià)。將測(cè)量不確定度做進(jìn)一步計(jì)算，還可以應(yīng)用于閥門(mén)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)，判斷參加比對(duì)的幾家實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力水平是否一致。

［1］任隆良，谷晉騏.物理實(shí)驗(yàn)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2003.

［2］樊蕾.游標(biāo)卡尺示值誤差的測(cè)量不確定度分析與線性擬合［J］.中國(guó)計(jì)量，2014（09）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.251