文 鞠彬彬 員雪峰
短路試驗電流不確定度的評定
文 鞠彬彬 員雪峰
短路試驗的準確與規(guī)范性是實驗室能力驗證的重要組成部分,通過對短路試驗電流進行不確定度的評定,保證測量結(jié)果判定的準確性。
按照新版標準GB 7251.1-2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則》要求,低壓成套開關(guān)設(shè)備不僅要滿足正常工作時的溫升、機械操作性能等方面要求,還應(yīng)能夠耐受不超過額定值的短路電流所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和電動應(yīng)力。在實際試驗過程中,實驗室通常采用模擬低壓成套設(shè)備發(fā)生短路時的情況,在輸入端施加較大的試驗電壓,通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗,使試驗電流達到制造商標稱值,以此來檢驗低壓成套設(shè)備是否符合標準要求。由于短路試驗的偶然性和不可重復(fù)性,因此對試驗數(shù)據(jù)的準確度要求非常高,傳統(tǒng)的誤差理論已不能滿足測試要求。按照ISO/ IEC17025《檢測和校準實驗室能力的通用要求》規(guī)定,我們在短路試驗中了引入不確定度的概念。
不確定度是經(jīng)典的誤差理論發(fā)展和完善的產(chǎn)物。測量誤差的定義是測量結(jié)果減去被測量的真值,因此要得到誤差的兩個必要條件是:測量結(jié)果和已知真值,但由于真值按其本性是不確定的實際上用的是約定真值,所以這一說法本身就不嚴謹。1963年美國計量專家埃森哈特提出采用不確定度的建議。
一、測量不確定度的定義
測量不確定度是與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù),表征合理地賦予被測量之值的分散性。顧名思義,不確定度即測量結(jié)果的不能肯定程度,換句話說表明這個結(jié)果的可信賴程度,它是測量結(jié)果的質(zhì)量指標。定義中的所謂“合理”意指應(yīng)考慮到各種因素對測量的影響所做的修正,這些測量影響因素就是后面要講到的測量不確定的來源;“賦予被測量之值”意指被測量的結(jié)果,他不是固有的,而是人們賦予的最佳估計值;“分散性”即每次測得的結(jié)果不是同一值,它是以一定的概率分散在某個區(qū)域的許多個值。總的意思是測量不確定度是一個與測量結(jié)果在一起的參數(shù)(或量),在測量結(jié)果的完整表示中應(yīng)包括測量不確定度,此參數(shù)(或量)說明了置信概率區(qū)間的半寬度。簡言之:測量值的分散程度或分散性就是不確定度。
二、測量不確定度的來源
從影響結(jié)果的因素考慮,測量不確定度主要來源于以下10個方面:被測量的定義不完整、復(fù)現(xiàn)被測量的測量方法不理想、取樣的代表性不夠、對測量過程受環(huán)境影響的認識不恰如其分或?qū)Νh(huán)境的測量與控制不完善、對模擬式儀器的讀數(shù)存在人為偏移、測量儀器的計量性能的局限性、測量標準或標準物質(zhì)提供的量值的不準確、引用的數(shù)據(jù)或其他參量值的不準確、測量方法和測量程序的近似和假設(shè)、在相同條件下被測量在重復(fù)觀測中的變化??偲饋碚f就是被測對象、測量設(shè)備、測量環(huán)境、測量人員和測量方法等帶來的。
三、測量不確定度的分類
測量不確定度依據(jù)其評定方法不同分為A、B兩類。用對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定的測量不確定度稱為A類不確定度評定,常用方法有貝塞爾法、別捷爾斯法、極差法等。用不同于對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定的測量不確定度稱為B類不確定度評定,B類評定的信息主要來源于以前的測量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗或資料、檢定證書或校準證書等。
四、測量不確定度的意義
測量不確定度必須正確評定,不確定度評定過大會使用戶認為現(xiàn)有測量水平不能滿足需要而去購買更加昂貴的儀器,導(dǎo)致不必要的投資造成浪費;不確定度評定過小,會因要求過于嚴格,對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)加工造成不必要的成本增加,使企業(yè)蒙受經(jīng)濟損失。
短路試驗系統(tǒng)如圖1所示
圖1 短路試驗系統(tǒng)圖
通過對驗證過程的分析,主要影響不確定度的因子有3部分,一是電源波動的影響,二是電參數(shù)表的影響、三是環(huán)境溫度的影響。
一、建立數(shù)學(xué)模型
式中:C1— 電源波動引起的不確定度。
C2— 電參數(shù)表引起的不確定度。
C3— 環(huán)境溫度引起的不確定度。
擴展不確定度: kCCk×= 。
1.電源波動不確定度的計算
電源波動的影響,屬于不確定度A類分量。線路按要求連接完畢后,依次進行10次預(yù)期波測量,每次測量時,測試儀復(fù)位初始狀態(tài),關(guān)閉電源,目的在于使每次測試結(jié)果彼此獨立。
表1 試驗電流測量值
計算10次獨立測量結(jié)果的算術(shù)平均值:
觀測值的實驗方差為:
則A類評定的不確定度:
2.電參數(shù)表不確定度計算
電參數(shù)表引起的影響屬于B類不確定度,其測量結(jié)果的不確定度由校準證書得出:
3.環(huán)境溫度不確定度計算
環(huán)境溫度的影響屬于B類不確定度,其測量結(jié)果的不確定度由校準證書得出:
4.合成標準不確定度的計算:
5.擴展不確定度的計算:
二、不確定度的結(jié)果報告
短路試驗電流擴展不確定度為:
其中:包含因子k=2,置信概率P=95%。
總之,短路試驗不確定度的來源比較復(fù)雜,影響因素較多,檢驗人員應(yīng)從環(huán)境、設(shè)備、人員素質(zhì)等方面綜合考慮,且在工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗,為檢驗檢測提供盡量真實、科學(xué)的分析數(shù)據(jù)。
作者單位:山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院