短路試驗電流不確定度的評定

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(zhǔn)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(jìn)行不確定度的評定，保證測量結(jié)果判定的準(zhǔn)確性。

按照新版標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到制造商標(biāo)稱值，以此來檢驗低壓成套設(shè)備是否符合標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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。

不確定度的發(fā)展和內(nèi)容

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(yán)謹(jǐn)。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(biāo)。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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)提供的量值的不準(zhǔn)確、引用的數(shù)據(jù)或其他參量值的不準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(rèn)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(yán)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。

短路試驗不確定度評定

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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)證書得出：

4.合成標(biāo)準(zhǔn)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