陶瓷片密封水嘴綜合測試系統(tǒng)的研制與測量不確定度分析

倪棟

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 福建廈門 361004）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水資源越來越匱乏，節(jié)約用水，提高用水效率是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，而且隨著人們對健康和品質(zhì)生活要求的提高，高質(zhì)量多功能的衛(wèi)浴產(chǎn)品需求也越來越大，當然，對其性能的要求也越來越高[1]?！短沾善芊馑臁罚℅B 18145—2014）、EN817：2008《衛(wèi)生潔具－機械混合龍頭（PN10）－通用技術(shù)要求》（單柄雙控水嘴）、ASME A112.18.1-2011/CSA B125.1-11（2012）《管道供水裝置》[2-4]等國家及歐美標準除了規(guī)定陶瓷片密封水嘴的外觀、金屬污染物析出、使用性能、水力學性能、壽命等指標要求以外，還明確了產(chǎn)品的測試方法及相關(guān)試驗裝置系統(tǒng)示意圖。

本文通過研究相關(guān)標準的測試方法，并不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局與功能設(shè)計，研制出能夠滿足多種產(chǎn)品類型，多種標準的陶瓷片密封水嘴衛(wèi)浴壽命與水力學綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進行水嘴開關(guān)壽命、轉(zhuǎn)換開關(guān)壽命、旋轉(zhuǎn)出水管壽命、抽取水嘴壽命、靈敏度、流量、抗水壓機械性能和密封性的試驗。

1 綜合測試系統(tǒng)設(shè)計

綜合測試系統(tǒng)采用低壓控制系統(tǒng)、PLC和觸摸式人機界面構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心，直接連接工控機實現(xiàn)系統(tǒng)集成控制與遠程監(jiān)控，在測試過程中能方便地對各測試參數(shù)和測試數(shù)據(jù)進行對話式快速設(shè)定及實時讀取。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，主要由供水與電氣系統(tǒng)、氣路管路、機臺主體功能模塊和控制系統(tǒng)組成。

圖1 綜合測試系統(tǒng)

1.1 供水與電氣系統(tǒng)

供水和電氣系統(tǒng)運用多種技術(shù)手段，采用試水測試設(shè)備主機與冷熱供水機及分體風冷式制冷機相組合，以實現(xiàn)冷水及熱水溫度在整個測試中的相對恒定，從而達到測試標準的要求，并通過自動化智能控制提高了整臺設(shè)備的使用性能，具有以下幾個特點：

（1）利用循環(huán)熱電偶感應，PLC智能控制氣缸切換分水槽，使得冷熱水回流到回水槽，并通過液位開關(guān)感應回水泵確保將冷熱水槽中的水抽回冷熱水箱中。

（2）利用機械式的浮球開關(guān)補償冷、熱水量。

（3）采用2根12kW加熱管進行快速加熱，采用分體式制冷機快速制冷。

（4）采用型號為SM6004流量傳感器，精確度可達±2.5%MW。

1.2 氣路管路

氣路管路是連接動力系統(tǒng)和各個被試件安裝臺的脈絡，整套管路采用不銹管材，防止水銹侵蝕[5]，同時由于各類水嘴壽命測試項目的時間都比較長，測試系統(tǒng)的壽命執(zhí)行驅(qū)動元件也應具有很高的壽命，因此該測試系統(tǒng)采用機器人手設(shè)計方式自動對試件實現(xiàn)開關(guān)動作，左右擺動采用伺服電機方式；上下提拉采用亞德客氣缸模式，而氣動元件均采用亞德客氣動元件，具有有自動采樣信號轉(zhuǎn)換傳輸功能，能夠滿足系統(tǒng)的自動化要求并且做到氣動元件極易更換。

1.3 機臺主體功能模塊

以往的測試系統(tǒng)都是單項測試系統(tǒng)及裝置，比如壽命等單項測試系統(tǒng)，其動力系統(tǒng)以及操作界面相互獨立，這樣既占用空間又浪費資源，而本測試系統(tǒng)的設(shè)計最大化綜合所有試驗項目于一體，統(tǒng)一由一個界面進行控制，節(jié)省了空間。該測試系統(tǒng)機臺主體功能模塊包括水嘴開關(guān)壽命、轉(zhuǎn)換開關(guān)壽命、旋轉(zhuǎn)出水管壽命、抽取水嘴壽命、靈敏度、流量、抗水壓機械性能和密封性的試驗7個工位：①采用全觸摸方式控制，可選擇單個工位及多個工位同時測試；②7個工位都安裝獨立的冷熱水回流槽，能夠?qū)崿F(xiàn)自動補水，確保冷熱水在測試溫度范圍內(nèi)。

1.4 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)在控制方面，采用高性能進口可編程控制器與工業(yè)觸摸屏的有效結(jié)合，可實現(xiàn)工位選擇、樣品型式選擇、試驗項目選擇與各種測試條件參數(shù)的預置設(shè)定及自動停機、蜂鳴閃爍報警等各種控制功能；在數(shù)據(jù)采集、顯示方面，采用最新傳感器技術(shù)，將測試過程所要調(diào)整及監(jiān)控的試驗條件、參數(shù)、壓力等均能自動時時跟蹤采集并顯示在儀表和工業(yè)觸摸屏的人機界面上，整個界面清晰、簡潔，布局美觀，操作方便，集成度高。

2 水嘴流量測試運行操作

設(shè)備接入380V穩(wěn)定電源，將電源開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“ON”檔位，給主控電路通電，電源指示燈亮，打開觸摸屏主畫面，在觸摸屏中選擇自動測試模式，選擇一款單柄雙控水嘴，將水嘴兩個進水口分別連接在冷、熱水管路上，手柄開啟至流量最大，在整個溫度控制范圍內(nèi)移動手柄，從冷水位置移到熱水位置，再從熱水位置移到冷水位置，系統(tǒng)自動記錄出水溫度為全冷、34℃、38℃、44℃、全熱5個位置時的混合水流量。

3 水嘴流量的測量不確定度分析

水嘴流量測量的不確定度評定影響到該系統(tǒng)測量結(jié)果的可信度，因此進行水嘴流量不確定評定是檢測實驗室給出可信檢測結(jié)果的必要工作[6]，也是對該系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量結(jié)果保持一致性的必要工作。流量不確定的來源有多方面，不同不確定度來源對合成不確定的貢獻程度也不同[7]。根據(jù)經(jīng)驗，本文重點考慮：

（1）影響檢測結(jié)果的隨機因素主要跟該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、試驗人員操作的差異性和環(huán)境因素等引起的測量重復性的不確定度，也稱A類不確定度。

（2）該系統(tǒng)流量計校準的不確定度，也稱B類不確定度。

3.1 測量重復性的不確定度分量

統(tǒng)計分析在重復測量條件下獲得一系列測量結(jié)果，即可得到各種因素影響下的重復性不確定度分量。以下是同一款單柄雙控水嘴在38℃水溫下，10次重復測量的結(jié)果，見表1。

表1

單次測量的標準偏差用s（Q1）表示，按貝塞爾公式計算可得：

該試驗為單件產(chǎn)品判定，故測量重復性引入的標準不確定度：

測量重復性影響引入的相對標準不確定度為：

3.2 系統(tǒng)流量計校準的不確定度分量

查該系統(tǒng)流量計的校準證書可知其最大示值誤差為-2.0%，假設(shè)這個誤差是均勻分布，由此該系統(tǒng)流量校準引入的相對標準不確定度分量為：

從式（3）和式（4）中可以得出系統(tǒng)流量計校準引入的不確定度貢獻最大，而測量重復性影響引入的不確定較小。因此我們也可以得出該系統(tǒng)整體可靠性和測試一致性較好的結(jié)論，當然為了降低陶瓷片密封水嘴流量測量的不確定度，我們在日常實驗中還要注重流量計的保養(yǎng)及校準工作。

3.3 合成擴展不確定度

合成標準不確定度按式（5）和式（6）計算：

將合成標準不確定度乘以包含因子k=2得到置信概率為95%的合成擴展不確定度：

4 結(jié)論

本文重點介紹了陶瓷片密封水嘴衛(wèi)浴壽命與水力學綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計與系統(tǒng)集成，研制出的測試設(shè)備滿足相關(guān)標準的要求，同時分析了水嘴流量測量不確定度的來源，利用某個產(chǎn)品的重復測量結(jié)果及其它相關(guān)資料，進行該產(chǎn)品流量測試結(jié)果的不確定度的評定，評定結(jié)果表明測量完全滿足量值傳遞的要求，且一定程度上證明了該測試系統(tǒng)的可靠性和實驗結(jié)果的一致性。