家用燃氣灶實測折算熱負荷測量不確定度方法討論

舒陸杰 陳海勇

（嘉興威凱檢測技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

GB 16410-2007《家用燃氣灶具》5.2.2 c）條款規(guī)定：“兩眼和兩眼以上的燃氣灶和氣電兩用灶應(yīng)有一個主火，其實測折算熱負荷：普通型灶≥3.5 kW；紅外線灶≥3.0 kW”[1]。其中此條款為強制性條款。同時在2019年9月中國質(zhì)量認證中心發(fā)布的家用燃氣灶具強制性產(chǎn)品實施細則中家用燃氣灶具安全檢驗項目中也有此條款的的檢驗項目。同時，中國合格評定國家認可委員會在2018年3月1日發(fā)布的CNAS-CL01-G003《測量不確定度的要求》中要求:“對于檢測實驗室應(yīng)有能力對每一項有數(shù)值要求的測量結(jié)果進行測量不確定度評估”[2]。因此對于第三方檢測實驗室在出具該項目的檢測報告時判定測量結(jié)果與標準規(guī)范限量符合性時，就需要實驗室開展測量不確定度的評定工作和應(yīng)用測量不確定度評定結(jié)果。作者查閱國內(nèi)大量文獻資料發(fā)現(xiàn)有關(guān)燃氣灶實測折算熱負荷的測量不確定度的討論和研究甚少。因此，本文將對家用燃氣灶實測折算熱負荷測量不確定度開展評定與分析，探究實測折算熱負荷不確定度的來源和主要影響因素。

1 實測折算熱負荷不確定度評定

1.1 實測折算熱負荷測試方法及不確定度數(shù)學(xué)模型

GB 16410-2007《家用燃氣灶具》中6.7熱負荷試驗規(guī)定：“在單個燃燒器或全部燃燒器點燃后15～20 min時段內(nèi)用氣體流量計測定燃氣流量，氣體流量計指針走一周以上的整圈數(shù)，且測定時間應(yīng)不少于1 min，重復(fù)測定兩次以上，讀數(shù)誤差小于2 %，取兩次流量的平均值”[1]，實測折算熱負荷按下式公式計算：

公式（1）、（2）、（3）中各符號含義參見GB 16410-2007《家用燃氣灶具》表14中具體定義。

我們對實測折算熱負荷建立測量模型，將式（3）作為燃氣灶實測折算熱負荷的不確定度評定的數(shù)學(xué)模型。

1.2 不確定度來源分析

由于測量模型中輸入量Q1、dmg、ps是標準規(guī)定值，飽和蒸氣壓S根據(jù)燃氣溫度tg查表所得。因此根據(jù)實測折算熱負荷計算公式可知 V、t、da、pamb、pm、pg、tg七個輸入量的測量重復(fù)性和測量設(shè)備系統(tǒng)性誤差為不確定度主要來源。因此需要分別評定各個輸入量的標準不確定度。此時，將各輸入量作為輸出量來分別評定其標準不確定度，燃氣灶實測折算熱負荷不確定度來源和類別見表1。

1.3 實測折算熱負荷測試原始數(shù)據(jù)

對某型號（12T）額定熱負荷4.2 kW的家用嵌入式灶具樣品進行10次獨立重復(fù)測試，記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)得到10組數(shù)據(jù)見表2。

表1 燃氣灶實測折算熱負荷測試不確定度來源

表2 燃氣灶實測折算熱負荷測試原始數(shù)據(jù)

1.4 標準不確定度的A類評定

對被測量進行獨立重復(fù)觀測，通過所得到的一系列測得值，用統(tǒng)計方法獲得實驗標準偏差s（x）[3]。我們把測量的算術(shù)平均值當(dāng)作被測量估計值時，被測量估計值的A類不確定度可按公式（4）[3]計算：

公式（4）中n為實際測量的次數(shù)，燃氣灶實測折算熱負荷為單次測量結(jié)果。

由各輸入量測量重復(fù)性引入的標準不確定度見表3。

1.5 標準不確定度的B類評定

在本文中部分輸入量的B類不確定度信息由查對應(yīng)測量設(shè)備的校準信息得到。其中試驗氣相對密度的B類不確定度根據(jù)試驗氣成分含量并由經(jīng)驗假設(shè)計算得到。

查各輸入量測量設(shè)備的校準證書，校準證書中均給出了設(shè)備的擴展不確定度U以及包含因子k。

從表4中可以看出，由各檢測儀器設(shè)備引入的不確定度分量差異比較明顯，其中濕式氣體流量計和燃氣溫度傳感器引入的B類不確定度分量較高。

1.6 靈敏系數(shù)

通過建立實測折算熱負荷的測量模型，分析測量不確定度的來源并對各個標準不確定度的分量分別進行A類或B類評定。由于各輸入量均不相關(guān)，則實測折算熱負荷合成標準不確定度公式如下所示：

1.7 輸出量的不確定度分量

根據(jù)表3和表4各輸入量的不確定度匯總表，將各輸入量A類和B類標準不確定度進行合成。合成標準不確定度按照公式進行計算，各輸入量標準不確定度分量、靈敏系數(shù)、輸出量不確定度分量見表5。

表3 輸入量A類標準不確定度匯總

表4 輸入量B類標準不確定度匯總

1.8 合成標準不確定度

由于每個輸入量之間均不相關(guān)，實測折算熱負荷的估計值的合成標準不確定度按公式（7）計算：

1.9 實測折算熱負荷擴展不確定度及測量結(jié)果表示

擴展不確定度U由合成標準不確定度uC乘包含因子k得到，按公式（8）計算：

包含因子k的選擇，取決于分布的情況，本文中被測量估計值與表征的概率分布近似為正態(tài)分布，因此k=2。U=kuC=2×0.037≈0.08 kW

測量結(jié)果用公式（9）表示：

則實測折算熱負荷為φ=3.96 kW±0.08 kW；

k=2，對應(yīng)約95 %的置信概率。

2 實測折算熱負荷不確定度影響因素

由表5可知，|ci|·u（xi）的值越大，則該輸入量的不確定度與相應(yīng)靈敏系數(shù)的乘積值對測量結(jié)果的不確定度影響也越明顯。因此分別計算各輸入量ci2ui2（xi）的值，分析其在實測折算熱負荷不確定度中的占比，見圖1。

從圖1可知，耗氣量引入的不確定度分量對實測折算熱負荷的不確定度影響最大，達到94.3 %；其次是測試時間，達到4.4 %；試驗氣相對密度的影響比例只有1.1 %；而由試驗大氣壓力、燃氣流量計內(nèi)壓力、燃氣灶前壓力和燃氣溫度組成的其他類的影響比例只有0.2 %?？梢姡臍饬亢蜏y試時間是影響實測折算熱負荷不確定度最關(guān)鍵的參數(shù)。

通常情況下，在不同燃氣灶實測折算熱負荷計算中耗氣量一般都是“固定值”代入計算，對于天然氣灶為10 L，液化氣灶為5 L。因此檢測人員在實測折算熱負荷不確定度評定方法中往往忽略耗氣量的影響。顯然，通過上文的計算和分析，由濕式氣體流量計系統(tǒng)性誤差引起的不確定度分量貢獻最大。如果忽略其影響，將對測量結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，同時在判定測量結(jié)果與標準規(guī)范限量符合性時，會產(chǎn)生較大偏倚，容易導(dǎo)致質(zhì)量事故的產(chǎn)生。因此，實驗室人員在計算測量不確定度時，需要認真仔細考慮測量不確定度分量，對于復(fù)雜的測量模型還應(yīng)當(dāng)注意在計算各輸入量的不確定度時，需要把各輸入量分別當(dāng)做“各自的輸出量”去計算各輸入量的不確定度。

表5 燃氣灶實測折算熱負荷不確定度分量匯總

圖1 各輸入量引入的不確定度對實測折算熱負荷不確定度影響比例

3 結(jié)語

在燃氣灶實測折算熱負荷不確定度評定中，由于測量模型較為復(fù)雜，檢測人員在評定不確定度時往往需要投入大量的精力和時間。而通過分析可知，試驗氣相對密度、試驗大氣壓力、燃氣流量計內(nèi)壓力、燃氣灶前壓力和燃氣溫度等影響很小。因此，在實測折算熱負荷不確定評定中可以忽略部分輸入量的影響，簡化測量模型進行計算。在考慮不確定度來源時，應(yīng)全面考慮由隨機效應(yīng)和系統(tǒng)效應(yīng)帶來的影響，特別不能忽略對測量結(jié)果影響較大的不確定度來源。