門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤測量結(jié)果的不確定度分析與評定

張楠麗 ZHANG Nan-li；姚帥 YAO Shuai

（廣東省計量科學研究院，廣州510405）

0 引言

門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤，簡稱門橋秤，是一種自動分檢衡器，原理是起重機在提升或變幅抓取貨物的過程中，通過稱重傳感器檢測鋼絲繩的受力，由位移傳感器和速度傳感器等檢測幅度及速度，經(jīng)稱重指示器顯示被稱物的重量值[1]。門橋秤是港口碼頭、鐵路運輸、工廠倉庫等場所中常見的設(shè)備，主要應(yīng)用于物品的裝卸稱重計量，可以避免利用電子汽車衡稱重的繁雜流程，其準確性關(guān)系到輪船、火車和貨車等交通運輸工具的載重控制，是其計量控制中的重要的環(huán)節(jié)[2]。測量過程中的測量結(jié)果不可避免的具有不確定性，若要完整地對測量結(jié)果的質(zhì)量有個定量的描述，就應(yīng)當進行測量不確定度分析與評定。在檢定規(guī)程JJG 1124-2016《門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤》中，對門橋秤的動態(tài)檢定提出了檢定要求，檢定過程中需要進行兩種稱量試驗，分別是單次稱量和累計稱量，本文就門橋秤的檢定兩種稱量試驗的測量結(jié)果進行不確定度評定。

1 測量依據(jù)和方法

1.1 測量依據(jù)

JJG 1124-2016《門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤》

1.2 被測對象

門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤，測量范圍：（500~20000）kg，檢定分度值 e：50kg，準確度等級：Y（b）。

1.3 檢定方法

1.3.1 單次稱量

單次稱量采用直接加載砝碼，即用門橋秤，以最大提升速度提升砝碼，進行至少5 次稱量，記錄每次稱量示值。檢定規(guī)程中要求至少選擇四個不同的秤量點進行檢定，本次不確定度分析以其中一次秤量點為例，按公式（1）計算單次稱量示值誤差。

1.3.2 累計稱量

記錄累計重量的開始示值TS，在起重機最大提升速度下，至少進行10 次單次稱量，記錄累計稱量結(jié)果TE。再把這10 次稱量的所有檢定載荷放到控制衡器的承載器上進行稱量LT，確定約定真值。則可按公式（2）計算累計稱量的示值誤差。

2 測量模型及不確定來源分析

2.1 測量模型

2.1.1 單次稱量的示值誤差可以用公式（1）表示

式中：

E——單次稱量示值誤差，kg 或t；

I——稱量示值，kg 或t；

M——載荷，kg 或t。

2.1.2 累計稱量的示值誤差可以用公式（2）表示

式中：

Esep——累計稱量示值誤差；

TS——累計稱量開始時的累計示值，kg 或t；

TE——累計稱量結(jié)束時的累計示值，kg 或t；

LT——控制衡器的示值，kg 或t。

2.2 方差和傳播系數(shù)

2.2.1 方差

式中：

u1——I 的不確定度；u

2——M 的不確定度。

2.2.2 傳播系數(shù)

2.3 不確定度來源分析

門橋秤測量結(jié)果不確定度來源主要包括：

①重復(fù)性條件下門橋秤的重復(fù)性；

②門橋秤的分辨率；

③標準器（砝碼或控制衡器）的示值不準；

④測量方法與規(guī)定測量方法和程序的不一致性；

⑤人員誤差的存在；

⑥環(huán)境（如振動、干擾等）對測量結(jié)果的影響。

在參考條件下，由于檢定時間較短，環(huán)境是相對穩(wěn)定的，可不必考慮上述不確定度來源較小的④、⑤，⑥屬于高階小量，可以忽略不計。所以本次不確定度分析的重點是①、②、③。

3 標準不確定度分量的評定

3.1 門橋秤單次稱量的測量不確定度分析

3.1.1 門橋秤的重復(fù)性導致的A 類測量不確定度分量u1

對門橋秤在起重機最大提升速度下，在重復(fù)性測量條件下，重復(fù)測量10 次。

采用貝塞爾公式得到單次實驗標準偏差：

以平均值的實驗標準偏差作為測量結(jié)果的標準不確定度，則A 類標準不確定度：

自由度：

3.1.2 門橋秤數(shù)字示值分辨率帶來的測量不確定度分量u2

由于門橋秤在進行動態(tài)的單次稱量時，無法采用“閃變點法“確定門橋秤的化整前的示值誤差，則門橋秤的分辨率導致的不確定度分量u2：

3.1.3 砝碼的質(zhì)量誤差帶來的測量不確定度分量u3

靜態(tài)載荷是由砝碼組合而成，誤差按均勻分布處理。則：

3.1.4 合成標準不確定度的評定

輸入量I 和輸入量M 相互獨立不相關(guān)，故合成標準不確定度uc：

3.1.5 擴展不確定度的評定

取k=2，置信概率p=95%，則擴展不確定度：

3.1.6 標準不確定度一覽表（表1）

表1 單次稱量

3.2 累計稱量的測量不確定度分析

3.2.1 由重復(fù)性誤差帶來的不確定度分量u1

在起重機最大提升速度下，對同一載荷進行10 次單次稱量，由于10 次載荷為同一載荷，控制衡器為電子汽車衡，其重復(fù)性為R，根據(jù)檢定規(guī)程JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》[3]，重復(fù)性試驗中，重復(fù)性次數(shù)一般為3 次。依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，一般在測量次數(shù)較少時，可以采用極差法評定獲得試驗標準偏差，查JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[3]得3 次測量次數(shù)對應(yīng)的極差系數(shù)C=1.69，則控制衡器的重復(fù)性誤差帶來的不確定度分量u1。

3.2.2 門橋秤數(shù)字示值分辨率帶來的測量不確定度分量u2

由于在進行門橋秤的累計稱量檢定時，無法采用“閃變點法”確定門橋秤化整前的示值誤差。所以采用直接讀數(shù)法，門橋秤的分度值d，其數(shù)字示值的分辨率為1.0d，則門橋秤的分度值導致的不確定度分量u2：

3.2.3 控制衡器示值誤差帶來的測量不確定度分量u3

使用控制衡器確定累計的載荷質(zhì)量的約定真值，如果使用準確度較高的控制衡器，其分度值較小、分度數(shù)較多，并且在穩(wěn)定的環(huán)境條件情況下使用，則控制衡器示值誤差帶來的測量不確定度可以采用B 類方法進行評定，控制衡器的分度值為d1，采用直接讀數(shù)法，分布作為均勻分布，則測量不確定度分量u3：

3.2.4 控制衡器允許誤差帶來的測量不確定度分量u4

輸入量由控制衡器示值誤差引起的標準不確定度分量u4，主要由數(shù)顯裝置化整引起，采用B 類方法進行評定，分布為均勻分布若合格的控制衡器的最大允許誤差為MPE，測量不確定度分量u4：

3.2.5 合成標準不確定度

輸入量和輸入量相互獨立不相關(guān)，故合成標準不確定度uc：

3.2.6 擴展不確定度的評定

取k=2，置信概率p=95%，則擴展不確定度：

U=uc，k=2

3.2.7 標準不確定度一覽表

如表2 所示。

表2 累計稱量

4 測量不確定度的評定示例

若對一臺Y（b）級的門座起重機動態(tài)電子秤進行檢定，最小秤量Min=500kg，最大秤量Max=20000kg，檢定分度值e=d=50kg。在秤量點為12000kg 進行重復(fù)次數(shù)為10次的單次稱量檢定。進行一次累計稱量，門橋秤的累計示值為120100kg?？刂坪馄鳛镸ax1=60t，d1=20kg 的電子汽車衡，通過控制衡器確定的累計稱量的累計載荷約定真值為120000kg。

4.1 單次稱量的測量不確定度

4.1.1 門橋秤的重復(fù)性導致的A 類測量不確定度分量u1

對門橋秤在起重機最大提升速度下，在重復(fù)性測量條件下，重復(fù)測量10 次，得到測量如下數(shù)據(jù)：12050kg、12000kg、12000kg、12000kg、12050kg、12000kg、12050kg、12000kg、12000kg、12000kg、12000kg。10 次測量結(jié)果的平均值為 12015kg，按照公式（4）：

4.1.2 門橋秤數(shù)字示值分辨率帶來的測量不確定度分量u2

門橋秤的分度值d=50kg，按照公式（6）：

4.1.3 砝碼的質(zhì)量誤差帶來的測量不確定度分量u3

10000kg 的靜態(tài)載荷通常是由12 個1000kg 的M1級砝碼組合而成。一個1000kg 的M1級砝碼的允差為50g。12 個1000kg 的砝碼示值相關(guān)，誤差按均勻分布處理。則：

4.1.4 標準不確定度的合成

4.1.5 擴展不確定度

取k=2，則擴展不確定度：

4.2 累計稱量的測量不確定度

4.2.1 由重復(fù)性誤差帶來的不確定度分量u1

在起重機最大提升速度下，對同一載荷進行10 次單次稱量，由于10 次載荷為同一載荷，控制衡器為Max1=60 t，d1=20kg 的電子汽車衡，其重復(fù)性為R=4kg，按照公式（10）：

4.2.2 門橋秤數(shù)字示值分辨率帶來的測量不確定度分量u2

門橋秤的分度值d=50kg，按照公式（11）：

4.2.3 控制衡器示值誤差帶來的測量不確定度分量u3

控制衡器的分度值為d1=20kg，按照公式（12）：

4.2.4 控制衡器允許誤差帶來的測量不確定度分量u4

控制衡器在12000kg 處的最大允許誤差MPE 為±20kg，按照公式（13）：

4.2.5 標準不確定度的合成

4.2.6 擴展不確定度

取k=2，則擴展不確定度：

4.3 測量不確定度的匯總

依據(jù)JJF1094-2002《測量儀器特性評定》[5]，測量不確定度與最大允許誤差之間有一個可以接受的原則是：其擴展不確定度U 應(yīng)不大于被測衡器最大允許誤差的絕對值MPEV 的

Y（b）級，Max=20000kg，e=50kg 的門橋秤，單次稱量檢定時在12000kg 稱量處的最大允許誤差為單次稱量的測量結(jié)果的擴展不確定度U（k=2）=32.8kg＜所以符合要求。

Y（b）級的門橋秤在進行累計稱量檢定時，累計載荷120100kg 時，最大允許誤差累計稱量的測量結(jié)果擴展不確定度U（k=2）=39.2kg ＜，所以符合要求。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合檢定規(guī)程和實際檢定，對門座(橋架)起重機動態(tài)電子秤的測量不確定度的進行了分析和評定。通過對Y（b）級門橋秤，單次稱量和累計稱量的不確定度來源的評定，得到了單次稱量和累計稱量的測量結(jié)果的擴展不確定度，分別小于門橋秤單次稱量和累計稱量最大允許誤差的三分之一，門橋秤單次稱量和累計稱量的擴展不確定度符合要求。在實際使用和檢定門座（橋架）起重機動態(tài)電子秤過程中，發(fā)現(xiàn)偏載也會對其測量結(jié)果有影響，但由于規(guī)程沒有對偏載沒有要求，沒要求進行偏載試驗，故未考慮偏載對測量結(jié)果的影響。