霍爾流速計校準及校準結(jié)果不確定度評定

朱林茂，王貴勇，李廷哲

(1.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081；2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

1 引 言

霍爾流速計又稱標(biāo)準漏斗或松裝密度計，主要用來測定金屬粉末及硬質(zhì)合金粉末的流動性[1]。本文根據(jù)霍爾流速計的工作原理，分析了影響校準結(jié)果的不確定度因素，使用標(biāo)準金剛砂、電子秒表及電子天平等對該設(shè)備進行了校準，并按照GUM法[2，3]對不確定度進行了評定。

2 霍爾流速計原理及校準方法

霍爾流速計如圖1所示，由支架、底座、接收器和漏斗組成。其中，接收器用來收集從漏斗流出的金屬粉末，其容積需能夠容納50g以上的金屬粉末。底座放置在水平、穩(wěn)固和無振動的工作臺面上，使用時可通過水平儀配合底座上的調(diào)節(jié)螺釘將霍爾流速計調(diào)整到水平狀態(tài)。

圖1 霍爾流速計結(jié)構(gòu)原理圖

霍爾流速計工作原理為：測量金屬粉末的流動性時，將50g的粉末倒入漏斗中，計算金屬粉末流過漏斗所需要的時間，進而實現(xiàn)對金屬粉末流動性的測量，單位為s/50g。

因此，對霍爾流速計進行校準時，主要是測定一定重量的標(biāo)準粉末流過漏斗所需的時間，然后與標(biāo)準粉末的流動性標(biāo)稱示值進行比較，進而實現(xiàn)對霍爾流速計的校準。

根據(jù)ASTM B213-20[4]，推薦使用的標(biāo)準粉末為標(biāo)準金剛砂，配套的標(biāo)準器具及輔助設(shè)備包括電子天平、電子秒表及干燥箱等。校準使用的標(biāo)準金剛砂編號為GBW12004，流動性為40s/50g。使用的電子天平型號為PL4002，分度值為0.01g。電子秒表型號為W073-4000，最大允許誤差為0.05s。

校準前將不少于200g的標(biāo)準金剛砂放入干燥箱里烘干，烘干溫度為102℃～107℃之間，烘干時間約60min。然后將標(biāo)準金剛砂取出，放至冷卻。

校準時，用電子天平稱取50.0g標(biāo)準金剛砂，放入干凈的稱量盤中。用干手指(或戴上干燥手套)堵住漏斗底部的出料口，將標(biāo)準金剛砂倒入霍爾流速計的漏斗中。期間不能敲擊、振動或移動漏斗。將手指從漏斗的出料口移開，同時啟動電子秒表，在最后1粒金剛砂離開孔口的那一刻停止計時。記錄金剛砂全部流完所需的時間，精確到0.1s。重復(fù)上述步驟5遍。

校準過程中，如果手指松開的那一刻金剛砂不能流動，允許在標(biāo)準漏斗邊緣輕敲一下，但是不允許進一步敲擊漏斗，或者用金屬絲或任何其他工具戳或攪拌漏斗中的粉末。

3 校準結(jié)果不確定度評定

被校準的霍爾流速計型號為FBS-1002，編號為202104151656，校準的環(huán)境溫度21℃±2℃,相對濕度為57%RH。校準后采用GUM法對校準結(jié)果進行不確定度評定。

3.1 建立測量模型

測量模型如下：

(1)

3.2 不確定度來源分析及計算

霍爾流速計校準結(jié)果的標(biāo)準不確定度來源主要有測量重復(fù)性、電子秒表和電子天平引入的不確定度，以及標(biāo)準金剛砂的干燥程度等。由于標(biāo)準金剛砂的干燥主要由干燥箱溫度和干燥時間而定，而根據(jù)標(biāo)準金剛砂的使用說明，干燥使用的溫度較高(102℃～107℃)，且時間較長(約60min)，因此認為由于干燥原因引入的不確定度可忽略不計。

(1)由測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準不確定度分量u1

單次測得的標(biāo)準偏差：

(2)

式中，R為極差，是測量結(jié)果的最大值與最小值之差；C為極差系數(shù)，測量次數(shù)為5次，查表得C=2.33。

取3次測量結(jié)果的標(biāo)準偏差作為標(biāo)準不確定度，即：

(3)

相對標(biāo)準不確定度u1：

(4)

重復(fù)性測量數(shù)據(jù)如表1所示，將表中測量數(shù)據(jù)代入式(2)-式(4)，計算得到相對標(biāo)準不確定分量u1為：

u1=0.02%

表1 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

(2)由電子秒表引入的相對標(biāo)準不確定度分量u2

由表1可知，測量時間平均值為39.86s，因此相對標(biāo)準不確定度分量u2：

u2=u(t)/39.86=0.07%

(3)由電子天平引入的相對標(biāo)準不確定度分量u3

電子天平引入的標(biāo)準不確定度分量采用B類評定方法進行評定。根據(jù)校準證書給出的擴展不確定度及包含因子求得，即：

(5)

式中，U3為上級計量機構(gòu)給出的電子天平的校準結(jié)果不確定度；k3為包含因子。

電子天平由上級計量機構(gòu)給出的不確定度：U3=0.4mg，k3=2，根據(jù)式(5)，得：ueb=0.2mg=0.0002g。對標(biāo)準金剛砂進行稱量時，每次稱取的量為50g,因此相對標(biāo)準不確定度為：

3.3 計算合成標(biāo)準不確定度

不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

表2 不確定度分量匯總

假設(shè)各相對標(biāo)準不確定度分量之間相互獨立，互不相關(guān)，則合成標(biāo)準不確定度為：

(6)

將表2中數(shù)據(jù)代入式(6)，計算得到合成標(biāo)準不確定度為：uc=0.083%。

3.4 計算擴展不確定度

相對擴展不確定度的計算公式為：

Urel=k·uc

式中，k為包含因子。

取置信區(qū)間為95%，則包含因子k=2，計算得到霍爾流速計的相對擴展不確定度為：

Urel=0.166%≈0.17%，k=2

換算為擴展不確定度為：

U=Urel×39.86s/50g

=0.17%×39.86s/50g=0.067s/50g

即U=0.067s/50g，k=2。

由于霍爾流速計的最大允許誤差為±0.5s/50g,而評定的不確定度為0.067s/50g，小于最大允許誤差的1/3，故認為評定的校準結(jié)果不確定度滿足霍爾流速計量值傳遞的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)霍爾流速計的原理，對其校準方法進行了介紹。使用標(biāo)準金剛砂等計量標(biāo)準器具對校準結(jié)果的不確定度進行了評定。結(jié)果顯示，評定的校準結(jié)果不確定度滿足霍爾流速計量值傳遞的要求。相關(guān)成果已應(yīng)用到霍爾流速計的日常校準中，可為相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用及實踐提供參考。