電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試結(jié)果不確定度評(píng)價(jià)

王國(guó)防董辛

（1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 鄭州 450001）（2.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院 鄭州 450004）

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電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試結(jié)果不確定度評(píng)價(jià)

王國(guó)防1，2董辛1

（1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 鄭州 450001）
（2.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院 鄭州 450004）

摘 要：在論述測(cè)量不確定度分析原理基礎(chǔ)上，根據(jù)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試方法建立其不確定度評(píng)價(jià)模型。通過對(duì)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試所使用的儀器精度評(píng)估，以CD1 10-9型電動(dòng)葫蘆為例進(jìn)行了電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)葫蘆 能效值 測(cè)量不確定度 電能表法

電動(dòng)葫蘆作為一種輕小型起重設(shè)備，不僅獨(dú)立作為一種起重設(shè)備廣泛應(yīng)用，而且隨著起重機(jī)械向輕量化發(fā)展，電動(dòng)葫蘆以其集成化、簡(jiǎn)約化為特點(diǎn)應(yīng)用于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，在單梁型和小噸位雙梁型橋門式起重機(jī)及旋臂起重機(jī)上被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)在每制造100臺(tái)起重機(jī)就有75～80臺(tái)是以電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的，其能耗也開始越來(lái)越引起人們的重視。

隨著GB/T 30028—2013《電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試方法》的出臺(tái)與實(shí)施，電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試在方法上有了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，但按照國(guó)家節(jié)能方面的規(guī)定，需對(duì)電動(dòng)葫蘆的能效指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)示，標(biāo)示的前提是建立統(tǒng)一的能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法。評(píng)價(jià)方法的可信度和可行性是建立在測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度之上的，但由于測(cè)量過程中各種測(cè)量的不確定因素的存在，為了使能效測(cè)試數(shù)據(jù)具有更大的采信度，需要在測(cè)量數(shù)據(jù)的分析中引用測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)代替誤差分析。

測(cè)量不確定度在《測(cè)量不確定度表示指南》中的定義是：是與測(cè)量結(jié)果質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)，用來(lái)表示被測(cè)量值的分散性［1］。本文參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)電動(dòng)葫蘆能效指標(biāo)進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)。一般而言，測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量、水平和使用價(jià)值與測(cè)量不確定度負(fù)相關(guān)。我國(guó)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試工作剛剛開展，尚沒有對(duì)測(cè)試結(jié)果采用不確定度進(jìn)行分析方面的相關(guān)研究。本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)，不僅可以考察及評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆能效值的質(zhì)量，同時(shí)還可以探討電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試水平和提高以電動(dòng)葫蘆為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)能效利用率的技術(shù)措施。

1 不確定度分析原理

1.1 建立數(shù)學(xué)模型

評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試結(jié)果不確定度前，要先根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)建立滿足評(píng)價(jià)要求的數(shù)學(xué)模型。輸出量Y（即被測(cè)量）由N個(gè)分量，X1，X2，…，XN；通過函數(shù)關(guān)系f來(lái)確定［2-3］，即

式中：

Y——被測(cè)量或輸出量；

X——影響量或輸入量。

該模型須遵循以下原則：

1）影響測(cè)量結(jié)果的所有輸入量應(yīng)被包含在模型中；

2）影響測(cè)量結(jié)果的任何不確定度分量應(yīng)被不遺漏且不重復(fù)的包含在模型中；

3）由于選取的輸入量不同，模型的表達(dá)形式可以不同。

1.2 不確定度的A類、B類評(píng)價(jià)

不同測(cè)量因素均會(huì)影響測(cè)量結(jié)果不確定度的變化，因此按照評(píng)價(jià)方法的不同，每個(gè)評(píng)價(jià)來(lái)源評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)偏差（不確定度分量μi）都有A類和B類兩類評(píng)價(jià)方法［2］。

●1.2.1 不確定度的A類評(píng)價(jià)

不確定度的A類評(píng)價(jià)是指對(duì)已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，求其標(biāo)準(zhǔn)差的最佳估計(jì)［2，4］。按照以上方法評(píng)價(jià)后的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，即是A類不確定度分量μA。

通過重復(fù)性測(cè)量或復(fù)線性測(cè)量得到n個(gè)測(cè)量量：x1，x2，…，xn；有

樣本標(biāo)準(zhǔn)差s（xk）計(jì)算式為

●1.2.2 不確定度的B類評(píng)價(jià)

利用已知的信息進(jìn)行不確定度的B類評(píng)價(jià)后得到的μ（xi），即是B類不確定度分量，記為μB。一般可通過以下途徑得到［2，4］：

1）以前的測(cè)試的數(shù)據(jù)；

2）測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)單位技術(shù)文件上提供的相關(guān)參數(shù)；

3）計(jì)量部門出具的測(cè)量?jī)x器檢定或校準(zhǔn)報(bào)告或其他相關(guān)文件中提供的結(jié)果；

4）實(shí)驗(yàn)方法類的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或其他具有同等效力的技術(shù)文件給出的復(fù)現(xiàn)性數(shù)據(jù)；

5）技術(shù)手冊(cè)或其他類似資料中提供的具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)及其不確定度。

1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)式（1）中輸入量彼此不相關(guān)或獨(dú)立時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc（y）為［2-3］：

式中：

μc（y）——輸出估計(jì)值y相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

μ（xi）——輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可使用相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度或B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

式（4）也可寫成

靈敏度在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度過程中具有重要作用，其求法可通過以下四種途徑［2］：

1）偏導(dǎo)法：當(dāng)模型函數(shù)f已知時(shí)，通過對(duì)f求偏導(dǎo)即得靈敏度ci；

3）作圖法：由于不確定度傳遞采取近似線性變化形式時(shí)，可采用作圖法來(lái)確定其靈敏度ci；

4）機(jī)理分析法：測(cè)量模型是根據(jù)測(cè)量原理對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量過程進(jìn)行機(jī)理分析而得出的，單項(xiàng)不確定度分量μi通過以往的統(tǒng)計(jì)分析或查有關(guān)資料已確定，通過此法即可求得靈敏度ci。

1.4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)價(jià)

為判別檢驗(yàn)質(zhì)量是否在所允許的界限內(nèi)，還需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)擴(kuò)展不確定度。擴(kuò)展不確定度為定義測(cè)量值所在區(qū)間的參量，表示被測(cè)量值的大部分分布被包含在該區(qū)間內(nèi)。

擴(kuò)展不確定度是把輸出量（估計(jì)值y）的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行k倍擴(kuò)展后所得，k被稱為包含因子。即k取2或3，多取2，其取值由被測(cè)量的重要程度和危險(xiǎn)程度確定。

擴(kuò)展不確定度是測(cè)量結(jié)果取值區(qū)間的半寬，期望測(cè)量值分布的大部分包含在該區(qū)間內(nèi)，測(cè)量值在取值區(qū)間內(nèi)被包含的百分?jǐn)?shù)，叫做置信概率或該區(qū)間的置信水平，用符合p表示，同時(shí)用表示與置信區(qū)間相聯(lián)系的擴(kuò)展不確定度，區(qū)間為測(cè)量結(jié)果的置信概率p的置信區(qū)間為［y?U， y+U］，一般采用p=95%或p=99%。

2 電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試不確定度評(píng)價(jià)模型

電動(dòng)葫蘆的能效值按照GB/T 30028—2013中給定方法測(cè)試，并通過式（7）計(jì)算得出。

式中：

G——測(cè)試用載荷質(zhì)量，kg；

Hi——第i個(gè)測(cè)量周期載荷起升距離，m；

Di——第i個(gè)測(cè)量周期電動(dòng)葫蘆在上升階段從電能表上的讀數(shù)，kW·h。

按照測(cè)量不確定度的理論，應(yīng)用式（7）進(jìn)行不確定度計(jì)算時(shí)各輸入量之間必須是相互獨(dú)立或不相關(guān)的，所得合成不確定度為：

式中：

u（G）、u（H）、u（D）分別為G、H、D的不確定度。

在鉛頂吹爐“一爐三段”一步煉鉛過程中，每個(gè)熔煉階段的氧勢(shì)有所不同：在氧化熔煉階段，需要鼓入大量的氧氣將硫化鉛精礦中的硫化物氧化成氧化物，氧勢(shì)越高，氧化脫硫效果越明顯，但是當(dāng)氧勢(shì)達(dá)到足夠高時(shí)，容易讓富鉛渣過氧化而產(chǎn)出大量的Fe3O4使?fàn)t渣泡沫化，形成危害性極大的泡沫渣，不利于渣含鉛的降低；氧勢(shì)過低，極易產(chǎn)生鉛冰銅影響還原和煙化效果，不利于降低渣含鉛。

對(duì)式（7）分別求導(dǎo)整理得：

相關(guān)被測(cè)量測(cè)量后，電動(dòng)葫蘆能效值可通過式（7）計(jì)算得到，通過A類或B類評(píng)價(jià)可得到各分量的不確定度，通過式（8）～式（11）可得到靈敏度ci，合成不確定度就可以通過式（8）計(jì)算得到。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 測(cè)量結(jié)果

計(jì)算實(shí)例通過對(duì)CD110-9 M3型電動(dòng)葫蘆進(jìn)行能效測(cè)試，并對(duì)測(cè)試值進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試數(shù)據(jù)表

3.2 不確定度計(jì)算

●3.2.1 測(cè)量參數(shù)的不確定度評(píng)價(jià)

根據(jù)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試方法可知測(cè)試過程中測(cè)試的參數(shù)為載荷質(zhì)量、升降距離和電度值。下面僅以載荷質(zhì)量的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)過程介紹各分量評(píng)價(jià)過程。

載荷質(zhì)量的不確定度評(píng)價(jià)包括A類和B類不確定度評(píng)價(jià)，重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度即是A類不確定度評(píng)價(jià)，質(zhì)量測(cè)量裝置準(zhǔn)確度引入的不確定度即是B類不確定度。

1）A類不確定度分量u1

質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)（即電子衡器）的最大允差是±20.0kg，測(cè)量值在此區(qū)間內(nèi)概率分布為規(guī)則分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2）B類不確定度分量u2

3）合成不確定度為

升降距離、電度值的不確定度評(píng)價(jià)與上述過程相同，按照同樣方法可求出升降距離和電度值的合成不確定度，由式（8）可計(jì)算出電動(dòng)葫蘆能效值的測(cè)量不確定度。結(jié)果見表2。

表2 電動(dòng)葫蘆能效值測(cè)量不確定度計(jì)算表

3.3 評(píng)價(jià)分析

通過對(duì)表2中電動(dòng)葫蘆能效值不確定度數(shù)據(jù)分析可知：

1）各分量測(cè)量值的不確定度對(duì)能效值影響大小不一，其順序?yàn)椋弘姸戎?、起升距離、載荷質(zhì)量。

2）相對(duì)于電度值，載荷質(zhì)量和起升距離的不確定度對(duì)能效值的不確定度影響很小，可忽略不計(jì)。

3）通過提高電度表的準(zhǔn)確度可以降低能效值測(cè)試結(jié)果的不確定度。

4 結(jié)論

本文在介紹測(cè)量不確定評(píng)價(jià)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法建立了電動(dòng)葫蘆能效值不確定度分析模型，并通過實(shí)例來(lái)說(shuō)明電動(dòng)葫蘆能效值的不確定度評(píng)價(jià)過程和方法。通過分析得出對(duì)電動(dòng)葫蘆能效值的不確定度影響較大的因素——電度表的準(zhǔn)確度。因此，可在測(cè)試過程中考慮提高電度表的準(zhǔn)確度，從而降低電動(dòng)葫蘆能效值測(cè)試結(jié)果的不確定度。

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Uncertainty Assessment of the Electric Hoist Energy-efficiency Test

Wang Guofang1，2Dong Xinmin1
（1. Institute of Mechanical Engineering， Zhengzhou University Zhengzhou 450001）
（2. Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and Test Zhengzhou 450004）

AbstractThis paper discusses the principle of uncertainty of measurement analysis， and establishes the uncertainty evaluation model according to electric hoist efficiency test method. Through to making an assessment of accuracy of instrument for electric hoist test of energy efficiency， we evaluate the uncertainty of the test result of CD1 10-9 type electric hoist for efficiency test.

KeywordsElectric hoist Value of energy-efficiency Uncertainty in measurement Electric energy meter method

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)防（1981～），男，碩士，工程師，從事起重機(jī)械故障診斷及檢測(cè)研究工作。

收稿日期：（2015-11-19）

中圖分類號(hào)：X941

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）06-0040-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.010