增安型電機(jī)接線盒溫升測(cè)試不確定度分析

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

溫度是增安型接線盒防爆性能的重要指標(biāo)之一。一方面，增安型接線盒任何部件的溫度都不應(yīng)超過(guò)部件使用材料的耐熱溫度，比如電纜密封圈的溫度值不應(yīng)大于密封圈材質(zhì)耐熱溫度；另一方面，由于增安型接線盒內(nèi)部空間可能存在爆炸性氣體，所以內(nèi)部部件溫度不應(yīng)超過(guò)GB 3836.1—2010規(guī)定的最高表面溫度[1]，因此，溫升試驗(yàn)結(jié)果的不確定度評(píng)估非常重要，已成為試驗(yàn)室檢驗(yàn)報(bào)告可靠性重要依據(jù)。

本文以增安型電機(jī)接線盒溫升試驗(yàn)的不確定度評(píng)定為例，在溫升試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了試驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不確定度評(píng)定的方法。試驗(yàn)樣品額定電流為400A，額定電壓為600V，采用T熱電偶(Φ0.28×5000mm)和數(shù)據(jù)采集器 LR 8400-21(日本hioki)進(jìn)行測(cè)量,熱電偶采用IECEx OD012粘貼方式，溫度變化不超過(guò)2K/h時(shí)試驗(yàn)結(jié)束[2]，試驗(yàn)進(jìn)行了4h。

1 測(cè)量不確定度來(lái)源

不確定度，顧名思義即測(cè)量結(jié)果的不能肯定程度，反過(guò)來(lái)也即表明該結(jié)果的可信賴程度。它是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度愈小，所述結(jié)果與被測(cè)量真值越接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值也越高。

分析不確定度來(lái)源時(shí)，應(yīng)從設(shè)備、人員、環(huán)境、及被測(cè)對(duì)象多方面考慮[3]，如圖1所示。

圖1 不確定度來(lái)源

可以歸納為以下幾個(gè)方面

(1)測(cè)量設(shè)備

這些儀器本身都有誤差，檢定證書(shū)提供的檢定結(jié)論，給出相應(yīng)的不確定度，比如：數(shù)據(jù)采集器 LR 8400-21、T熱電偶(Φ0.28×5000mm)、空盒氣壓表(DYM3)型都有不確定度。

(2)人員

實(shí)驗(yàn)人員對(duì)所測(cè)溫度的讀取存在一定的讀數(shù)誤差、對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修約，這也會(huì)對(duì)不確定度產(chǎn)生影響；還有儀器為數(shù)字顯示界面，這個(gè)誤差由儀器的分辨力引起；還有對(duì)測(cè)量點(diǎn)位置設(shè)置也會(huì)因人員的不同引起不確定度。

(3)環(huán)境

由于環(huán)境條件與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件不一致，引起測(cè)量裝置和被測(cè)對(duì)象本身的變化所造成不確定度。比如：溫度、濕度和氣壓。

2 試驗(yàn)與數(shù)學(xué)建模

本試驗(yàn)按照GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》規(guī)定，測(cè)量是在電氣設(shè)備額定電流的1.1倍，設(shè)備在最不利條件下進(jìn)行，測(cè)量采用數(shù)據(jù)采集器LR 8400-21和熱電偶進(jìn)行測(cè)量，電流控制由DL3型礦用防爆電器保護(hù)特性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行控制，當(dāng)溫升的變化不超過(guò)2K/h時(shí)，則認(rèn)為已達(dá)到最終穩(wěn)定溫度，設(shè)環(huán)境溫度為變量ta，接線盒部件溫度為變量tb，溫升為Δt=tb-ta，在這個(gè)表達(dá)式中與Δt有直接關(guān)系的是ta、tb。

接線盒溫升由數(shù)據(jù)采集器 LR8400-21進(jìn)行記錄，設(shè)LR8400-21的顯示值為函數(shù)變量X,接線盒溫度值為變量Y，溫度值與顯示值之間關(guān)系為

Y=f(X1,X2,X3，…XN)

(1)

物理表達(dá)式可表示為T(mén)=f(t1,t2,t3，…tN)，以C1,C2,C3，…CN表示函數(shù)的傳遞系數(shù)，函數(shù)系數(shù)C=?T/?t。

對(duì)于溫升實(shí)驗(yàn)Δt=tb-ta，因此傳遞系數(shù)Cb=?T/?t=1,Ca=?T/?t=-1

由數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出對(duì)于測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度

(2)

由此可見(jiàn)，式(2)不包含其他不確定因素導(dǎo)致的不確定度，遺漏了數(shù)據(jù)采集器 LR8400-21的不確定度u2，T 型熱電偶的不確定度u3，控制電流的電流表的不確定度u4，由此可知增安型電機(jī)接線盒溫升實(shí)驗(yàn)總的不確定度公式為

uc2=u12+u22+u32+u42

3 不確定度分析及計(jì)算

3.1 A類不確定度分析及計(jì)算

部分熱電偶分布見(jiàn)圖2，熱電偶溫度測(cè)量點(diǎn)采用膠粘方式，環(huán)境溫度測(cè)量點(diǎn)是懸于環(huán)境空間進(jìn)行測(cè)量。

圖2 熱電偶分布

以密封圈溫升不確定度計(jì)算為例，在接線盒通電4h以后，溫度穩(wěn)定時(shí)，重復(fù)測(cè)量 10次環(huán)境溫度和器件的溫度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。t1為密封圈溫度測(cè)量值，t2為環(huán)境溫度，Δt為密封圈溫升值,u1為密封圈溫升不確定度。

表1 密封圈溫升數(shù)據(jù)

密封圈溫度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

環(huán)境溫度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

因而uCA(Δt)2=[C1u(t1)]2+[C2u(t2)]2=0.00065℃

A類不確定度：u1=uCA(Δt)=0.0081℃

3.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析及計(jì)算

(1)數(shù)據(jù)采集器 LR8400-21引起的不確定度

根據(jù)校準(zhǔn)證書(shū)信息，LR8400-21的不確定度U=0.3℃，K=2，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度U2=U/K=0.15℃

(2)T 型熱電偶引起的不確定度

根據(jù)校準(zhǔn)證書(shū)信息，T 型熱電偶的不確定U=0.2℃，K=2,則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度U3=U/K=0.1℃。

(3)電流表引起的不確定度

根據(jù)電器在短路條件下發(fā)熱溫升的公式[3]

(3)

式中，ρ—電阻率，Ωm；I—電流值，A；kt—傳熱系數(shù)，W/cm2K；P—導(dǎo)電體周長(zhǎng)，m；S—導(dǎo)電體截面積，m2。

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的分析及其計(jì)算

3.4 擴(kuò)展不確定度的分析及其計(jì)算

U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc乘包含因子k得到：U=Kuc，測(cè)量結(jié)果可表示成Y=y±U，y是被測(cè)量Y的最佳估計(jì)值。

包含因子k的值是根據(jù)y±U的區(qū)間要求的置信水平而選擇的。根據(jù)假設(shè)的概率分布選取k值,假設(shè)為正態(tài)分布,根據(jù)置信水平p選取k；均勻分布時(shí)，可參照下表2，選取K值;一般情況下，K在 2～3 范圍內(nèi),當(dāng)取k=2時(shí)，區(qū)間的置信水平約為95%；當(dāng)取k=3時(shí)，區(qū)間的置信水平約為 99%。

表2 均勻分布時(shí)置信水平p與包含因子k的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)取擴(kuò)展因子k=2，接線盒密封圈溫開(kāi)測(cè)量的不確定度U=Kuc=0.5476℃，所以密封圈溫升可能值95%概率落于區(qū)間[38.16,39.26]上，其余測(cè)試點(diǎn)溫升不確定度分析與計(jì)算同密封圈。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，產(chǎn)生不確定度原因錯(cuò)綜復(fù)雜，不確定度評(píng)估很繁瑣，但建立科學(xué)的分析思路，通過(guò)數(shù)學(xué)模型、誤差分析與數(shù)據(jù)處理就可以得出科學(xué)的不確定度評(píng)估結(jié)果，對(duì)溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量給出定量說(shuō)明，測(cè)量結(jié)果的可信程度就得到保證。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性環(huán)境 第3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備[S]．

[2] GB 3836.1—2010，爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備通用要求[S]．

[3] 邱軍, 陳建兵. 低壓電器溫升試驗(yàn)的不確定度分析[J]. 計(jì)量技術(shù), 2005(4):51-53.