增安型電機接線盒溫升測試不確定度分析

(佳木斯防爆電機研究所，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之一。一方面，增安型接線盒任何部件的溫度都不應超過部件使用材料的耐熱溫度，比如電纜密封圈的溫度值不應大于密封圈材質耐熱溫度；另一方面，由于增安型接線盒內部空間可能存在爆炸性氣體，所以內部部件溫度不應超過GB 3836.1—2010規定的最高表面溫度[1]，因此，溫升試驗結果的不確定度評估非常重要，已成為試驗室檢驗報告可靠性重要依據。

本文以增安型電機接線盒溫升試驗的不確定度評定為例，在溫升試驗的基礎上，分析了試驗室對產品進行不確定度評定的方法。試驗樣品額定電流為400A，額定電壓為600V，采用T熱電偶(Φ0.28×5000mm)和數據采集器 LR 8400-21(日本hioki)進行測量,熱電偶采用IECEx OD012粘貼方式，溫度變化不超過2K/h時試驗結束[2]，試驗進行了4h。

1 測量不確定度來源

不確定度，顧名思義即測量結果的不能肯定程度，反過來也即表明該結果的可信賴程度。它是測量結果質量的指標。不確定度愈小，所述結果與被測量真值越接近，質量越高，水平越高，其使用價值也越高。

分析不確定度來源時，應從設備、人員、環境、及被測對象多方面考慮[3]，如圖1所示。

圖1 不確定度來源

可以歸納為以下幾個方面

(1)測量設備

這些儀器本身都有誤差，檢定證書提供的檢定結論，給出相應的不確定度，比如：數據采集器 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

實驗人員對所測溫度的讀取存在一定的讀數誤差、對所讀取的數據需要進行修約，這也會對不確定度產生影響；還有儀器為數字顯示界面，這個誤差由儀器的分辨力引起；還有對測量點位置設置也會因人員的不同引起不確定度。

(3)環境

由于環境條件與規定的標準條件不一致，引起測量裝置和被測對象本身的變化所造成不確定度。比如：溫度、濕度和氣壓。

2 試驗與數學建模

本試驗按照GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》規定，測量是在電氣設備額定電流的1.1倍，設備在最不利條件下進行，測量采用數據采集器LR 8400-21和熱電偶進行測量，電流控制由DL3型礦用防爆電器保護特性試驗臺進行控制，當溫升的變化不超過2K/h時，則認為已達到最終穩定溫度，設環境溫度為變量ta，接線盒部件溫度為變量tb，溫升為Δt=tb-ta，在這個表達式中與Δt有直接關系的是ta、tb。

接線盒溫升由數據采集器 LR8400-21進行記錄，設LR8400-21的顯示值為函數變量X,接線盒溫度值為變量Y，溫度值與顯示值之間關系為

Y=f(X1,X2,X3，…XN)

(1)

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

對于溫升實驗Δt=tb-ta，因此傳遞系數Cb=?T/?t=1,Ca=?T/?t=-1

由數學表達式可以看出對于測量重復性引起的不確定度

(2)

由此可見，式(2)不包含其他不確定因素導致的不確定度，遺漏了數據采集器 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接線盒溫升實驗總的不確定度公式為

uc2=u12+u22+u32+u42

3 不確定度分析及計算

3.1 A類不確定度分析及計算

部分熱電偶分布見圖2，熱電偶溫度測量點采用膠粘方式，環境溫度測量點是懸于環境空間進行測量。

圖2 熱電偶分布

以密封圈溫升不確定度計算為例，在接線盒通電4h以后，溫度穩定時，重復測量 10次環境溫度和器件的溫度，數據見表1。t1為密封圈溫度測量值，t2為環境溫度，Δt為密封圈溫升值,u1為密封圈溫升不確定度。

表1 密封圈溫升數據

密封圈溫度的標準不確定度為

環境溫度的標準不確定度為

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類標準不確定度分析及計算

(1)數據采集器 LR8400-21引起的不確定度

根據校準證書信息，LR8400-21的不確定度U=0.3℃，K=2，則其標準不確定度U2=U/K=0.15℃

(2)T 型熱電偶引起的不確定度

根據校準證書信息，T 型熱電偶的不確定U=0.2℃，K=2,則其標準不確定度U3=U/K=0.1℃。

(3)電流表引起的不確定度

根據電器在短路條件下發熱溫升的公式[3]

(3)

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

3.3 合成標準不確定度的分析及其計算

3.4 擴展不確定度的分析及其計算

U由合成標準不確定度uc乘包含因子k得到：U=Kuc，測量結果可表示成Y=y±U，y是被測量Y的最佳估計值。

包含因子k的值是根據y±U的區間要求的置信水平而選擇的。根據假設的概率分布選取k值,假設為正態分布,根據置信水平p選取k；均勻分布時，可參照下表2，選取K值;一般情況下，K在 2～3 范圍內,當取k=2時，區間的置信水平約為95%；當取k=3時，區間的置信水平約為 99%。

表2 均勻分布時置信水平p與包含因子k的關系

本實驗取擴展因子k=2，接線盒密封圈溫開測量的不確定度U=Kuc=0.5476℃，所以密封圈溫升可能值95%概率落于區間[38.16,39.26]上，其余測試點溫升不確定度分析與計算同密封圈。

4 結語

通過以上分析可以看出，產生不確定度原因錯綜復雜，不確定度評估很繁瑣，但建立科學的分析思路，通過數學模型、誤差分析與數據處理就可以得出科學的不確定度評估結果，對溫升實驗測量結果的質量給出定量說明，測量結果的可信程度就得到保證。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性環境 第3部分：由增安型“e”保護的設備[S]．

[2] GB 3836.1—2010，爆炸性環境 第1部分：設備通用要求[S]．

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