陶瓷片密封水嘴綜合測試系統的研制與測量不確定度分析

倪棟

（廈門市產品質量監督檢驗院 福建廈門 361004）

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，水資源越來越匱乏，節約用水，提高用水效率是經濟可持續發展的需要，而且隨著人們對健康和品質生活要求的提高，高質量多功能的衛浴產品需求也越來越大，當然，對其性能的要求也越來越高[1]。《陶瓷片密封水嘴》（GB 18145—2014）、EN817：2008《衛生潔具－機械混合龍頭（PN10）－通用技術要求》（單柄雙控水嘴）、ASME A112.18.1-2011/CSA B125.1-11（2012）《管道供水裝置》[2-4]等國家及歐美標準除了規定陶瓷片密封水嘴的外觀、金屬污染物析出、使用性能、水力學性能、壽命等指標要求以外，還明確了產品的測試方法及相關試驗裝置系統示意圖。

本文通過研究相關標準的測試方法，并不斷優化結構布局與功能設計，研制出能夠滿足多種產品類型，多種標準的陶瓷片密封水嘴衛浴壽命與水力學綜合測試系統。該系統可進行水嘴開關壽命、轉換開關壽命、旋轉出水管壽命、抽取水嘴壽命、靈敏度、流量、抗水壓機械性能和密封性的試驗。

1 綜合測試系統設計

綜合測試系統采用低壓控制系統、PLC和觸摸式人機界面構成系統的控制核心，直接連接工控機實現系統集成控制與遠程監控，在測試過程中能方便地對各測試參數和測試數據進行對話式快速設定及實時讀取。系統結構示意圖見圖1，主要由供水與電氣系統、氣路管路、機臺主體功能模塊和控制系統組成。

圖1 綜合測試系統

1.1 供水與電氣系統

供水和電氣系統運用多種技術手段，采用試水測試設備主機與冷熱供水機及分體風冷式制冷機相組合，以實現冷水及熱水溫度在整個測試中的相對恒定，從而達到測試標準的要求，并通過自動化智能控制提高了整臺設備的使用性能，具有以下幾個特點：

（1）利用循環熱電偶感應，PLC智能控制氣缸切換分水槽，使得冷熱水回流到回水槽，并通過液位開關感應回水泵確保將冷熱水槽中的水抽回冷熱水箱中。

（2）利用機械式的浮球開關補償冷、熱水量。

（3）采用2根12kW加熱管進行快速加熱，采用分體式制冷機快速制冷。

（4）采用型號為SM6004流量傳感器，精確度可達±2.5%MW。

1.2 氣路管路

氣路管路是連接動力系統和各個被試件安裝臺的脈絡，整套管路采用不銹管材，防止水銹侵蝕[5]，同時由于各類水嘴壽命測試項目的時間都比較長，測試系統的壽命執行驅動元件也應具有很高的壽命，因此該測試系統采用機器人手設計方式自動對試件實現開關動作，左右擺動采用伺服電機方式；上下提拉采用亞德客氣缸模式，而氣動元件均采用亞德客氣動元件，具有有自動采樣信號轉換傳輸功能，能夠滿足系統的自動化要求并且做到氣動元件極易更換。

1.3 機臺主體功能模塊

以往的測試系統都是單項測試系統及裝置，比如壽命等單項測試系統，其動力系統以及操作界面相互獨立，這樣既占用空間又浪費資源，而本測試系統的設計最大化綜合所有試驗項目于一體，統一由一個界面進行控制，節省了空間。該測試系統機臺主體功能模塊包括水嘴開關壽命、轉換開關壽命、旋轉出水管壽命、抽取水嘴壽命、靈敏度、流量、抗水壓機械性能和密封性的試驗7個工位：①采用全觸摸方式控制，可選擇單個工位及多個工位同時測試；②7個工位都安裝獨立的冷熱水回流槽，能夠實現自動補水，確保冷熱水在測試溫度范圍內。

1.4 控制系統

該系統在控制方面，采用高性能進口可編程控制器與工業觸摸屏的有效結合，可實現工位選擇、樣品型式選擇、試驗項目選擇與各種測試條件參數的預置設定及自動停機、蜂鳴閃爍報警等各種控制功能；在數據采集、顯示方面，采用最新傳感器技術，將測試過程所要調整及監控的試驗條件、參數、壓力等均能自動時時跟蹤采集并顯示在儀表和工業觸摸屏的人機界面上，整個界面清晰、簡潔，布局美觀，操作方便，集成度高。

2 水嘴流量測試運行操作

設備接入380V穩定電源，將電源開關旋轉至“ON”檔位，給主控電路通電，電源指示燈亮，打開觸摸屏主畫面，在觸摸屏中選擇自動測試模式，選擇一款單柄雙控水嘴，將水嘴兩個進水口分別連接在冷、熱水管路上，手柄開啟至流量最大，在整個溫度控制范圍內移動手柄，從冷水位置移到熱水位置，再從熱水位置移到冷水位置，系統自動記錄出水溫度為全冷、34℃、38℃、44℃、全熱5個位置時的混合水流量。

3 水嘴流量的測量不確定度分析

水嘴流量測量的不確定度評定影響到該系統測量結果的可信度，因此進行水嘴流量不確定評定是檢測實驗室給出可信檢測結果的必要工作[6]，也是對該系統穩定性和測量結果保持一致性的必要工作。流量不確定的來源有多方面，不同不確定度來源對合成不確定的貢獻程度也不同[7]。根據經驗，本文重點考慮：

（1）影響檢測結果的隨機因素主要跟該系統的穩定性、試驗人員操作的差異性和環境因素等引起的測量重復性的不確定度，也稱A類不確定度。

（2）該系統流量計校準的不確定度，也稱B類不確定度。

3.1 測量重復性的不確定度分量

統計分析在重復測量條件下獲得一系列測量結果，即可得到各種因素影響下的重復性不確定度分量。以下是同一款單柄雙控水嘴在38℃水溫下，10次重復測量的結果，見表1。

表1

單次測量的標準偏差用s（Q1）表示，按貝塞爾公式計算可得：

該試驗為單件產品判定，故測量重復性引入的標準不確定度：

測量重復性影響引入的相對標準不確定度為：

3.2 系統流量計校準的不確定度分量

查該系統流量計的校準證書可知其最大示值誤差為-2.0%，假設這個誤差是均勻分布，由此該系統流量校準引入的相對標準不確定度分量為：

從式（3）和式（4）中可以得出系統流量計校準引入的不確定度貢獻最大，而測量重復性影響引入的不確定較小。因此我們也可以得出該系統整體可靠性和測試一致性較好的結論，當然為了降低陶瓷片密封水嘴流量測量的不確定度，我們在日常實驗中還要注重流量計的保養及校準工作。

3.3 合成擴展不確定度

合成標準不確定度按式（5）和式（6）計算：

將合成標準不確定度乘以包含因子k=2得到置信概率為95%的合成擴展不確定度：

4 結論

本文重點介紹了陶瓷片密封水嘴衛浴壽命與水力學綜合測試系統的設計與系統集成，研制出的測試設備滿足相關標準的要求，同時分析了水嘴流量測量不確定度的來源，利用某個產品的重復測量結果及其它相關資料，進行該產品流量測試結果的不確定度的評定，評定結果表明測量完全滿足量值傳遞的要求，且一定程度上證明了該測試系統的可靠性和實驗結果的一致性。