电动葫芦能效测试结果不确定度评价

王国防董辛

（1.郑州大学 机械工程学院 郑州 450001）（2.河南省特种设备安全检测研究院 郑州 450004）



电动葫芦能效测试结果不确定度评价

王国防1，2董辛1

（1.郑州大学 机械工程学院 郑州 450001）
（2.河南省特种设备安全检测研究院 郑州 450004）

摘 要：在论述测量不确定度分析原理基础上，根据电动葫芦能效测试方法建立其不确定度评价模型。通过对电动葫芦能效测试所使用的仪器精度评估，以CD1 10-9型电动葫芦为例进行了电动葫芦能效测试，并对测试结果的不确定度进行了评价。

关键词：电动葫芦 能效值 测量不确定度 电能表法

电动葫芦作为一种轻小型起重设备，不仅独立作为一种起重设备广泛应用，而且随着起重机械向轻量化发展，电动葫芦以其集成化、简约化为特点应用于起重机的起升机构，在单梁型和小吨位双梁型桥门式起重机及旋臂起重机上被越来越广泛地应用于各个行业。根据不完全数据统计，我国现在每制造100台起重机就有75～80台是以电动葫芦作为起升机构的，其能耗也开始越来越引起人们的重视。

随着GB/T 30028—2013《电动葫芦能效测试方法》的出台与实施，电动葫芦能效测试在方法上有了标准依据，但按照国家节能方面的规定，需对电动葫芦的能效指标进行标示，标示的前提是建立统一的能效评价标准方法。评价方法的可信度和可行性是建立在测试数据的准确度之上的，但由于测量过程中各种测量的不确定因素的存在，为了使能效测试数据具有更大的采信度，需要在测量数据的分析中引用测量不确定度评价代替误差分析。

测量不确定度在《测量不确定度表示指南》中的定义是：是与测量结果质量有关的参数，用来表示被测量值的分散性［1］。本文参照国家相关标准规范，对电动葫芦能效指标进行不确定度评价。一般而言，测试结果的质量、水平和使用价值与测量不确定度负相关。我国电动葫芦能效测试工作刚刚开展，尚没有对测试结果采用不确定度进行分析方面的相关研究。本文根据相关标准规范，对电动葫芦能效测试结果进行不确定度评价，不仅可以考察及评价电动葫芦能效值的质量，同时还可以探讨电动葫芦能效测试水平和提高以电动葫芦为起升机构的起重机能效利用率的技术措施。

1 不确定度分析原理

1.1 建立数学模型

评价电动葫芦能效测试结果不确定度前，要先根据数理统计知识建立满足评价要求的数学模型。输出量Y（即被测量）由N个分量，X1，X2，…，XN；通过函数关系f来确定［2-3］，即

式中：

Y——被测量或输出量；

X——影响量或输入量。

该模型须遵循以下原则：

1）影响测量结果的所有输入量应被包含在模型中；

2）影响测量结果的任何不确定度分量应被不遗漏且不重复的包含在模型中；

3）由于选取的输入量不同，模型的表达形式可以不同。

1.2 不确定度的A类、B类评价

不同测量因素均会影响测量结果不确定度的变化，因此按照评价方法的不同，每个评价来源评价的标准偏差（不确定度分量μi）都有A类和B类两类评价方法［2］。

●1.2.1 不确定度的A类评价

不确定度的A类评价是指对已有的观测数据运用统计分析的方法，求其标准差的最佳估计［2，4］。按照以上方法评价后的标准不确定度，即是A类不确定度分量μA。

通过重复性测量或复线性测量得到n个测量量：x1，x2，…，xn；有

样本标准差s（xk）计算式为

●1.2.2 不确定度的B类评价

利用已知的信息进行不确定度的B类评价后得到的μ（xi），即是B类不确定度分量，记为μB。一般可通过以下途径得到［2，4］：

1）以前的测试的数据；

2）测量仪器生产单位技术文件上提供的相关参数；

3）计量部门出具的测量仪器检定或校准报告或其他相关文件中提供的结果；

4）实验方法类的国家、行业标准或其他具有同等效力的技术文件给出的复现性数据；

5）技术手册或其他类似资料中提供的具有参考价值的数据及其不确定度。

1.3 合成标准不确定度

当式（1）中输入量彼此不相关或独立时，合成标准不确定度μc（y）为［2-3］：

式中：

μc（y）——输出估计值y相关的标准偏差，即合成标准不确定度；

μ（xi）——输入量xi的标准不确定度，可使用相应的方法对其进行评价，评价为A类标准不确定度或B类标准不确定度；

式（4）也可写成

灵敏度在合成标准不确定度过程中具有重要作用，其求法可通过以下四种途径［2］：

1）偏导法：当模型函数f已知时，通过对f求偏导即得灵敏度ci；

3）作图法：由于不确定度传递采取近似线性变化形式时，可采用作图法来确定其灵敏度ci；

4）机理分析法：测量模型是根据测量原理对测量系统和测量过程进行机理分析而得出的，单项不确定度分量μi通过以往的统计分析或查有关资料已确定，通过此法即可求得灵敏度ci。

1.4 扩展不确定度的评价

为判别检验质量是否在所允许的界限内，还需要进一步评价扩展不确定度。扩展不确定度为定义测量值所在区间的参量，表示被测量值的大部分分布被包含在该区间内。

扩展不确定度是把输出量（估计值y）的标准不确定度进行k倍扩展后所得，k被称为包含因子。即k取2或3，多取2，其取值由被测量的重要程度和危险程度确定。

扩展不确定度是测量结果取值区间的半宽，期望测量值分布的大部分包含在该区间内，测量值在取值区间内被包含的百分数，叫做置信概率或该区间的置信水平，用符合p表示，同时用表示与置信区间相联系的扩展不确定度，区间为测量结果的置信概率p的置信区间为［y−U， y+U］，一般采用p=95%或p=99%。

2 电动葫芦能效测试不确定度评价模型

电动葫芦的能效值按照GB/T 30028—2013中给定方法测试，并通过式（7）计算得出。

式中：

G——测试用载荷质量，kg；

Hi——第i个测量周期载荷起升距离，m；

Di——第i个测量周期电动葫芦在上升阶段从电能表上的读数，kW·h。

按照测量不确定度的理论，应用式（7）进行不确定度计算时各输入量之间必须是相互独立或不相关的，所得合成不确定度为：

式中：

u（G）、u（H）、u（D）分别为G、H、D的不确定度。

在铅顶吹炉“一炉三段”一步炼铅过程中，每个熔炼阶段的氧势有所不同：在氧化熔炼阶段，需要鼓入大量的氧气将硫化铅精矿中的硫化物氧化成氧化物，氧势越高，氧化脱硫效果越明显，但是当氧势达到足够高时，容易让富铅渣过氧化而产出大量的Fe3O4使炉渣泡沫化，形成危害性极大的泡沫渣，不利于渣含铅的降低；氧势过低，极易产生铅冰铜影响还原和烟化效果，不利于降低渣含铅。

对式（7）分别求导整理得：

相关被测量测量后，电动葫芦能效值可通过式（7）计算得到，通过A类或B类评价可得到各分量的不确定度，通过式（8）～式（11）可得到灵敏度ci，合成不确定度就可以通过式（8）计算得到。

3 计算实例

3.1 测量结果

计算实例通过对CD110-9 M3型电动葫芦进行能效测试，并对测试值进行不确定度评价，测试数据见表1。

表1 电动葫芦能效测试数据表

3.2 不确定度计算

●3.2.1 测量参数的不确定度评价

根据电动葫芦能效测试方法可知测试过程中测试的参数为载荷质量、升降距离和电度值。下面仅以载荷质量的测量不确定度评价过程介绍各分量评价过程。

载荷质量的不确定度评价包括A类和B类不确定度评价，重复性测量引入的不确定度即是A类不确定度评价，质量测量装置准确度引入的不确定度即是B类不确定度。

1）A类不确定度分量u1

质量测量系统（即电子衡器）的最大允差是±20.0kg，测量值在此区间内概率分布为规则分布，其标准不确定度为

2）B类不确定度分量u2

3）合成不确定度为

升降距离、电度值的不确定度评价与上述过程相同，按照同样方法可求出升降距离和电度值的合成不确定度，由式（8）可计算出电动葫芦能效值的测量不确定度。结果见表2。

表2 电动葫芦能效值测量不确定度计算表

3.3 评价分析

通过对表2中电动葫芦能效值不确定度数据分析可知：

1）各分量测量值的不确定度对能效值影响大小不一，其顺序为：电度值、起升距离、载荷质量。

2）相对于电度值，载荷质量和起升距离的不确定度对能效值的不确定度影响很小，可忽略不计。

3）通过提高电度表的准确度可以降低能效值测试结果的不确定度。

4 结论

本文在介绍测量不确定评价原理的基础上，根据电动葫芦能效测试标准方法建立了电动葫芦能效值不确定度分析模型，并通过实例来说明电动葫芦能效值的不确定度评价过程和方法。通过分析得出对电动葫芦能效值的不确定度影响较大的因素——电度表的准确度。因此，可在测试过程中考虑提高电度表的准确度，从而降低电动葫芦能效值测试结果的不确定度。

参考文献

［1］ JJF 1059.1-2012 测量不确定度评价与表示 ［S］.

［2］ 林洪桦.测量误差与不确定度评估［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］ 王志国，马一太，卢苇.不确定度分析原理在锅炉热效率测算中的应用［J］.中国电机工程学报， 2005， （3）：125-129.

［4］ （澳）莱斯·柯卡普，鲍伯·弗伦克尔.测量不确定度导论 ［M］.西安：西安交通大学出版社，2011.

［河南省科技计划项目：132109000010］

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

作者简介：王国防（1981～），男，硕士，工程师，从事起重机械故障诊断及检测研究工作。

收稿日期：（2015-11-19）

中图分类号：X941

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）06-0040-04

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