短路试验电流不确定度的评定
2017-06-05鞠彬彬员雪峰
文 鞠彬彬 员雪峰
短路试验电流不确定度的评定
文 鞠彬彬 员雪峰
短路试验的准确与规范性是实验室能力验证的重要组成部分，通过对短路试验电流进行不确定度的评定，保证测量结果判定的准确性。
按照新版标准GB 7251.1-2013《低压成套开关设备和控制设备第1部分：总则》要求，低压成套开关设备不仅要满足正常工作时的温升、机械操作性能等方面要求，还应能够耐受不超过额定值的短路电流所产生的热应力和电动应力。在实际试验过程中，实验室通常采用模拟低压成套设备发生短路时的情况，在输入端施加较大的试验电压，通过调节系统阻抗，使试验电流达到制造商标称值，以此来检验低压成套设备是否符合标准要求。由于短路试验的偶然性和不可重复性，因此对试验数据的准确度要求非常高，传统的误差理论已不能满足测试要求。按照ISO/ IEC17025《检测和校准实验室能力的通用要求》规定，我们在短路试验中了引入不确定度的概念。
不确定度的发展和内容
不确定度是经典的误差理论发展和完善的产物。测量误差的定义是测量结果减去被测量的真值，因此要得到误差的两个必要条件是：测量结果和已知真值，但由于真值按其本性是不确定的实际上用的是约定真值，所以这一说法本身就不严谨。1963年美国计量专家埃森哈特提出采用不确定度的建议。
一、测量不确定度的定义
测量不确定度是与测量结果相联系的参数，表征合理地赋予被测量之值的分散性。顾名思义，不确定度即测量结果的不能肯定程度，换句话说表明这个结果的可信赖程度，它是测量结果的质量指标。定义中的所谓“合理”意指应考虑到各种因素对测量的影响所做的修正，这些测量影响因素就是后面要讲到的测量不确定的来源；“赋予被测量之值”意指被测量的结果，他不是固有的，而是人们赋予的最佳估计值；“分散性”即每次测得的结果不是同一值，它是以一定的概率分散在某个区域的许多个值。总的意思是测量不确定度是一个与测量结果在一起的参数（或量），在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度，此参数（或量）说明了置信概率区间的半宽度。简言之：测量值的分散程度或分散性就是不确定度。
二、测量不确定度的来源
从影响结果的因素考虑，测量不确定度主要来源于以下10个方面：被测量的定义不完整、复现被测量的测量方法不理想、取样的代表性不够、对测量过程受环境影响的认识不恰如其分或对环境的测量与控制不完善、对模拟式仪器的读数存在人为偏移、测量仪器的计量性能的局限性、测量标准或标准物质提供的量值的不准确、引用的数据或其他参量值的不准确、测量方法和测量程序的近似和假设、在相同条件下被测量在重复观测中的变化。总起来说就是被测对象、测量设备、测量环境、测量人员和测量方法等带来的。
三、测量不确定度的分类
测量不确定度依据其评定方法不同分为A、B两类。用对观测列进行统计分析的方法来评定的测量不确定度称为A类不确定度评定，常用方法有贝塞尔法、别捷尔斯法、极差法等。用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定的测量不确定度称为B类不确定度评定，B类评定的信息主要来源于以前的测量数据、经验或资料、检定证书或校准证书等。
四、测量不确定度的意义
测量不确定度必须正确评定，不确定度评定过大会使用户认为现有测量水平不能满足需要而去购买更加昂贵的仪器，导致不必要的投资造成浪费；不确定度评定过小，会因要求过于严格，对产品质量、生产加工造成不必要的成本增加，使企业蒙受经济损失。
短路试验不确定度评定
短路试验系统如图1所示
图1 短路试验系统图
通过对验证过程的分析，主要影响不确定度的因子有3部分，一是电源波动的影响，二是电参数表的影响、三是环境温度的影响。
一、建立数学模型
式中：C1— 电源波动引起的不确定度。
C2— 电参数表引起的不确定度。
C3— 环境温度引起的不确定度。
扩展不确定度： kCCk×= 。
1.电源波动不确定度的计算
电源波动的影响，属于不确定度A类分量。线路按要求连接完毕后，依次进行10次预期波测量，每次测量时，测试仪复位初始状态，关闭电源，目的在于使每次测试结果彼此独立。
表1 试验电流测量值
计算10次独立测量结果的算术平均值：
观测值的实验方差为：
则A类评定的不确定度：
2.电参数表不确定度计算
电参数表引起的影响属于B类不确定度，其测量结果的不确定度由校准证书得出：
3.环境温度不确定度计算
环境温度的影响属于B类不确定度，其测量结果的不确定度由校准证书得出：
4.合成标准不确定度的计算：
5.扩展不确定度的计算：
二、不确定度的结果报告
短路试验电流扩展不确定度为：
其中：包含因子k=2，置信概率P=95%。
总之，短路试验不确定度的来源比较复杂，影响因素较多，检验人员应从环境、设备、人员素质等方面综合考虑，且在工作中不断总结经验，为检验检测提供尽量真实、科学的分析数据。
作者单位：山东省产品质量检验研究院
