增安型电机接线盒温升测试不确定度分析

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯 154005)

0 引言

温度是增安型接线盒防爆性能的重要指标之一。一方面，增安型接线盒任何部件的温度都不应超过部件使用材料的耐热温度，比如电缆密封圈的温度值不应大于密封圈材质耐热温度；另一方面，由于增安型接线盒内部空间可能存在爆炸性气体，所以内部部件温度不应超过GB 3836.1—2010规定的最高表面温度[1]，因此，温升试验结果的不确定度评估非常重要，已成为试验室检验报告可靠性重要依据。

本文以增安型电机接线盒温升试验的不确定度评定为例，在温升试验的基础上，分析了试验室对产品进行不确定度评定的方法。试验样品额定电流为400A，额定电压为600V，采用T热电偶(Φ0.28×5000mm)和数据采集器 LR 8400-21(日本hioki)进行测量,热电偶采用IECEx OD012粘贴方式，温度变化不超过2K/h时试验结束[2]，试验进行了4h。

1 测量不确定度来源

不确定度，顾名思义即测量结果的不能肯定程度，反过来也即表明该结果的可信赖程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量真值越接近，质量越高，水平越高，其使用价值也越高。

分析不确定度来源时，应从设备、人员、环境、及被测对象多方面考虑[3]，如图1所示。

图1 不确定度来源

可以归纳为以下几个方面

(1)测量设备

这些仪器本身都有误差，检定证书提供的检定结论，给出相应的不确定度，比如：数据采集器 LR 8400-21、T热电偶(Φ0.28×5000mm)、空盒气压表(DYM3)型都有不确定度。

(2)人员

实验人员对所测温度的读取存在一定的读数误差、对所读取的数据需要进行修约，这也会对不确定度产生影响；还有仪器为数字显示界面，这个误差由仪器的分辨力引起；还有对测量点位置设置也会因人员的不同引起不确定度。

(3)环境

由于环境条件与规定的标准条件不一致，引起测量装置和被测对象本身的变化所造成不确定度。比如：温度、湿度和气压。

2 试验与数学建模

本试验按照GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定，测量是在电气设备额定电流的1.1倍，设备在最不利条件下进行，测量采用数据采集器LR 8400-21和热电偶进行测量，电流控制由DL3型矿用防爆电器保护特性试验台进行控制，当温升的变化不超过2K/h时，则认为已达到最终稳定温度，设环境温度为变量ta，接线盒部件温度为变量tb，温升为Δt=tb-ta，在这个表达式中与Δt有直接关系的是ta、tb。

接线盒温升由数据采集器 LR8400-21进行记录，设LR8400-21的显示值为函数变量X,接线盒温度值为变量Y，温度值与显示值之间关系为

Y=f(X1,X2,X3，…XN)

(1)

物理表达式可表示为T=f(t1,t2,t3，…tN)，以C1,C2,C3，…CN表示函数的传递系数，函数系数C=∂T/∂t。

对于温升实验Δt=tb-ta，因此传递系数Cb=∂T/∂t=1,Ca=∂T/∂t=-1

由数学表达式可以看出对于测量重复性引起的不确定度

(2)

由此可见，式(2)不包含其他不确定因素导致的不确定度，遗漏了数据采集器 LR8400-21的不确定度u2，T 型热电偶的不确定度u3，控制电流的电流表的不确定度u4，由此可知增安型电机接线盒温升实验总的不确定度公式为

uc2=u12+u22+u32+u42

3 不确定度分析及计算

3.1 A类不确定度分析及计算

部分热电偶分布见图2，热电偶温度测量点采用胶粘方式，环境温度测量点是悬于环境空间进行测量。

图2 热电偶分布

以密封圈温升不确定度计算为例，在接线盒通电4h以后，温度稳定时，重复测量 10次环境温度和器件的温度，数据见表1。t1为密封圈温度测量值，t2为环境温度，Δt为密封圈温升值,u1为密封圈温升不确定度。

表1 密封圈温升数据

密封圈温度的标准不确定度为

环境温度的标准不确定度为

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

A类不确定度：u1=uCA(Δt)=0.0081℃

3.2 B类标准不确定度分析及计算

(1)数据采集器 LR8400-21引起的不确定度

根据校准证书信息，LR8400-21的不确定度U=0.3℃，K=2，则其标准不确定度U2=U/K=0.15℃

(2)T 型热电偶引起的不确定度

根据校准证书信息，T 型热电偶的不确定U=0.2℃，K=2,则其标准不确定度U3=U/K=0.1℃。

(3)电流表引起的不确定度

根据电器在短路条件下发热温升的公式[3]

(3)

式中，ρ—电阻率，Ωm；I—电流值，A；kt—传热系数，W/cm2K；P—导电体周长，m；S—导电体截面积，m2。

3.3 合成标准不确定度的分析及其计算

3.4 扩展不确定度的分析及其计算

U由合成标准不确定度uc乘包含因子k得到：U=Kuc，测量结果可表示成Y=y±U，y是被测量Y的最佳估计值。

包含因子k的值是根据y±U的区间要求的置信水平而选择的。根据假设的概率分布选取k值,假设为正态分布,根据置信水平p选取k；均匀分布时，可参照下表2，选取K值;一般情况下，K在 2～3 范围内,当取k=2时，区间的置信水平约为95%；当取k=3时，区间的置信水平约为 99%。

表2 均匀分布时置信水平p与包含因子k的关系

本实验取扩展因子k=2，接线盒密封圈温开测量的不确定度U=Kuc=0.5476℃，所以密封圈温升可能值95%概率落于区间[38.16,39.26]上，其余测试点温升不确定度分析与计算同密封圈。

4 结语

通过以上分析可以看出，产生不确定度原因错综复杂，不确定度评估很繁琐，但建立科学的分析思路，通过数学模型、误差分析与数据处理就可以得出科学的不确定度评估结果，对温升实验测量结果的质量给出定量说明，测量结果的可信程度就得到保证。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性环境 第3部分：由增安型“e”保护的设备[S]．

[2] GB 3836.1—2010，爆炸性环境 第1部分：设备通用要求[S]．

[3] 邱军, 陈建兵. 低压电器温升试验的不确定度分析[J]. 计量技术, 2005(4):51-53.