陶瓷片密封水嘴综合测试系统的研制与测量不确定度分析

倪栋

（厦门市产品质量监督检验院 福建厦门 361004）

0 引言

随着社会经济的高速发展，水资源越来越匮乏，节约用水，提高用水效率是经济可持续发展的需要，而且随着人们对健康和品质生活要求的提高，高质量多功能的卫浴产品需求也越来越大，当然，对其性能的要求也越来越高[1]。《陶瓷片密封水嘴》（GB 18145—2014）、EN817：2008《卫生洁具－机械混合龙头（PN10）－通用技术要求》（单柄双控水嘴）、ASME A112.18.1-2011/CSA B125.1-11（2012）《管道供水装置》[2-4]等国家及欧美标准除了规定陶瓷片密封水嘴的外观、金属污染物析出、使用性能、水力学性能、寿命等指标要求以外，还明确了产品的测试方法及相关试验装置系统示意图。

本文通过研究相关标准的测试方法，并不断优化结构布局与功能设计，研制出能够满足多种产品类型，多种标准的陶瓷片密封水嘴卫浴寿命与水力学综合测试系统。该系统可进行水嘴开关寿命、转换开关寿命、旋转出水管寿命、抽取水嘴寿命、灵敏度、流量、抗水压机械性能和密封性的试验。

1 综合测试系统设计

综合测试系统采用低压控制系统、PLC和触摸式人机界面构成系统的控制核心，直接连接工控机实现系统集成控制与远程监控，在测试过程中能方便地对各测试参数和测试数据进行对话式快速设定及实时读取。系统结构示意图见图1，主要由供水与电气系统、气路管路、机台主体功能模块和控制系统组成。

图1 综合测试系统

1.1 供水与电气系统

供水和电气系统运用多种技术手段，采用试水测试设备主机与冷热供水机及分体风冷式制冷机相组合，以实现冷水及热水温度在整个测试中的相对恒定，从而达到测试标准的要求，并通过自动化智能控制提高了整台设备的使用性能，具有以下几个特点：

（1）利用循环热电偶感应，PLC智能控制气缸切换分水槽，使得冷热水回流到回水槽，并通过液位开关感应回水泵确保将冷热水槽中的水抽回冷热水箱中。

（2）利用机械式的浮球开关补偿冷、热水量。

（3）采用2根12kW加热管进行快速加热，采用分体式制冷机快速制冷。

（4）采用型号为SM6004流量传感器，精确度可达±2.5%MW。

1.2 气路管路

气路管路是连接动力系统和各个被试件安装台的脉络，整套管路采用不锈管材，防止水锈侵蚀[5]，同时由于各类水嘴寿命测试项目的时间都比较长，测试系统的寿命执行驱动元件也应具有很高的寿命，因此该测试系统采用机器人手设计方式自动对试件实现开关动作，左右摆动采用伺服电机方式；上下提拉采用亚德客气缸模式，而气动元件均采用亚德客气动元件，具有有自动采样信号转换传输功能，能够满足系统的自动化要求并且做到气动元件极易更换。

1.3 机台主体功能模块

以往的测试系统都是单项测试系统及装置，比如寿命等单项测试系统，其动力系统以及操作界面相互独立，这样既占用空间又浪费资源，而本测试系统的设计最大化综合所有试验项目于一体，统一由一个界面进行控制，节省了空间。该测试系统机台主体功能模块包括水嘴开关寿命、转换开关寿命、旋转出水管寿命、抽取水嘴寿命、灵敏度、流量、抗水压机械性能和密封性的试验7个工位：①采用全触摸方式控制，可选择单个工位及多个工位同时测试；②7个工位都安装独立的冷热水回流槽，能够实现自动补水，确保冷热水在测试温度范围内。

1.4 控制系统

该系统在控制方面，采用高性能进口可编程控制器与工业触摸屏的有效结合，可实现工位选择、样品型式选择、试验项目选择与各种测试条件参数的预置设定及自动停机、蜂鸣闪烁报警等各种控制功能；在数据采集、显示方面，采用最新传感器技术，将测试过程所要调整及监控的试验条件、参数、压力等均能自动时时跟踪采集并显示在仪表和工业触摸屏的人机界面上，整个界面清晰、简洁，布局美观，操作方便，集成度高。

2 水嘴流量测试运行操作

设备接入380V稳定电源，将电源开关旋转至“ON”档位，给主控电路通电，电源指示灯亮，打开触摸屏主画面，在触摸屏中选择自动测试模式，选择一款单柄双控水嘴，将水嘴两个进水口分别连接在冷、热水管路上，手柄开启至流量最大，在整个温度控制范围内移动手柄，从冷水位置移到热水位置，再从热水位置移到冷水位置，系统自动记录出水温度为全冷、34℃、38℃、44℃、全热5个位置时的混合水流量。

3 水嘴流量的测量不确定度分析

水嘴流量测量的不确定度评定影响到该系统测量结果的可信度，因此进行水嘴流量不确定评定是检测实验室给出可信检测结果的必要工作[6]，也是对该系统稳定性和测量结果保持一致性的必要工作。流量不确定的来源有多方面，不同不确定度来源对合成不确定的贡献程度也不同[7]。根据经验，本文重点考虑：

（1）影响检测结果的随机因素主要跟该系统的稳定性、试验人员操作的差异性和环境因素等引起的测量重复性的不确定度，也称A类不确定度。

（2）该系统流量计校准的不确定度，也称B类不确定度。

3.1 测量重复性的不确定度分量

统计分析在重复测量条件下获得一系列测量结果，即可得到各种因素影响下的重复性不确定度分量。以下是同一款单柄双控水嘴在38℃水温下，10次重复测量的结果，见表1。

表1

单次测量的标准偏差用s（Q1）表示，按贝塞尔公式计算可得：

该试验为单件产品判定，故测量重复性引入的标准不确定度：

测量重复性影响引入的相对标准不确定度为：

3.2 系统流量计校准的不确定度分量

查该系统流量计的校准证书可知其最大示值误差为-2.0%，假设这个误差是均匀分布，由此该系统流量校准引入的相对标准不确定度分量为：

从式（3）和式（4）中可以得出系统流量计校准引入的不确定度贡献最大，而测量重复性影响引入的不确定较小。因此我们也可以得出该系统整体可靠性和测试一致性较好的结论，当然为了降低陶瓷片密封水嘴流量测量的不确定度，我们在日常实验中还要注重流量计的保养及校准工作。

3.3 合成扩展不确定度

合成标准不确定度按式（5）和式（6）计算：

将合成标准不确定度乘以包含因子k=2得到置信概率为95%的合成扩展不确定度：

4 结论

本文重点介绍了陶瓷片密封水嘴卫浴寿命与水力学综合测试系统的设计与系统集成，研制出的测试设备满足相关标准的要求，同时分析了水嘴流量测量不确定度的来源，利用某个产品的重复测量结果及其它相关资料，进行该产品流量测试结果的不确定度的评定，评定结果表明测量完全满足量值传递的要求，且一定程度上证明了该测试系统的可靠性和实验结果的一致性。