离心泵测试系统测量精度评定方法研究

张 胜，宋龙波，乔金宇，张振坤

（1.淄博市产品质量监督检验所，山东淄博 255000；2.淄博市机电泵类产品质量检验研究院，山东淄博 255200）

0 引言

JJFlO59-1999《测量不确定度评定与表示》是测量不确定度的国家通用标准，标准中给出了评定与表示测量不确定度的原则和方法，具有普遍适用性。水泵测试系统不确定度评定是一个具体问题，要求水泵测试人员能深刻理解水泵测试系统工作原理和各测量参数的测量过程，对测量所使用的仪器设备状态非常了解。本文选取一台管道离心泵，安装在离心泵标准测试管路系统中，按照不确定度评定规则，分别对离心泵的流量、扬程、功率、效率的测量不确定度进行评定，从而对离心泵测试系统精度进行评定。

1 不确定度评价方法

根据标准JJFlO59-1999《测量不确定度评定与表示》中的描述[1]：不确定度主要由A类不确定度和B类不确定度组成。

A 类不确定度是随机误差对不确定度的贡献。数量众多、微小、单独的影响会引起随机误差，该误差产生不同的测量结果，这些测量结果通常呈现正态曲线分布，通常采用贝塞尔公式进行评定。

贝塞尔公式：

式中：u(x)为测量值的标准偏差；为第i 次的测量值；uˉ为n次测量的算术平均值。

按照水泵测试标准和水泵试验台校准规范的规定[2-3]：置信概率取95%，首先对同一测量量的多次测量结果用贝塞尔公式计算，得出该测量量的标准偏差，然后，该测量量的标准偏差的2倍即为该测量量的随机不确定度。

B类不确定度是系统误差对不确定度的贡献。引起系统误差的主要原因：（1）仪表安装不得当；（2）不完善的校验修正；（3）方法误差；（4）仪表量程选择不得当；（5）人为误差。系统误差是在试验时保持恒定或表面上不变的误差，实际的误差很难测量。B类评定由下式得到：

式中：a为被测量量可能值区间的半宽度；k为包含因子，当置信概率为95%时，k=1.96。

标准不确定度是用均方根方法将A类评定、B类评定加以合成：

不确定度报告中用合成的标准不确定度表示测量量的不确定度测量结果，测量结果以两位有效数字表示。

2 离心泵测试系统不确定度评定过程

2.1 被测试水泵性能参数

被测试水泵的性能参数如表1所示。

表1 水泵性能参数

2.2 仪器设备

测试过程用到的仪器设备如表2所示。

表2 仪器设备

2.3 各性能参数测量不确定度的估算

2.3.1 建立数学模型

离心泵性能试验过程中涉及到的参数有：流量、扬程、泵输入功率、泵输出功率、泵效率。各参数的数学模型如下。

流量：用电磁流量计直接测量出泵的流量Q。

扬程：扬程是泵的出口总水头与进口总水头的差值，具体计算公式如下：

式中：Z1、Z2分别为进、出口截面中心距离基准面的垂直高度，m；P1、P1分别为进、出口处测得的压力值，Pa；v1、v2分别为进、出口管路中的流速，m3/s。

泵输入功率：用转矩转速传感器直接测量出泵的输入功率P=Pa。

泵输出功率：Pu=ρQgH。

泵效率：η=PuPa。

2.3.2 各性能参数测量不确定度的估算

流量是用电磁流量计测量的体积流量，电磁流量计引起的不确定度可以直接使用电磁流量计的准确度来表示。

泵输入功率是用扭矩仪直接测量的，扭矩仪引起的不确定度可以直接使用扭矩仪的准确度来表示[5]。

泵输出功率中，除了扬程、流量外，水的密度和重力加速度是引起不确定度的因素，在试验过程中，水的密度和重力加速度是定值，不会产生不确定度。只有扬程、流量引起不确定度[6]。

泵效率中考虑扬程、流量、泵输入功率都会引起不确定度。

分别对各参数的测量不确定度进行估算，结果如图1～2所示。

图1 各参数测试数据图

图2 Excel表中计算出各参数的不确定度

2.3.3 不确定度估算结果

离心泵测试系统各参数的不确定度估算值与标准GB/T3216-2016 中规定的不确定度数值作对比，对比结果如表3和图3所示。从图中可以得出，离心泵测试系统各参数的不确定值均在标准GB/T3216-2016规定的1级精度范围内。

表3 不确定度对比结果

图3 不确定度对比曲线图

3 结束语

本文对离心泵测试系统的不确定度进行了评定。按照不确定度评定规则，分别对离心泵试验过程中各测量参数进行不确定度评定。评定结果表明，各测量参数的不确定度均在标准GB/T 3216-2016 规定的1 级精度范围内，因此，淄博市机电泵类产品质量检验研究院的离心泵测试系统的测量精度达到1级精度要求。本文提供的离心泵各测量参数不确定度评定方法，为其他水泵检验机构和水泵生产企业的离心泵测试系统测量精度评定提供了理论依据和方法，值得借鉴。