試驗機負荷示值誤差測量結果不確定度評估

液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差測量結果不確定度評估王鵬（北京市海淀區(qū)計量檢測所，北京，100083）摘要：根據(jù)JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》國家計量技術規(guī)范給出的測量不確定度評估原則，運用JJF1130-2005《幾何量測量設備校準中的不確定度評定指南》國家計量技術規(guī)范給出的測量不確定度近似評估思想、不確定度概算技術和不確定度報告編寫格式，對液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差測量過程（測量條件、測量原理、測量方法、測量程序等）進行測量不確定度評估。關鍵詞：測量不確定度評估；不確定度概算；液壓擺錘式壓力試驗機；負荷示值誤差1引言該評估報告是根據(jù)JJF1130-2005《幾何量測量設備校準中的不確定度評定指南》的測量不確定度近似評估思想和格式編寫，它以JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機》國家計量檢定規(guī)程的技術要求、測量條件為依據(jù)，利用不確定度概算技術對液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差的測量過程進行評估。2概述為驗證JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機》國家計量檢定規(guī)程技術要求的合理性，對典型液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差的測量過程進行測量不確定度評估，確認該規(guī)程提出的液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差的技術要求、測量原理、測量條件、測量方法和測量程序的科學性、可行性、經(jīng)濟性。3任務和目標不確定度3.1測量任務采用JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機》國家計量檢定規(guī)程確認的技術要求、測量原理、測量條件、測量方法和測量程序，量程為2000kN，測量最大試驗力為400kN的負荷示值誤差。3.2目標不確定度根據(jù)JJF1094-2002《測量儀器特性評價》中5.3.1.4規(guī)定，液壓擺錘式壓力試驗機負荷示值誤差的擴展不確定度U（k=2）與其最大允許誤差的絕對值MPEV之比，應小于或等于1:3，即U<--MPEV （1）根據(jù)式（1）按JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機》規(guī)程中負荷示值誤差技術要求得到與之對應的目標不確定度UT（見表1）。表1目標不確定度UT(Table.1TargetUncertaintyUT)壓力試驗機負荷示值F（kN）負荷示值誤差最大允許誤差MPEf（kN）目標不確定度UT（kN）40041.34原理、方法、程序和條件4.1液壓擺錘式試驗機測量原理液壓擺錘式試驗機，其液壓系統(tǒng)是連通的，所以在工作狀態(tài)下工作活塞底面與測力活塞底面所受的壓強是相等的。試驗機采用了液壓正切擺測力原理。測力活塞上所受的力通過拉桿作用于擺桿短臂上，使擺桿和擺錘揚起。同時，推板推動齒桿，齒桿帶動齒輪使指針偏轉(zhuǎn)，在讀盤上指示出相應的力值。4.2測量方法在壓力試驗機試臺上水平安置標準測力儀，控制壓力試驗機加力系統(tǒng)，以標準測力儀顯示標準負荷點為標準，同時讀取試驗機負荷示值顯示值，并與標準力值比較，測量試驗機負荷示值誤差。4.3測量程序——用0.3級標準測力儀做標準器；——將標準測力儀放置在壓力試驗機試臺上測量試驗機負荷示值誤差；——測量時以標準測力儀示值為標準緩慢加力至測量點處；——當?shù)竭_測量點處時同時讀取壓力試驗機顯示示值；——通過數(shù)據(jù)處理計算得出試驗機負荷示值誤差。4.4測量條件——標準測力儀經(jīng)檢定符合JJG144-1992《標準測力儀》國家計量檢定規(guī)程要求；——經(jīng)檢定0.3級標準測力儀，相對擴展不確定度U95=0.1%，包含因子k=2；——測量室溫度：(10-35)°C；——操作人員是經(jīng)過培訓的，并且十分熟悉測量過程。5不確定度來源及其說明不確定度來源及其說明見表1。表1壓力試驗機負荷示值誤差測量不確定度分量概況和評注序號符號不確定度分量名稱評 注1UF1uF11測量重復性已對重復性進行了研究，標準偏差為0.16kN。作1等于兩者中較大的uF12壓力試驗機讀數(shù)誤差d 0.4u= /-= /-=0.12kN2uF2標準測力儀示值誤差經(jīng)認可的校準證書給出的相對擴展不確定度為0.1%，包含因子k=2。3uF3標準測力儀長期穩(wěn)定度長期穩(wěn)定度是指在負荷作用下，上次檢定與本次檢定的進程示值平均值之差與本次檢定進程示值的百分比。4u,F4標準測力儀示值分辨力由于本次測量所使用的指示器米用數(shù)字儀表顯示，所以在測量過程中存在數(shù)字示值分辨力5X帶來的測量不確定度。5uF5溫度補償由于本次測量所使用的標準器為應變式標準測力儀，應變式傳感器內(nèi)已進行了溫度補償，溫度的變化對傳感器輸出無顯著影響。6首次評估6.1首次評估一一不確定度分量的說明及計算6.1.1試驗機重復性標準不確定度u(F11)的評定 A類評定重復性可以通過連續(xù)測量得到測量列進行評定。對一臺最大試驗力為2000kN的試驗機，選擇2000kN量程的20%作為測量點，連續(xù)測量10次，得到測量列如表2所示。

表2 400kN測量點連續(xù)10次重復性實驗結果序號(i)12345示值(kN)400.0400.8400.8400.4400.4序號(i)678910示值(kN)400.4400.4400.0400.4400.4其算術平均值：— 17F=一ZF=400.36kN"i=1Z(F-F)2單次實驗標準差：s= ― =0.27kN另外選擇2臺同類型試驗機，在重復性條件下，用同樣測量方法，對試驗機2000kN量程的20%負荷點進行連續(xù)10次重復性實驗，共得到2組測量列，每組測量列分別按上述方法計算得到單次實驗標準差，匯總見表3。表3 3組實驗標準差計算結果檢測點力值(kN)400400400s? j 5 5 實驗標準差(kN) 0.270.300.28根據(jù)JJF1059—1999《測量不確定度評定與表示》中第4條的計算方法，合并樣本標準差為:11挪s=：一￡s2=0.28kN'mj=i實際測量情況，在重復性條件下連續(xù)測量3次，以該3次測量值的算術平均值作為測量結果，可得到：0.28kN=0.16kN0.28kN=0.16kN6.1.2測試人員的讀數(shù)誤差標準不確定度u(F「的評定 B類評定由于測試人員在對試驗機度盤讀數(shù)時存在讀數(shù)誤差，測試人員讀數(shù)時可估讀到0.1個分度值，由此可以估算人員讀數(shù)引入的最大誤差應為0.05個分度值，2000kN量程的分度值為4kN，按均勻分布計算，分布因子》=0.6：u(F)=0.05dX0.6=0.05X4kNx0.6=0.12kN6.1.3標準測力儀校準/檢定時的測量標準不確定度u(F2) B類評定標準測力儀檢定證書給出的相對擴展不確定度為0.1%，包含因子k=2。在測量點400kN處，標準不確定度為：u(F)=^rei(2000kNx20%)=°"%(2000kNx20%)=0.20kN2k 26.1.4測量用標準測力儀的長期穩(wěn)定度帶來的標準不確定度u(F3) B類評定長期穩(wěn)定度是指在負荷作用下，上次檢定與本次檢定的進程示值平均值之差與本次檢定進程示值的百分比。根據(jù)去年與今年檢定證書數(shù)值，參考JJG144-1992《標準測力儀檢定規(guī)程》中長期穩(wěn)定度S計算公式(6)：S=與二^x100%hx2式中：x一上次檢定的進程示值平均值；x2—本次檢定的進程示值平均值；可計算出本標準測力儀長期穩(wěn)定度為0.10%，估計為均勻分布，分布因子h=0.6。在測量點400kN處，標準不確定度為：u(F)=Sx(2000kNx20%)x0.6=0.10%x(2000kNx20%)x0.6=0.24kN6.1.5數(shù)字示值分辨力8帶來的標準不確定度u(F4) B類評定由于數(shù)字示值由依次排列的數(shù)字顯示，不能用分度值的分數(shù)來細分示值，而模擬示值變?yōu)閿?shù)字示值具有一個化整過程，即采取四舍五入的法則。這樣數(shù)字示值與標準測力儀假設的模擬示值之間的差值就是化整誤差。這樣數(shù)字示值分辨力8就帶入了測量不確定度。我們在進行試驗機的檢定時，通過試驗機施加負荷使標準測力儀產(chǎn)生變形，變形輸出量(示值)由指示器讀取。由于本次測量所使用的指示器采用數(shù)字儀表顯示，所以在測量過程中存在數(shù)字示值分辨力8帶來的測量不確定度。根據(jù)JJF1059—1999《測量不確定度評定與表示》中5.9條，數(shù)字示值分辨力8的分布按均勻分布處理。數(shù)字示值分辨力8帶來的測量不確定度u(F4):u(F4)=數(shù)字示值的分辨力。標準測力儀數(shù)字示值的分辨力8為其末位有效數(shù)字的一個增量(P:末位有效數(shù)字的一個增量)，已知標準測力儀末位有效數(shù)字的一個增量P=0.0001kN，得到數(shù)字示值的分辨力8 :8=1P=1x0.0001kN=0.0001kN標準測力儀數(shù)字示值分辨力的標準不確定度〃(F4):u(F)=0.298=0.29x0.0001kN=2.9x10-5kN。6.1.6溫度補償帶來的標準不確定度u(F5) B類評定由于本次測量所使用的標準器為應變式標準測力儀，應變式傳感器內(nèi)已進行了溫度補償，溫度的變化對傳感器輸出無顯著影響。另根據(jù)JJG144-1992《標準測力儀檢定規(guī)程》并參照JJF1134-2005《專用工作測力機校準規(guī)范》附錄A中4.3的說明，對于應變式測力儀一般不進行標準數(shù)據(jù)的溫度修正，所以本測量不確定度分析試驗在滿足試驗溫度：(10-35)°C，測量過程中溫度變化不大于2°C的條件下，不考慮標準數(shù)據(jù)的溫度修正。u(F5)=06.2首次評估一一不確定度分量之間的相關性沒有任何輸入量具有值得考慮的相關性。6.3首次評估一一合成標準不確定度和近似不確定度當各不確定度分量之間不存在相關性時，合成標準不確定度為：Iu=\'U2+u2+u2+u2+u2c F1 F2F3F4F5u=v'0.162+0.202+0.242+(2.9x10-5)2+0kNc=0.35kN取k=2,近似不確定度U『:EUE=uc\k貝0F=400kN時，Ue=0.35x2=0.70kN7.4首次不確定度概算匯總首次不確定度概算匯總見表4。7.5首次不確定度概算討論上述計算結果表明：測量F=400kN壓力試驗機負荷示值誤差時，J=0.70kN<UT=1.3kN；E T表4不確定度概算匯總(首次評估)Table.4SummaryofUncertaintyBudget(FirstEvaluation)分量名稱評定類型分布類型變化限a*變化限a(kN)相關系數(shù)分布因子b不確定度分量u(kN)uF1測量重復性/壓力試驗機讀數(shù)誤差A0 xx 0.16uF2標準測力儀示值誤差0.4000.50.20uF3標準測力儀長期穩(wěn)定度B矩形0.4000.60.24uF4標準測力儀示值分辨力B矩形0.000100.62.9x10-5uF5溫度補償B00合成標準不確定度u c——F=400kN0.35近似不確定度UE(k=2)F=400kN0.70不確定度概算結果，表明評估出的不確定度滿足合格判據(jù)UEWUT。7.6首次評估結論首次評估證明依據(jù)JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機》國家計量檢定規(guī)程，使用0.3級標準測力儀，測量壓力試驗機負荷示值誤差過程評估出的測量不確定度滿足合格判據(jù)UEWUT的要求，即滿足技術要求。8結束語通過對壓力試驗機負荷示值誤差測量結果的不確定度概算，得到：測量測量點為F=400kN壓力試驗機負荷示值誤差時，U=0.70kNk=2；評估的擴展不確定度U是標準不確定度乘以包含因