測量不確定度在閥門檢測中的應用

牛芳清（天津科電石化科技發展有限公司，天津 300271）

測量不確定度在閥門檢測中的應用

牛芳清
（天津科電石化科技發展有限公司，天津 300271）

針對目前檢測機構出具的測量結果表示不夠完整，測量不確定度的應用沒有普及的情況，對測量結果的表述進行研究，在調節閥檢測試驗中，評定各檢測項目的測量不確定度，表明了用測量不確定度表述檢測數據的準確度，比用誤差表示更科學實用。通過測量不確定度的評定可以定量評價測量結果的質量，并反映出測量的可靠程度。將檢測數據的測量不確定度做進一步計算，還可以應用于閥門檢測的實驗室間比對。以回差和泄漏量這兩個檢測項目為例，評定其測量不確定度，具體說明測量不確定度在閥門檢測中的應用。

測量不確定度；閥門；檢測

1　引 言

測量不確定度反應了對被測量真值不能肯定的程度，或者說測量值作為被測量真值的估計值，可能存在的一個散布范圍，并在這個散布范圍內以一定的概率包含被測量真值［1］。它是測量結果質量的指標，測量不確定度越小，所述結果與被測量的真值愈接近，測量結果質量越高，其使用價值越高；反之測量結果質量就越低。

在實際工程使用中，調節閥是安裝在工藝管道系統中的。閥直接與流體介質接觸，因此其結構、材料和性能將直接影響生產裝置的可靠性，其是否合格直接關系到整個系統能否安全運行及其工藝過程控制質量的好壞。所以，在閥門安裝使用前，常常需要進行檢測。閥門檢測也越來越受到相關工業生產企業的重視，檢測數據的準確性也就成了必須要解決的問題。對此，提出用測量不確定度表述檢測數據的準確度，來定量評價檢測結果的質量。

氣動調節閥檢測的主要項目有基本誤差、回差、死區、額定行程偏差和泄漏量，本文舉例分析回差和泄漏量的測量不確定度來源，同時給出評定測量不確定度的具體計算過程。

2　調節閥及其檢測

調節閥由執行機構和閥兩部分組成。根據使用能源不同，調節閥可分為氣動調節閥、電動調節閥和液動調節閥三類。在工業過程控制中，氣動調節閥應用最廣。氣動、電動、液動三種調節閥除了執行機構不同以外，所用的閥都是相同的。調節閥是工業過程控制中的一個重要組成環節。

從流體力學的觀點來看，閥是一個局部阻力可以改變的節流元件［2］。在一個工業過程控制系統中，調節閥接受調節器輸出的控制信號，并轉換成直線位移或角位移，這就是閥芯行程的變化量，來改變閥芯與閥座間的流通截面積，這樣即可改變閥的阻力系數，以控制流入或流出被控過程的流體介質的流量，從而實現對過程參數的控制。

調節閥有氣開、氣關兩種形式。其理想流量特性有直線型、對數型、快開型與拋物線型流量特性四種。根據工程需要，調節閥的結構形式很多，有直通單座調節閥、直通雙座調節閥、蝶閥、三通閥、角型閥、隔膜閥、低溫閥、高壓閥、球閥等。

將調節閥使用在工業過程控制系統中，需要符合很多技術要求，調節閥檢測就是檢測一個調節閥的相關參數是否符合標準要求。氣動調節閥的技術要求包括基本誤差、回差、死區、始終點偏差、額定行程偏差、泄漏量、填料函及其他連接處的密封性、氣室的密封性、耐壓強度等。

3　閥門檢測結果不確定度的評定

閥門檢測的項目有很多，下面以檢測中做回差試驗和泄漏量試驗為例，評定檢測結果的不確定度。被測調節閥為DN50、PN16的氣動調節閥，試驗依據GB/T4213-2008《氣動調節閥》進行，環境條件為溫度15℃，相對濕度45%。

3.1回差的測量不確定度

3.1.1測量儀器

經校準合乎國家標準要求的：

YFC-100液壓閥門測試機；

VC05信號源，量程為0-30mA，靈敏閾為0.001mA；

YE-100百分表，回程誤差為0.002mm。

液壓閥門測試機是一種閥門的檢測試驗設備，用于各類高、中、低壓閥門的耐壓強度、泄漏量、密封等各項性能檢測。它可分為液壓系統、機械機構、電氣控制系統、低壓注水泵、液動高壓供壓裝置、壓力表、閥門開關和水箱這幾部分。液壓閥門測試機的兩端對稱設置有通過拉桿連接的兩個工作盤，它們的內側相對面上均對應設置有盲板，兩盲板之間設置有閥門固定區。機械機構就位于閥門固定區，它包括夾緊機構和90度翻轉機構，夾緊機構由夾爪的夾緊裝置和徑向移動裝置組成。兩工作盤的外側面上分別設置有液壓油缸，油缸與液壓系統連接。

液壓閥門測試機的工作過程大致有四個步驟：1調節所需的工作壓力；2將被測閥門夾緊；3通過接通不同的水、氣回路，配合不同的裝夾組合，即可進行閥門的各項性能檢測；4檢測完畢，用起吊裝置將被測閥門吊離測試機。在回差的測量中，液壓閥門測試機主要用于夾裝閥門。

3.1.2測量過程

將規定的輸入信號平穩地分別按增大和減小方向輸入執行機構氣室，測量各點所對應的行程值，試驗點包括信號范圍的0、25%、50%、75%、100%五個點，在同一輸入信號上所測得的正反行程的最大差值的絕對值即為回差。

3.1.3數學模型的建立

式中Δli——第i點的正反行程差，mm；

li正——第i點的正行程，mm；

li反——第i點的反行程，mm。

由測量過程可得式（1），第i點的正行程與反行程的差值即為正反行程差，而回差是正反行程差的最大值的絕對值。

3.1.4測量不確定度來源的分析

在滿足GB/T4213-2008的條件下，由于標準沒有要求進行重復測量，測量不確定度只包含B類分量，B類分量主要由儀器誤差引起，所以回差的測量不確定度主要由百分表的儀器誤差引起。

表1　五個測量點的正反行程差

3.1.5測量不確定度的評定

測量信號范圍的0、25%、50%、75%、100%五個點所對應的行程值，測量數據如表1所示。

由表1可知，五個點的最大正反行程差為0.235mm，所以回差為0.235mm。

采用B類評定方法進行評定，對于回差的測定，百分表的誤差限為0.002mm，可認為服從均勻分布，取包含因子為，所以行程的標準不確定度為：

合成標準不確定度

取包含因子k=2，置信概率為95.45%，則擴展不確定度

相對擴展不確定度Urel=U/回差=0.004/0.235≈1.7%

測量不確定度報告：回差=0.235mm，Urel=1.7%，k=2

3.2泄漏量的測量不確定度

3.2.1測量儀器

經校準合乎國家標準要求的：

YFC-100液壓閥門測試機；

VC05信號源，量程為0-30mA，靈敏閾為0.001mA；

J9-1電子秒表，量程為0～3600s，靈敏閾為0.01s；

IN量筒，量程為0～2L。

3.2.2測量過程

室溫15℃的條件下，按照規定流向將潔凈的水加入閥內，閥出口直通大氣，使閥前后差壓維持在350kPa，當確認閥和下游各連接管道完全充滿水并且泄漏量穩定后，用秒表計時1分鐘，用量筒測取泄漏量。

3.2.3數學模型的建立

式中Q——樣品的泄漏量，ml/min；

V——泄漏出的水的體積，ml；

t——時間，min。

由測量過程可得式（2），單位時間內調節閥泄漏出的水的體積即為泄漏量。

3.2.4測量不確定度來源的分析

在滿足GB/T4213-2008的條件下，由于標準沒有要求進行重復測量，測量不確定度只包含B類分量，B類分量主要由儀器誤差引起，所以泄漏量的測量不確定度主要由量筒和秒表的儀器誤差引起。

3.2.5測量不確定度的評定

在t=60.18s的時間內，測得泄漏出的水的體積V=1570ml，所以樣品泄漏量

采用B類評定方法進行評定，對于泄漏量的測定，量筒的誤差限為10ml，秒表的誤差限為0.07s，可認為服從均勻分布，取包含因子為，所以體積和時間的標準不確定度分別為：

泄漏量的合成標準不確定度

取包含因子k=2，置信概率為95.45%，則擴展不確定度

相對擴展不確定度

測量不確定度報告：

4　數據分析

由于對這兩個檢測項目均只進行了單次試驗，所以測量不確定度不包含A類分量，均采用B類評定方法進行評定。回差的測量結果可表述為

泄漏量的測量結果可表述為

式中P為置信概率。可知測量不確定度反映了，回差測量值可能存在的散布范圍是0.231mm～0.239mm，并在此范圍內以95.45%的概率包含被測量真值；泄漏量測量值可能存在的散布范圍是1553ml/min～1577ml/min，并在此范圍內以95.45%的概率包含被測量真值。從而量化地表述出檢測數據的準確度，并通過置信概率反映出測量的可靠程度。將上述測量結果與標準GB/T4213-2008規定的技術要求相比較，即可判斷閥門的該項參數是否符合要求。

另外，測量不確定度還可以應用于閥門檢測的實驗室間比對。為了比較本實驗室與其他取得認可的實驗室的檢測能力水平是否一致，兩家實驗室需采用相同的檢測方法對同一閥門進行檢測，得出包含測量不確定度的測量結果，計算比率值

式中x1、x2分別為兩家實驗室的檢測數據，U1、U2分別為兩個數據對應的測量不確定度。若En≤1，則比對結果滿意，確定了實驗室對該項檢測的能力；若En＞1，則比對結果不滿意，實驗室對該項目的檢測存在問題，需采取糾正措施。

5　結論

以前測量誤差常被用來表述測量結果的準確度。誤差是測量值與客觀真值的差，真值是客觀存在的，但它只是一個期望值，一般無法知道，因此測量誤差也無法知道，所以不能把它直接用作測量結果準確度的量化表示。而測量不確定度可以量化地表述出測量結果的準確度，所以在測量結果的完整表示中，應該包含測量不確定度。在閥門檢測中，用測量不確定度表述檢測數據的準確度，就可以對檢測結果的質量做出量化的評價。將測量不確定度做進一步計算，還可以應用于閥門檢測的實驗室間比對，判斷參加比對的幾家實驗室的檢測能力水平是否一致。

［1］任隆良，谷晉騏.物理實驗［M］.天津:天津大學出版社，2003.

［2］樊蕾.游標卡尺示值誤差的測量不確定度分析與線性擬合［J］.中國計量，2014（09）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.251