離心泵測試系統(tǒng)測量精度評定方法研究

張 勝，宋龍波，喬金宇，張振坤

（1.淄博市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，山東淄博 255000；2.淄博市機電泵類產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東淄博 255200）

0 引言

JJFlO59-1999《測量不確定度評定與表示》是測量不確定度的國家通用標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中給出了評定與表示測量不確定度的原則和方法，具有普遍適用性。水泵測試系統(tǒng)不確定度評定是一個具體問題，要求水泵測試人員能深刻理解水泵測試系統(tǒng)工作原理和各測量參數(shù)的測量過程，對測量所使用的儀器設(shè)備狀態(tài)非常了解。本文選取一臺管道離心泵，安裝在離心泵標(biāo)準(zhǔn)測試管路系統(tǒng)中，按照不確定度評定規(guī)則，分別對離心泵的流量、揚程、功率、效率的測量不確定度進行評定，從而對離心泵測試系統(tǒng)精度進行評定。

1 不確定度評價方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJFlO59-1999《測量不確定度評定與表示》中的描述[1]：不確定度主要由A類不確定度和B類不確定度組成。

A 類不確定度是隨機誤差對不確定度的貢獻。數(shù)量眾多、微小、單獨的影響會引起隨機誤差，該誤差產(chǎn)生不同的測量結(jié)果，這些測量結(jié)果通常呈現(xiàn)正態(tài)曲線分布，通常采用貝塞爾公式進行評定。

貝塞爾公式：

式中：u(x)為測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；為第i 次的測量值；uˉ為n次測量的算術(shù)平均值。

按照水泵測試標(biāo)準(zhǔn)和水泵試驗臺校準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定[2-3]：置信概率取95%，首先對同一測量量的多次測量結(jié)果用貝塞爾公式計算，得出該測量量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后，該測量量的標(biāo)準(zhǔn)偏差的2倍即為該測量量的隨機不確定度。

B類不確定度是系統(tǒng)誤差對不確定度的貢獻。引起系統(tǒng)誤差的主要原因：（1）儀表安裝不得當(dāng)；（2）不完善的校驗修正；（3）方法誤差；（4）儀表量程選擇不得當(dāng)；（5）人為誤差。系統(tǒng)誤差是在試驗時保持恒定或表面上不變的誤差，實際的誤差很難測量。B類評定由下式得到：

式中：a為被測量量可能值區(qū)間的半寬度；k為包含因子，當(dāng)置信概率為95%時，k=1.96。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度是用均方根方法將A類評定、B類評定加以合成：

不確定度報告中用合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示測量量的不確定度測量結(jié)果，測量結(jié)果以兩位有效數(shù)字表示。

2 離心泵測試系統(tǒng)不確定度評定過程

2.1 被測試水泵性能參數(shù)

被測試水泵的性能參數(shù)如表1所示。

表1 水泵性能參數(shù)

2.2 儀器設(shè)備

測試過程用到的儀器設(shè)備如表2所示。

表2 儀器設(shè)備

2.3 各性能參數(shù)測量不確定度的估算

2.3.1 建立數(shù)學(xué)模型

離心泵性能試驗過程中涉及到的參數(shù)有：流量、揚程、泵輸入功率、泵輸出功率、泵效率。各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型如下。

流量：用電磁流量計直接測量出泵的流量Q。

揚程：揚程是泵的出口總水頭與進口總水頭的差值，具體計算公式如下：

式中：Z1、Z2分別為進、出口截面中心距離基準(zhǔn)面的垂直高度，m；P1、P1分別為進、出口處測得的壓力值，Pa；v1、v2分別為進、出口管路中的流速，m3/s。

泵輸入功率：用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器直接測量出泵的輸入功率P=Pa。

泵輸出功率：Pu=ρQgH。

泵效率：η=PuPa。

2.3.2 各性能參數(shù)測量不確定度的估算

流量是用電磁流量計測量的體積流量，電磁流量計引起的不確定度可以直接使用電磁流量計的準(zhǔn)確度來表示。

泵輸入功率是用扭矩儀直接測量的，扭矩儀引起的不確定度可以直接使用扭矩儀的準(zhǔn)確度來表示[5]。

泵輸出功率中，除了揚程、流量外，水的密度和重力加速度是引起不確定度的因素，在試驗過程中，水的密度和重力加速度是定值，不會產(chǎn)生不確定度。只有揚程、流量引起不確定度[6]。

泵效率中考慮揚程、流量、泵輸入功率都會引起不確定度。

分別對各參數(shù)的測量不確定度進行估算，結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 各參數(shù)測試數(shù)據(jù)圖

圖2 Excel表中計算出各參數(shù)的不確定度

2.3.3 不確定度估算結(jié)果

離心泵測試系統(tǒng)各參數(shù)的不確定度估算值與標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216-2016 中規(guī)定的不確定度數(shù)值作對比，對比結(jié)果如表3和圖3所示。從圖中可以得出，離心泵測試系統(tǒng)各參數(shù)的不確定值均在標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216-2016規(guī)定的1級精度范圍內(nèi)。

表3 不確定度對比結(jié)果

圖3 不確定度對比曲線圖

3 結(jié)束語

本文對離心泵測試系統(tǒng)的不確定度進行了評定。按照不確定度評定規(guī)則，分別對離心泵試驗過程中各測量參數(shù)進行不確定度評定。評定結(jié)果表明，各測量參數(shù)的不確定度均在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216-2016 規(guī)定的1 級精度范圍內(nèi)，因此，淄博市機電泵類產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院的離心泵測試系統(tǒng)的測量精度達到1級精度要求。本文提供的離心泵各測量參數(shù)不確定度評定方法，為其他水泵檢驗機構(gòu)和水泵生產(chǎn)企業(yè)的離心泵測試系統(tǒng)測量精度評定提供了理論依據(jù)和方法，值得借鑒。