经验 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１５．０９．０４７ 矿用风速表测量不确定度评定分析 黄海涛 （山西煤矿设备安全技术检测中心，山西太原０３００４５） 摘要：对矿用风速表对不确定度评定进行测量所采用的基本模式和常用方法进行基本阐释，并进行评定数学模型的建立，不确 定度来源的分析和测量等的介绍，同时还要分别简述不确定度的分量、各标准不确定度的分量、自由度、有效自由度、合成标 准的不确定度、扩展不确定度等参数的计算流程，最后指出相应步骤中的重点问题。 关键词：矿用风速表；测量不确定度；评定分析 中图分类号：ＴＤ７２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９４９２（２０１５）０９—０１６３—０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｗｉｎｄ Ｓｐｅｅｄ Ｍｅｔｅｒ ｏｆＭｉｎｅ ＨＵＡＮＧ Ｈａｉ－ｔａｏ （Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００４５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｍｉｎｅ ｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｅｖｅｎ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｔｈｅ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｕｎｃｅｒｔａｉｎ－ ｔｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ，ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ，ｔｈｅ ｓｔｎｄａｒｄ ｓｙｎｔａｈｅｔｉｃ ｕｎｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｔｅｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｍｅｔｅｒ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 根据相应文献的具体要求，无论是计量标准 度的相应计算。同时，使用微差压计监测皮托管 的新建还是重新考核，都需要对其测量不确定度 进行评定。这项工作不仅仅是相关考核中的关键 内容，而且难度相对较大。本文主要对矿用风速 表在测量不确定度的评定过程中所起到的作用和 使用流程进行概述，并对其中可能存在的问题进 行针对性探讨。 所感受到的流场风的流动压值，并与空气密度值 相结合，计算出流场相应的实际风速，最后再将 得出的世纪风速和风表上的显示值拟合，得出风 表的曲线公式，进而实现整个的间接测量。 根据相应检定规程中的要求，风速表放置在 风洞中时需要与气流的轴向垂直，启动风机后， 运用递增法进行风速的调节，按照上述过程，建 １不确定度的相关评定和试验方法 根据ＪＪＧ（煤炭）Ｏｌ一９６号《矿用风速表》中 对于计量检定的规程要求，风洞中的工作环境温 度应在５￣Ｃ一３５℃之间，测试室的环境温度为２０± 立相应的数学模型 １。实际的风速公式如下： ｖ；＝ ， ５￣Ｃ（检定一块风表环境的温度变化在１ｃＩ＝以内）， 并利用矿用的风洞给出稳定、均匀的风速流场对 在本式中， 取实际的风速值；Ｎ为第二工 作段和第一工作段的平均风速之比；Ｐ为实际的动 压值，单位为帕；Ｐ取空气密度，单位为千克每 立方米； 则是皮托管的校准系数。 风表进行检定，并通过对大气压力表和精密温度 计的运用获取准确的大气参数，进而进行空气密 收稿日期：２０１５—０６—３０ ［ ］ 二二［ 、 经验交流 ２数学模型 基本误差计算公式：ＡＶ＝ｖｚ— 度传感器经过上级检定部门的相关检定后，所得 的Ｕ＝０．５ ｏＣ，ｋ＝２，所以温度传感器所引入的不确 定度的值为： Ｍ（７３＝ＴＵ＝ ＝０．２５℃。 即用被测的风速表显示值减去实际的风速值。 ３各个输入量不确定度的相关评定 ３．１输入量 不确定度的评定 ３．６大气压力表所引入的不确定度 不确定度的主要来源是风表的重复性测 量所引入的。通过Ａ类方法进行相应判定时， 测量环境为：环境温度为２０％，大气压力为 １００ ８７５ Ｐａ，在１５ ｍ／ｓ这一测量点上反复做１０次 重复测量，所得数据为：１５．１２、１５．１８、１５．１９、 １５．１４、 ｌ５．１６、 １５．１５、 ｌ５．２ｌ、 １５．１２、 １５．１７、 对大气压力进行测量时所采用的大气压力表 经过上级检定部门的检定，所得最大误差为２００ Ｐａ且均匀分布，ｋ的值为 ，所以不确定度的值 计算得： ｕ（ｐｏ）＝ ＝１１５．４７ Ｐａ。 ３．７输入量 不确定度的计算 １５．２２，则 ＝ ：０．Ｏ３５ ｍ／ｓ，单次的测 由于输入量的各个影响量彼此并不互相关 联，且装置的第二工作段的风速值是第一工作段 量试验偏差为０．０１ １ ｍ／ｓ。 ３．２输入量 不确定度的评定 的２倍。由 输入量的不确定度主要来自于测量动压高精 ＝丙１ ｆ ２ｐ ｐ：， 度的微差压传感器、皮托管、温度传感器以及大 气压力表四个设备所引人的不确定度组成。 ３．３高精度的微差压传感器所引入的不确定度 华， 由于标准装置的东亚之所采用的是高精度的 微差压传感器，通过上级检定部门的检定所得， 最大的允许误差值为２．０ Ｐａ， ＝ 。由于微差压 传感器的允许误差在整个测量范围之内是不变 的，伴随着风速下降，差压相对的误差值也会增 大，所以要想确保测量结果在一定的风速测量范 二式推出 －ｏ．５×Ｊ ×、／ 又因为 ０．５×、／ ｊ．‘｜６ｊ ＿ｌｌ－９８ 所以 Ｋ ｆ Ｐ。 ｏ ３．８各不确定度的分量汇总 围内仍有相当合理的、能接受的精确度，就必须 选择５ ｒｒｄｓ作为低速段的测量下限风速。所以得出： （１）风速表重复性测量值为０．０３５ ｍ／ｓ； （２）高精度的微差压传感器所引入的不确定 度为０．０３ ｍ／ｓ； （３）皮托管所引入的不确定度为０．０１ ｍ／ｓ； （４）温度传感器所引入的不确定度为 ０．００３ ３ ｍ／ｓ； 去Ｐｎ：１Ｊ５ Ｐａ。 ３．４皮托管所引入的不确定度 据相关规定中的说明，标准装置所使用的皮 托管的最大误差应在０．５％以下，Ｐ的值取９９％。 因其探头相对于气流来向而言的偏斜也会造成误 （５）大气压力表所引入的不确定度为 ３．７×１０４ ｍ／ｓ。 差，在偏斜角度在３。以下时，所造成的差压值为 由此可得出，由于温度传感器及大气压力表 ０．３％，且呈均匀态分布［ｚｌ。经过上级检定部门的 检定之后，校准系数为１，扩展不确定度的值为 ０．０２ ｎ１／ｓ， ＝１．９８４，所以由皮托管所引人的不确 定度的值为： （ ＝ ＝０．０１ ｍ／ｓ。 所引入的不确定度值很小，所以可以忽略，因此 这个项目中的不确定度最终合成为０．０３４ ｍ／ｓ，扩 展不确定度中取Ｋ＝２，则最终Ｕ＝０．０６８ ｍ／ｓ（ ，＿２）。 ４一般计算方法 ４．１对独立误差源所进行的列举和辨识 ３．５温度传感器所引入的不确定度 技术人员需要通盘考量环境、方法、人员以 及所用的测量仪器等综合因素，尽可能找到所有 在用标准装置对温度进行测量时所使用的温 黄海涛：矿用风速表测量不确定度评定分析 经验 的有可能导致风速表的检定测量不确定度的来 源，例如：测量方法是否理想，定义是否完整， 取样是否具有代表性、鉴定过程是否受到了环境 的影响、微压计计量性能是否完好以及读数是否 各标准不确定度的分量、相对应的自由度分量，按 照韦尔奇一萨特思韦特公式能够得出，最终的合成 标准不确定度所具有的有效自由度的值为１５０１。 ７在对测量不确定度进行评定时需要注意的 相关问题 测量不确定度的评定关键在于能否按照文献 中相应的要求严格执行。 存在人为的偏移、所引用的常数近似值的不确定 性、检定方法的假设和近似，等等。之后，再通 过对各个独立误差源进行列举和辨识，实现独立 变量清单的最终确定。 各个公式中的量值并不是完全独立的，因此 （１）在概述部分所进行测量原理、仪器原理 的介绍，应该依照相应的技术标准和规范，做到 我们需要通过对每个量进行独立、多步的检验才 简洁明了； （２）在建立好评定时用到的数学模型之后， 能确定这些量的独立变量。在不同的情况下，变 量的不确定度能对流量的测量产生截然不同的影 响作用。在检验的过程中，需要对每一次所出现 相应的计算必须将所依据和参考的公式都列出 来，并对每一个变量和单位的使用和引入都进行 相应的解释； （３）在整个过程中，还需要找到对测量结果 的变量都给出其对应值，检验工作应一直进行到 所给出的变量都已是独立量为止［３１。 ４．２确定误差的性质 一旦随机效应所导致的不确定度部分涉及到 影响最大的不确定度分量进行相应的分析，比 如：标准器的安装和示值误差、标准器稳定性的 影响、检定器误差、被检定仪器的读数误差、对 特定独立量的相关确定时，就有可能转化成系统 效应，造成新的不确定度，而转化与否便取决于 计算数据修约过程中所造成的误差等等，对于这 些引起误差的不确定度分量，需要对其性质和构 成进行细致分析，确保实现归类的正确和层次的 分明。 这个独立量的情况。所以，考虑到独立变量本身 的不确定度而非独立变量本身对检定过程的影响 有着非常重要的作用。经过转化而来的不确定度 伴随着试验条件的变化也在不断发生着改变，一 般情况下只需要考虑转化而来的固定不变的不确 定度即可。 ４．３不确定度的判定 ８结语 在相关的计量检定规程所规定的相应检定条 件下，选用不同的矿用风速表时应选取不同的不 确定度评定方法。本文对矿用风速表对测量不确 定度的评定进行了相应的分析，以期能够为以后 由于Ｂ类的不确定度需要根据相关的信息来 进行判定，所以在一般情况下，Ｂ类不确定度很 企事业单位和工作人员对其进行应用时能够更加 得心应手，最大化实现预期效果。 参考文献： 大程度上取决于我们选用的计量标准。在实际试 验中，某个变量的不确定度能够对风表的量值造 成多次的系统性影响，我们并没有办法明确到底 是哪些变量能够造成哪个方向的系统恒定性误 差，所以必须对每种情况都进行单独检验。 ［１］赵镇川．矿用风速表示值误差的测量不确定度评定 ［Ｊ］．价值工程，２０１３（１７）：２８７—２８８． ［２］黄蕊，党选发，宋媛，等．风速检定装置不确定度的 ５合成标准不确定度时的评定 通过将上述各个计算得出的标准不确定度的 厂 一 评定［Ｊ］．气象水文海洋仪器。２０１１，２８（３）： ２８—３０． ［３］黄健，肖苏，程虎，等．皮托管校准装置校准结 果的不确定度分析［Ｊ］．自动化与仪器仪表， ２０１３（４）：１０９—１１０． 分量值按照公式ｕ ：ｆ∑Ｍ 进行合成标准不确定 度的计算，可以得出合成不确定度的值为 ２．９５４％。 作者简介：黄海涛，女，１９８４年生，宁夏人，大学本科， ６对于扩展不确定度的相关判定 根据前文所计算出来的合成标准不确定度、 工程师。研究领域：煤矿安全仪器仪表。 （编辑：王智圣） 匿 垂ｊ霾