试验机负荷示值误差测量结果不确定度评估

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1、液压摆锤式压力试验机负荷示值误差测量结果不确定度评估王鹏（北京市海淀区计量检测所，北京，100083）摘要：根据JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示国家计量技术规范给出的测量不确定度评估原 则，运用JJF 1130-2005几何量测量设备校准中的不确定度评定指南国家计量技术规范给出的测 量不确定度近似评估思想、不确定度概算技术和不确定度报告编写格式，对液压摆锤式压力试验机 负荷示值误差测量过程（测量条件、测量原理、测量方法、测量程序等）进行测量不确定度评估。关键词：测量不确定度评估; 不确定度概算; 液压摆锤式压力试验机; 负荷示值误差1 引言该评估报告是根据 JJF 113020

2、05几何量测量设备校准中的不确定度评定指南的测量不确 定度近似评估思想和格式编写，它以JJG139-1999拉力、压力和万能试验机国家计量检定规程 的技术要求、测量条件为依据，利用不确定度概算技术对液压摆锤式压力试验机负荷示值误差的测 量过程进行评估。2 概述为验证JJG139-1999拉力、压力和万能试验机国家计量检定规程技术要求的合理性，对典型 液压摆锤式压力试验机负荷示值误差的测量过程进行测量不确定度评估，确认该规程提出的液压摆 锤式压力试验机负荷示值误差的技术要求、测量原理、测量条件、测量方法和测量程序的科学性、 可行性、经济性。3 任务和目标不确定度3.1 测量任务采用JJG139-

3、1999拉力、压力和万能试验机国家计量检定规程确认的技术要求、测量原理、 测量条件、测量方法和测量程序，量程为2000 kN ，测量最大试验力为400 kN 的负荷示值误差。3.2 目标不确定度根据 JJF 1094-2002测量仪器特性评价中 5.3.1.4 规定，液压摆锤式压力试验机负荷示值误 差的扩展不确定度U （k=2）与其最大允许误差的绝对值MPEV之比，应小于或等于1:3，即U 1 - MPEV（ 1）3根据式（1 ）按JJG139-1999拉力、压力和万能试验机规程中负荷示值误差技术要求得到与之 对应的目标不确定度UT （见表1）。表 1 目标不确定度 UT (Table.1 T

4、arget UncertaintyUT)压力试验机负荷示值F （kN）负荷示值误差最大允许误差MPEf（kN）F目标不确定度UT（kN）4004一1.34 原理、方法、程序和条件4.1 液压摆锤式试验机测量原理液压摆锤式试验机，其液压系统是连通的，所以在工作状态下工作活塞底面与测力活塞底面所受的压强是相等的。试验机采用了液压正切摆测力原理。测力活塞上所受的力通过拉杆作用于摆杆 短臂上，使摆杆和摆锤扬起。同时，推板推动齿杆，齿杆带动齿轮使指针偏转，在读盘上指示出相 应的力值。4.2 测量方法 在压力试验机试台上水平安置标准测力仪，控制压力试验机加力系统，以标准测力仪显示标准负荷点为标准，同时读取

5、试验机负荷示值显示值，并与标准力值比较，测量试验机负荷示值误差。4.3 测量程序用0.3 级标准测力仪做标准器； 将标准测力仪放置在压力试验机试台上测量试验机负荷示值误差； 测量时以标准测力仪示值为标准缓慢加力至测量点处；当到达测量点处时同时读取压力试验机显示示值； 通过数据处理计算得出试验机负荷示值误差。4.4 测量条件标准测力仪经检定符合JJG144-1992标准测力仪国家计量检定规程要求；经检定0.3级标准测力仪，相对扩展不确定度U = 0.1%，包含因子k = 2 ；95测量室温度：(10-35)C； 操作人员是经过培训的，并且十分熟悉测量过程。5 不确定度来源及其说明 不确定度来源及

6、其说明见表1。 首次评估6.1 首次评估不确定度分量的说明及计算6.1.1试验机重复性标准不确定度u (F11)的评定A类评定重复性可以通过连续测量得到测量列进行评定。对一台最大试验力为2000 kN 的试验机，选择 2000 kN 量程的20% 作为测量点，连续测量10次，得到测量列如表2所示。表1 压力试验机负荷示值误差测量不确定度分量概况和评注序号符号不确定度分量名称评注1UF1uF11测量重复性已对重复性进行了研究，标准偏差 为 0.16kN。u等于两者 F1中较大的uF12压力试验机读数误差d0.4u =:- =j- = 0.12 kNF 22 W 32 x 斗32uF2标准测力仪示

7、值误差经认可的校准证书给出的相对扩展不确定度为01%，包 含因子k=2。3uF3标准测力仪长期稳定度长期稳定度是指在负荷作用下，上次检定与本次 检定的进程示值平均值之差与本次检定进程示 值的百分比。4u F4标准测力仪示值分辨力由于本次测量所使用的指示器米用数字仪表显 示，所以在测量过程中存在数字示值分辨力5x 带来的测量不确定度。5uF5温度补偿由于本次测量所使用的标准器为应变式标准测 力仪，应变式传感器内已进行了温度补偿，温度 的变化对传感器输出无显著影响。序号(i)12345示值(kN)400.0400.8400.8400.4400.4序号(i)678910示值(kN)400 .4400

8、 .4400.0400.4400.4400 kN 测量点连续10 次重复性实验结果表 2其算术平均值:F =1 Z F = 400 .36 kNnii=i0 . 27 kN单次实验标准差:nZ ( F - F ) 2 i另外选择 2检测点力值(kN)400400400s .Js 1s 2S 3实验标准差(kN)0.270.300.283组实验标准差计算结果根据JJF10591999测量不确定度评定与表示中第4条的计算方法，合并样本标准差为:台同类型试验机，在重复性条件下，用同样测量方法，对试验机2000 kN 量程的20% 负荷点进行连续10次重复性实验，共得到2组测量列，每组测量列分别按上述

9、方法计算得到 单次实验标准差，汇总见表 3表31 1 m Z s2 = 0.28 kNY m丿 丿= = 1n 一 1实际测量情况，在重复性条件下连续测量3次，以该3次测量值的算术平均值作为测量结果可得到:s 0.28 kNu (F ) = 尸=0.16 kN113v36.1.2测试人员的读数误差标准不确定度u(F )的评定B类评定12由于测试人员在对试验机度盘读数时存在读数误差，测试人员读数时可估读到0.1个分度值， 由此可以估算人员读数引入的最大误差应为 0.05 个分度值， 2000 kN 量程的分度值为 4kN ，按均 匀分布计算，分布因子 b=0.6:u(F ) = 0.05 d x

10、 0.6 = 0.05 x 4kN x 0.6 = 0.12 kN126.1.3标准测力仪校准/检定时的测量标准不确定度u(F )B类评定2标准测力仪检定证书给出的相对扩展不确定度为0.1%，包含因子k = 2。在测量点400 kN处, 标准不确定度为:U 0.1%u (F ) = rel (2000 kN x 20 %) =(2000 kN x 20 %) = 0.20 kN2 k26.1.4测量用标准测力仪的长期稳定度带来的标准不确定度u (F3)B类评定长期稳定度是指在负荷作用下，上次检定与本次检定的进程示值平均值之差与本次检定进程示值的百分比。根据去年与今年检定证书数值，参考JJG14

11、4-1992标准测力仪检定规程中长期稳 定度 S 计算公式(6)：bx 一 xS =12 x 100 %bx2式中： x 上次检定的进程示值平均值；1x 本次检定的进程示值平均值；2可计算出本标准测力仪长期稳定度为0.10%，估计为均匀分布，分布因子b=0.6。在测量点400 kN 处，标准不确定度为：u(F ) = S x (2000 kN x 20 %) x 0.6 = 0.10 % x (2000 kN x 20 %) x 0.6 = 0.24 kN3b6.1.5数字示值分辨力8带来的标准不确定度u (F )B类评定x4由于数字示值由依次排列的数字显示,不能用分度值的分数来细分示值，而模

12、拟示值变为数字示值具有一个化整过程，即采取四舍五入的法则。这样数字示值与标准测力仪假设的模拟示值之间的差值就是化整误差。这样数字示值分辨力8 就带入了测量不确定度。我们在进行试验机的检定时，x通过试验机施加负荷使标准测力仪产生变形，变形输出量(示值)由指示器读取。由于本次测量所使用的指示器采用数字仪表显示，所以在测量过程中存在数字示值分辨力8 带来的测量不确定度。x根据JJF10591999测量不确定度评定与表示中5.9条，数字示值分辨力8的分布按均匀分布x处理。数字示值分辨力8带来的测量不确定度u(F ):x4=0.298x8u (F ) =x=42 3式中: 8 数字示值的分辨力。x标准测

13、力仪数字示值的分辨力 8 为其末位有效数字的一个增量( P :末位有效数字的一个增x量)，已知标准测力仪末位有效数字的一个增量P = 0.0001 kN，得到数字示值的分辨力8:x8= 1P = 1 x 0.0001 kN = 0.0001 kNx标准测力仪数字示值分辨力的标准不确定度u(F ):4u (F ) = 0.29 8 = 0.29 x 0.0001 kN = 2.9 x 10 -5 kN。 4x6.1.6温度补偿带来的标准不确定度u (F )B类评定5由于本次测量所使用的标准器为应变式标准测力仪，应变式传感器内已进行了温度补偿，温度 的变化对传感器输出无显著影响。另根据JJG144

14、-1992标准测力仪检定规程并参照JJF1134-2005 专用工作测力机校准规范附录A中4.3的说明，对于应变式测力仪一般不进行标准数据的温度 修正，所以本测量不确定度分析试验在满足试验温度：(10-35)C，测量过程中温度变化不大于2C 的条件下，不考虑标准数据的温度修正。u (F5)= 06.2 首次评估不确定度分量之间的相关性 没有任何输入量具有值得考虑的相关性。6.3 首次评估合成标准不确定度和近似不确定度当各不确定度分量之间不存在相关性时，合成标准不确定度为:Iu = I u2 + u2+ u2 + u2+ u 2cF1F 2F3F 4F 5u = v0.16 2 + 0.20 2

15、 + 0.24 2 + (2.9 x 10-5)2 + 0 kNc=0.35 kN取k=2,近似不确定度UE：EU=u xkEc则 F=400kN 时， U =0.35x2=0.70 kNE7.4 首次不确定度概算汇总首次不确定度概算汇总见表4。7.5 首次不确定度概算讨论上述计算结果表明：测量 F=400kN 压力试验机负荷示值误差时， UE=0.70kNUT=1.3kN； ET表 4 不确定度概算汇总(首次评估)Table.4 Summary of Uncertainty Budget (First Evaluation )分量名称评定 类型分布 类型变化限a*变化限a(kN)相关 系数分

16、布 因子b不确定度 分量u (kN)uF1测量重复性/压力试验F1机读数误差A0xx0.16u标准测力仪示值误 F2差证书0.4000.50.20uF3标准测力仪长期稳 F3 定度B矩形0.4000.60.24u标准测力仪示值分 F4辨力B矩形0.000100.62.9 x 10 -5uF5温度补偿B0015合成标准不确定度ucF=400kN0.35近似不确定度UE (k=2)E1F=400kN0.70不确定度概算结果，表明评估出的不确定度满足合格判据uewut。ET7.6 首次评估结论首次评估证明依据JJG139-1999拉力、压力和万能试验机国家计量检定规程，使用0.3级 标准测力仪，测量

17、压力试验机负荷示值误差过程评估出的测量不确定度满足合格判据UEWUT的要ET求，即满足技术要求。8 结束语通过对压力试验机负荷示值误差测量结果的不确定度概算，得到： 测量测量点为F=400kN压力试验机负荷示值误差时，U=0.70kN k=2； 评估的扩展不确定度U是标准不确定度乘以包含因子k=2得到，对其大致为正态分布来说，它 对应的置信概率约为 95%。根据JJF1130-2005几何量测量设备校准中的不确定度评定指南和JJF 1094-2002测量仪器 特性评价，由不确定度概算得到的：F=400kNU=0.70kNUT=1.3kN；满足目标不确定度合格判据UWUT和U 1 MPEV ,由此得出结论：按JJG139-1999拉力、T3压力和万能试验机国家计量检定规程对压力试验机负荷示值误差测量结果的技术要求、测量原理、 测量条件、测量方法和测量程序是科学的、经济的、可行的。