王海濤，董 亮，孫云飛，文 萌，郭 浩

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

檢定或校準(zhǔn)的不確定度是指表征合理的賦予被測(cè)量值的分散性或與檢定或校準(zhǔn)結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)[1]。不確定度的評(píng)定在各行各業(yè)的測(cè)量工作中至關(guān)重要[2]。在溫度計(jì)量中討論的不確定度一般為穩(wěn)態(tài)測(cè)量下的不確定度，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在很多動(dòng)態(tài)測(cè)量的情況，變壓器用油面溫控器中開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的測(cè)量就是一種典型的動(dòng)態(tài)測(cè)量。變壓器用油面溫控器用來(lái)測(cè)量變壓器油箱油溫，監(jiān)視變壓器運(yùn)行狀態(tài)是否正常，變壓器油溫與繞組老化關(guān)系非常密切[3]，繞組長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，可以導(dǎo)致絕緣層老化，減少變壓器壽命[4]。油面溫度計(jì)主要由彈性元件、毛細(xì)管、溫包和動(dòng)作開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)溫包受熱時(shí)，溫包內(nèi)感溫介質(zhì)受熱膨脹所產(chǎn)生的體積增量通過(guò)毛細(xì)管傳遞到彈性元件上，使彈性元件產(chǎn)生位移，經(jīng)機(jī)構(gòu)放大后指示出被測(cè)溫度并帶動(dòng)斷路器動(dòng)作，從而控制冷卻系統(tǒng)的投入或退出。因此油面溫控器動(dòng)作開(kāi)關(guān)準(zhǔn)確與否是衡量變壓器油面溫控器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。油面溫控器開(kāi)關(guān)動(dòng)作誤差測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定需要充分考慮動(dòng)態(tài)測(cè)量的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

依據(jù)DL1400—2015《油浸式變壓器測(cè)溫裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范》[5]，校準(zhǔn)油面溫度計(jì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作誤差時(shí)，將被校溫度計(jì)的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時(shí)插入恒溫油槽中，在接近設(shè)定點(diǎn)時(shí)，控制恒溫油槽按照0.8～1.0 ℃/min 的升溫速率緩慢升高溫度，開(kāi)關(guān)在上行程產(chǎn)生動(dòng)作，并在動(dòng)作瞬間讀取標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)示值。試驗(yàn)采用自行研制的變壓器油面溫控器測(cè)量裝置作為測(cè)試設(shè)備，該測(cè)量裝置采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，上位機(jī)控制PLC讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)，掃描頻率設(shè)定為1 Hz，恒溫油槽在升溫過(guò)程中溫場(chǎng)均勻性不大于0.1 ℃。

2 不確定度分析

以1臺(tái)BWY-804型變壓器用油面溫控器在55 ℃的開(kāi)關(guān)動(dòng)作誤差為例進(jìn)行不確定度評(píng)定。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)DL1400—2015《油浸式變壓器測(cè)溫裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范》的定義，接點(diǎn)動(dòng)作誤差為

Δt=td-ts

(1)

式中：Δt為接點(diǎn)動(dòng)作誤差，℃；td為被校溫度計(jì)接點(diǎn)動(dòng)作瞬間標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)，℃；ts為被校溫度計(jì)接點(diǎn)設(shè)定值，℃。

2.2 靈敏度系數(shù)

td和ts的靈敏度系數(shù)為

(2)

(3)

2.3 各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

2.3.1 輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td)評(píng)定

a.由溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作溫度的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(td)

以55 ℃在重復(fù)性條件下對(duì)溫度開(kāi)關(guān)進(jìn)行6次測(cè)量，測(cè)量值分別為55.5 ℃，55.7 ℃，55.6 ℃，55.4 ℃，55.3 ℃，55.5 ℃，平均值為55.5 ℃，單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

(4)

由于實(shí)際測(cè)量中以二次平均值作為測(cè)量結(jié)果，不確定度分量為

(5)

b.由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的周期穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(td)

二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在檢定周期內(nèi)的穩(wěn)定性，55 ℃時(shí)不超過(guò)0.014 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(6)

標(biāo)準(zhǔn)溫度表測(cè)量二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，在55 ℃時(shí)電測(cè)設(shè)備的最大允許誤差為±0.02 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(7)

d.由恒溫油槽溫度均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4(td)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)升溫速率為1 ℃/min時(shí)，恒溫油槽的溫度均勻性不超過(guò)0.10 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(8)

e.由升溫速率對(duì)動(dòng)作溫度的影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5(td)

升溫速率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響主要是由于標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被檢溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間不一致引起的。通過(guò)試驗(yàn)，在升溫速率1 ℃/min時(shí)，對(duì)動(dòng)作溫度的影響不超過(guò)0.2 ℃，按正態(tài)分布考慮，不確定度分量為

(9)

f.開(kāi)關(guān)掃描速率引入的不確定度u6(td)

按照程序設(shè)定，PLC完成1次開(kāi)關(guān)狀態(tài)掃描耗時(shí)1 s，當(dāng)升溫速率為1 ℃/min時(shí)，相鄰2個(gè)掃描周期溫度差值約為0.17 ℃，按照均勻分布，不確定度分量為

(10)

g.輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td)

各輸入量相互獨(dú)立，分量合成不確定度分量為

=0.25(℃)

(11)

2.3.2 輸入量ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ts)

開(kāi)關(guān)設(shè)定時(shí)，設(shè)定表盤(pán)的分度值為2 ℃，一般可以估計(jì)到1/10格，即0.2 ℃，按照均勻分布，不確定度分量為

(12)

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表見(jiàn)表1。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算為

(13)

2.5 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

取k=2，則擴(kuò)展不確定度計(jì)算為

U=k×uc(Δt)=2×0.29≈0.6(℃)

(14)

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變壓器用油面溫控器溫度開(kāi)關(guān)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定可以看出，動(dòng)態(tài)測(cè)量與穩(wěn)態(tài)測(cè)量存在較大區(qū)別。升溫速率和掃描速率對(duì)不確定度的影響較大，在評(píng)定過(guò)程中應(yīng)充分考慮。另外不同恒溫設(shè)備在升溫過(guò)程中溫場(chǎng)均勻性與穩(wěn)態(tài)狀況下均勻性差別也較大，評(píng)定過(guò)程中需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定升溫過(guò)程中溫場(chǎng)的均勻性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表