鐘偉

摘 要：為了解實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證計(jì)劃的要求，筆者參加了由測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織的電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)。依據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）進(jìn)行試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)測(cè)量審核結(jié)果令人滿意。其間分析了電機(jī)溫升測(cè)試的影響因素和試驗(yàn)結(jié)果的不確定度。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室電機(jī)溫升測(cè)量審核結(jié)果數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的和可靠的。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)溫升;測(cè)量審核;結(jié)果分析;不確定度

中圖分類號(hào)：TM506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0140-04

Analysis of Test Results for Temperature Rise Test

ZHONG Wei

（Fishery Machinery and Instrument Reserch Institute，Shanghai 200092）

Abstract： In order to understand the laboratory's testing capabilities， according to the requirements of the laboratory's proficiency testing program， the author participated in the motor temperature rise test organized by the measurement audit leading laboratory. According to "Test Method for Three-phase Asynchronous Motor" （GB/T 1032—2012）， the experiment was carried out， the motor temperature rise test measurement results were satisfactory. In the meantime， the influencing factors of the motor temperature rise test and the uncertainty of the test results were analyzed. The results showed that the laboratory motor temperature rise measurement audit data was accurate and reliable.

Keywords： motor temperature rise;measurement audit;result analysis;uncertainty

能力驗(yàn)證是評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能力的有效手段，是實(shí)驗(yàn)室通過(guò)外部措施進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量控制的一種重要補(bǔ)充手段，是確保實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理體系持續(xù)改進(jìn)的有效措施之一[1]。測(cè)量審核是一個(gè)參加者對(duì)被測(cè)物品（材料或制品）進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，然后將測(cè)試結(jié)果與參考值進(jìn)行比較的活動(dòng)，是對(duì)一個(gè)參加者進(jìn)行“一對(duì)一”能力評(píng)價(jià)的能力驗(yàn)證計(jì)劃[2]。它是實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證的重要方式之一。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)向由中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）發(fā)布的測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)完成測(cè)量審核工作，可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展該項(xiàng)目校準(zhǔn)或檢測(cè)的能力，確保量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。實(shí)驗(yàn)室參加的是一對(duì)一的小型電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)量審核計(jì)劃。電動(dòng)機(jī)的溫升是檢驗(yàn)電機(jī)性能最通用、最重要的指標(biāo)參數(shù)[3]，能體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)室在電氣方面的檢測(cè)能力水平。

1 測(cè)量審核樣品及試驗(yàn)方法

1.1 樣品

試驗(yàn)樣品為測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供的一臺(tái)1.1kW 4級(jí)三相異步電動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如下：機(jī)座號(hào)H90、額定功率1.1kW、轉(zhuǎn)速1 420r/min、額定電壓380V、額定頻率50Hz、安裝方式B3、能效等級(jí)3級(jí)，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測(cè)環(huán)境工況。環(huán)境工況為：環(huán)境溫度為19.1℃，相對(duì)濕度為67%。檢測(cè)設(shè)備的工況為：供電電源380V。試驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備及其允差如表1所示。

1.2.2 設(shè)備安裝。設(shè)備安裝采用“被試電機(jī)+轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器+負(fù)載”的方法。被試電機(jī)電源線按照正相序接線，軸伸端視之，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

1.2.3 試驗(yàn)方法。依據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）及測(cè)量審核提供機(jī)構(gòu)的作業(yè)指導(dǎo)書，采用電阻法測(cè)量電動(dòng)機(jī)溫升，采用“被試電機(jī)+轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器+負(fù)載”的連接方式。試驗(yàn)前測(cè)量電動(dòng)機(jī)三相端子之間的冷態(tài)電阻和電機(jī)繞組的初始溫度值。啟動(dòng)負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載使電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定的輸出功率，持續(xù)至電動(dòng)機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)繞組的熱態(tài)電阻及當(dāng)前冷卻介質(zhì)（空氣）溫度。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理。用電阻法測(cè)量繞組溫度時(shí)，冷熱態(tài)電阻必須在相同的出線端上測(cè)量。繞組的平均溫升按式（1）計(jì)算[4]，即

[Δθ=RN-RcRc（K1+θc）+θc-θb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[RN]為外推至[t]=0s時(shí)的熱態(tài)電阻，Ω;[Rc]為熱試驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)得的冷態(tài)繞組電阻，Ω;[θb]為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的冷卻介質(zhì)溫度，℃;[θc]為測(cè)量[Rc]時(shí)的繞組實(shí)際溫度，℃;[K1]為常數(shù)，銅繞組取值為235。

2 測(cè)量審核結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

2.1.2 溫升測(cè)量值。根據(jù)表4中停機(jī)后測(cè)量的熱態(tài)電阻值，繪制熱態(tài)電阻值曲線隨時(shí)間變化的曲線，如圖2所示。人們從圖2中可外推出[t]=0s時(shí)的熱態(tài)端電阻為6.67Ω。結(jié)合測(cè)試過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)及溫升計(jì)算公式，可得出此次電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)溫升值為64.0K。

2.2 測(cè)量審核結(jié)果

2.2.1 評(píng)價(jià)原則。實(shí)驗(yàn)室將測(cè)得的溫升結(jié)果上報(bào)至測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)采用[Z]比分?jǐn)?shù)法[2]。采用測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的指定值和能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

[Z=x-Xσ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[x]為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果;[X]為指定值;[σ]為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室[Z]比分?jǐn)?shù)，按照如下原則進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)。滿意結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[Z≤2];有問(wèn)題結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[2<Z<3];不滿意結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[Z≥3]。

2.2.2 測(cè)量審核結(jié)果。根據(jù)測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室給出的報(bào)告，本次測(cè)量審核[Z]值為-1.9，滿足2<[Z]<3，結(jié)果為滿意。測(cè)量審核結(jié)果報(bào)告如表5所示。

3 討論

本次實(shí)驗(yàn)室得出的測(cè)量審核結(jié)果為滿意。但是，從表3可以看出，實(shí)測(cè)值小于指定值，且相差較大。[Z]比分?jǐn)?shù)值為-1.9，在滿意結(jié)果[Z]≤2邊緣，接近有問(wèn)題結(jié)果[Z>2]。這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫升測(cè)試系統(tǒng)誤差的考慮還有欠缺之處。

3.1 影響因素分析

一般電動(dòng)機(jī)溫升系統(tǒng)測(cè)量誤差主要從以下幾個(gè)方面考慮：繞組初始溫度和冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的測(cè)量、冷態(tài)電阻測(cè)量、熱態(tài)電阻測(cè)量以及對(duì)熱穩(wěn)定的判斷。以下分別從上述幾個(gè)因素來(lái)分析試驗(yàn)誤差的來(lái)源。

3.1.1 繞組初始溫度和冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的測(cè)量影響。對(duì)于溫升測(cè)量場(chǎng)地，《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）要求，控制周邊外來(lái)輻射熱影響及氣流的影響。實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地相對(duì)寬敞，無(wú)其他熱源及對(duì)流空氣影響，因此測(cè)試場(chǎng)地影響幾乎可以忽略不計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)[5]，正常電機(jī)溫升受周邊環(huán)境影響，溫度每降低1℃，電阻值降低約0.4%。試驗(yàn)中所用的測(cè)量冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的溫濕度計(jì)誤差為±1℃，對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果影響達(dá)到0.4%。這是影響冷卻介質(zhì)測(cè)量的關(guān)鍵因素?！度喈惒诫妱?dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）沒(méi)有對(duì)測(cè)量溫度的設(shè)備允差進(jìn)行規(guī)定，但是為了提高溫升的測(cè)量準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)采用精度更高、誤差更小的儀器設(shè)備測(cè)量繞組及冷卻介質(zhì)的溫度。對(duì)繞組測(cè)量采用的是紅外測(cè)溫儀，其存在同樣的問(wèn)題，該設(shè)備在0～100℃時(shí)示值誤差為±2℃，對(duì)結(jié)果影響很大。

3.1.2 冷態(tài)電阻測(cè)量。測(cè)量時(shí)溫度調(diào)節(jié)很重要，至少在測(cè)試環(huán)境中放置4h。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電機(jī)各部分溫度與冷卻介質(zhì)溫差不超過(guò)5K。并且有研究稱[6]，繞組中金屬銅的溫度與室溫存在響應(yīng)關(guān)系時(shí)間，測(cè)得的繞組冷態(tài)電阻可能與同時(shí)測(cè)得的室溫不對(duì)應(yīng)，因此在進(jìn)行冷態(tài)電阻測(cè)量時(shí)，樣品應(yīng)提前在測(cè)量環(huán)境放置一段時(shí)間，使樣品和環(huán)境溫度達(dá)到一定平衡，測(cè)量的電阻值才能與測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度相對(duì)應(yīng)。

3.1.3 熱態(tài)電阻測(cè)量。熱態(tài)電阻測(cè)量需要在熱穩(wěn)定試驗(yàn)停止后進(jìn)行，人們應(yīng)在斷電后測(cè)量電阻值，每組測(cè)試需30s。王憲安等認(rèn)為，斷電測(cè)量時(shí)間超出熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻越久，熱態(tài)電阻測(cè)量值越偏低[3]。測(cè)試時(shí)間越短，得到的繞組電阻值越準(zhǔn)確。如不能快速地測(cè)得電阻值，對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果影響是很大的。

3.1.4 對(duì)熱穩(wěn)定的判斷。熱試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行到相隔30min的兩個(gè)相繼讀數(shù)之間溫升變化在1K以內(nèi)為止[4]。試驗(yàn)期間需要每隔0.5h測(cè)量一次，實(shí)驗(yàn)室所用的測(cè)量直流電阻設(shè)備需要在斷電后測(cè)量，每次測(cè)量的時(shí)間達(dá)30s。這時(shí)，選取最終的電阻值作為最后的結(jié)果值很重要，停止試驗(yàn)需要一個(gè)很準(zhǔn)確的判斷。不同的測(cè)量周期，每次達(dá)到熱平衡的時(shí)間可能不同。

3.2 不確定度評(píng)定

測(cè)量審核結(jié)果顯示，[Z]比分?jǐn)?shù)絕對(duì)值接近2，雖然達(dá)到滿意結(jié)果，但是接近有問(wèn)題結(jié)果，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。在實(shí)際測(cè)量工作中，當(dāng)兩個(gè)（或多個(gè)）量相互獨(dú)立，且互不相關(guān)時(shí)不能或不需進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，其不確定度用非統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行B類評(píng)定[7，8]。電機(jī)溫升單次試驗(yàn)測(cè)試周期較長(zhǎng)，進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的兩次間隔時(shí)間較長(zhǎng)，采用B類不確定度方法評(píng)估試驗(yàn)測(cè)量不確定度。

3.2.1 不確定度來(lái)源。從數(shù)學(xué)模型可知，影響電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)量結(jié)果的主要因素包括：繞組初始溫度、冷卻介質(zhì)（空氣）溫度、冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻。此外，還包括對(duì)熱穩(wěn)定的判斷。

3.2.2 數(shù)學(xué)模型。式（1）為電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)量不確定度數(shù)學(xué)模型，各不確定度分量[uRN]、[uRC]、[uθc]、[uθb]、[ut]之間可視為互不相關(guān)，則電動(dòng)機(jī)溫升合成不確定度[u（Δθ）]計(jì)算公式如下：

[u（Δθ）=（??Δθ?RN）2uRN2+（??Δθ?RC）2uRC2+（??Δθ?θc）2uθc2+（??Δθ?θb）2uθb2+μt2]? ? ? （3）

式中，[u（Δθ）]為電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)量合成不確定度;各分量[RN]、[RC]、[θc]、[θb]對(duì)應(yīng)的不確定度分別為[uRN]、[uRC]、[uθc]和[uθb];[ut]為熱穩(wěn)定的判斷所引起的不確定度分量。各分量靈敏系數(shù)為：

[c1=??Δθ?RN=-RN（235+θc）RC2]? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[c2=??Δθ?RC=-235+θcRN]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[c3=??Δθ?θc=RNRC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

[c4=??Δθ?θb=-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

3.2.3 各不確定度分量計(jì)算。一是冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻測(cè)量不確定度分量[uRN]、[uRC]。冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻測(cè)量引起的不確定度主要來(lái)源于測(cè)試所用的數(shù)字直流電橋。由QJ84數(shù)字直流電橋的校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定度[U=0.003Ω]（k=2）得出，不確定度分量[uRN=0.001 5Ω];不確定度分量[uRC=0.001 5Ω]。

根據(jù)式（4）、式（5）和表1相關(guān)數(shù)據(jù)可得，[c1=-60.0℃/Ω];[c2=-37.9]。

二是初始繞組溫度測(cè)量引起的不確定度分量[uθc]。初始繞組溫度測(cè)量引起的不確定度主要來(lái)源于所用的紅外測(cè)溫儀。紅外測(cè)溫儀校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定度為0.6℃，包含因子[k]=2。由此可得，不確定度分量[uθc=0.3℃]，根據(jù)式（6）及表1數(shù)據(jù)得出[c3=1.3]。

三是冷卻介質(zhì)溫度測(cè)量引起的不確定度分量[uθb]。根據(jù)測(cè)量冷卻介質(zhì)所用的溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定[U=0.3℃]（[k]=2），得出不確定度分量[uθb=0.15]℃，[c4=-1]。

四是對(duì)熱穩(wěn)定的判斷引起的不確定度分量[ut]。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)相隔30min觀察相繼讀數(shù)之間溫升變化在1K以內(nèi)來(lái)判斷是否達(dá)到熱穩(wěn)定。測(cè)量溫度均勻分布，故包含因子[k=3]，[ut=0.53=0.29K]。

五是合成不確定度。各不確定度分量和靈敏系數(shù)計(jì)算結(jié)果代入式（3），可以得[u（Δθ）=0.154K]。

六是擴(kuò)展不確定度。取置信概率為95%，包含因子[k]=2，電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度[U=0.308K]。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合不確定度評(píng)定結(jié)果，電機(jī)溫升測(cè)量審核實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表示為[（64.0±0.308）K]。結(jié)合不確定度評(píng)定結(jié)果，得出[Z]比分?jǐn)?shù)絕對(duì)值為2，依然在滿意結(jié)果范圍內(nèi)。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室的電機(jī)溫升檢測(cè)水平是可信的。從不確定度評(píng)定過(guò)程發(fā)現(xiàn)，溫度測(cè)量誤差影響最大，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)加強(qiáng)儀器設(shè)備質(zhì)量管理。通過(guò)參加此次測(cè)量審核計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)室對(duì)后續(xù)檢測(cè)有了一定的認(rèn)知，可以舉一反三，提高整體的檢測(cè)水平。

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