论文部分内容阅读
摘 要： 本文以电玩具内部温升测试结果的不确定度分析为实例。介绍电玩具测量中不确定度评定方法。
关键词： 电玩具；温升测试；不确定度
一、前言
“玩具安全”一直是一个焦点话题。玩具是伴随儿童健康成长的“良师益友”，但玩具造成的伤害事故却时有发生。其中，因为部分电玩具由于电路设计、结构或材料的缺陷，导致温度过高或起燃，甚至造成烫伤或火灾等危害。在安全标准中，国标GB19865、 IEC标准IEC62115、、ASTM F963中温升试验都是极为重要的试验项目。它不但要求在正常使用下各个元器件的温升，而且要求在设置单一故障点条件下测量整机相关元器件的温升。因此，温升测试结果的不确定度评估成为各电玩具安全实验室关注的焦点。
测量不确定度分析通常可分为以下五个主要步骤：第一、测量数据的采集；第二、确定不确定度的来源；第三、建立数学模型；第四、计算A类不确定度、B类不确定度、合成不确定度以及扩展不确定度；第五、测量结果的表示。下面我们将按照测量不确定度分析步骤，使用TC-2008A数字多路温度测试仪，依据GB19865-2005标准中温升测试的要求对该测试结果不确定度进行评估。希望通过该实例的介绍能使本来较为繁琐的不确定度分析工作变为更直观，以利于理解、应用。
二、测量数据的采集
测量温度的方法是使用热电偶法。因为热电偶法可用于测量环境温度，也可用于测量样品各部位的温升，所以热电偶法是测量玩具表面温升最理想的方法。进行试验前及试验中，确保实验场所环境温度为20±5℃且无强制对流空气。在实际工作中，我们将TC-2008A数字多路温度测试仪的一根热电偶探头布置在距玩具约1m处，且与玩具的几何中心水平行于测量环境温度；同时将另一根热电偶探头粘贴在玩具可触及的电池盒的发热表面，连续监测其发热表面的温度，直到最大值出现为止。在玩具建立起稳定状态为止，30分钟内温度无明显变化后重复测量n次环境温度和该部位的温度。取n=10时测量数据如表1所示：
其中ta为玩具工作30分钟达到达到稳定的电池表面温度，tb为测ta各点时对应的环境温度，Δt为电池盒表面的温升。
三、测量不确定度来源分析
对上诉温升测量结果，有多种因素会传递不确定度，具体如下：
1.引起不确定度的主要原因：
温度测试仪准确度。热电偶的测定精度。仪器显示分辨力。
2.引起不确定度的其他因素：
2.1因为引线具有热传导效应，对不确定度会有一定影响。但是考虑到试验室为恒温实验室，环境温度基本保持恒定。因此，该因素影响极小可以忽略不计。
2.2测试者对所测温度的读取存在一定的读数误差、对所取得数据需要进行修约，这也会对不确定度产生影响。但由于仪器为数字显示，它的分辨力将这些因素所囊括。
2.3在试验中我们将通过合理取点来克服被测元器件材料的温升特性和试验时取点位置对不确定度产生一定的影响。
2.4在测试中，我们采用铜片固定热电偶探头，避免了热电偶探头与被测电池盒表面由于接触不良产生的测量不确定度。
四、建立数学模型
对分量ta、tb建立数学模型如下：
Δt=ta-tb（式1）
式中：ta—电池盒表面温度，℃；tb—读ta时的环境温度，℃。
在温升数学模型中，对不确定度的传递有影响的量是ta、tb，以c1、c2表示其传递系数，则其方差和灵敏系数如下：
4.1 A类标准不确定度
由于不确定度分量是由测量的重复性（10次重复测量）引入的，因此Δt的最佳估计值为：
电池盒表面温升的A类不确定度分量利用式（式3）将tm、tb不确定度分量合成：
4.2B类标准不确定度
在B类不确定度的计算中，令 u1、u2分别代表 ta、tb的B类不确定度。
1.tm的B类不确定度：
—— 由仪表准确度引入的不确定度：
由数字多路温度测试仪的准确度说明书提供准确度等级为准0.5级。这表明在 0.5℃区间内可视为均匀分布 ，按可靠性为90%，计算标准不确定度和自由度为：
——数字多路温度测试仪分辨力引入的不确定度 ：
数字多路温度测试仪分辨力为0.1℃，量化误差是一个宽度为0.1的矩形分布，区间的半宽为0.05。则单次测量由步进量带来的标准不确定为
——热电耦测定精度引入的不确定度：
热电耦的测定精度为量程的±0.25%，由于本测量器件温升范围一般在 -30～200℃，测量的最大误差为 （0.25/100）x230=0.575℃。设该分布为均匀分布，按可靠性为90%，则由测量精度引起的不确定度 u13为：
2.tb的B类不确定度：
与tm的B类不确定度计算同理可得：ub21=0.29℃，rb21=50； ub22=0.01℃，rb22=50；ub23=0.01℃，rb23=50。
4.3合成不确定度
根据合成标准不确定度由A类不确定度和B类不确定度组成可得：
4.4扩展不确定度
取置信概率P=95%，可求出包含因子为：
扩展不确定度：
4.5测量结果的表示
取10次测量的平均值为最佳估计值，置信概率为95%，有效自由度为 Veff=197。电池盒表面温升的可能值是以95%的概率落于区间
上。
五、总结
通过以上分析可以看出：虽然产生不确定度的原因错综复杂，不确定度评估的方法极为繁琐，但只要从人、机、料、法、环五方面入手，对产生不确定度的原因进行逐条分析，通过建立数学模型、借助概率数理统计的方法进行计算，就可以得出不确定度的评估结果。
本文作者所属单位：义乌市产品（商品）质量监督检验研究院
参考文献
[1]浙江省检验机构测量不确定培训教程
[2]GB19865-2005《电玩具的安全》
关键词： 电玩具；温升测试；不确定度
一、前言
“玩具安全”一直是一个焦点话题。玩具是伴随儿童健康成长的“良师益友”，但玩具造成的伤害事故却时有发生。其中，因为部分电玩具由于电路设计、结构或材料的缺陷，导致温度过高或起燃，甚至造成烫伤或火灾等危害。在安全标准中，国标GB19865、 IEC标准IEC62115、、ASTM F963中温升试验都是极为重要的试验项目。它不但要求在正常使用下各个元器件的温升，而且要求在设置单一故障点条件下测量整机相关元器件的温升。因此，温升测试结果的不确定度评估成为各电玩具安全实验室关注的焦点。
测量不确定度分析通常可分为以下五个主要步骤：第一、测量数据的采集；第二、确定不确定度的来源；第三、建立数学模型；第四、计算A类不确定度、B类不确定度、合成不确定度以及扩展不确定度；第五、测量结果的表示。下面我们将按照测量不确定度分析步骤，使用TC-2008A数字多路温度测试仪，依据GB19865-2005标准中温升测试的要求对该测试结果不确定度进行评估。希望通过该实例的介绍能使本来较为繁琐的不确定度分析工作变为更直观，以利于理解、应用。
二、测量数据的采集
测量温度的方法是使用热电偶法。因为热电偶法可用于测量环境温度，也可用于测量样品各部位的温升，所以热电偶法是测量玩具表面温升最理想的方法。进行试验前及试验中，确保实验场所环境温度为20±5℃且无强制对流空气。在实际工作中，我们将TC-2008A数字多路温度测试仪的一根热电偶探头布置在距玩具约1m处，且与玩具的几何中心水平行于测量环境温度；同时将另一根热电偶探头粘贴在玩具可触及的电池盒的发热表面，连续监测其发热表面的温度，直到最大值出现为止。在玩具建立起稳定状态为止，30分钟内温度无明显变化后重复测量n次环境温度和该部位的温度。取n=10时测量数据如表1所示：
其中ta为玩具工作30分钟达到达到稳定的电池表面温度，tb为测ta各点时对应的环境温度，Δt为电池盒表面的温升。
三、测量不确定度来源分析
对上诉温升测量结果，有多种因素会传递不确定度，具体如下：
1.引起不确定度的主要原因：
温度测试仪准确度。热电偶的测定精度。仪器显示分辨力。
2.引起不确定度的其他因素：
2.1因为引线具有热传导效应，对不确定度会有一定影响。但是考虑到试验室为恒温实验室，环境温度基本保持恒定。因此，该因素影响极小可以忽略不计。
2.2测试者对所测温度的读取存在一定的读数误差、对所取得数据需要进行修约，这也会对不确定度产生影响。但由于仪器为数字显示，它的分辨力将这些因素所囊括。
2.3在试验中我们将通过合理取点来克服被测元器件材料的温升特性和试验时取点位置对不确定度产生一定的影响。
2.4在测试中，我们采用铜片固定热电偶探头，避免了热电偶探头与被测电池盒表面由于接触不良产生的测量不确定度。
四、建立数学模型
对分量ta、tb建立数学模型如下：
Δt=ta-tb（式1）
式中：ta—电池盒表面温度，℃；tb—读ta时的环境温度，℃。
在温升数学模型中，对不确定度的传递有影响的量是ta、tb，以c1、c2表示其传递系数，则其方差和灵敏系数如下：
4.1 A类标准不确定度
由于不确定度分量是由测量的重复性（10次重复测量）引入的，因此Δt的最佳估计值为：
电池盒表面温升的A类不确定度分量利用式（式3）将tm、tb不确定度分量合成：
4.2B类标准不确定度
在B类不确定度的计算中，令 u1、u2分别代表 ta、tb的B类不确定度。
1.tm的B类不确定度：
—— 由仪表准确度引入的不确定度：
由数字多路温度测试仪的准确度说明书提供准确度等级为准0.5级。这表明在 0.5℃区间内可视为均匀分布 ，按可靠性为90%，计算标准不确定度和自由度为：
——数字多路温度测试仪分辨力引入的不确定度 ：
数字多路温度测试仪分辨力为0.1℃，量化误差是一个宽度为0.1的矩形分布，区间的半宽为0.05。则单次测量由步进量带来的标准不确定为
——热电耦测定精度引入的不确定度：
热电耦的测定精度为量程的±0.25%，由于本测量器件温升范围一般在 -30～200℃，测量的最大误差为 （0.25/100）x230=0.575℃。设该分布为均匀分布，按可靠性为90%，则由测量精度引起的不确定度 u13为：
2.tb的B类不确定度：
与tm的B类不确定度计算同理可得：ub21=0.29℃，rb21=50； ub22=0.01℃，rb22=50；ub23=0.01℃，rb23=50。
4.3合成不确定度
根据合成标准不确定度由A类不确定度和B类不确定度组成可得：
4.4扩展不确定度
取置信概率P=95%，可求出包含因子为：
扩展不确定度：
4.5测量结果的表示
取10次测量的平均值为最佳估计值，置信概率为95%，有效自由度为 Veff=197。电池盒表面温升的可能值是以95%的概率落于区间
上。
五、总结
通过以上分析可以看出：虽然产生不确定度的原因错综复杂，不确定度评估的方法极为繁琐，但只要从人、机、料、法、环五方面入手，对产生不确定度的原因进行逐条分析，通过建立数学模型、借助概率数理统计的方法进行计算，就可以得出不确定度的评估结果。
本文作者所属单位：义乌市产品（商品）质量监督检验研究院
参考文献
[1]浙江省检验机构测量不确定培训教程
[2]GB19865-2005《电玩具的安全》