家用燃气灶实测折算热负荷测量不确定度方法讨论

舒陆杰 陈海勇

（嘉兴威凯检测技术有限公司 嘉兴 314000）

引言

GB 16410-2007《家用燃气灶具》5.2.2 c）条款规定：“两眼和两眼以上的燃气灶和气电两用灶应有一个主火，其实测折算热负荷：普通型灶≥3.5 kW；红外线灶≥3.0 kW”[1]。其中此条款为强制性条款。同时在2019年9月中国质量认证中心发布的家用燃气灶具强制性产品实施细则中家用燃气灶具安全检验项目中也有此条款的的检验项目。同时，中国合格评定国家认可委员会在2018年3月1日发布的CNAS-CL01-G003《测量不确定度的要求》中要求:“对于检测实验室应有能力对每一项有数值要求的测量结果进行测量不确定度评估”[2]。因此对于第三方检测实验室在出具该项目的检测报告时判定测量结果与标准规范限量符合性时，就需要实验室开展测量不确定度的评定工作和应用测量不确定度评定结果。作者查阅国内大量文献资料发现有关燃气灶实测折算热负荷的测量不确定度的讨论和研究甚少。因此，本文将对家用燃气灶实测折算热负荷测量不确定度开展评定与分析，探究实测折算热负荷不确定度的来源和主要影响因素。

1 实测折算热负荷不确定度评定

1.1 实测折算热负荷测试方法及不确定度数学模型

GB 16410-2007《家用燃气灶具》中6.7热负荷试验规定：“在单个燃烧器或全部燃烧器点燃后15～20 min时段内用气体流量计测定燃气流量，气体流量计指针走一周以上的整圈数，且测定时间应不少于1 min，重复测定两次以上，读数误差小于2 %，取两次流量的平均值”[1]，实测折算热负荷按下式公式计算：

公式（1）、（2）、（3）中各符号含义参见GB 16410-2007《家用燃气灶具》表14中具体定义。

我们对实测折算热负荷建立测量模型，将式（3）作为燃气灶实测折算热负荷的不确定度评定的数学模型。

1.2 不确定度来源分析

由于测量模型中输入量Q1、dmg、ps是标准规定值，饱和蒸气压S根据燃气温度tg查表所得。因此根据实测折算热负荷计算公式可知 V、t、da、pamb、pm、pg、tg七个输入量的测量重复性和测量设备系统性误差为不确定度主要来源。因此需要分别评定各个输入量的标准不确定度。此时，将各输入量作为输出量来分别评定其标准不确定度，燃气灶实测折算热负荷不确定度来源和类别见表1。

1.3 实测折算热负荷测试原始数据

对某型号（12T）额定热负荷4.2 kW的家用嵌入式灶具样品进行10次独立重复测试，记录相关测试数据得到10组数据见表2。

表1 燃气灶实测折算热负荷测试不确定度来源

表2 燃气灶实测折算热负荷测试原始数据

1.4 标准不确定度的A类评定

对被测量进行独立重复观测，通过所得到的一系列测得值，用统计方法获得实验标准偏差s（x）[3]。我们把测量的算术平均值当作被测量估计值时，被测量估计值的A类不确定度可按公式（4）[3]计算：

公式（4）中n为实际测量的次数，燃气灶实测折算热负荷为单次测量结果。

由各输入量测量重复性引入的标准不确定度见表3。

1.5 标准不确定度的B类评定

在本文中部分输入量的B类不确定度信息由查对应测量设备的校准信息得到。其中试验气相对密度的B类不确定度根据试验气成分含量并由经验假设计算得到。

查各输入量测量设备的校准证书，校准证书中均给出了设备的扩展不确定度U以及包含因子k。

从表4中可以看出，由各检测仪器设备引入的不确定度分量差异比较明显，其中湿式气体流量计和燃气温度传感器引入的B类不确定度分量较高。

1.6 灵敏系数

通过建立实测折算热负荷的测量模型，分析测量不确定度的来源并对各个标准不确定度的分量分别进行A类或B类评定。由于各输入量均不相关，则实测折算热负荷合成标准不确定度公式如下所示：

1.7 输出量的不确定度分量

根据表3和表4各输入量的不确定度汇总表，将各输入量A类和B类标准不确定度进行合成。合成标准不确定度按照公式进行计算，各输入量标准不确定度分量、灵敏系数、输出量不确定度分量见表5。

表3 输入量A类标准不确定度汇总

表4 输入量B类标准不确定度汇总

1.8 合成标准不确定度

由于每个输入量之间均不相关，实测折算热负荷的估计值的合成标准不确定度按公式（7）计算：

1.9 实测折算热负荷扩展不确定度及测量结果表示

扩展不确定度U由合成标准不确定度uC乘包含因子k得到，按公式（8）计算：

包含因子k的选择，取决于分布的情况，本文中被测量估计值与表征的概率分布近似为正态分布，因此k=2。U=kuC=2×0.037≈0.08 kW

测量结果用公式（9）表示：

则实测折算热负荷为φ=3.96 kW±0.08 kW；

k=2，对应约95 %的置信概率。

2 实测折算热负荷不确定度影响因素

由表5可知，|ci|·u（xi）的值越大，则该输入量的不确定度与相应灵敏系数的乘积值对测量结果的不确定度影响也越明显。因此分别计算各输入量ci2ui2（xi）的值，分析其在实测折算热负荷不确定度中的占比，见图1。

从图1可知，耗气量引入的不确定度分量对实测折算热负荷的不确定度影响最大，达到94.3 %；其次是测试时间，达到4.4 %；试验气相对密度的影响比例只有1.1 %；而由试验大气压力、燃气流量计内压力、燃气灶前压力和燃气温度组成的其他类的影响比例只有0.2 %。可见，耗气量和测试时间是影响实测折算热负荷不确定度最关键的参数。

通常情况下，在不同燃气灶实测折算热负荷计算中耗气量一般都是“固定值”代入计算，对于天然气灶为10 L，液化气灶为5 L。因此检测人员在实测折算热负荷不确定度评定方法中往往忽略耗气量的影响。显然，通过上文的计算和分析，由湿式气体流量计系统性误差引起的不确定度分量贡献最大。如果忽略其影响，将对测量结果的质量产生很大影响，同时在判定测量结果与标准规范限量符合性时，会产生较大偏倚，容易导致质量事故的产生。因此，实验室人员在计算测量不确定度时，需要认真仔细考虑测量不确定度分量，对于复杂的测量模型还应当注意在计算各输入量的不确定度时，需要把各输入量分别当做“各自的输出量”去计算各输入量的不确定度。

表5 燃气灶实测折算热负荷不确定度分量汇总

图1 各输入量引入的不确定度对实测折算热负荷不确定度影响比例

3 结语

在燃气灶实测折算热负荷不确定度评定中，由于测量模型较为复杂，检测人员在评定不确定度时往往需要投入大量的精力和时间。而通过分析可知，试验气相对密度、试验大气压力、燃气流量计内压力、燃气灶前压力和燃气温度等影响很小。因此，在实测折算热负荷不确定评定中可以忽略部分输入量的影响，简化测量模型进行计算。在考虑不确定度来源时，应全面考虑由随机效应和系统效应带来的影响，特别不能忽略对测量结果影响较大的不确定度来源。