灼热丝试验的不确定度评定

灼热丝试验的不确定度评定

灼热丝试验是测试材料或者元器件在某一温度下的耐热性能的试验。它是最常规的一个试验，能否正确地操作该试验，不仅反映操作人员的工作能力，同时也是对实验室常规试验能力的考查。GB/T 5169.10（IEC 60695-2-10)为灼热丝试验方法的总则，GB/T 5169.11（IEC 60695-2-11）对成品的灼热丝试验作出了规定、GB/T 5169.12(IEC 60695-2-12)对材料的灼热丝可燃性试验作出了规定、GB/T 5169.13（IEC 60695-2-13）对材料的灼热丝起燃性试验作出了规定。

由于灼热丝试验中需要对燃烧火焰的高度和时间进行记录，根据 JJF 1059—1999《测量不确定评定与表示》的规定，应对该试验进行不确定度评定。

测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性在很大程度上取决于其不确定度的大小。不确定度的应用随着科技的发展，不仅渗透到科学技术的各个领域，而且还影响社会生活的各个方面。JJF 1059—1999《测量不确定评定与表示》是评定与表示不确定度的一种通用规则，适用于各种准确度等级的测量领域。中国实验室国家认可委员会CNAL/AC 01：2005《检测和校准实验室能力认可准则》中5.4检测和校准方法及方法的确认中，明确规定了检测实验室应具有并应用评定测量不确定度的程序。

一、试验描述

试样在温度15℃～35℃，相对湿度45％～75％的稳定环境放置下24小时。灼热丝的温度为650℃、750℃和850℃三个温度等级。

操作时灼热丝要施加在试样的中心位置，试样要保持垂直放置，试样垂直相交于灼热丝装置，如果灼热丝穿透接触试样，灼热丝不允许接触试样的支撑体，灼热丝深入材料的深度为7mm。同时，试验箱体内在灼热丝装置和箱体背板之间距离100mm处放置一个热电偶，用以监测整个测试期间的温度，记录测试的起止时间，记录对试样的预处理的温度和相对湿度。灼热丝施加在试样的时间为30s。试验的过程中，还要观察：试样是否起燃；起燃前的时间；火焰的最高高度是多少；火焰的高度逐渐升高还是逐渐降低；灼热丝移开后，试样是否还在燃烧；燃烧持续的时间是多少；在试验的开始和结束的时间；在试验时，房间的环境温度和相对湿度等许多物理量。

二、不确定度分析步骤

在上述的条件中，影响试验结果的最主要因素为灼热丝的温度和施加在试样上的时间是否达到要求。

1．明确不确定度的分类

不确定度分为A类标准不确定度和B类标准不确定度。

A类标准不确定度是指在重复条件下或复现性条件下进行n次独立重复观测，以样本的算术平均值作为被测量的估计，以平均值的实验标准差作为测量结果的标准不确定度。

B类标准不确定度的信息来源有：以前的观测数据、对有关资料和测量仪器的了解和经验、生产部门提供的技术说明文件、校准证书及鉴定证书等提供的数据和准确度的等级或级别、手册或某些资料上提供的不确定度、规定试验方法的国家标准用这类方法进行的评定。通过上述方法得到估计方差，称为B类方差。

2．计算合成标准不确定度

计算合成标准不确定度时，当输入量是彼此独立或不相关时，合成标准不确定度可以通过下式得到。

式中：f——被测量与诸直接测得量xi的函数关系。

u(xi)——或是A类评定标准不确定度，或是B类评定标准不确定度。

3．计算扩展不确定度

扩展不确定度有两种，即U和Up。前者为标准差的倍数，后者为具有概率p的置信区间的半宽。其中，U ＝kuc（y），k为包含因子，可以期望在（y－U）至（y+U）的区间内包含了测量结果可能值的较大部分，一般情况k＝2。Up＝kpuc（y），kp为给定概率p的包含因子，可以期望在（y－Up）至（y＋Up）的区间内，以概率p包含测量结果的可能值，一般情况kp＝95％。

4．给出不确定度报告

完整的报告包括两个基本量：测量结果的最佳估计值及其不确定度。

三、试验数据分析

1．测量仪器引入的不确定度

灼热丝试验仪的型号TO3.35，制造厂为德国PTL，出厂编号5011105。

热电偶的材料为镍铝丝，效准结果扩展不确定度为1.2℃，置信水平为95％。测量时热电偶引入的不确定度分量 ud1=1.2/2=0.6。

设备上的计时器校准证书上提供的不确定度为0.3s，置信水平为95％。测量时，时间引入的不确定度分量ud2=0.3/2=0.15。

拉力的不确定度为0.05N，置信水平为95％。测量时，拉力引入的不确定度分量ud3=0.05/2=0.025。

2．测量人员引起的标准不确定度

在满足重复性条件的统计控制状态下，按照以前的测量数据和经验，检测人员测量温度的不确定度为2℃，置信水平为95％，由此引入的是B类标准不确定度分量，为ud4=2/1.96=1.02℃。

3．计算合成不确定度

将上述的4个数字带入公式（1），uy（xi）=1.193。

四、试验数据的讨论

由于灼热丝试验的数学模型比较复杂，试验中测量的不确定度来源主要为测量仪器和试验中参与的试验人员，其他的因素如：材料的材质、试验中温度的变化、材料的厚度以及小车的速度等对灼热丝的结果都有一定的影响，但最主要的因素为前两个因素。对于其他因素的影响分析由于涉及到材料科学的范畴，在此不再讨论。

从试验的结果，可以得到以下结论。

（1）影响灼热丝实验结果的两个主要因素：人和仪器。

（2）在这两个因素中，对实验结果有较大影响的是人为因素。如在上述的试验中，由于试验设备精度较高，对灼热丝的结果影响较小，由测量人员引入的不确定度分量较大。其中，对着火时间的开始的判断、对火焰熄灭时间的读取以及对火焰高度的读取等与实际工作经验相符合。由此，需要加强对试验人员的培训和练习，以增强试验人员对于各个概念的定义的理解，才能得到使客户信服的试验数据。