基于数控机床的保护联结电路连续性测量不确定度评定

李麟，张军，叶超

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900)

随着数控技术不断发展，数控机床水平不断提高，机械制造业发生了根本性的变化。目前，数控机床已经作为制造业的母机而被广泛使用，数控机床水平的高低也成为了一个国家工业现代化水平的重要标志，对国民经济的发展和增强国防实力起着举足轻重的作用。因此，数控机床质量好坏和安全与否，将直接影响国民经济的发展。机床安全检查是国家规定的强制性检测项目，而保护联结电路连续性试验作为电气安全中重要的组成部分，其准确的检测结果对人和设备的安全显得尤为重要。但是，目前对保护联结电路连续性测量的不确定度评定分析较少，测量结果不够精确。因此，针对数控机床的保护联结电路连续性试验，详细介绍了保护联结电路连续性测量时标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度的评定方法。期望通过对该类测量的不确定度分析，为今后保护联结电路连续性电阻的精确测量提供理论依据。

1 测量方法和过程

机床保护联结电路连续性试验方法主要参考标准GB/T 26679-2011 《机床电气、电子和可编程电子控制系统保护联结电路连续性试验规范》［1］。试验在被测电气设备的外部保护接地端子PE 和保护联结电路部件的有关点之间进行，试验电流为0.2 ～10 A，试验电源选为24 V AC 或DC 的独立电源SELV［2］。文中以数控机床电柜门的PE 点作为测试点，通过多次测量，分析保护联结电路连续性测量的不确定度。

测量方法为使用安规测试仪进行测试。安规测试仪是经过法定检测机构检测的合格产品，并处在有效期内，其最大允许误差为±10%rdg。测试时，选择“Protective conductor”挡位，设置Duration 值为10 s，根据实际测试情况选择测试导线截面积和Limit Value，参数设置好后即可按“Start”开始测试。安规测试仪测试结果显示为电压降和保护联结电路电阻值，因此，测试结果可以直接读出。

2 测量不确定度来源分析

当测试环境温度5 ～40 ℃、相对湿度40% ～75%RH 时，温度影响可以忽略不计。因此，保护联结电路电阻RE测量不确定度的来源主要有:

(1) 在相同条件下被测量在重复观测中的变化;

(2) 安规测试仪测量保护联结电路电阻值时的仪器测量误差;

(3) 安规测试仪测量保护联结电路电阻值时的分辨率所引起的误差(电子式仪表) 。

3 数学模型

由于保护联结电路电阻RE的测量结果是由安规测试仪的示值RD直接给出，因此其数学模型可以写为:

4 方差和传播系数［3］

根据:

求得:

由于式中:

因此:

5 不确定度评定

5.1 标准不确定度评定

5.1.1 由测量重复性引起的标准不确定度分量u1(RE)

在重复性条件下，用安规测试仪对某数控机床电柜门上PE 点的保护联结电路电阻进行10 次测量，结果见表1。

表1 保护连接电路连续性10 次测量结果

10 次测量平均值为:

根据贝塞尔公式计算单次测量标准偏差［4］:

因为实际保护联结电路电阻测量只由一次测量值计算给出，所以测量重复性引起的标准不确定度等于单次测量实验标准差:

5.1.2 由安规测试仪测量误差引起的标准不确定度分量u2(RE)

根据测试过程中的使用要求，安规测试仪示值的最大允差为±8.6%rdg。经查，该设备经过校准，且符合要求。根据校准证书的测试结果，安规测试仪的示值误差服从矩形(均匀) 分布，因此，包含因子k=取第一次测量结果为最终测量结果，则由安规测试仪测量误差引起的标准不确定度分量u2(RE) 为:

5.1.3 由安规测试仪分辨率引起的标准不确定度分量u3(RE)

安规测试仪分辨率为0.1 mΩ，估计其分辨率误差服从均匀分布，则包含因子则由安规测试仪分辨率引起的标准不确定度分量u3(RE) 为［5］:

5.1.4 标准不确定度分量一览表

表2 不确定度分量评定预估

5.2 相关性

没有任何输入量具有值得考虑的相关性。

5.3 合成标准不确定度分量uc(RE) 评定

保护联结电路电阻RE测量的合成标准不确定度

5.4 扩展不确定度评定

取包含因子k =2，则保护联结电路电阻R 测量结果的扩展标准不确定度U :

5.5 不确定度报告

取第一次测量的结果作为最终测量结果，则某数控立车变压器(T2) 上PE 点的保护联结电路电阻RE的测试结果为: (20.8 ±3.8) mΩ。报告中的扩展不确定度是由标准不确定度乘以包含因子k=2 得到的，对于正态分布，它对应于大约95%的置信概率［4］。

6 结束语

保护联结电路连续性试验作为机床电气3 项试验的重要组成部分，其检测结果的正确与否对评价机床的安全性具有重要影响。文中以实际案例为例，分析了保护联结电路连续性测试过程的不确定评定方法，可提高测试结果的准确性，降低人员触电危险，避免不必要的人员和经济损失。同时，也可为电气安全其他试验(如绝缘电阻测试、耐压测试等) 在不确定度评定上提供借鉴。

［1］全国工业机械电气系统标准化技术委员会．GB 5226.1-2008 机械电气安全 机械电气设备第1 部分:通用技术条件［S］．北京:中国标准出版社，2008．

［2］全国工业机械电气系统标准化技术委员会．GB/T 26679-2011 机床电气、电子和可编程电子控制系统保护联结电路连续性试验规范［S］．北京:中国标准出版社，2011．

［3］刘玮蔚．数字式绝缘电阻表测量不确定度的分析与评定［J］．河南电力，2012(3) :5－6．

［4］全国法制计量技术委员会．JJF1059-1999 测量不确定度评定与表示［S］．北京:中国计量出版社，1999．

［5］钱绍圣．测量不确定度实验数据的处理与表示［M］．北京:清华大学出版社，2002:35－112．