门座（桥架）起重机动态电子秤测量结果的不确定度分析与评定

张楠丽 ZHANG Nan-li；姚帅 YAO Shuai

（广东省计量科学研究院，广州510405）

0 引言

门座（桥架）起重机动态电子秤，简称门桥秤，是一种自动分检衡器，原理是起重机在提升或变幅抓取货物的过程中，通过称重传感器检测钢丝绳的受力，由位移传感器和速度传感器等检测幅度及速度，经称重指示器显示被称物的重量值[1]。门桥秤是港口码头、铁路运输、工厂仓库等场所中常见的设备，主要应用于物品的装卸称重计量，可以避免利用电子汽车衡称重的繁杂流程，其准确性关系到轮船、火车和货车等交通运输工具的载重控制，是其计量控制中的重要的环节[2]。测量过程中的测量结果不可避免的具有不确定性，若要完整地对测量结果的质量有个定量的描述，就应当进行测量不确定度分析与评定。在检定规程JJG 1124-2016《门座（桥架）起重机动态电子秤》中，对门桥秤的动态检定提出了检定要求，检定过程中需要进行两种称量试验，分别是单次称量和累计称量，本文就门桥秤的检定两种称量试验的测量结果进行不确定度评定。

1 测量依据和方法

1.1 测量依据

JJG 1124-2016《门座（桥架）起重机动态电子秤》

1.2 被测对象

门座（桥架）起重机动态电子秤，测量范围：（500~20000）kg，检定分度值 e：50kg，准确度等级：Y（b）。

1.3 检定方法

1.3.1 单次称量

单次称量采用直接加载砝码，即用门桥秤，以最大提升速度提升砝码，进行至少5 次称量，记录每次称量示值。检定规程中要求至少选择四个不同的秤量点进行检定，本次不确定度分析以其中一次秤量点为例，按公式（1）计算单次称量示值误差。

1.3.2 累计称量

记录累计重量的开始示值TS，在起重机最大提升速度下，至少进行10 次单次称量，记录累计称量结果TE。再把这10 次称量的所有检定载荷放到控制衡器的承载器上进行称量LT，确定约定真值。则可按公式（2）计算累计称量的示值误差。

2 测量模型及不确定来源分析

2.1 测量模型

2.1.1 单次称量的示值误差可以用公式（1）表示

式中：

E——单次称量示值误差，kg 或t；

I——称量示值，kg 或t；

M——载荷，kg 或t。

2.1.2 累计称量的示值误差可以用公式（2）表示

式中：

Esep——累计称量示值误差；

TS——累计称量开始时的累计示值，kg 或t；

TE——累计称量结束时的累计示值，kg 或t；

LT——控制衡器的示值，kg 或t。

2.2 方差和传播系数

2.2.1 方差

式中：

u1——I 的不确定度；u

2——M 的不确定度。

2.2.2 传播系数

2.3 不确定度来源分析

门桥秤测量结果不确定度来源主要包括：

①重复性条件下门桥秤的重复性；

②门桥秤的分辨率；

③标准器（砝码或控制衡器）的示值不准；

④测量方法与规定测量方法和程序的不一致性；

⑤人员误差的存在；

⑥环境（如振动、干扰等）对测量结果的影响。

在参考条件下，由于检定时间较短，环境是相对稳定的，可不必考虑上述不确定度来源较小的④、⑤，⑥属于高阶小量，可以忽略不计。所以本次不确定度分析的重点是①、②、③。

3 标准不确定度分量的评定

3.1 门桥秤单次称量的测量不确定度分析

3.1.1 门桥秤的重复性导致的A 类测量不确定度分量u1

对门桥秤在起重机最大提升速度下，在重复性测量条件下，重复测量10 次。

采用贝塞尔公式得到单次实验标准偏差：

以平均值的实验标准偏差作为测量结果的标准不确定度，则A 类标准不确定度：

自由度：

3.1.2 门桥秤数字示值分辨率带来的测量不确定度分量u2

由于门桥秤在进行动态的单次称量时，无法采用“闪变点法“确定门桥秤的化整前的示值误差，则门桥秤的分辨率导致的不确定度分量u2：

3.1.3 砝码的质量误差带来的测量不确定度分量u3

静态载荷是由砝码组合而成，误差按均匀分布处理。则：

3.1.4 合成标准不确定度的评定

输入量I 和输入量M 相互独立不相关，故合成标准不确定度uc：

3.1.5 扩展不确定度的评定

取k=2，置信概率p=95%，则扩展不确定度：

3.1.6 标准不确定度一览表（表1）

表1 单次称量

3.2 累计称量的测量不确定度分析

3.2.1 由重复性误差带来的不确定度分量u1

在起重机最大提升速度下，对同一载荷进行10 次单次称量，由于10 次载荷为同一载荷，控制衡器为电子汽车衡，其重复性为R，根据检定规程JJG 539-2016《数字指示秤》[3]，重复性试验中，重复性次数一般为3 次。依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，一般在测量次数较少时，可以采用极差法评定获得试验标准偏差，查JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》[3]得3 次测量次数对应的极差系数C=1.69，则控制衡器的重复性误差带来的不确定度分量u1。

3.2.2 门桥秤数字示值分辨率带来的测量不确定度分量u2

由于在进行门桥秤的累计称量检定时，无法采用“闪变点法”确定门桥秤化整前的示值误差。所以采用直接读数法，门桥秤的分度值d，其数字示值的分辨率为1.0d，则门桥秤的分度值导致的不确定度分量u2：

3.2.3 控制衡器示值误差带来的测量不确定度分量u3

使用控制衡器确定累计的载荷质量的约定真值，如果使用准确度较高的控制衡器，其分度值较小、分度数较多，并且在稳定的环境条件情况下使用，则控制衡器示值误差带来的测量不确定度可以采用B 类方法进行评定，控制衡器的分度值为d1，采用直接读数法，分布作为均匀分布，则测量不确定度分量u3：

3.2.4 控制衡器允许误差带来的测量不确定度分量u4

输入量由控制衡器示值误差引起的标准不确定度分量u4，主要由数显装置化整引起，采用B 类方法进行评定，分布为均匀分布若合格的控制衡器的最大允许误差为MPE，测量不确定度分量u4：

3.2.5 合成标准不确定度

输入量和输入量相互独立不相关，故合成标准不确定度uc：

3.2.6 扩展不确定度的评定

取k=2，置信概率p=95%，则扩展不确定度：

U=uc，k=2

3.2.7 标准不确定度一览表

如表2 所示。

表2 累计称量

4 测量不确定度的评定示例

若对一台Y（b）级的门座起重机动态电子秤进行检定，最小秤量Min=500kg，最大秤量Max=20000kg，检定分度值e=d=50kg。在秤量点为12000kg 进行重复次数为10次的单次称量检定。进行一次累计称量，门桥秤的累计示值为120100kg。控制衡器为Max1=60t，d1=20kg 的电子汽车衡，通过控制衡器确定的累计称量的累计载荷约定真值为120000kg。

4.1 单次称量的测量不确定度

4.1.1 门桥秤的重复性导致的A 类测量不确定度分量u1

对门桥秤在起重机最大提升速度下，在重复性测量条件下，重复测量10 次，得到测量如下数据：12050kg、12000kg、12000kg、12000kg、12050kg、12000kg、12050kg、12000kg、12000kg、12000kg、12000kg。10 次测量结果的平均值为 12015kg，按照公式（4）：

4.1.2 门桥秤数字示值分辨率带来的测量不确定度分量u2

门桥秤的分度值d=50kg，按照公式（6）：

4.1.3 砝码的质量误差带来的测量不确定度分量u3

10000kg 的静态载荷通常是由12 个1000kg 的M1级砝码组合而成。一个1000kg 的M1级砝码的允差为50g。12 个1000kg 的砝码示值相关，误差按均匀分布处理。则：

4.1.4 标准不确定度的合成

4.1.5 扩展不确定度

取k=2，则扩展不确定度：

4.2 累计称量的测量不确定度

4.2.1 由重复性误差带来的不确定度分量u1

在起重机最大提升速度下，对同一载荷进行10 次单次称量，由于10 次载荷为同一载荷，控制衡器为Max1=60 t，d1=20kg 的电子汽车衡，其重复性为R=4kg，按照公式（10）：

4.2.2 门桥秤数字示值分辨率带来的测量不确定度分量u2

门桥秤的分度值d=50kg，按照公式（11）：

4.2.3 控制衡器示值误差带来的测量不确定度分量u3

控制衡器的分度值为d1=20kg，按照公式（12）：

4.2.4 控制衡器允许误差带来的测量不确定度分量u4

控制衡器在12000kg 处的最大允许误差MPE 为±20kg，按照公式（13）：

4.2.5 标准不确定度的合成

4.2.6 扩展不确定度

取k=2，则扩展不确定度：

4.3 测量不确定度的汇总

依据JJF1094-2002《测量仪器特性评定》[5]，测量不确定度与最大允许误差之间有一个可以接受的原则是：其扩展不确定度U 应不大于被测衡器最大允许误差的绝对值MPEV 的

Y（b）级，Max=20000kg，e=50kg 的门桥秤，单次称量检定时在12000kg 称量处的最大允许误差为单次称量的测量结果的扩展不确定度U（k=2）=32.8kg＜所以符合要求。

Y（b）级的门桥秤在进行累计称量检定时，累计载荷120100kg 时，最大允许误差累计称量的测量结果扩展不确定度U（k=2）=39.2kg ＜，所以符合要求。

5 结束语

本文结合检定规程和实际检定，对门座(桥架)起重机动态电子秤的测量不确定度的进行了分析和评定。通过对Y（b）级门桥秤，单次称量和累计称量的不确定度来源的评定，得到了单次称量和累计称量的测量结果的扩展不确定度，分别小于门桥秤单次称量和累计称量最大允许误差的三分之一，门桥秤单次称量和累计称量的扩展不确定度符合要求。在实际使用和检定门座（桥架）起重机动态电子秤过程中，发现偏载也会对其测量结果有影响，但由于规程没有对偏载没有要求，没要求进行偏载试验，故未考虑偏载对测量结果的影响。