随着全球海洋能技术研发逐渐进入商业化阶段,研发过程中的风险控制成为亟须解决的关键问题。目前我国海洋能基础理论研究初步成熟,开展了多项潮流能发电装置和波浪能发电装置的室内试验,取得一定的成果;但多数室内试验的数据测量环节缺少详细的量值溯源和量值传递过程,降低了试验数据的科学性和严谨性[1]。本研究以水平轴潮流能发电装置模型能量俘获效率的室内试验为例,提出测量不确定度的评定方法。
美国国家标准局(NBS)于1963年提出“不确定度”。国际方面经过多年探讨,对测量不确定度的表示形成不同意见。1977年国际计量委员会(CIPM)要求国际计量局(BIPM)与各国标准计量研究院协调解决该问题,来自11个国家的相关专家参加讨论,并由相关工作组起草建议书即《实验不确定度表示》,编号为INC-1(1980)。该建议书的主要内容包括:将测量结果的不确定度按其值的评定方法,分为A类标准不确定度分量和B类标准不确定度分量;合成不确定度及其分量,应用标准偏差的形式表示;针对特殊用途,如需对合成不确定度乘以某个因子以获得总不确定度时,须对所乘因子加以说明。CIPM于1981年批准该建议书,并于1986年重新加以肯定。1993年,根据7个专门的国际组织对测量不确定度评定的研究成果,《测量不确定度表示指南》(GU M)和第2版《国际通用计量学基本术语》(VIM)发布,1995年GU M的修订版发布。GU M和VIM为全球统一采用测量不确定度的评定和表示奠定基础。
随着不确定度理论的进一步发展,新版GU M 和VIM于2008年发布。同时,国际实验室认可合作组织(IL AC)承认了GU M,意味着在各国检测或校准实验室认可工作中,测量不确定评定均以GUM为基础[2]。
本研究涉及的潮流能发电装置模型能量俘获效率试验在国家海洋技术中心风浪流生成水槽中进行。
在测量不确定度评定时,首先应确定潮流能发电装置模型能量俘获效率的计算公式。能量俘获效率η的计算公式为:
式中:P 1为室内试验的流功率,单位为kW;P 2为潮流能发电装置模型的输出轴功率,单位为k W。
为计算室内试验的流功率,需先确定潮流能发电装置模型的叶轮面积和水密度,其中:
A=πr 2 (2)
式中:A为潮流能发电装置模型的叶轮面积,一般情况下采用正圆形面积的计算公式,单位为m2;r为叶轮半径,单位为m。
当水流速趋于稳定且变化细微时,流功率的计算公式为:
式中:ρ为水密度,单位为kg/m3;v为某一瞬时水流速的采样值,单位为m/s。
在本试验中,潮流能发电装置模型的输出轴功率为扭矩仪的测量输出,计算公式为:
式中:M为扭矩仪扭矩的采样值,单位为N·m;n为扭矩仪转速的采样值,单位为r/min。
根据上述公式,潮流能发电装置模型能量俘获效率测量不确定度评定的分量和步骤如图1所示。
根据方差合成定理,当各输入量相互独立时,合成不确定度公式为:
根据式(1)至式(4),潮流能发电装置模型能量俘获效率测量不确定度的计算公式为:
根据式(6)至式(9),若计算潮流能发电装置模型能量俘获效率的不确定度,需先计算叶轮半径、水流速、水密度以及扭矩仪扭矩和转速的标准不确定度。由于试验环境的温度对各分量的影响很小,本研究计算标准不确定度时忽略温度产生形变和运动特性的影响。
试验采用直径为1 m的六叶片装置,叶轮半径的测量工具为由中国航空工业集团北京长城计量测试技术研究所检定的SA T A的10 m钢卷尺。
根据检定证书,叶轮半径测量的标准不确定度为:
u(r)= 0. 25×10- 3(m) (10)
试验测流采用小威龙点式流速仪,测流范围为0~ 4 m/s,精度为测量值的0. 5%(±1 mm/s),采样输出功率为1~ 25 Hz/1~ 200 Hz。由于该型号测流传感器检定的环境要求较特殊,目前尚无相应的检定方法,无法对水流速进行标准不确定度B类评定。基于此,项目组对水流速采用A类标准不确定度评定方法分析。
在试验中开展4次独立观测,水流速数据分别为0. 94 m/s、0. 94 m/s、0. 98 m/s和0. 94 m/s。根据《测量不确定度评定与表示》(JJF 1059. 1—2012)对极差法的相关技术要求[3],水流速最大值与最小值的差值为0. 04 m/s,极差系数为2. 06,因此水流速测量的A类标准不确定度为:
当g= 9. 81 m/s2时,温度与密度的关系可表示为[4]:
ρ= 1 000. 1+ 0. 055 2×t-0. 007 7×t 2+ 0. 000 04×t 3(12)
在计算水密度的标准不确定度时,首先应确认试验时的水温。水温测量采用二等标准水银温度计,测量范围为- 30℃~ 20℃,分度值为0. 1℃,读数分辨力为分度值的1/10,则其不确定度区间半宽为0. 005℃;设为均匀分布,取
,则该温度计的测量不确定度为:
当试验水温t= 15℃时,水密度测量的标准不确定度为:
潮流能发电装置模型能量俘获效率一级转换的扭矩试验采用北京中航科电测控技术有限公司的ZH07型扭矩转速传感器,扭矩量程为200 N·m。该传感器为一体传感器,可同时获取扭矩和转速的数值,并实时显示发电装置模型输出轴功率的数值。根据中国航空工业集团北京长城计量测试技术研究所的检定证书,该传感器测量的标准不确定度为:
u(M)= 0. 03(N·m) (16)
u(n)= 0. 15(r/min) (17)
在潮流能发电装置模型能量俘获效率的测量不确定度评定时,试验温度为15℃,水流速为0. 98 m/s,叶轮半径为0. 5 m,扭矩为1. 72 N·m,转速为240 r/min;将各分量的标准不确定度带入式(6)至式(9),得到合成不确定度为:
根据式(1)至式(4),可得:
A= 3. 141 592 6×0. 52= 0. 785 4(m2)(20)
对于正态分布来说,在包含概率约为95%的条件下,取包含因子k= 2,即
U(η)= 2×u c(η)= 0. 42(%) (24)
因此,在上述分量条件下,潮流能发电装置模型能量俘获效率为:
η=(11. 69±0. 42)% (25)
测量不确定度表征测量值的分散区间,不确定度越小,测量质量越高,所得数据越可靠。测量不确定度评定即表征测量结果是否准确和准确程度的程序和方法。本研究针对潮流能发电装置模型能量俘获效率开展测量不确定度评定研究,可积累室内试验中测量不确定度评定经验,为海试阶段样机的测量不确定度评定奠定基础。
手机扫一扫