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水泵性能測試系統不確定度評估與等級判定

刊登日期：2020/09/01

摘要

水泵為工業上最大的用電來源，而其性能影響耗電。近年來，對於水泵的交易，國際上已廣泛依據ISO 9906 [1]允收試驗規範由買賣雙方商議合意的允收等級，並透過認可之實驗室於保證點執行允收試驗，該保證點的測試結果其量測不確定度應滿足該允收等級之許可差需求，測試結果才有意義。本文以「使用電磁式流量計執行陸上型水泵允收試驗之實驗室」為例，說明實驗室量測參數包含水泵流率、揚程、耗電功率、整體效率、泵效率等各項量測結果的不確定度之評估程序，包含隨機誤差與系統性誤差導致之量測不確定度，並說明評估結果之等級判定。

Abstract

Pumps are the single largest comsumer of electricity in industry and their performance dramatically affects power consumption. In recent years, the ISO 9906 standard [1] has been widely used in the pump acceptance test. The guarantee points and the corresponding acceptance grade can be negotiated by both the seller and the buyer, and then it is tested at each guarantee point by an accredited pump testing laboratory. The laboratory performing the acceptance test must consider uncertainty that meets the tolerance requirements of the acceptance grade to ensure the test results are meaningful. This article takes “A laboratory using electromagnetic flowmeters to conduct acceptance tests for land pumps” as an example to illustrate the uncertainty evaluation procedure of various measurands such as flow rate, head, power consumption, overall efficiency, and pump efficiency. The measurement uncertainty caused by the random error and the systematic error is elucidated, and finally the judgment of the grade of the evaluation result is explained.

前言
水泵在工農漁礦業的應用十分廣泛，使用此項裝置所耗用的電力佔全國耗電總量的百分比也頗高。經濟部能源局有鑑於此，乃推動「動力與公用設備補助作業要點」。其中，對購買使用特定類型且符合特定效率基準的水泵，依規定給予金額補助，藉以鼓勵使用及生產較高效率之水泵。未來，政府也將推動強制管制措施，禁止銷售不符合效率基準的產品，促使水泵效率升級，達到降低耗電與節能減碳的目的。
近幾年，國內水泵之製造者與使用者已漸漸習慣於效率等各項性能項目要求。唯，這些性能是否符合規格，仍需由實驗室測試結果方能判定。實驗室無法做到絕對精準的量測，發生判定錯誤的機率，取決於測試系統的量測不確定度。
水泵性能測試概述
(一)測試項目與測試標準
目前國內已取得TAF認可的水泵測試實驗室有二十餘家，這些實驗室大多採用CNS 660測試工作位差；用CNS 661測試出水量；用CNS 663測試輸入動力及效率。但，這些測試標準方法未規範必要之量測不確定度。另，近10家採用ISO 9906（即CNS 16017迴轉動力泵液壓性能允收試驗—1級、2級、3級）測試標準方法，該標準對測試系統的量測不確定度等級與評估方法有明確的規範，其測試項目如下。
1.流率
流率的量測有稱重法、容積法、差壓裝置、薄板堰、速度面積法、電磁式流量計、超音波方法等。國內實驗室大多採用電磁式流量計或薄板堰二種方法。
2.耗電功率
驅動馬達之輸入耗電功率，以電力計（電功率計）量測。
3.泵輸入功率
泵輸入功率又稱軸功率，實務上不易量測，國內水泵測試實驗室未實際量測，一般都以估算所得之驅動馬達輸出功率代替。
4.總揚程
總揚程分為入口部分及出口部分。主要以壓力計（彈簧式或電子傳感式）量測靜壓揚程；其他速度揚程、位差及摩擦損失揚程等則經由計算得到。
5.泵輸出功率
水泵排放處的液壓功率，可經由清水密度、流率、重力加速度、總揚程之乘積計算得到。
6.整體效率
整體效率係指裸泵與驅動馬達兩者之總合效率，可經由計算得到。
整體效率(ηt )＝泵輸出功率(Ph )／耗電功率
7.泵效率
泵效率係指不含馬達之裸泵效率，可經由計算得到。
泵效率(η)＝泵輸出功率(Ph )／泵輸入功率
(二)允收等級
水泵使用者向廠商訂購水泵，一般都有流率、揚程、輸入功率甚至效率的規格要求。但產品製作不可能完全精準，買賣雙方可以約定合理的許可差，做為交貨驗收之依據。ISO 9906有「允收等級及許可差」如表1所示可選用參考。買賣雙方也可以約定表1以外的許可差。

水泵性能測試不確定度評估
本文以ISO 9906之測試方法，針對水平軸向入水口及垂直軸向出水口之陸上型水泵為例，說明各項測試結果之量測不確定度評估方法。其中流率使用電磁式流量計量測；揚程使用電子傳感式壓力計量測。不確定度評估對象為一整個量測系統，包含使用之儀器、管路、環境等。
(一) 量測系統不確定度評估時機
1. 新建置測試系統完成試車結果穩定之後。
2. 量測系統使用之標準儀器設備經上一級追溯校正後且校正結果與前次校正結果有明顯差異足以影響不確定度評估結果時。
3. 管路變更、標準儀器設備汰換或測試引用之標準有改版時。
(二) 容許波動幅度確認
執行不確定度評估之前，需先確認表2各項「測得量」之波動幅度在容許範圍內。