Modul opbygget usikkerhedsberegning for afprøvning af VA-komponenter Nordtest, projektnr.: 1614-02 Teknologisk Institut, projektnr.: 1043072 MAJ 2004
Modul opbygget usikkerhedsberegning for afprøvning af VA-komponenter 1 FORMÅL MED PROJEKTET 3 2 HVORFOR SKAL VI LAVE USIKKERHEDSBUDGETTER? 3 3 FORUNDERSØGELSER 3 4 USIKKERHEDSBEREGNING INDEN FOR PRØVNING 5 4.1 Kvantitativ prøvning 5 4.2 Kvalitativ prøvning 5 4.3 Modulopbygget usikkerhedsberegning 6 4.4 Modulopbygget regnearksprogram 6 4.5 Granskning af regnearket 8 4.6 Eksempler 8 5 WORKSHOP 8 2
1 Formål med projektet Formålet med projektet er at udarbejde en modulopbygget metode for usikkerhedsberegning af prøvninger primært inden for vand og afløbsområdet (VA) men med sigte på VVS-området generelt. Metodens modulopbygning illustreres ved usikkerhedsberegning af prøvninger på VA-området, hvor der indgår kombinerede målinger fx kapacitetsmåling, hvor der primært indgår tryk og flow og sekundært temperatur. Målet er, at de nordiske prøvningsinstitutter har et fælles værktøj til udregning af usikkerheder ved afprøvninger inden for VA-området. Excelregneark og tilhørende brugermanual samt en række eksempler på usikkerhedsberegninger kan downloades frit fra www.teknologisk.dk/energi/13205 2 Hvorfor skal vi lave usikkerhedsbudgetter? Usikkerhedsberegninger er både beregnet til internt og eksternt brug. Internt i den forstand at laboratoriet og den prøvningsansvarlige først og fremmest får en dokumentation for, at prøvningen opfylder kravene og intentionerne i prøvningsmetoden. Dernæst kan der på grundlag af usikkerhedsbudgettet være penge at spare ved: optimalt valg af instrumenters nøjagtighed optimal prøveopstilling optimalt valg af kalibreringsnøjagtighed Endelig spiller usikkerhedsbudgetter en vigtig rolle når prøvningslaboratorier sammenligner sig med hinanden ved fx ringtest. Udvortes kan kunden have et behov for at kende til usikkerheden for at kunne dokumentere sit produkt over for sine kunder. 3 Forundersøgelser For at få et indtryk af hvilke prøvningsfaciliteter, der findes i Norden inden for VAormrådet, er der for udvalgte prøvninger fremsendt spørgeskema til de væsentligste prøvningsinstitutioner i Norden, og resultatet fremgår af nedenstående skema (det er uklart hvilke prøvningsfaciliteter VVT råder over). Det ses, at inden for afprøvning af ventiler, gulvafløb, fittings til pexrør, brusehoveder og isoleringsevne af fjernvarmerør er der 3 eller flere laboratorier, der kan udføre disse prøvninger. Det vil derfor være relevant at tage udgangspunkt i nogle af disse prøvninger, da de giver det bedste grundlag for en diskussion af usikkerhedsberegninger. 3
Nordtest Usikkerhedsberegning ved VVS prøvninger Prøvningsoversigt 14. maj 2004 Prøvning EN/ISO standard Parametre Laboratorium Temperatur Tryk Flow Geometri Kraft / moment Tid Hastighed Vægt / masse El effekt Lyd DTI NBI RB SP VTT Lappeenranta Tech. University Afspærringsventiler EN1213 x x x x x x x x x Gulvafløb kapacitet EN1253 x x x x x x x x x x Vandarmatur EN200, EN817, EN1111, EN246 x x x x x x x x x x x Koblinger trækprøve EN1254-2 x x x x x x x Bruseslanger EN1113 x x x x x x x x x x Brusehoveder EN1112 x x x x x x x x x Varmeledningsevne (fjernvarmerør) ISO8497 x x x x x x x Levetid plastrør regressionsanalyse ISO/TR 9080 x x x x x Plastrør træk EN638 x x x x x Plastrør, krybefaktor EN761 x x x x x Plastrør, modstandsevne indre tryk DS972 x x x x x x Plastrørssamlinger, træk EN712 x x x x x x x Fjernvarme-muffer EN489 x x x x x x x 4
4 Usikkerhedsberegning inden for prøvning Med udgangspunkt i følgende forskrifter inden for usikkerhedsberegning er der opbygget en modulopbyggede metode for usikkerhedsberegning specielt inden for VA-afprøvning: Guide to the expression of Uncertainty in Measurement (GUM) Measurement Good Pratice Guide No. 36, BMTA Estimating Uncertainties in Testing, Keith Birch EA European co-operation for Accreditation EA-4/16 EA guidelines on the expression of uncertainty in quantitative testing GUM er det overordnede regelsæt for opstilling af usikkerhedsbudgetter især inden for kalibrering og EA-4/16 og EA guidelines er European Accreditations fortolkning af, hvordan usikkerheden skal beregnes inden for kvantitativ test. 4.1 Kvantitativ prøvning Inden for prøvning skelnes der mellem kvantitativ prøvning og kvalitativ prøvning. Kvantitativ prøvning er en prøvning, hvor resultatet er et måleresultat i form af en talværdi fx at massestrømmen gennem en ventil er 10 liter/minut ved et trykfald på 300 kpa. Hvis man kender procesformlen altså sammenhængen mellem inputtet trykfaldet og outputtet massestrømmen er det muligt at beregne usikkerheden på resultatet fx 10 ± 1 liter/minut. Dermed er der i prøvningsstandarder mulighed for at angive et krav til usikkerheden. Hvis procesformlen ikke kendes, kan usikkerheden på resultatet ikke beregnes, og det er kun usikkerheden på målinger af input parametrene, der kan angives. 4.2 Kvalitativ prøvning Anderledes forholder det sig med kvalitativ prøvning, som er en prøvning, hvor resultatet er tæt eller utæt, håndtaget holdt eller håndtaget holdt ikke, emnet kunne modstå trykket eller emnet kunne ikke modstå trykket. Altså en prøvning med et ja eller nej resultat, og i denne sammenhæng er det meningsløst at angive en usikkerhed på resultatet. I stedet kan der kun stilles krav til usikkerheden af de målinger der udføres og til prøvestanden for at sikre, at prøvningen bliver udført inden for visse grænser. Et eksempel kan være en trykprøvning af en ventil ved 25 bar, hvor inputtet er trykket ved de 25 bar med usikkerheden ±0,5 bar og resultatet er, om ventilen er tæt eller utæt. Det er således op til laboratoriet at sikre og dokumentere, at trykket er påført med en acceptabel usikkerhed. Inden for VA-prøvning er den overvejende del af prøvningerne kvalitative. 5
4.3 Modulopbygget usikkerhedsberegning Når et usikkerhedsbudget skal opbygges, vurderes usikkerheden for de enkelte moduler, der indgår i prøvningen. Disse moduler kan være de enkelte målinger med tilhørende måleinstrument, usikkerheden ved prøvestanden, og det kan også være usikkerheden af den person, der afprøver. Når usikkerheden på de enkelte moduler er beskrevet, er således usikkerheden på inputtene også beskrevet, hvilket er tilstrækkeligt for dokumentation af kvalitative prøvninger. Ved kvantitative prøvninger, hvor processen er kendt, sammensættes de enkelte moduler i henhold til procesformlen, og usikkerheden på resultatet beregnes for de aktuelle input størrelser. Det er med baggrund i denne form for opbygning af en usikkerhedsberegning, at et modulopbygget regnearksprogram er lavet. 4.4 Modulopbygget regnearksprogram Regnearksprogrammet Excel er valgt frem for andet programmel til at beregne usikkerheden, idet det er almindelig brugt blandt laboratorieansatte. Derved kan den prøvningsansvarlige umiddelbart benytte resultatet til at udføre andre beregninger og overføre resultatet til rapporten. På hjemmesiden (se afsnit 1) kan regnearket downloades med tilhørende manual samt en række eksempler (se 4.6) på beregning af usikkerhed ved henholdsvis kvantitative og kvalitative VA-prøvninger. Regnearket er opbygget i tre niveauer (se figur) afhængigt af, hvem der skal bruge programmet. 6
Niveau 1 Valg af måleinstrumenter Indtastning af måleværdier Beregning af usikkerhed Definition af process Definition af måleinstrumenter Niveau 3 Programmering Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 er for programmøren, hvor der kræves password for at kunne ændre i koden. er for personer med et indgående kendskab til usikkerhedsberegninger. I niveau 2 defineres de enkelte moduler og selve procesformlen. er for den prøvningsudførende. I niveau 3 udvælges de instrumenter, der benyttes ved målingen samt selve måleværdierne.resultatet bliver vist med den beregnede usikkerhed. Det er ikke nødvendigt at have en indgående viden om usikkerhedsberegninger for at benytte regnearket i niveau 3. Ved definering af de enkelte måleinstrumenter er der mulighed for at angive forskellige usikkerheder afhængigt af måleområdet. Dette er typisk tilfældet for et flowmeter, hvor den relative usikkerhed er størst ved lave flow. For at beregne den følsomhed en variation af et input har på resultatet, er det nødvendigt at differentiere procesformlen med hensyn til det aktuelle input. I regnearket gøres dette ved numerisk differentiation, hvor det aktuelle input ændres med en passende infinitesimal størrelse og relateres til ændringen i outputtet. 7
4.5 Granskning af regnearket Regnearket er gransket af en tredje person, og desuden er resultaterne af eksemplerne blevet sammenlignet med resultater beregnet med programmet WORKBENCH, som anvendes meget inden for kalibrering. 4.6 Eksempler På internettet (se 4.4) kan der downloades følgende beregningseksempler af usikkerhed ved prøvning. Kvantitative prøvninger: Kv-værdi af ventiler Elasticitet af faldunderlag Water hammering Levetid af plastrør Flow capacity of water closet Kvalitative prøvninger: Plastrør 5 Workshop I forbindelse med opstart af projektet har der har været afholdt en workshop i juni 2002. Efter udarbejdelse af det modul opbyggede regnearksprogram samt beregning af eksempler indenfor HVAC prøvning har der i maj 2004 været afholdt to workshop. En workshop i Oslo med deltagelse af NBI og DTI og en i Århus med deltagelse af SP og DTI. Indholdet af de to workshops har været : præsentation af modulopbygget usikkerhedsberegning gennemgang af eksempler drøftelse af usikkerhedsbidrag ved forskellige prøvninger 8