測(cè)量不確定度評(píng)定在架空絞線試驗(yàn)中的應(yīng)用

余 敏

(福建省電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建南平353000)

0 引言

“圓線同心絞架空導(dǎo)線”是輸變電工程中常見的工程材料。其主要原材料“架空絞線用硬鋁線”必須是質(zhì)量特性符合文獻(xiàn)［1］的規(guī)定的、標(biāo)稱直徑為1.25～5.00 mm的硬鋁線材料，且產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其材料成分應(yīng)是由鋁的含量不小于99.5%的純鋁構(gòu)成，相對(duì)應(yīng)的測(cè)量指標(biāo)是電阻率(20℃時(shí)的體積電阻率最大值為28.264 nΩ·m)，因此，準(zhǔn)確測(cè)量電阻率對(duì)于判斷架空絞線用硬鋁線的質(zhì)量狀況十分重要，同時(shí)也是衡量“圓線同心絞架空導(dǎo)線”質(zhì)量的一個(gè)重要參考指標(biāo)。雖然文獻(xiàn)［2］尚未引入“不確定度”的概念，但作為評(píng)定測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度的一種方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定是行之有效的國(guó)際通用方法。它能“表征合理地賦予被測(cè)量量值的分散性”，從而對(duì)被測(cè)樣品的合格與否作出正確的判定，尤其是當(dāng)檢測(cè)結(jié)果在產(chǎn)品規(guī)定指標(biāo)的極限值附近時(shí)，必須通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定才能進(jìn)行正確的判定和評(píng)價(jià)，因此開展測(cè)量不確定度評(píng)定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文依據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì)“架空絞線用硬鋁線”產(chǎn)品體積電阻率進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行了評(píng)定、分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)電阻測(cè)量系統(tǒng)(QJ36型直流雙臂電橋，0.02級(jí);BZ3型直流標(biāo)準(zhǔn)電阻10－3Ω，0.01級(jí);LX-8853通用導(dǎo)體電阻夾具，兩電位夾具內(nèi)側(cè)標(biāo)距為(1 000±1)mm)。

(2)水銀溫度計(jì)，量程0～50℃，分度值0.1℃，最大允許誤差±0.1℃。

(3)杠桿千分尺，分度值1 μm，最大允許誤差1 μm。

(4)游標(biāo)卡尺，量程0～1 000 mm，最大允許誤差0.02 mm。

(5)被測(cè)硬鋁線樣品，型號(hào)LY9 4.20，標(biāo)稱直徑4.20 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在符合文獻(xiàn)［2］規(guī)定的“常規(guī)實(shí)驗(yàn)”恒溫條件下進(jìn)行(文獻(xiàn)［2］規(guī)定:溫度變化控制在±0.4℃范圍內(nèi)視為恒溫，符合重復(fù)性測(cè)量的條件)，實(shí)驗(yàn)期間實(shí)測(cè)溫度為22.8～23.3℃，實(shí)驗(yàn)環(huán)境無熱輻射、無空氣對(duì)流影響，試樣在該環(huán)境中放置16 h后開始實(shí)驗(yàn)。

1.3 試樣制備

(1)截取約1.3 m試樣，小心拉直試樣，避免試樣橫截面發(fā)生扭曲或試樣導(dǎo)體伸長(zhǎng)。

(2)肉眼檢查試樣應(yīng)無接頭、表面應(yīng)無裂紋和缺陷。在試樣安裝連接前，預(yù)先清洗、清潔與導(dǎo)體電阻夾具的電流和電位接頭接觸的試樣表面，確認(rèn)其表面無斑疤、灰塵和油污。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法［2］

在實(shí)驗(yàn)溫度下進(jìn)行各參數(shù)的測(cè)量，最后將結(jié)果換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)的體積電阻率。

(1)用電阻測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)距為1 000 mm長(zhǎng)度試樣的導(dǎo)體電阻，測(cè)量時(shí)，采用電流換向法讀取一個(gè)正向讀數(shù)和一個(gè)反向讀數(shù)，以消除接觸電勢(shì)和熱電勢(shì)引起的測(cè)量誤差，取正反向讀數(shù)的算術(shù)平均值為導(dǎo)體測(cè)量電阻Rxi。相同條件下重復(fù)做10組測(cè)量。

(2)將溫度計(jì)放置在與試樣同一個(gè)水平面上、距試樣10 cm距離的位置，測(cè)量實(shí)驗(yàn)期間溫度ti(試樣放置和試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)環(huán)境溫度符合文獻(xiàn)［2］“5.1試驗(yàn)環(huán)境溫度”要求)。

(3)用杠桿千分尺沿試樣的計(jì)量長(zhǎng)度方向以大約相等的間距作5次測(cè)量，每次在同一截面且互相垂直的方向上測(cè)量2次，取全部數(shù)據(jù)算術(shù)平均值為試樣直徑d。

(4)用游標(biāo)卡尺測(cè)定通用導(dǎo)體電阻夾具兩電位點(diǎn)之間的標(biāo)距長(zhǎng)度，取為試樣長(zhǎng)度L。

2 結(jié)果與分析

2.1 體積電阻率測(cè)量數(shù)學(xué)模型的建立［2］

式中，ρυ為20℃時(shí)的體積電阻率(Ω·m);ρυ(t)為t℃時(shí)的體積電阻率(Ω·m);Rx為t℃時(shí)L長(zhǎng)度電阻值(Ω);α20為硬鋁線20℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)，取0.004 03(℃－1);t為測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度(℃);L為試樣夾具標(biāo)定長(zhǎng)度的測(cè)量值(mm);π為圓周率，取3.141 6;d為試樣直徑平均值(mm)。

2.2 測(cè)量不確定度主要來源

(1)采用A類評(píng)定的測(cè)量不確定度分量:重復(fù)性測(cè)量帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ux和靈敏系數(shù)cx;

(2)采用B類評(píng)定的測(cè)量不確定度分量:電橋最大允許誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定u1和靈敏系數(shù)c1、溫度計(jì)最大允許誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定u2和靈敏系數(shù)c2、杠桿千分尺最大允許誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定u3和靈敏系數(shù)c3、游標(biāo)卡尺最大允許誤差疊加導(dǎo)線不平直帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定u4和靈敏系數(shù)c4。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

2.3.1 重復(fù)性測(cè)量帶來的不確定度分量ux［3］

進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)貝塞爾公式，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為:

日常試驗(yàn)中，實(shí)際測(cè)量時(shí)測(cè)2次，平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為:

重復(fù)性測(cè)量帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.3 溫度計(jì)最大允許誤差帶來的不確定度u2［4］

溫度計(jì)最大允許誤差±0.1℃，服從均勻分布，k

2.3.4 杠桿千分尺最大允許誤差帶來的不確定度u3［4］

2.3.5 游標(biāo)卡尺最大允許誤差疊加導(dǎo)線不平直帶來的不確定度u4［4］

游標(biāo)卡尺最大允許誤差0.02 mm;經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)線不平直或松動(dòng)達(dá)0.5 mm及以上時(shí)，是可以被發(fā)現(xiàn)并采取措施校正的，保守估計(jì)游標(biāo)卡尺最大允許誤差疊加導(dǎo)線不平直帶來最大誤差為0.52 mm。估計(jì)為均勻分布

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

2.4.1 靈敏系數(shù)

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表(見表2)

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

2.4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

各分量彼此獨(dú)立，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

2.5 擴(kuò)展不確定度

取k=2

則U=2 ×u(ρυ)=0.042 nΩ·m

3 結(jié)論

(1)LY9 4.20架空絞線用硬鋁線體積電阻率測(cè)量結(jié)果為 ρυ=(28.102±0.042)nΩ·m;k=2［5］。其相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.15%。

(2)實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量系統(tǒng)，具有較理想的測(cè)量準(zhǔn)確度，在實(shí)驗(yàn)條件受控的情況下，能滿足GB/T 3048.2—2007標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于“常規(guī)試驗(yàn)時(shí)測(cè)量總誤差不超過±0.65%”的要求。

(3)主要不確定度來源首先來自重復(fù)測(cè)量，其次導(dǎo)體的不平直如超過0.5 mm，導(dǎo)體不平直帶來的不確定度影響也將顯著增加。因此，在實(shí)際測(cè)量中，采取提高重復(fù)測(cè)量的質(zhì)量(如提高測(cè)量人員技能熟練程度)和仔細(xì)校直被測(cè)電纜、經(jīng)常檢查并校正夾具夾口間距離等方法，可保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度，使測(cè)量結(jié)果不確定度得以有效控制。

［1］GB/T 17048—2009架空絞線用硬鋁線［S］.

［2］GB/T 3048.2—2007電線電纜電性能實(shí)驗(yàn)方法第二部分金屬導(dǎo)體材料電阻率實(shí)驗(yàn)［S］.

［3］李慎安.測(cè)量不確定度表述講座 第五講 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定［J］.中國(guó)計(jì)量，2000(5):53-55.

［4］李慎安.測(cè)量不確定度表述講座 第六講 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度的B類評(píng)定［J］.中國(guó)計(jì)量，2000(6):54-57.

［5］JJF 1059—1999測(cè)定不確定度評(píng)定與表示［S］.