王儀 劉亞俊 黃長(zhǎng)彪 / .宜興市產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心；.無(wú)錫江南電纜有限公司

0 引言

電纜的質(zhì)量在各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中至關(guān)重要，直接影響到國(guó)家和群眾的切身利益。電纜絕緣偏心度是電纜質(zhì)量的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，影響著電纜的運(yùn)行安全。電纜企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中為做好電纜絕緣性能指標(biāo)的嚴(yán)格控制，已廣泛引進(jìn)各種在線測(cè)量?jī)x器，確保電纜結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)量值的準(zhǔn)確測(cè)控。本文介紹一種在線測(cè)量?jī)x器——X 射線電纜在線測(cè)偏儀（以下簡(jiǎn)稱測(cè)偏儀），可實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜生產(chǎn)過(guò)程中電纜的結(jié)構(gòu)尺寸（直徑、壁厚）和偏心度，其測(cè)量操作簡(jiǎn)捷、高效。目前，電纜企業(yè)中高壓交流電纜生產(chǎn)線上已廣泛安裝[1]，但測(cè)偏儀測(cè)量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，電纜企業(yè)急需計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)提供量值溯源。鑒于目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或計(jì)量技術(shù)規(guī)范可實(shí)現(xiàn)該儀器的量值溯源，本文重點(diǎn)研究了儀器的測(cè)量原理和量值溯源方法，設(shè)計(jì)了模擬電纜結(jié)構(gòu)、各部分材質(zhì)與電纜產(chǎn)品一致的標(biāo)準(zhǔn)器，確保該儀器在使用過(guò)程中的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)偏儀的測(cè)量原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜測(cè)偏儀利用X 射線透過(guò)不同材料會(huì)產(chǎn)生不同的衰減并被材料吸收的原理，通過(guò)高壓射線管產(chǎn)生的X 射線掃描電纜，獲取電纜不同層不同材料對(duì)X 射線的吸收率，經(jīng)系統(tǒng)分析得出各層的壁厚、偏心值和外徑等電纜結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)[2-3]。

測(cè)偏儀由測(cè)量器和數(shù)據(jù)處理裝置兩部分構(gòu)成。測(cè)量器的主要工作單元是兩個(gè)相互成90°角的掃描器，每個(gè)掃描器包含一個(gè)X 射線發(fā)射管和一個(gè)X 射線信號(hào)接收器。數(shù)據(jù)處理裝置則包括計(jì)算機(jī)和顯示器。系統(tǒng)通過(guò)分析處理X 射線進(jìn)入不同材質(zhì)層吸收率的變化曲線，計(jì)算得出外屏蔽層、絕緣層、內(nèi)屏蔽層等各層的最大厚度、最小厚度、平均厚度，并在操作顯示界面（如圖1）顯示測(cè)量結(jié)果[4-5]。

圖1 測(cè)偏儀顯示界面

2 校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器

通過(guò)研究測(cè)偏儀的測(cè)量原理及顯示參數(shù)，確定了儀器的計(jì)量性能(外徑、壁厚和偏心度)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了測(cè)偏儀校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器，研制了一套專用校準(zhǔn)裝置，包括模擬電纜結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)棒和定位裝置。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)棒

標(biāo)準(zhǔn)棒有兩類：1）金屬標(biāo)準(zhǔn)圓棒，材質(zhì)為鋁或銅；2）外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒，絕緣層分無(wú)偏心、有偏心。絕緣材質(zhì)為優(yōu)力膠，介于塑料和橡膠之間，強(qiáng)度好、壓縮形變小、耐磨、耐高溫[6]。

金屬標(biāo)準(zhǔn)圓棒用于儀器外徑示值校準(zhǔn)，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 金屬標(biāo)準(zhǔn)圓棒的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 單位：mm

外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒用于儀器壁厚和偏心度示值校準(zhǔn)，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表2。偏心度是最大厚度與最小厚度之差與最大厚度的比值，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力電纜偏心度要求不大于15%[7]。

表2 外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒的參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 直徑示值測(cè)量不確定度評(píng)定匯總 單位：mm

金屬標(biāo)準(zhǔn)圓棒的量值溯源，參照J(rèn)JF 1207—2008《三針、針規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)直徑、圓度進(jìn)行量值溯源[8]。外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒的量值溯源可通過(guò)工業(yè)CT 獲取各層結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，并評(píng)定絕緣層的偏心度數(shù)據(jù)[9]。目前，工業(yè)CT 的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)（4+L/100） μm，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)圓棒絕緣層厚度尺寸的測(cè)量不確定度能達(dá)到毫米級(jí)，k= 2[10]。

2.2 定位裝置

定位裝置包括基座、卡爪和松緊環(huán)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2?；退删o環(huán)中均設(shè)有供校準(zhǔn)圓棒穿過(guò)的通孔，卡爪至少設(shè)置三個(gè)，卡爪安裝在基座上，卡爪上設(shè)有齒槽部，松緊環(huán)上設(shè)有渦狀螺紋部，渦狀螺紋部插入齒槽部中。

圖2 定位裝置結(jié)構(gòu)

3 量值溯源方法

為保證安全，測(cè)偏儀校準(zhǔn)前應(yīng)先關(guān)閉掃描器，并確保儀器處于正常的工作狀態(tài)及沒(méi)有影響校準(zhǔn)計(jì)量性能的因素后方可校準(zhǔn)。使用定位裝置正確安裝標(biāo)準(zhǔn)棒，需確保標(biāo)準(zhǔn)棒的軸線與測(cè)偏儀測(cè)量器內(nèi)腔軸線平行，這樣測(cè)量器才能垂直掃描標(biāo)準(zhǔn)棒開(kāi)展校準(zhǔn)。

測(cè)偏儀的校準(zhǔn)項(xiàng)目為直徑示值誤差、壁厚示值誤差和偏心度示值誤差三項(xiàng)。校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意測(cè)偏儀使用安全，在定位裝置外加裝了X 射線防護(hù)罩。

3.1 直徑示值校準(zhǔn)

放置好標(biāo)準(zhǔn)圓棒，正確設(shè)置測(cè)偏儀，確保操作安全后啟動(dòng)儀器。待儀器穩(wěn)定后，在測(cè)量范圍內(nèi)均勻分布三點(diǎn)作為校準(zhǔn)點(diǎn)（最好含最接近量程上、下限的點(diǎn)），重復(fù)測(cè)量3 次并記錄直徑示值，取平均值作為該校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。各校準(zhǔn)點(diǎn)的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)圓棒直徑實(shí)際值D的差值，即為該校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差δ，按式（1）計(jì)算：

式中：δ—— 校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，mm；

D—— 相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圓棒的直徑實(shí)際值，mm

3.2 壁厚示值校準(zhǔn)

選用無(wú)偏心類型的外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒進(jìn)行壁厚示值校準(zhǔn)。正確放置標(biāo)準(zhǔn)圓棒，設(shè)置測(cè)偏儀測(cè)量模式，對(duì)5 mm 和10 mm 兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，重復(fù)測(cè)量3 次并記錄壁厚示值，取平均值作為該校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。各校準(zhǔn)點(diǎn)的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)圓棒壁厚實(shí)際值H的差值，即為該校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差δ，按式（2）計(jì)算：

式中：δ—— 校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，mm；

H—— 相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圓棒的壁厚實(shí)際值，mm

3.3 偏心度示值校準(zhǔn)

選用偏心類型的外包絕緣層銅芯標(biāo)準(zhǔn)圓棒進(jìn)行壁厚示值校準(zhǔn)。正確放置標(biāo)準(zhǔn)圓棒，設(shè)置測(cè)偏儀測(cè)量模式，對(duì)偏心度7.7%和14.8%兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，重復(fù)測(cè)量3 次并記錄偏心度示值，取平均值作為該校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。各校準(zhǔn)點(diǎn)的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)圓棒偏心度實(shí)際值P的差值，即為該校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差δ，按式（3）計(jì)算：

式中：δ—— 校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，%；

P—— 相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圓棒的偏心度實(shí)際值，%

4 校準(zhǔn)和測(cè)量能力評(píng)定

以常規(guī)測(cè)量條件下直徑示值測(cè)量不確定分析為例，直徑示值誤差的測(cè)量模型為。測(cè)量不確定度來(lái)源有測(cè)量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)圓棒示值誤差、標(biāo)準(zhǔn)圓棒安裝定位誤差和溫度偏離系統(tǒng)設(shè)定[11]。

4.1 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1

常規(guī)測(cè)量條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)圓棒進(jìn)行重復(fù)測(cè)量10 次，獲得單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.010 9 mm。

實(shí)際測(cè)量中，在重復(fù)性條件下連續(xù)測(cè)量3 次，取算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，則可得到

4.2 標(biāo)準(zhǔn)圓棒示值誤差引入的不確定度分量u2

標(biāo)準(zhǔn)圓棒直徑示值的測(cè)量不確定度U= 0.002 mm，k= 2，則u2= 0.001 mm。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)圓棒按照定位誤差引入的不確定度分量u3

標(biāo)準(zhǔn)圓棒通過(guò)定位裝置安裝到測(cè)量器內(nèi)腔中，安裝定位存在偏差會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)圓棒軸線與測(cè)量?jī)?nèi)腔軸線不平行，即X 射線不垂直掃描電纜。安裝定位夾具經(jīng)測(cè)量會(huì)存在0.5°垂直偏差，按均勻分布，以標(biāo)準(zhǔn)圓棒直徑100 mm 為例，則引入的不確定度分量：

4.4 溫度偏離系統(tǒng)設(shè)定引入的不確定度分量u4

考慮到標(biāo)準(zhǔn)圓棒的熱膨脹系數(shù)影響，當(dāng)校準(zhǔn)環(huán)境溫度偏離系統(tǒng)設(shè)定溫度5 ℃時(shí)，以金屬鋁標(biāo)準(zhǔn)圓棒為例，直徑為100 mm，鋁的熱膨脹系數(shù)為23×10-6℃-1，按均勻分布，則引入的不確定度分量：

4.5 合成不確定度uc 與擴(kuò)展不確定度U

考慮到各不確定度分量互不相關(guān)，則合成不確定度

取k= 2，則擴(kuò)展不確定度

4.6 不確定度評(píng)定匯總

同理分析，得出壁厚示值測(cè)量不確定度：

校準(zhǔn)點(diǎn)5 mm、10 mm，U= 0.001 5 mm，k= 2。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)測(cè)偏儀量值溯源方法開(kāi)展了技術(shù)研究，研制了標(biāo)準(zhǔn)器裝置，解決了儀器量值溯源的問(wèn)題，確保了儀器使用的準(zhǔn)確性，幫助電纜企業(yè)在電纜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了電纜結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)控，大大減少了生產(chǎn)資料的浪費(fèi)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。