测量不确定度评定在架空绞线试验中的应用

余 敏

(福建省电线电缆产品质量监督检验中心，福建南平353000)

0 引言

“圆线同心绞架空导线”是输变电工程中常见的工程材料。其主要原材料“架空绞线用硬铝线”必须是质量特性符合文献［1］的规定的、标称直径为1.25～5.00 mm的硬铝线材料，且产品标准规定其材料成分应是由铝的含量不小于99.5%的纯铝构成，相对应的测量指标是电阻率(20℃时的体积电阻率最大值为28.264 nΩ·m)，因此，准确测量电阻率对于判断架空绞线用硬铝线的质量状况十分重要，同时也是衡量“圆线同心绞架空导线”质量的一个重要参考指标。虽然文献［2］尚未引入“不确定度”的概念，但作为评定测量结果的准确度的一种方法，对测量结果的不确定度评定是行之有效的国际通用方法。它能“表征合理地赋予被测量量值的分散性”，从而对被测样品的合格与否作出正确的判定，尤其是当检测结果在产品规定指标的极限值附近时，必须通过对测量结果的不确定度评定才能进行正确的判定和评价，因此开展测量不确定度评定具有重要的现实意义。

本文依据文献［2］对“架空绞线用硬铝线”产品体积电阻率进行了测量实验，并对其测量结果不确定度进行了评定、分析。

1 材料与方法

1.1 实验材料

(1)电阻测量系统(QJ36型直流双臂电桥，0.02级;BZ3型直流标准电阻10－3Ω，0.01级;LX-8853通用导体电阻夹具，两电位夹具内侧标距为(1 000±1)mm)。

(2)水银温度计，量程0～50℃，分度值0.1℃，最大允许误差±0.1℃。

(3)杠杆千分尺，分度值1 μm，最大允许误差1 μm。

(4)游标卡尺，量程0～1 000 mm，最大允许误差0.02 mm。

(5)被测硬铝线样品，型号LY9 4.20，标称直径4.20 mm。

1.2 实验条件

实验在符合文献［2］规定的“常规实验”恒温条件下进行(文献［2］规定:温度变化控制在±0.4℃范围内视为恒温，符合重复性测量的条件)，实验期间实测温度为22.8～23.3℃，实验环境无热辐射、无空气对流影响，试样在该环境中放置16 h后开始实验。

1.3 试样制备

(1)截取约1.3 m试样，小心拉直试样，避免试样横截面发生扭曲或试样导体伸长。

(2)肉眼检查试样应无接头、表面应无裂纹和缺陷。在试样安装连接前，预先清洗、清洁与导体电阻夹具的电流和电位接头接触的试样表面，确认其表面无斑疤、灰尘和油污。

1.4 实验方法［2］

在实验温度下进行各参数的测量，最后将结果换算成标准温度(20℃)时的体积电阻率。

(1)用电阻测量系统测量标距为1 000 mm长度试样的导体电阻，测量时，采用电流换向法读取一个正向读数和一个反向读数，以消除接触电势和热电势引起的测量误差，取正反向读数的算术平均值为导体测量电阻Rxi。相同条件下重复做10组测量。

(2)将温度计放置在与试样同一个水平面上、距试样10 cm距离的位置，测量实验期间温度ti(试样放置和试验过程中，试验环境温度符合文献［2］“5.1试验环境温度”要求)。

(3)用杠杆千分尺沿试样的计量长度方向以大约相等的间距作5次测量，每次在同一截面且互相垂直的方向上测量2次，取全部数据算术平均值为试样直径d。

(4)用游标卡尺测定通用导体电阻夹具两电位点之间的标距长度，取为试样长度L。

2 结果与分析

2.1 体积电阻率测量数学模型的建立［2］

式中，ρυ为20℃时的体积电阻率(Ω·m);ρυ(t)为t℃时的体积电阻率(Ω·m);Rx为t℃时L长度电阻值(Ω);α20为硬铝线20℃时的电阻温度系数，取0.004 03(℃－1);t为测量时的环境温度(℃);L为试样夹具标定长度的测量值(mm);π为圆周率，取3.141 6;d为试样直径平均值(mm)。

2.2 测量不确定度主要来源

(1)采用A类评定的测量不确定度分量:重复性测量带来的标准不确定度ux和灵敏系数cx;

(2)采用B类评定的测量不确定度分量:电桥最大允许误差带来的标准不确定u1和灵敏系数c1、温度计最大允许误差带来的标准不确定u2和灵敏系数c2、杠杆千分尺最大允许误差带来的标准不确定u3和灵敏系数c3、游标卡尺最大允许误差叠加导线不平直带来的标准不确定u4和灵敏系数c4。

2.3 标准不确定度评定

2.3.1 重复性测量带来的不确定度分量ux［3］

进行10次重复性测量，测量结果如表1所示。

根据贝塞尔公式，实验标准差为:

日常试验中，实际测量时测2次，平均值的实验标准差为:

重复性测量带来的标准不确定度分量:

表1 实验数据

2.3.3 温度计最大允许误差带来的不确定度u2［4］

温度计最大允许误差±0.1℃，服从均匀分布，k

2.3.4 杠杆千分尺最大允许误差带来的不确定度u3［4］

2.3.5 游标卡尺最大允许误差叠加导线不平直带来的不确定度u4［4］

游标卡尺最大允许误差0.02 mm;经验表明，导线不平直或松动达0.5 mm及以上时，是可以被发现并采取措施校正的，保守估计游标卡尺最大允许误差叠加导线不平直带来最大误差为0.52 mm。估计为均匀分布

2.4 合成标准不确定度评定

2.4.1 灵敏系数

2.4.2 标准不确定度一览表(见表2)

表2 标准不确定度一览表

2.4.3 合成标准不确定度的计算

各分量彼此独立，合成标准不确定度为:

2.5 扩展不确定度

取k=2

则U=2 ×u(ρυ)=0.042 nΩ·m

3 结论

(1)LY9 4.20架空绞线用硬铝线体积电阻率测量结果为 ρυ=(28.102±0.042)nΩ·m;k=2［5］。其相对扩展不确定度为0.15%。

(2)实验采用的测量系统，具有较理想的测量准确度，在实验条件受控的情况下，能满足GB/T 3048.2—2007标准关于“常规试验时测量总误差不超过±0.65%”的要求。

(3)主要不确定度来源首先来自重复测量，其次导体的不平直如超过0.5 mm，导体不平直带来的不确定度影响也将显著增加。因此，在实际测量中，采取提高重复测量的质量(如提高测量人员技能熟练程度)和仔细校直被测电缆、经常检查并校正夹具夹口间距离等方法，可保证测量结果准确度，使测量结果不确定度得以有效控制。

［1］GB/T 17048—2009架空绞线用硬铝线［S］.

［2］GB/T 3048.2—2007电线电缆电性能实验方法第二部分金属导体材料电阻率实验［S］.

［3］李慎安.测量不确定度表述讲座 第五讲 标准不确定度的A类评定［J］.中国计量，2000(5):53-55.

［4］李慎安.测量不确定度表述讲座 第六讲 标准测量不确定度的B类评定［J］.中国计量，2000(6):54-57.

［5］JJF 1059—1999测定不确定度评定与表示［S］.