X射线电缆在线测偏仪量值溯源方法

王仪 刘亚俊 黄长彪 / .宜兴市产品质量和食品安全检验检测中心；.无锡江南电缆有限公司

0 引言

电缆的质量在各项经济活动中至关重要，直接影响到国家和群众的切身利益。电缆绝缘偏心度是电缆质量的一项重要性能指标，影响着电缆的运行安全。电缆企业在生产过程中为做好电缆绝缘性能指标的严格控制，已广泛引进各种在线测量仪器，确保电缆结构尺寸参数量值的准确测控。本文介绍一种在线测量仪器——X 射线电缆在线测偏仪（以下简称测偏仪），可实时监控电缆生产过程中电缆的结构尺寸（直径、壁厚）和偏心度，其测量操作简捷、高效。目前，电缆企业中高压交流电缆生产线上已广泛安装[1]，但测偏仪测量数据是否准确，电缆企业急需计量技术机构提供量值溯源。鉴于目前国内没有相关的标准或计量技术规范可实现该仪器的量值溯源，本文重点研究了仪器的测量原理和量值溯源方法，设计了模拟电缆结构、各部分材质与电缆产品一致的标准器，确保该仪器在使用过程中的准确性。

1 测偏仪的测量原理及系统结构

电缆测偏仪利用X 射线透过不同材料会产生不同的衰减并被材料吸收的原理，通过高压射线管产生的X 射线扫描电缆，获取电缆不同层不同材料对X 射线的吸收率，经系统分析得出各层的壁厚、偏心值和外径等电缆结构尺寸参数[2-3]。

测偏仪由测量器和数据处理装置两部分构成。测量器的主要工作单元是两个相互成90°角的扫描器，每个扫描器包含一个X 射线发射管和一个X 射线信号接收器。数据处理装置则包括计算机和显示器。系统通过分析处理X 射线进入不同材质层吸收率的变化曲线，计算得出外屏蔽层、绝缘层、内屏蔽层等各层的最大厚度、最小厚度、平均厚度，并在操作显示界面（如图1）显示测量结果[4-5]。

图1 测偏仪显示界面

2 校准用标准器

通过研究测偏仪的测量原理及显示参数，确定了仪器的计量性能(外径、壁厚和偏心度)，本实验设计了测偏仪校准所用标准器，研制了一套专用校准装置，包括模拟电缆结构的标准棒和定位装置。

2.1 标准棒

标准棒有两类：1）金属标准圆棒，材质为铝或铜；2）外包绝缘层铜芯标准圆棒，绝缘层分无偏心、有偏心。绝缘材质为优力胶，介于塑料和橡胶之间，强度好、压缩形变小、耐磨、耐高温[6]。

金属标准圆棒用于仪器外径示值校准，具体尺寸参数见表1。

表1 金属标准圆棒的尺寸参数设计数据 单位：mm

外包绝缘层铜芯标准圆棒用于仪器壁厚和偏心度示值校准，具体尺寸参数见表2。偏心度是最大厚度与最小厚度之差与最大厚度的比值，国家标准对电力电缆偏心度要求不大于15%[7]。

表2 外包绝缘层铜芯标准圆棒的参数设计数据

表3 直径示值测量不确定度评定汇总 单位：mm

金属标准圆棒的量值溯源，参照JJF 1207—2008《三针、针规校准规范》，对直径、圆度进行量值溯源[8]。外包绝缘层铜芯标准圆棒的量值溯源可通过工业CT 获取各层结构尺寸数据，并评定绝缘层的偏心度数据[9]。目前，工业CT 的测量准确度可达（4+L/100） μm，校准标准圆棒绝缘层厚度尺寸的测量不确定度能达到毫米级，k= 2[10]。

2.2 定位装置

定位装置包括基座、卡爪和松紧环，具体结构见图2。基座和松紧环中均设有供校准圆棒穿过的通孔，卡爪至少设置三个，卡爪安装在基座上，卡爪上设有齿槽部，松紧环上设有涡状螺纹部，涡状螺纹部插入齿槽部中。

图2 定位装置结构

3 量值溯源方法

为保证安全，测偏仪校准前应先关闭扫描器，并确保仪器处于正常的工作状态及没有影响校准计量性能的因素后方可校准。使用定位装置正确安装标准棒，需确保标准棒的轴线与测偏仪测量器内腔轴线平行，这样测量器才能垂直扫描标准棒开展校准。

测偏仪的校准项目为直径示值误差、壁厚示值误差和偏心度示值误差三项。校准时，应注意测偏仪使用安全，在定位装置外加装了X 射线防护罩。

3.1 直径示值校准

放置好标准圆棒，正确设置测偏仪，确保操作安全后启动仪器。待仪器稳定后，在测量范围内均匀分布三点作为校准点（最好含最接近量程上、下限的点），重复测量3 次并记录直径示值，取平均值作为该校准点测量结果。各校准点的算术平均值与标准圆棒直径实际值D的差值，即为该校准点的示值误差δ，按式（1）计算：

式中：δ—— 校准点的示值误差，mm；

D—— 相应标准圆棒的直径实际值，mm

3.2 壁厚示值校准

选用无偏心类型的外包绝缘层铜芯标准圆棒进行壁厚示值校准。正确放置标准圆棒，设置测偏仪测量模式，对5 mm 和10 mm 两个校准点进行校准，重复测量3 次并记录壁厚示值，取平均值作为该校准点测量结果。各校准点的算术平均值与标准圆棒壁厚实际值H的差值，即为该校准点的示值误差δ，按式（2）计算：

式中：δ—— 校准点的示值误差，mm；

H—— 相应标准圆棒的壁厚实际值，mm

3.3 偏心度示值校准

选用偏心类型的外包绝缘层铜芯标准圆棒进行壁厚示值校准。正确放置标准圆棒，设置测偏仪测量模式，对偏心度7.7%和14.8%两个校准点进行校准，重复测量3 次并记录偏心度示值，取平均值作为该校准点测量结果。各校准点的算术平均值与标准圆棒偏心度实际值P的差值，即为该校准点的示值误差δ，按式（3）计算：

式中：δ—— 校准点的示值误差，%；

P—— 相应标准圆棒的偏心度实际值，%

4 校准和测量能力评定

以常规测量条件下直径示值测量不确定分析为例，直径示值误差的测量模型为。测量不确定度来源有测量重复性、标准圆棒示值误差、标准圆棒安装定位误差和温度偏离系统设定[11]。

4.1 测量重复性引入的不确定度分量u1

常规测量条件下，使用标准圆棒进行重复测量10 次，获得单次测量标准偏差s= 0.010 9 mm。

实际测量中，在重复性条件下连续测量3 次，取算术平均值作为测量结果，则可得到

4.2 标准圆棒示值误差引入的不确定度分量u2

标准圆棒直径示值的测量不确定度U= 0.002 mm，k= 2，则u2= 0.001 mm。

4.3 标准圆棒按照定位误差引入的不确定度分量u3

标准圆棒通过定位装置安装到测量器内腔中，安装定位存在偏差会导致标准圆棒轴线与测量内腔轴线不平行，即X 射线不垂直扫描电缆。安装定位夹具经测量会存在0.5°垂直偏差，按均匀分布，以标准圆棒直径100 mm 为例，则引入的不确定度分量：

4.4 温度偏离系统设定引入的不确定度分量u4

考虑到标准圆棒的热膨胀系数影响，当校准环境温度偏离系统设定温度5 ℃时，以金属铝标准圆棒为例，直径为100 mm，铝的热膨胀系数为23×10-6℃-1，按均匀分布，则引入的不确定度分量：

4.5 合成不确定度uc 与扩展不确定度U

考虑到各不确定度分量互不相关，则合成不确定度

取k= 2，则扩展不确定度

4.6 不确定度评定汇总

同理分析，得出壁厚示值测量不确定度：

校准点5 mm、10 mm，U= 0.001 5 mm，k= 2。

5 结语

本文对测偏仪量值溯源方法开展了技术研究，研制了标准器装置，解决了仪器量值溯源的问题，确保了仪器使用的准确性，帮助电缆企业在电缆生产现场实现了电缆结构尺寸参数的准确测控，大大减少了生产资料的浪费，提高了企业的生产经济效益。