電線電纜絕緣低溫拉伸試驗(yàn)不確定度評(píng)定研究

季 紅

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210007）

電線電纜絕緣低溫拉伸試驗(yàn)不確定度評(píng)定研究

季 紅

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210007）

低溫拉伸試驗(yàn)是電線電纜的一項(xiàng)常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，主要用于考核電線電纜的絕緣、護(hù)套在低溫環(huán)境下的機(jī)械應(yīng)力性能，通過斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。通過大量的試驗(yàn)研究了低溫拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度的來源，建立了數(shù)學(xué)模型，并對(duì)不確定度分量進(jìn)行了評(píng)定，給出了擴(kuò)展不確定度。

電線電纜；低溫拉伸；測(cè)量不確定度

0 引 言

低溫拉伸試驗(yàn)是電線電纜的一項(xiàng)常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，主要用于考核電線電纜的絕緣、護(hù)套在低溫環(huán)境下的機(jī)械應(yīng)力性能，通過斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)來判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。本文根據(jù)GB/T 2951.14-2008/ IEC 60811-1-4-1985《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第14部分通用試驗(yàn)方法---低溫試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫拉伸試驗(yàn)，通過大量的試驗(yàn)研究分析低溫拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度的來源，建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)不確定度分量進(jìn)行了評(píng)定，給出擴(kuò)展不確定度。

1 試驗(yàn)方法概述

1.1 測(cè)量依據(jù)

電線電纜低溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2951.14-2008/IEC 60811-1-4-1985進(jìn)行。

1.2 環(huán)境條件

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)設(shè)備和試件應(yīng)在有關(guān)電線電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度下進(jìn)行預(yù)冷卻處理。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備和試樣一起在空氣中冷卻時(shí)，冷卻時(shí)間應(yīng)至少4 h，如設(shè)備已預(yù)冷，冷卻時(shí)間可縮短至2 h，如試驗(yàn)設(shè)備和試樣均已預(yù)冷，則將試樣固定在試驗(yàn)設(shè)備上的冷卻時(shí)間應(yīng)不小于1 h。

根據(jù)本次評(píng)定測(cè)試對(duì)象，測(cè)試環(huán)境溫度為-15℃，選擇設(shè)備預(yù)冷4 h，試樣固定在試驗(yàn)設(shè)備上2 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 測(cè)試樣品

規(guī)格型號(hào)為60227 IEC01（BV）450/750V 1× 50 mm2一般用途單芯硬導(dǎo)體無護(hù)套電纜。

1.4 測(cè)量設(shè)備

本次試驗(yàn)裝置為WD270C型低溫試驗(yàn)箱、DLY/ A型低溫拉伸試驗(yàn)儀。

1.5 測(cè)量過程

采用測(cè)量夾頭位移距離的方法，自由長(zhǎng)度為（30±0.5）mm，夾好試樣，按拉伸鍵，試驗(yàn)開始，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，等到最后一個(gè)試樣拉斷后，自動(dòng)停車，主界面顯示拉伸距離和伸長(zhǎng)率值。

2 不確定度來源分析

式中：E為伸長(zhǎng)率；L0為初始標(biāo)距；ΔL=L-L0為試樣斷裂時(shí)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

由式（1）可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)儀器的長(zhǎng)度測(cè)試顯示數(shù)據(jù)有關(guān)，即和L、L0相關(guān)，此外，溫度以及拉伸速度也是影響測(cè)量結(jié)果的主要因素。

低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算公式為：

低溫拉伸試驗(yàn)儀采用鋼質(zhì)材料，其線性膨脹系數(shù)在（-8.5～12.2）×10-6/K之間。由于溫度變化產(chǎn)生的線性膨脹是微量的，100 mm長(zhǎng)度的線性鋼材由于溫度降低產(chǎn)生的微觀變量為8.5×10-4mm，這對(duì)測(cè)量不確定度的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

通過以上分析，我們可以初步確定不確定度來源主要有四個(gè)：測(cè)量結(jié)果的分散性；試驗(yàn)儀器固有誤差；拉伸速度；試驗(yàn)溫度。

3 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)不確定度來源，該測(cè)試系統(tǒng)不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型為

4 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

低溫拉伸測(cè)試不確定分量可分為兩部分來評(píng)定。一是測(cè)試過程中由于樣品不均勻性、測(cè)試結(jié)果離散性帶來的不確定度分量，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)即A類評(píng)定方法來確定；二是由試驗(yàn)儀器固有誤差、試驗(yàn)溫度產(chǎn)生的不確度定分量，這些分量無法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法獲取信息，需要通過其他的途徑即B類評(píng)定方法來確定。

4.1 A類評(píng)定

（1）測(cè)試過程中隨機(jī)產(chǎn)生的不確定度分量

從同一試樣上連續(xù)取30個(gè)試件，進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量。測(cè)試中，初始標(biāo)距 L0=30 mm，溫度為-15℃，速度為25 mm/min。測(cè)試結(jié)果見表1。為30個(gè)測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值，可求得= 142.67%，取=143%。s（）為本次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，由式（3）計(jì)算，s（）=0.99%。

（2）拉伸速度帶來的不確定度分量

本測(cè)試系統(tǒng)中，拉伸速度由儀器自身預(yù)先設(shè)定。查儀器設(shè)備校準(zhǔn)報(bào)告，對(duì)于負(fù)載聚氯乙烯樣品，拉伸速度處于24.27～25.01 mm/min之間，其速度變化遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中（25±5）mm/min的要求，其帶來的不確定度分量可通過多次測(cè)量的重復(fù)性測(cè)試體現(xiàn)，以避免重復(fù)計(jì)算。

表1 60227 IEC 01（BV）低溫拉伸測(cè)量結(jié)果 （單位：%）

4.2 B類評(píng)定

（1）拉伸測(cè)試儀固有誤差引入的不確定度

式（2）中的儀器固有誤差引入不確定度的靈敏度系數(shù)可由式（4）計(jì)算：

其中靈敏度系數(shù)計(jì)算公式為：

根據(jù)儀器設(shè)備說明書，并查校準(zhǔn)報(bào)告，測(cè)量顯示數(shù)據(jù)最大可能誤差為0.15 mm，給定初始標(biāo)距L0的偏差u（L0）=0.15 mm，拉伸測(cè)試儀的長(zhǎng)度測(cè)量偏差u（L）=0.15 mm。通過式（4）可得：

（2）試驗(yàn)溫度誤差引入的不確定度

為了驗(yàn)證試驗(yàn)溫度偏差產(chǎn)生的影響，分別在溫度的上限和下限狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸速度為25 mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3。從表2計(jì)算可得=143.21%，S1（）=1.2605%。從表3計(jì)算可得=142.00%，S2（）=1.1719%。

表2 -14℃的低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果 （單位：%）

表3 -16℃的低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果 （單位：%）

從表2、表3中可以看出，不同的測(cè)量環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果存在一定的影響。將表1、表2、表3中的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖1所示。

圖1 溫度與斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系

由圖1中可以看出，測(cè)試結(jié)果在-14～-16℃區(qū)間呈較好的線性變化趨勢(shì)，在該區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為溫度和測(cè)量結(jié)果為線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合，其關(guān)系可表達(dá)為：

式中：a，b為待測(cè)常數(shù)。根據(jù)-14℃和-16℃兩個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，可得a=1.5168，b=0.00605。則式（8）為：

試驗(yàn)溫度影響帶來的不確定度系數(shù)為0.00605℃-1。

試驗(yàn)溫度偏差引入的不確定度分為三個(gè)方面，分別為溫度偏差、溫度波動(dòng)、溫度均勻度引入的不確定度，記為u（t1）、u（t2）、u（t3），查閱設(shè)備校準(zhǔn)報(bào)告可知，所用低溫試驗(yàn)箱在 -15℃時(shí)，溫度偏差為+0.2℃，溫度波動(dòng)度為 ±0.05℃，溫度均勻度為±0.5℃。按照均勻分布，取k為2，可得：

u（t1）、u（t2）、u（t3）為相互獨(dú)立的不確定分量，故得：

則試驗(yàn)溫度帶來的不確定度分量為

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

該試驗(yàn)系統(tǒng)不確定度分量如表4所示。

表4 各不確定度分量計(jì)算結(jié)果及比較

合成不確定度為：

6 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

如表4，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為U（E）=2uc=2%。測(cè)量結(jié)果可表示為伸長(zhǎng)率（143±2）%，k=2。

7 結(jié)束語

本測(cè)試系統(tǒng)在-15℃、拉伸速度為25 mm/min的試驗(yàn)條件下，測(cè)得60227 IEC01（BV）1×50 mm2絕緣材料的低溫伸長(zhǎng)率為（143±2）%，k=2。低溫拉伸試驗(yàn)是考核電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量在低溫狀態(tài)下物理機(jī)械性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文從測(cè)試儀器、拉伸試驗(yàn)長(zhǎng)度、試驗(yàn)溫度等環(huán)節(jié)研究了測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)，對(duì)該項(xiàng)目測(cè)試準(zhǔn)確度的提高具有參考意義。

［1］ GB/T 2951-2008 電纜和光纜絕緣護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法［S］.

［2］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司組編.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

Research on UM of Low-Tem perature Strength Test of W ires and Cables

JIHong
（Jiangsu Province Institute of Quality Inspection and Testing，Nanjing 210007，China）

Low-temperature strength test is concerned on resistance stretching performance of insulation or sheathmaterials，and the test resultof elongation is compared with the judgment standard.Themost test research on the branch of UM，and themathematicalmodel is given.Expanded uncertainty is given also.

wires and cables；low temperature strength test；uncertainty ofmeasurement

TM206

A

1672-6901（2014）01-0031-03

2013-03-07

季 紅（1978-），女，高級(jí)工程師.

作者地址：江蘇南京市光華東街5號(hào)［210007］.