為了校準5500A, 5502A, 5520A, 5522A等型號多產品校準器的交直流電壓, 交直流電流和電阻五項主要功能, 使用的標準設備必須滿足校準不確定度比率的要求, 即被校 儀器 的不確定度與校準標準的不確定度之比率TUR至少大於 4:1 或者 3:1.
本文對這五項校準的測量不確定度的要求進行了討論分析了使用不同標準設備時的校準不確定度和不確定度比率. 分析表明, 要完成這五項功能的校準, 需要8508A高精度數字多用表, A40B精密分流器, 5790A交流電壓測量標準或者其他類似的標準儀器; 在直流電壓和電阻的幾個校準調整點還需要應用校準邊界保證 (Guardbanding) 技術或者使用其他的測量儀器.
一, 引言
在直流低頻電學校準實驗室, 多產品校準器發揮著重要作用, 其中, 美國福祿克公司的55XX系列多產品校準器是應用最廣泛的校準器. 計量人員用它們檢定各類 儀錶 , 例如數字多用表, 功率表, 歐姆表, 開關板表, 記錄儀, 鉗形表, 示波器, 熱工儀錶等等. 使用一台這種校準器就可以承擔一個小型的校準實驗室的大部分校準負載. 為了保證對量值的溯源性, 保證校準質量, 這些校準器本身也需要定期校準溯源. 這些校準器功能多, 量程寬, 驅動能力強, 校準溯源要求也比較高. 如何可靠地校準這些校準器, 保證可靠地量值溯源性, 是一項技術性很強的工作. 目前國內各有些校準實驗室在校準這些校準器的工作中, 還存在一些問題. 有時候, 其校準不確定度並不能滿足技術要求. 本文對這些問題做了分析, 並提出了解決方法.
二, 存在的問題
校準儀器時, 有一個最基本的要求, 就是要求被校儀器的不確定度遠大於校準標準的不確定度. 它們之間的比率稱為不確定度比率TUR. 一般要求TUR至少大於 4:1 或者 3:1. 達到要求, 可以開展校準或檢定; 達不到要求, 只能進行儀器間的比對測量.
ISO 17025 明確要求校準結果要報告測量 (校準) 不確定度, 校準實驗室或測試實驗室做所有校準測量時, 應該擁有並使用固定的程序來評估測量不確定度. 中國國家實驗室認可委員會 CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》, 要求切實執行 ISO17025, 在校準結果中逐點正確報告校準不確定度. 報告不確定度就是要說明在各項校準工作中, 實驗室的校準能力是否達到要求, 保證校準質量.
福祿克55XX系列校準器, 包括5500A, 5502A, 5520A, 5522A等多產品校準器, 在國內已有近兩千台, 服務於各級計量校準實驗室以及研究機構. 對於多產品校準器本身的量值溯源, 一直是個比較困難的問題. 由於目前我們國家還沒有出台這些校準器的檢定規程或校準規範, 國內各校準實驗室在校準這些校準器時, 校準的方法不同, 使用的標準儀器也不同, 校準的水平也相差很大.
例如, 下面是某校準實驗室校準5502A的校準證書的一部分:
標準名稱: 高精度電壓, 電流, 電阻測量標準裝置
從上面證書摘錄內容可以看出, 這個《高精度電壓, 電流, 電阻測量標準裝置》實際上是福祿克高精度數字電壓表8508A. 列出的擴展不確定度是8508A的一年總不確定度, 置信度為 95%. 但是, 在這份校準證書中, 每個測量功能只給出了一個測試點的擴展不確定度, 也是該測量功能的最優不確定度. 用戶無法得知這個測量標準在其他測量點的不確定度, 更無法知道在其它各個測試點是否都滿足不確定度比率的要求. 可以說, 這種校準不確定度的報告方式不滿足國家規定, 也不能滿足用戶的要求. 正確的報告方式應該全面地滿足有關規定, 逐個測試點報告校準不確定度.
目前, 中國計量院等國家級標準計量機構已經開始在校準證書中逐點報告校準不確定度了, 並且此工作已經開展了幾年. 今後, 國家對整個計量活動的要求更加嚴格, 對標準器等級要求也會更高更嚴謹了.
三, 校準55XX系列校準器
55XX系列校準器包括新型號 5080A, 5502A, 5522A, 以及過去的舊型號的5502A和5522A. 它們的主要功能有如下幾項:
· 直流電壓 ±(0~1020) V
· 交流電壓 1.0 mV~1020 V (1Hz~1MHz)
· 直流電流 ±(0~20.5) A
· 交流電流 29 mA~20.5 A, (1Hz~1MHz)
· 電阻 0 W~1100 MW
以往, 很多實驗室校準這些多產品校準器的方法, 就是使用8508A八位半高精度數字多用表直接測量. 一台8508A真的就能夠完成55XX系列校準器的校準嗎? 我們必須對不同的型號做具體的分析. 在5500A, 5502A, 5520A, 5522A的維護手冊中, 對這些儀器的校準要求和校準方法作了詳細說明. 尤其是提出了各個功能的校準調整點. 只有保證這些校準調整點的準確度, 才能保證儀器各個功能全範圍的性能. 當檢查儀器性能時, 應該盡量包含這些校準調整點. 如果發現校準器準確度下降, 必須通過調整這些點來恢複儀器的準確度. 這裡, 我們以準確度指標較低的5502A為例, 按照5502A說明書建議的各個校準調整點, 實際計算每個校準點的測量不確定度, 分析用什麼樣的標準設備可以校準5502A. 我們會發現, 有很多功能, 尤其是電流測量功能, 8508A並不能滿足校準多產品校準器的準確度要求.
1.直流電壓校準
根據5502A維護說明書, 5502A直流電壓除零點外, 設有八個校準調整點. 在各校準調整點上, 我們計算出5502A的總不確定度, 8508A的直流電壓測量功能的總不確定度, 計算結果列於表1中. 從表1可以看出, 8508A直流電壓的性能非常優異, 在所有5502A直流電壓校準調整點上, 5502A直流電壓的總不確定度與8508A總不確定度的比率TUR都大於7, 可以滿足校準的基本要求. 因此, 可以用8508A的直流電壓測量功能直接校準5502A的直流電壓輸出功能.
校準之前, 應該先做好校準的準備工作. 首先, 所有儀器都應該開機後預熱至足夠的時間. 然後, 8508A和5502A都要做儀器校零, 清除零點偏移對測量結果的影響. 接著, 就可以進行各個測試點的校準工作了. 當5502A輸出 3V 以下的小電壓時, 應該使用低熱電勢測試導線, 消除導線中熱電勢對測量結果引起的測量誤差, 保證測量準確度.
雖然5520A和5522A的直流電壓輸出的不確定度比5502A要好很多, 在國內一般常校準的0.1V, 1V, 10V, 100V和1000V測試點, 它和8508A的校準不確定度比率TUR仍然都大於3. 但是, 在生產廠家規定的校準調整點: 3V, -3V和 30V的TUR僅為 2.2, 2.7, 2.7,這些測試點與8508A的直流電壓量程不匹配, 是用8508A的20V量程或, 200V量程測量的, 測量值僅為量程的 15%, 使得8508A測量不確定度大大增加. 如果需要調整這些點, 需要用分壓器將測量值變換為在滿量程處測量, 就可以解決此問題. 也可以應用校準邊界保證 (Guardbanding) 技術, 更嚴格地控制校準器的偏移, 來滿足校準的要求.
2.電阻功能校準
5502A校準器可以輸出連續可調電阻0-1100MΩ. 根據5502A說明書, 5502A交流電壓設有16個校準調整點. 可以用8508A直接校準5502A的各個校準調整點, 可以滿足在各個校準調整點上測量不確定度的要求, 校準不確定度比率都大於5. 可以用8508A電阻功能直接校準, 滿足測量不確定度的要求. 表2列出了5502A的各電阻校準調整點的在校準110 kW, 1.1 MW, 11 MW, 110 MW 四個校準點時, 需要設置8508A的測量電流為LoI低電流模式, 才能適合5502A電阻的工作電流範圍. 在低電流模式時, 8508A的測量不確定度會稍微增加, 但是, 校準不確定度比率仍然都大於4滿足測量不確定度的要求.
一般測量100kΩ以下的小電阻時, 應該盡量使用四線電阻的測量方法進行校準. 這是由於兩線電阻測量時, 測試引線電阻和接觸電阻會帶來附加誤差, 對於小電阻測量時, 往往響較大. 採用四線電阻測量方式, 將電流激勵迴路和測量電阻上的電壓降測量迴路分開, 測量到的電壓不受電流迴路中電阻電壓降的影響, 為真正的被測電阻兩端電壓, 消除了測試引線及接觸電阻帶來的測量誤差. 在高阻校準時, 應使用屏蔽線, 降低幹擾, 減少環境因素對測量讀數的影響.
校準時, 應注意使用8508A的常規電阻測量功能, 不要使用HiVΩ高壓電阻模式,在這種模式, 測量電阻時的激勵電流是常規電阻測量模式的10倍, 由此可能產生最高達240V的順從電壓, 可能會對55xxA系列校準器電阻功能造成損壞.
另外, 校準5502A的電阻功能時, 最好根據測試點數值使用8508A電阻測量功能的手動量程, 避免設置在自動量程時, 測量儀錶在尋找合適量程的同時, 校準器也在尋找合適的工作電流, 使得兩台儀器不能儘快選擇到合適的量程和合適的電流範圍, 而不能正常測量, 長時間得不到正確的測量結果.
在校準5520A和5522A電阻功能時, 在 36 MΩ, 110MΩ兩個校準測試點, 不確定度為1.7 和 2.7. 不能滿足校準要求. 可以應用校準邊界保證 (Guardbanding) , 在校準調整時, 更嚴格地控制校準器的偏移, 來滿足校準的要求.
3.交流電壓校準
根據5502A說明書, 5502A交流電壓設有13個校準調整點. 在各個校準調整點上, 我們計算出5502A的總不確定度, 8508A的交流電壓測量功能的總不確定度, 計算結果列於表3中. 從表3中, 可以看出, 8508A交流電壓的性能在多數點上不能滿足校準5502A交流電壓的測量不確定度要求. 例如: 5502A輸出30V, 100Hz的交流電壓年指標為: 0.032%, 而8508A年指標為0.013%, TUR比率僅為2.3, 不能滿足不確定度比率為3倍以上的要求.
造成這種局面的原因與兩台儀器的量程不匹配也有關係. 5502A交流電壓校準調整點大都是3的倍數, 如: 30mV, 300mV, ﹣3V, ﹣30V, 300V; 而8508A的量程都是2的倍數, 如: 200 mV, 2V, 20V, 200V. 校準時, 只能用8508A量程的 15% 為測試點, 使得8508A測量不確定度大大增加.
如何解決這一問題呢? 答案是, 使用準確度更高的5790A. 5790A是一台高準確度的交流電壓測量標準, 它既有熱電轉標準的優異準確度, 又有數字多用表易於使用的特點, 是專門用於校準各種交流校準器的標準設備. 用5790A不僅可以校準5502A和5522A, 還可以校準5700A和5720A等更高精度的交流測量儀器.
在這裡, 我們分析用5790A校準5502A多產品校準器時的TUR. 在5502A各個交流電壓的校準調整點上, 我們計算出5502A的總不確定度, 5790A的交流電壓測量功能的總不確定度, 計算結果列於表4中. 從表4中可以看出, 除了在300V70kHz這一個測試點上, 不確定度比率為5.3. 其他所有測試點的不確定度比率都大於13.
校準交流電壓時, 測試導線可使用普通的導線, 測試導線要儘可能的短, 特別是在頻率較高時, 要越短越好, 並使用屏蔽線, 以減少訊號衰減, 避免撿拾幹擾訊號.
用5790A校準5520A和5522A交流電壓功能時, 在所有校準調整點的不確定度比率TUR都大於3, 都能滿足校準的要求.
4.電流功能校準
校準器電流溯源問題一直是個比較困難的任務. 有些人喜歡用高精度數字多用表的電流測量功能來校準常用校準器的電流輸出功能. 可是, 高精度數字多用表的電流測量功能是否能滿足準確度要求呢? 答案是否定的. 數字多用表測量電流大都使用內置分流器. 當被測電流流過分流器, 在分流器上會產生與分流器阻值成比率的電壓, 測量分流器兩端的電壓, 就可以測量出電流. 當電流較大時, 分流器上會消耗相當大的功率, 如果分流器的散熱效果比較差, 分流器溫度就會升高, 導致分流器電阻值發生變化, 測量誤差就會很大. 高精度數字多用表體積有限, 電流測量功能使用的內置分流器一般都做的比較小, 而且數字表內空間有限, 散熱不夠好, 大電流時誤差較大. 可以說, 一般使用內置分流器的數字多用表的電流測量準確度都不高.
如果直接用8508A數字多用表的電流量程來校準多產品校準器的電流功能, 人們會發現, 8508A與5502A, 5522A的電流量程不匹配, 5502A和5522A校準器的電流輸出的準確度比較高. 而8508A雖然是數字多用表中的最優, 測量準確度仍然無法滿足校準的要求, 在很多校準調整點上不確定度比率都小於3. 即使是校準5502A的直流電流功能, 8508A也難以勝任. 表4中列出了用8508A直接校準5502A直流電流時, 在各個校準調整點的5502A的電流輸出不確定度, 8508A電流測量不確定度, 以及它們的不確定度比率TUR. 可以看出, 在多數測量點上, 也就是30mA以上的所有校準調整點上, 不確定度比率都不足2.
解決電流溯源的解決方案是使用福祿克公司的A40B. A40B是一種新型的高性能標準分流器. 用A40B與8508A配用, 可以大大提高電流測量準確度. 用8508A+A40B作為電流測量標準, 校準5502A的直流電流和交流電流, 可以取得令人滿意的效果. 在5502A直流電流各個校準調整點上, 我們計算出5502A的不確定度, 8508A的不確定度與A40B的不確定度的方和根, 並用此作為總不確定度, 計算結果列於表5中. 從表5可以看出, 根據各個校準調整點的5502A的電流輸出不確定度和8508A+A40B總不確定度計算出的不確定度比率TUR至少大於5.3.
A40B配合5790A交流電壓測量標準可以實現更好的性能, 不僅可以校準5502A, 5522A的交流電流, 也可以校準5700A, 5720A 等高精度交流測量儀器的交流電. 5500A, 5502A, 5520A, 5522A的交流電流校準調整點較多, 表6 中列出了5502A交流電流的主要校準調整點的不確定度, A40B的不確定度與5790A的測量交流電壓的不確定度的方和根, 並用此作為總不確定度, 計算結果列於表6中. 可以看出, 校準實現的的TUR非常優異, 所有的校準調整點的TUR至少大於8.6.
由於5502A和5520A, 5522A的交直流電流功能輸出範圍, 性能指標都完全一樣, 所以, 關於5502A多產品校準器交直流電流功能的校準的分析, 都完全適用於5520A, 5522A多產品校準器.
四, 結束語
任何一個規範的校準任務, 滿足測量不確定度的要求是最基本的要求. 它表徵了本次測量的質量, 也表徵了測量結果的可信度. 能否在各項校準工作中滿足測量不確定度的要求是考察一個校準實驗室能力的重要指標. ISO 17025對報告測量不確定度有明確的要求. 為了開展5500A, 5502A, 5520A, 5522A等多產品校準器的規範的校準工作, 需要用多個標準器來完成. 本文僅對多產品校準器的交直流電壓, 交直流電流和電阻五項主要功能的校準工作進行了討論分析. 要完成這五項功能, 需要8508A高精度數字多用表, A40B精密分流器和5790A交流電壓測量標準; 在直流電壓和電阻幾個校準調整點, 還需要直流分壓器或者應用校準邊界保證 (Guardbanding) 技術. 如果還要校準多產品校準器的頻率準確度, 需要一台高精度頻率計; 要校準多產品校準器的溫度功能, 需要一支標準溫度計和合適的油槽或水槽 (油杯或水杯) . 無論是那一項校準, 都必須滿足測量不確定度的要求.
