为了校准 5500A、5502A、5520A、5522A 等型号多产品校准器的交直流电压、交直流电流和电阻五项主要功能,使用的标准设备必须满足校准不确定度比率的要求,即被校仪器的不确定度与校准标准的不确定度之比率 TUR 至少大于 4:1 或者 3:1。
 
本文对这五项校准的测量不确定度的要求进行了讨论分析了使用不同标准设备时的校准不确定度和不确定度比率。分析表明,要完成这五项功能的校准,需要 8508A 高精度数字多用表,A40B 精密分流器,5790A 交流电压测量标准或者其他类似的标准仪器;在直流电压和电阻的几个校准调整点还需要应用校准边界保证(Guardbanding)技术或者使用其他的测量仪器。
 
一、引言
在直流低频电学校准实验室,多产品校准器发挥着重要作用,其中,美国福禄克公司的 55XX 系列多产品校准器是应用最广泛的校准器。计量人员用它们检定各类仪表,例如数字多用表,功率表,欧姆表,开关板表,记录仪,钳形表,示波器,热工仪表等等。使用一台这种校准器就可以承担一个小型的校准实验室的大部分校准负载。为了保证对量值的溯源性,保证校准质量,这些校准器本身也需要定期校准溯源。 这些校准器功能多,量程宽,驱动能力强,校准溯源要求也比较高。如何可靠地校准这些校准器,保证可靠地量值溯源性,是一项技术性很强的工作。目前国内各有些校准实验室在校准这些校准器的工作中,还存在一些问题。有时候,其校准不确定度并不能满足技术要求。本文对这些问题做了分析,并提出了解决方法。
 
二、存在的问题
校准仪器时,有一个最基本的要求,就是要求被校仪器的不确定度远大于校准标准的不确定度。它们之间的比率称为不确定度比率 TUR。一般要求 TUR 至少大于 4:1 或者 3:1。达到要求,可以开展校准或检定;达不到要求,只能进行仪器间的比对测量。
 
ISO 17025 明确要求校准结果要报告测量(校准)不确定度,校准实验室或测试实验室做所有校准测量时,应该拥有并使用固定的程序来评估测量不确定度。中国国家实验室认可委员会 CNAS-CL07:2011《测量不确定度的要求》,要求切实执行 ISO17025,在校准结果中逐点正确报告校准不确定度。报告不确定度就是要说明在各项校准工作中,实验室的校准能力是否达到要求,保证校准质量。
 
福禄克 55XX 系列校准器,包括 5500A,5502A, 5520A, 5522A 等多产品校准器,在国内已有近两千台,服务于各级计量校准实验室以及研究机构。对于多产品校准器本身的量值溯源,一直是个比较困难的问题。由于目前我们国家还没有出台这些校准器的检定规程或校准规范,国内各校准实验室在校准这些校准器时,校准的方法不同,使用的标准仪器也不同,校准的水平也相差很大。 
 
例如,下面是某校准实验室校准 5502A 的校准证书的一部分:
 
标准名称:高精度电压、电流、电阻测量标准装置
 
 
从上面证书摘录内容可以看出,这个《高精度电压、电流、电阻测量标准装置》实际上是福禄克高精度数字电压表 8508A。列出的扩展不确定度是 8508A 的一年总不确定度,置信度为 95%。但是,在这份校准证书中,每个测量功能只给出了一个测试点的扩展不确定度,也是该测量功能的最优不确定度。用户无法得知这个测量标准在其他测量点的不确定度,更无法知道在其它各个测试点是否都满足不确定度比率的要求。可以说,这种校准不确定度的报告方式不满足国家规定,也不能满足用户的要求。正确的报告方式应该全面地满足有关规定,逐个测试点报告校准不确定度。
 
目前,中国计量院等国家级标准计量机构已经开始在校准证书中逐点报告校准不确定度了,并且此工作已经开展了几年。今后,国家对整个计量活动的要求更加严格,对标准器等级要求也会更高更严谨了。
 
三、校准 55XX 系列校准器
55XX 系列校准器包括新型号 5080A,5502A,5522A,以及过去的旧型号的 5502A 和 5522A。它们的主要功能有如下几项:
·直流电压 ±(0~1020) V
·交流电压 1.0 mV~1020 V (1Hz~1MHz)
·直流电流 ±(0~20.5) A
·交流电流 29 mA~20.5 A, (1Hz~1MHz)
·电阻 0 W~1100 MW
 
以往,很多实验室校准这些多产品校准器的方法,就是使用 8508A 八位半高精度数字多用表直接测量。 一台 8508A 真的就能够完成 55XX 系列校准器的校准吗?我们必须对不同的型号做具体的分析。在 5500A、5502A、5520A、5522A 的维护手册中,对这些仪器的校准要求和校准方法作了详细说明。尤其是提出了各个功能的校准调整点。只有保证这些校准调整点的准确度,才能保证仪器各个功能全范围的性能。当检查仪器性能时,应该尽量包含这些校准调整点。如果发现校准器准确度下降,必须通过调整这些点来恢复仪器的准确度。这里,我们以准确度指标较低的 5502A 为例,按照 5502A 说明书建议的各个校准调整点,实际计算每个校准点的测量不确定度,分析用什么样的标准设备可以校准 5502A。我们会发现,有很多功能,尤其是电流测量功能,8508A 并不能满足校准多产品校准器的准确度要求。
 
1. 直流电压校准                     
 
 
根据 5502A 维护说明书,5502A 直流电压除零点外,设有八个校准调整点。在各校准调整点上,我们计算出 5502A 的总不确定度,8508A 的直流电压测量功能的总不确定度,计算结果列于表 1 中。从表 1 可以看出,8508A 直流电压的性能非常优异,在所有 5502A 直流电压校准调整点上,5502A 直流电压的总不确定度与 8508A 总不确定度的比率 TUR 都大于 7,可以满足校准的基本要求。因此,可以用 8508A 的直流电压测量功能直接校准 5502A 的直流电压输出功能。
 
 
校准之前,应该先做好校准的准备工作。首先,所有仪器都应该开机后预热至足够的时间。然后,8508A 和 5502A 都要做仪器校零,清除零点偏移对测量结果的影响。接着,就可以进行各个测试点的校准工作了。当 5502A 输出 3V 以下的小电压时,应该使用低热电势测试导线,消除导线中热电势对测量结果引起的测量误差,保证测量准确度。
 
虽然 5520A 和 5522A 的直流电压输出的不确定度比 5502A 要好很多,在国内一般常校准的 0.1V, 1V, 10V, 100V 和 1000V 测试点,它和 8508A 的校准不确定度比率 TUR 仍然都大于 3。但是,在生产厂家规定的校准调整点:3V, -3V 和 30V 的 TUR 仅为 2.2,2.7,2.7,这些测试点与 8508A 的直流电压量程不匹配,是用 8508A 的 20V 量程或,200V 量程测量的,测量值仅为量程的 15%,使得 8508A 测量不确定度大大增加。如果需要调整这些点,需要用分压器将测量值变换为在满量程处测量,就可以解决此问题。也可以应用校准边界保证(Guardbanding)技术,更严格地控制校准器的偏移,来满足校准的要求。
 
2. 电阻功能校准
 
5502A 校准器可以输出连续可调电阻 0-1100MΩ。根据 5502A 说明书,5502A 交流电压设有 16 个校准调整点。可以用 8508A 直接校准 5502A 的各个校准调整点,可以满足在各个校准调整点上测量不确定度的要求,校准不确定度比率都大于 5。可以用 8508A 电阻功能直接校准,满足测量不确定度的要求。表 2 列出了 5502A 的各电阻校准调整点的在校准 110 kW,1.1   MW,11 MW,110 MW 四个校准点时,需要设置 8508A 的测量电流为 LoI 低电流模式,才能适合 5502A 电阻的工作电流范围。在低电流模式时,8508A 的测量不确定度会稍微增加,但是,校准不确定度比率仍然都大于 4 满足测量不确定度的要求。
 
 
 
一般测量 100kΩ以下的小电阻时,应该尽量使用四线电阻的测量方法进行校准。这是由于两线电阻测量时,测试引线电阻和接触电阻会带来附加误差,对于小电阻测量时,往往响较大。采用四线电阻测量方式,将电流激励回路和测量电阻上的电压降测量回路分开,测量到的电压不受电流回路中电阻电压降的影响,为真正的被测电阻两端电压,消除了测试引线及接触电阻带来的测量误差。在高阻校准时,应使用屏蔽线,降低干扰,减少环境因素对测量读数的影响。
 
 
校准时,应注意使用 8508A 的常规电阻测量功能,不要使用 HiVΩ高压电阻模式,在这种模式,测量电阻时的激励电流是常规电阻测量模式的 10 倍,由此可能产生最高达 240V 的顺从电压,可能会对 55xxA 系列校准器电阻功能造成损坏。
 
另外,校准 5502A 的电阻功能时,最好根据测试点数值使用 8508A 电阻测量功能的手动量程,避免设置在自动量程时,测量仪表在寻找合适量程的同时,校准器也在寻找合适的工作电流,使得两台仪器不能尽快选择到合适的量程和合适的电流范围,而不能正常测量,长时间得不到正确的测量结果。
 
在校准 5520A 和 5522A 电阻功能时,在 36 MΩ,110MΩ两个校准测试点,不确定度为 1.7 和 2.7。不能满足校准要求。可以应用校准边界保证(Guardbanding),在校准调整时,更严格地控制校准器的偏移,来满足校准的要求。
 
3. 交流电压校准        
 
根据 5502A 说明书,5502A 交流电压设有 13 个校准调整点。在各个校准调整点上,我们计算出 5502A 的总不确定度,8508A 的交流电压测量功能的总不确定度,计算结果列于表 3 中。从表 3 中,可以看出,8508A 交流电压的性能在多数点上不能满足校准 5502A 交流电压的测量不确定度要求。例如:5502A 输出 30V,100Hz 的交流电压年指标为:0.032%,而 8508A 年指标为 0.013%,TUR 比率仅为 2.3,不能满足不确定度比率为 3 倍以上的要求。
 
造成这种局面的原因与两台仪器的量程不匹配也有关系。5502A 交流电压校准调整点大都是 3 的倍数,如:30mV,300mV,﹣3V,﹣30V,300V; 而 8508A 的量程都是 2 的倍数,如:200 mV,2V,20V,200V。校准时,只能用 8508A 量程的 15% 为测试点,使得 8508A 测量不确定度大大增加。
 
如何解决这一问题呢?答案是,使用准确度更高的 5790A。5790A 是一台高准确度的交流电压测量标准,它既有热电转标准的优异准确度,又有数字多用表易于使用的特点,是专门用于校准各种交流校准器的标准设备。用 5790A 不仅可以校准 5502A 和 5522A, 还可以校准 5700A 和 5720A 等更高精度的交流测量仪器。
 
 
在这里,我们分析用 5790A 校准 5502A 多产品校准器时的 TUR。 在 5502A 各个交流电压的校准调整点上,我们计算出 5502A 的总不确定度,5790A 的交流电压测量功能的总不确定度,计算结果列于表 4 中。从表 4 中可以看出,除了在 300V70kHz 这一个测试点上,不确定度比率为 5.3。其他所有测试点的不确定度比率都大于 13。
 
校准交流电压时,测试导线可使用普通的导线,测试导线要尽可能的短,特别是在频率较高时,要越短越好,并使用屏蔽线,以减少信号衰减,避免捡拾干扰信号。
 
用 5790A 校准 5520A 和 5522A 交流电压功能时,在所有校准调整点的不确定度比率 TUR 都大于 3,都能满足校准的要求。
 
4. 电流功能校准
 
校准器电流溯源问题一直是个比较困难的任务。有些人喜欢用高精度数字多用表的电流测量功能来校准常用校准器的电流输出功能。可是,高精度数字多用表的电流测量功能是否能满足准确度要求呢?答案是否定的。数字多用表测量电流大都使用内置分流器。当被测电流流过分流器,在分流器上会产生与分流器阻值成比率的电压,测量分流器两端的电压,就可以测量出电流。当电流较大时,分流器上会消耗相当大的功率,如果分流器的散热效果比较差,分流器温度就会升高,导致分流器电阻值发生变化,测量误差就会很大。高精度数字多用表体积有限,电流测量功能使用的内置分流器一般都做的比较小,而且数字表内空间有限,散热不够好,大电流时误差较大。可以说,一般使用内置分流器的数字多用表的电流测量准确度都不高。
 
如果直接用 8508A 数字多用表的电流量程来校准多产品校准器的电流功能,人们会发现,8508A 与 5502A、5522A 的电流量程不匹配,5502A 和 5522A 校准器的电流输出的准确度比较高。而 8508A 虽然是数字多用表中的最优,测量准确度仍然无法满足校准的要求,在很多校准调整点上不确定度比率都小于 3。即使是校准 5502A 的直流电流功能,8508A 也难以胜任。表 4 中列出了用 8508A 直接校准 5502A 直流电流时,在各个校准调整点的 5502A 的电流输出不确定度,8508A 电流测量不确定度,以及它们的不确定度比率 TUR。可以看出,在多数测量点上,也就是 30mA 以上的所有校准调整点上,不确定度比率都不足 2。
 
 
解决电流溯源的解决方案是使用福禄克公司的 A40B。A40B 是一种新型的高性能标准分流器。用 A40B 与 8508A 配用,可以大大提高电流测量准确度。用 8508A+A40B 作为电流测量标准,校准 5502A 的直流电流和交流电流,可以取得令人满意的效果。在 5502A 直流电流各个校准调整点上,我们计算出 5502A 的不确定度,8508A 的不确定度与 A40B 的不确定度的方和根,并用此作为总不确定度,计算结果列于表 5 中。从表 5 可以看出,根据各个校准调整点的 5502A 的电流输出不确定度和 8508A+A40B 总不确定度计算出的不确定度比率 TUR 至少大于 5.3。
 
 
A40B 配合 5790A 交流电压测量标准可以实现更好的性能,不仅可以校准 5502A,5522A 的交流电流,也可以校准 5700A,5720A 等高精度交流测量仪器的交流电。5500A,5502A,5520A,5522A 的交流电流校准调整点较多,表 6 中列出了 5502A 交流电流的主要校准调整点的不确定度,A40B 的不确定度与 5790A 的测量交流电压的不确定度的方和根,并用此作为总不确定度,计算结果列于表 6 中。可以看出,校准实现的的 TUR 非常优异,所有的校准调整点的 TUR 至少大于 8.6。
 
 
由于 5502A 和 5520A, 5522A 的交直流电流功能输出范围,性能指标都完全一样,所以,关于 5502A 多产品校准器交直流电流功能的校准的分析,都完全适用于 5520A,5522A 多产品校准器。
 
四、结束语
任何一个规范的校准任务,满足测量不确定度的要求是最基本的要求。它表征了本次测量的质量,也表征了测量结果的可信度。能否在各项校准工作中满足测量不确定度的要求是考察一个校准实验室能力的重要指标。ISO 17025 对报告测量不确定度有明确的要求。为了开展 5500A,5502A,5520A,5522A 等多产品校准器的规范的校准工作,需要用多个标准器来完成。本文仅对多产品校准器的交直流电压、交直流电流和电阻五项主要功能的校准工作进行了讨论分析。要完成这五项功能,需要 8508A 高精度数字多用表,A40B 精密分流器和 5790A 交流电压测量标准;在直流电压和电阻几个校准调整点,还需要直流分压器或者应用校准边界保证(Guardbanding)技术。如果还要校准多产品校准器的频率准确度,需要一台高精度频率计;要校准多产品校准器的温度功能,需要一支标准温度计和合适的油槽或水槽(油杯或水杯)。无论是那一项校准,都必须满足测量不确定度的要求。
 
 
 
 
4. 5500A Multi-Product Calibrator Operators Manual, August 1995, Fluke Corporation
 
 
 
5.《测量不确定度的要求》, CNAS-CL07:2011,中国国家实验室认可委员会