為了校準(zhǔn)5500A、5502A、5520A、5522A等型號多產(chǎn)品校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須滿足校準(zhǔn)不確定度比率的要求，即被校儀器的不確定度與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度之比率TUR至少大于 4:1 或者 3:1。
本文對這五項校準(zhǔn)的測量不確定度的要求進行了討論分析了使用不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時的校準(zhǔn)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(zhǔn)，需要8508A高精度數(shù)字多用表，A40B精密分流器，5790A交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)或者其他類似的標(biāo)準(zhǔn)儀器;在直流電壓和電阻的幾個校準(zhǔn)調(diào)整點還需要應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)技術(shù)或者使用其他的測量儀器。
一、 引言
在直流低頻電學(xué)校準(zhǔn)實驗室，多產(chǎn)品校準(zhǔn)器發(fā)揮著重要作用，其中，美國福祿克公司的55XX系列多產(chǎn)品校準(zhǔn)器是應(yīng)用最廣泛的校準(zhǔn)器。計量人員用它們檢定各類儀表，例如數(shù)字多用表，功率表，歐姆表，開關(guān)板表，記錄儀，鉗形表，示波器，熱工儀表等等。使用一臺這種校準(zhǔn)器就可以承擔(dān)一個小型的校準(zhǔn)實驗室的大部分校準(zhǔn)負(fù)載。為了保證對量值的溯源性，保證校準(zhǔn)質(zhì)量，這些校準(zhǔn)器本身也需要定期校準(zhǔn)溯源。 這些校準(zhǔn)器功能多，量程寬，驅(qū)動能力強，校準(zhǔn)溯源要求也比較高。如何可靠地校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器，保證可靠地量值溯源性，是一項技術(shù)性很強的工作。目前國內(nèi)各有些校準(zhǔn)實驗室在校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器的工作中，還存在一些問題。有時候，其校準(zhǔn)不確定度并不能滿足技術(shù)要求。本文對這些問題做了分析，并提出了解決方法。
二、 存在的問題
校準(zhǔn)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(yuǎn)大于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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至少大于 4:1 或者 3:1。達到要求，可以開展校準(zhǔn)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(zhǔn)結(jié)果要報告測量(校準(zhǔn))不確定度，校準(zhǔn)實驗室或測試實驗室做所有校準(zhǔn)測量時，應(yīng)該擁有并使用固定的程序來評估測量不確定度。中國國家實驗室認(rèn)可委員會 CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》，要求切實執(zhí)行 ISO17025，在校準(zhǔn)結(jié)果中逐點正確報告校準(zhǔn)不確定度。報告不確定度就是要說明在各項校準(zhǔn)工作中，實驗室的校準(zhǔn)能力是否達到要求，保證校準(zhǔn)質(zhì)量。
福祿克55XX系列校準(zhǔn)器，包括5500A，5502A, 5520A, 5522A等多產(chǎn)品校準(zhǔn)器，在國內(nèi)已有近兩千臺，服務(wù)于各級計量校準(zhǔn)實驗室以及研究機構(gòu)。對于多產(chǎn)品校準(zhǔn)器本身的量值溯源，一直是個比較困難的問題。由于目前我們國家還沒有出臺這些校準(zhǔn)器的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，國內(nèi)各校準(zhǔn)實驗室在校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器時，校準(zhǔn)的方法不同，使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器也不同，校準(zhǔn)的水平也相差很大。
例如，下面是某校準(zhǔn)實驗室校準(zhǔn)5502A的校準(zhǔn)證書的一部分：
標(biāo)準(zhǔn)名稱：高精度電壓、電流、電阻測量標(biāo)準(zhǔn)裝置
從上面證書摘錄內(nèi)容可以看出，這個《高精度電壓、電流、電阻測量標(biāo)準(zhǔn)裝置》實際上是福祿克高精度數(shù)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(zhǔn)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(yōu)不確定度。用戶無法得知這個測量標(biāo)準(zhǔn)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?？梢哉f，這種校準(zhǔn)不確定度的報告方式不滿足國家規(guī)定，也不能滿足用戶的要求。正確的報告方式應(yīng)該全面地滿足有關(guān)規(guī)定，逐個測試點報告校準(zhǔn)不確定度。
目前，中國計量院等國家級標(biāo)準(zhǔn)計量機構(gòu)已經(jīng)開始在校準(zhǔn)證書中逐點報告校準(zhǔn)不確定度了，并且此工作已經(jīng)開展了幾年。今后，國家對整個計量活動的要求更加嚴(yán)格，對標(biāo)準(zhǔn)器等級要求也會更高更嚴(yán)謹(jǐn)了。
三、 校準(zhǔn)55XX系列校準(zhǔn)器
55XX系列校準(zhǔn)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(zhǔn)這些多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的方法，就是使用8508A八位半高精度數(shù)字多用表直接測量。 一臺8508A真的就能夠完成55XX系列校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)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(zhǔn)要求和校準(zhǔn)方法作了詳細(xì)說明。尤其是提出了各個功能的校準(zhǔn)調(diào)整點。只有保證這些校準(zhǔn)調(diào)整點的準(zhǔn)確度，才能保證儀器各個功能全范圍的性能。當(dāng)檢查儀器性能時，應(yīng)該盡量包含這些校準(zhǔn)調(diào)整點。如果發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)器準(zhǔn)確度下降，必須通過調(diào)整這些點來恢復(fù)儀器的準(zhǔn)確度。這里，我們以準(zhǔn)確度指標(biāo)較低的5502A為例，按照5502A說明書建議的各個校準(zhǔn)調(diào)整點，實際計算每個校準(zhǔn)點的測量不確定度，分析用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以校準(zhǔn)5502A。我們會發(fā)現(xiàn)，有很多功能，尤其是電流測量功能，8508A并不能滿足校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度要求。
1. 直流電壓校準(zhǔn)
根據(jù)5502A維護說明書，5502A直流電壓除零點外，設(shè)有八個校準(zhǔn)調(diào)整點。在各校準(zhǔn)調(diào)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(jié)果列于表1中。從表1可以看出，8508A直流電壓的性能非常優(yōu)異，在所有5502A直流電壓校準(zhǔn)調(diào)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都大于7，可以滿足校準(zhǔn)的基本要求。因此，可以用8508A的直流電壓測量功能直接校準(zhǔn)5502A的直流電壓輸出功能。
校準(zhǔn)之前，應(yīng)該先做好校準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作。首先，所有儀器都應(yīng)該開機后預(yù)熱至足夠的時間。然后，8508A和5502A都要做儀器校零，清除零點偏移對測量結(jié)果的影響。接著，就可以進行各個測試點的校準(zhǔn)工作了。當(dāng)5502A輸出 3V 以下的小電壓時，應(yīng)該使用低熱電勢測試導(dǎo)線，消除導(dǎo)線中熱電勢對測量結(jié)果引起的測量誤差，保證測量準(zhǔn)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(nèi)一般常校準(zhǔn)的0.1V, 1V, 10V, 100V和1000V測試點，它和8508A的校準(zhǔn)不確定度比率TUR仍然都大于3。但是，在生產(chǎn)廠家規(guī)定的校準(zhǔn)調(diào)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(diào)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(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)技術(shù)，更嚴(yán)格地控制校準(zhǔn)器的偏移，來滿足校準(zhǔn)的要求。
2.電阻功能校準(zhǔn)
5502A校準(zhǔn)器可以輸出連續(xù)可調(diào)電阻0-1100MΩ。根據(jù)5502A說明書，5502A交流電壓設(shè)有16個校準(zhǔn)調(diào)整點?？梢杂?508A直接校準(zhǔn)5502A的各個校準(zhǔn)調(diào)整點，可以滿足在各個校準(zhǔn)調(diào)整點上測量不確定度的要求，校準(zhǔn)不確定度比率都大于5?？梢杂?508A電阻功能直接校準(zhǔn)，滿足測量不確定度的要求。表2列出了5502A的各電阻校準(zhǔn)調(diào)整點的在校準(zhǔn)110 kW，1.1 MW，11 MW，110 MW 四個校準(zhǔn)點時，需要設(shè)置8508A的測量電流為LoI低電流模式，才能適合5502A電阻的工作電流范圍。在低電流模式時，8508A的測量不確定度會稍微增加，但是，校準(zhǔn)不確定度比率仍然都大于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(yīng)該盡量使用四線電阻的測量方法進行校準(zhǔn)。這是由于兩線電阻測量時，測試引線電阻和接觸電阻會帶來附加誤差，對于小電阻測量時，往往響較大。采用四線電阻測量方式，將電流激勵回路和測量電阻上的電壓降測量回路分開，測量到的電壓不受電流回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(zhǔn)時，應(yīng)使用屏蔽線，降低干擾，減少環(huán)境因素對測量讀數(shù)的影響。
校準(zhǔn)時，應(yīng)注意使用8508A的常規(guī)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(guī)電阻測量模式的10倍，由此可能產(chǎn)生最高達240V的順從電壓，可能會對55xxA系列校準(zhǔn)器電阻功能造成損壞。
另外，校準(zhǔn)5502A的電阻功能時，最好根據(jù)測試點數(shù)值使用8508A電阻測量功能的手動量程，避免設(shè)置在自動量程時，測量儀表在尋找合適量程的同時，校準(zhǔn)器也在尋找合適的工作電流，使得兩臺儀器不能盡快選擇到合適的量程和合適的電流范圍，而不能正常測量，長時間得不到正確的測量結(jié)果。
在校準(zhǔn)5520A和5522A電阻功能時，在 36 MΩ，110MΩ兩個校準(zhǔn)測試點，不確定度為1.7 和 2.7。不能滿足校準(zhǔn)要求。可以應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)，在校準(zhǔn)調(diào)整時，更嚴(yán)格地控制校準(zhǔn)器的偏移，來滿足校準(zhǔn)的要求。
3. 交流電壓校準(zhǔn)
根據(jù)5502A說明書，5502A交流電壓設(shè)有13個校準(zhǔn)調(diào)整點。在各個校準(zhǔn)調(diào)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(jié)果列于表3中。從表3中，可以看出，8508A交流電壓的性能在多數(shù)點上不能滿足校準(zhǔn)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(biāo)為：0.032%，而8508A年指標(biāo)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臺儀器的量程不匹配也有關(guān)系。5502A交流電壓校準(zhǔn)調(diào)整點大都是3的倍數(shù)，如：30mV，300mV，﹣3V，﹣30V，300V; 而8508A的量程都是2的倍數(shù)，如：200 mV，2V，20V，200V。校準(zhǔn)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(zhǔn)確度更高的5790A。5790A是一臺高準(zhǔn)確度的交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)，它既有熱電轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)異準(zhǔn)確度，又有數(shù)字多用表易于使用的特點，是專門用于校準(zhǔn)各種交流校準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。用5790A不僅可以校準(zhǔn)5502A和5522A, 還可以校準(zhǔn)5700A和5720A等更高精度的交流測量儀器。
在這里，我們分析用5790A校準(zhǔn)5502A多產(chǎn)品校準(zhǔn)器時的TUR。 在5502A各個交流電壓的校準(zhǔn)調(diào)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(jié)果列于表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于13。
校準(zhǔn)交流電壓時，測試導(dǎo)線可使用普通的導(dǎo)線，測試導(dǎo)線要盡可能的短，特別是在頻率較高時，要越短越好，并使用屏蔽線，以減少信號衰減，避免撿拾干擾信號。
用5790A校準(zhǔn)5520A和5522A交流電壓功能時，在所有校準(zhǔn)調(diào)整點的不確定度比率TUR都大于3，都能滿足校準(zhǔn)的要求。
4. 電流功能校準(zhǔn)
校準(zhǔn)器電流溯源問題一直是個比較困難的任務(wù)。有些人喜歡用高精度數(shù)字多用表的電流測量功能來校準(zhǔn)常用校準(zhǔn)器的電流輸出功能?？墒?，高精度數(shù)字多用表的電流測量功能是否能滿足準(zhǔn)確度要求呢?答案是否定的。數(shù)字多用表測量電流大都使用內(nèi)置分流器。當(dāng)被測電流流過分流器，在分流器上會產(chǎn)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(dāng)電流較大時，分流器上會消耗相當(dāng)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(dǎo)致分流器電阻值發(fā)生變化，測量誤差就會很大。高精度數(shù)字多用表體積有限，電流測量功能使用的內(nèi)置分流器一般都做的比較小，而且數(shù)字表內(nèi)空間有限，散熱不夠好，大電流時誤差較大?？梢哉f，一般使用內(nèi)置分流器的數(shù)字多用表的電流測量準(zhǔn)確度都不高。
如果直接用8508A數(shù)字多用表的電流量程來校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的電流功能，人們會發(fā)現(xiàn)，8508A與5502A、5522A的電流量程不匹配，5502A和5522A校準(zhǔn)器的電流輸出的準(zhǔn)確度比較高。而8508A雖然是數(shù)字多用表中的最優(yōu)，測量準(zhǔn)確度仍然無法滿足校準(zhǔn)的要求，在很多校準(zhǔn)調(diào)整點上不確定度比率都小于3。即使是校準(zhǔn)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(zhǔn)5502A直流電流時，在各個校準(zhǔn)調(diào)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(shù)測量點上，也就是30mA以上的所有校準(zhǔn)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)分流器。用A40B與8508A配用，可以大大提高電流測量準(zhǔn)確度。用8508A+A40B作為電流測量標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)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(zhǔn)調(diào)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，并用此作為總不確定度，計算結(jié)果列于表5中。從表5可以看出，根據(jù)各個校準(zhǔn)調(diào)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至少大于5.3。
A40B配合5790A交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn)更好的性能，不僅可以校準(zhǔn)5502A，5522A的交流電流，也可以校準(zhǔn)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(zhǔn)調(diào)整點較多，表6 中列出了5502A交流電流的主要校準(zhǔn)調(diào)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，并用此作為總不確定度，計算結(jié)果列于表6中?？梢钥闯?，校準(zhǔn)實現(xiàn)的的TUR非常優(yōu)異，所有的校準(zhǔn)調(diào)整點的TUR至少大于8.6。
由于5502A和5520A, 5522A的交直流電流功能輸出范圍，性能指標(biāo)都完全一樣，所以，關(guān)于5502A多產(chǎn)品校準(zhǔn)器交直流電流功能的校準(zhǔn)的分析，都完全適用于5520A，5522A多產(chǎn)品校準(zhǔn)器。
四、 結(jié)束語
任何一個規(guī)范的校準(zhǔn)任務(wù)，滿足測量不確定度的要求是最基本的要求。它表征了本次測量的質(zhì)量，也表征了測量結(jié)果的可信度。能否在各項校準(zhǔn)工作中滿足測量不確定度的要求是考察一個校準(zhǔn)實驗室能力的重要指標(biāo)。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(chǎn)品校準(zhǔn)器的規(guī)范的校準(zhǔn)工作，需要用多個標(biāo)準(zhǔn)器來完成。本文僅對多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的交直流電壓、交直流電流和電阻五項主要功能的校準(zhǔn)工作進行了討論分析。要完成這五項功能，需要8508A高精度數(shù)字多用表，A40B精密分流器和5790A交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn);在直流電壓和電阻幾個校準(zhǔn)調(diào)整點，還需要直流分壓器或者應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)技術(shù)。如果還要校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的頻率準(zhǔn)確度，需要一臺高精度頻率計;要校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的溫度功能，需要一支標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，都必須滿足測量不確定度的要求。
五、 參考文獻
1. 5522A Multi-Product Calibrator Service Manual, May 2012, Fluke Corporation
2. 5502A Multi-Product Calibrator Operators Manual, June 2012, Fluke Corporation
3. 5520A Multi-Product Calibrator Service Manual, April 1999, Fluke Corporation
4. 5500A Multi-Product Calibrator Operators Manual, August 1995, Fluke Corporation
5.《測量不確定度的要求》， CNAS-CL07:2011，中國國家實驗室認(rèn)可委員會
福祿克公司(FLUKE)
福祿克公司成立于1948年，是世界電子測試工具的佼佼者，多年來，創(chuàng)造和發(fā)展了一個特定的技術(shù)市場，為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了優(yōu)質(zhì)的測量和檢測故障產(chǎn)品。福祿克的用戶涵蓋面廣，包括技術(shù)人員、工程師、計量人員等等，他們利用福祿克的測試工具進行工業(yè)用電、電器設(shè)備和過程校準(zhǔn)的安裝、故障診斷和管理，并以此控制質(zhì)量。在過去的五年中，福祿克的測試工具屢獲殊榮，贏得了《測試與測量世界》最佳測試工具獎、《控制工程》工程師選擇獎等50多個年度產(chǎn)品獎項，備受用戶贊譽。
福祿克公司計量校準(zhǔn)部 (Fluke Calibration) 是精密校準(zhǔn)儀器和軟件的領(lǐng)導(dǎo)者，產(chǎn)品覆蓋電氣、溫度、壓力、流量和射頻儀器。福祿克公司計量校準(zhǔn)部的校準(zhǔn)產(chǎn)品廣泛用于全球范圍內(nèi)的校準(zhǔn)機構(gòu)，包括需要最高性能和可靠性的國家計量院，提供最新科技成果的計量技術(shù)和堅定支持。校準(zhǔn)產(chǎn)品深受質(zhì)量工程師、校準(zhǔn)技術(shù)人員和計量專家的信賴，使其對保證質(zhì)量、安全、可靠性和費用的測量充滿信心。
（轉(zhuǎn)載）
