時鐘測試儀測量不確定度評定方法

蘭駿 柳州市計量技術測試研究所 廣西柳州 545006

前言

時鐘測試儀主要是用于檢定具有內部時鐘電路的電子式電能表的日計時誤差等計量性能是否符合檢定規程要求的計量儀器.其一般都能快速的測量電子式電能表內部的時鐘信號,并能顯示所測電能表秒脈沖日計時誤差和頻率誤差等功能.因此時鐘測試儀被廣泛的應用于電能表的生產企業和相關的電能表計量檢定機構.

1、時鐘測試儀的校準項目

依據JJF1662-2017《時鐘測試儀校準規范》的要求對時鐘測試儀主要是校準其日計時誤差、頻率測量誤差、頻率輸出信號、時鐘時刻誤差等四個技術指標.每個時鐘測試儀生產廠家所生產的時鐘測試儀功能有可能各不一樣,但是不管生產廠家如何不同,基本上每臺時鐘測試儀都具有頻率測量功能和頻率輸出功能.本文主要介紹時鐘測試儀的頻率輸出信號(即相對平均頻率偏差)的測量不確定度評定方法.

圖1 相對平均頻率偏差測量示意圖

時鐘測試儀經其使用說明書規定預熱時間后,將其輸出信號加到通用計數器頻率測量端口,同時將通用計數器的閘門時間設置為10s,連續測量三次,取其算數平均值為測量結果.

2、校準時鐘測試儀的標準器

依據JJF1662-2017《時鐘測試儀校準規范》的要求,校準時鐘測試儀的主要儀器有:參考頻標、通用計數器、函數發生器、參考時鐘.本次校準時鐘測試儀輸出頻率偏差,只用到參考頻標和通用計數器.

3、時鐘測試儀輸出頻率偏差測量不確定度評定

3.1 數學評定模型

(σ-相對平均頻率偏差;f'0-被校頻率輸出標稱值,Hz;fx-被校頻率在τ內的平均測量值,Hz.)

3.2 不確定度來源

3.2.1 被校頻率輸出標稱值測量重復性引入的標準不確定度分量u(fx)

3.2.2 由參考頻標和通用計數器引入的標準不確定度分量u(f'0)

3.3 標準不確定度分量的評定

對一臺時鐘測試儀的標稱輸出頻率,采用直接比較法進行校準.

3.3.1 被校頻率輸出標稱值測量重復性引入的標準不確定度分量u(xf )u ( fx)標準不確定度分量主要來源于被測時鐘測試儀頻率輸出的重復性,可以通過對其進行多次的連續測量,從而得到測量列.采用A類評定方法進行評定.

對一臺時鐘測試儀輸出的100kHz頻率信號,進行10次連續測量,選擇通用計數器的閘門時間為10s,得到測量列:

次數 1 2 3 4 5實際值(kHz)100.000 00043 100. 000 00045 100. 000 00044 100. 000 00043 100. 000 00049平均值(kHz) 100.000 00046 100. 000 00053次數 6 7 8 9 10實際值(kHz)100. 000 00052 100. 000 00042 100. 000 00043 100. 000 00047

通用計數器的顯示分辨力所引入的標準不確定度小于測量重復性引入的標準不確定度,因此只取測量重復性引入的標準不確定度 u ( fx).

3.3.2 由參考頻標和通用計數器引入的標準不確定度分量 u (f0')u ( f0')不確定度分量主要來源于參考頻標或通用計數器內置時基的頻率偏差.根據校準規范對標準器的技術指標要求可以得知:"參考頻標的頻率穩定度應優于被校時鐘測試儀頻率穩定度的三分之一,其他計量性能指標如開機特性、頻率偏差等應優于被校相應技術指標一個數量級.同樣對于通用計數器如果采用其內置時基時,其頻率偏差應優于被校頻率偏差一個數量級."

根據校準規范可知被校時鐘測試儀的相對平均頻率偏差應優于±2X10-7,因此可知通用計數器內置時基或參考頻標的頻率偏差至少應該滿足≤2X10-8.按均勻分布,取包含因子k =,

4、合成標準不確定度為

各標準不確定度表:

標準不確定度 ()xi 標準不確定度分量 iu不確定度來源分布符號 數值(kHz) 符號 數值(kHz)u 靈敏系數Ci被校頻率輸出標稱值引入 )(xfu 2.3X10-8 1 1u 2.3X10-8 正態參考頻標和通用計數器引入 )(0'f u 1.2X10-6 -1 2u 1.2X10-6 均勻

合成標準不確定度:

5、相對擴展不確定度:取k = 2

在評定時鐘測試儀的輸出平均頻率偏差測量不確定度時,我們需要注意,雖然時鐘測試儀對于校準環境溫度條件的要求比較寬.環境溫度在(15~30)℃范圍內就可以,但是對于具有高精度內置石英晶體振蕩器的電子測量設備其校準過程中對實驗室環境溫度變化都有要求.在校準過程中環境溫度變化不能超過±2℃,且在校準過程中實驗室溫度不能有突變.