一種數字多用表標準裝置建標方案及不確定度評定

楊子鍔 程昊 陳龍

沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110015

引言

數字多用表和多功能標準源具有測量和輸出直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流和電阻等功能，廣泛應用在各個領域的測試工作中。電壓、電流、電阻是電磁學計量的基礎參數，為保障量值傳遞準確可靠，需建立數字多用表標準裝置來校準數字多用表及多功能標準源。本文提供了一種數字多用表標準裝置建標方案并描述了計量標準的測量不確定度具體評定過程及其驗證方法。

2 建標方案

2.1 計量標準裝置的組成

計量標準裝置一般由多功能標準源和數字多用表組成。本文選取美國FLUKE公司生產的型號為5700A的多功能標準源以及型號為8508A的數字多用表作為主標準器。

2.2 計量標準裝置的工作原理

根據JJF1587-2016《數字多用表校準規范》，采用標準源法對數字多用表進行校準[1]。以多功能標準源校準數字多用表的直流電壓功能為例，校準示意圖見圖1。

圖1 采用標準源校準直流電壓示意圖

根據1638-2017《多功能標準源校準規范》采用標準表法對多功能標準源進行校準[2]。以數字多用表校準多功能標準源直流電壓功能為例，校準示意圖見圖2。

圖2 采用標準表校準直流電壓示意圖

2.3 環境條件

按照JJF1587-2016《數字多用表校準規范》和1638-2017《多功能標準源校準規范》中的環境條件要求，對比分析實驗室實際情況，結果滿足要求，見表1。

表1 環境條件

3 計量標準器具不確定度評定

在計量標準器具的各項功能的不確定度評定過程中，由于多功能標準源和數字多用表的技術指標具有按量程分段的特性，所以在評定時一般以各功能典型點為例說明不確定度評定的具體過程，然后按主標準器的量程劃分，給出各量程下的測量不確定度范圍，再匯總使用列表的形式給出各功能各量程的測量不確定度范圍[3-4]。即用典型值舉例，再列表給出結果范圍。

下面以多功能標準源校準數字多用表直流電壓功能為例，介紹測量不確定度評定的具體過程。直流電流、電阻、交流電壓、交流電流功能評定過程類似，不再贅述。

3.1 測量方法

依據JJF1587-2016《數字多用表校準規范》中標準源法，使用多功能標準源5700A輸出標準信號，對數字多用表直流電壓功能10V點進行校準。

3.2 數學模型

式中：

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3.3 標準不確定度評定

3.3.1 測量重復性引入的標準不確定度評定u1。在重復性條件下，多功能標準源5700A輸出直流電壓10V，讀取10次數字多用表示值，數據見表2。

表2 重復性測量數據

測量結果的平均值為：

單次測量結果的實驗標準偏差為：

則：

3.3.2 多功能源引入的標準不確定度分量u2。多功能標準源5700A經上級計量機構校準，結果滿意。5700A使用說用書中95%置信概率年技術指標給出在10V點的擴展不確定度為：

則：

3.3.3 被測數字表分辨力引入的不確定度分量u3。被測數字表在直流電壓10V點的分辨力為1×10-6V，其區間半寬度a=5×10-7V，在區間內服從均勻分布，包含因子則：

3.3.4 各標準不確定度分量匯總。

表3 各標準不確定度分量匯總表

續表

3.4 合成標準不確定度

考慮到被測數字表讀數的重復性和分辨力存在重復，在合成標準不確定度時將二者中較小值舍去，則：

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則多功能標準源直流電壓10V校準點的擴展不確定度為：

相對擴展不確定度為：

3.6 其他校準點

直流電壓其他校準點不確定度的分析方法和計算過程與此類似，結果列表見表4。

表4 直流電壓各量程不確定度評定結果

3.7 計量標準不確定度的驗證

數字多用表標準裝置不確定度的驗證采用傳遞比較法。

用數字多用表標準裝置校準一臺34461A型數字多用表得到各功能典型點測量值y及其測量不確定度U[5]。將34461A型數字多用表送上級計量技術機構校準，得到各功能典型點校準結果y0及其測量不確定度U0，應滿足：，數據見表5。

表5 數字多用表標準裝置不確定度驗證

由表5可知，直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流和電阻各功能均滿足要求，本裝置通過驗證，可以開展相應級別的數字多用表及多功能標準源的校準工作。

4 結束語

本文介紹了數字多用表標準裝置的組成和工作原理，以直流電壓功能為例重點介紹了標準裝置不確定度評定的具體過程，將各功能各量程的測量不確定度范圍匯總列表，并采用傳遞比較法驗證標準裝置的測量不確定度評定結果，對建立數字多用表標準裝置有一定的參考意義。