電學(xué)計(jì)量檢定及測量系統(tǒng)誤差因素的相關(guān)研究

王 鵬

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300000）

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活越來越離不開電能資源。電學(xué)計(jì)量工作的發(fā)展水平直接影響我國電力領(lǐng)域科研水平，電學(xué)計(jì)量儀器精準(zhǔn)度與結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)乎企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)品的質(zhì)量，所以加強(qiáng)電學(xué)計(jì)量儀器檢測與檢定，是我國電力領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的保障。在電學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)造成的誤差都是恒定的，檢定、測量工作人員可以通過提高自身分析能力，掌握系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律，在之后的工作中盡量降低誤差對測量結(jié)果的影響。所以加強(qiáng)對電學(xué)計(jì)量檢定及測量系統(tǒng)誤差因素進(jìn)行相關(guān)研究，對確保檢定、測量結(jié)果精準(zhǔn)度具有重要作用。

1 電學(xué)計(jì)量檢定與測量概述

1.1 電學(xué)計(jì)量檢定的應(yīng)用

電學(xué)計(jì)量的檢定應(yīng)用主要包含3 個方面，即為檢測設(shè)備的選擇、實(shí)際檢定、誤差分析。第一步，檢測設(shè)備選擇，在進(jìn)行電氣設(shè)備檢定工作中，一般要根據(jù)電氣設(shè)備的實(shí)際狀況，采取針對性的檢測儀器進(jìn)行檢測。但是目前隨著科技的發(fā)展，通用型檢測設(shè)備加大了推廣應(yīng)用，能夠?qū)Χ喾N電氣設(shè)備進(jìn)行檢測工作，并且檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度也更為準(zhǔn)確，同時也減少檢測成本。所以要根據(jù)實(shí)際情況，在情況允許的前提下，選擇合適的檢測儀器[1]。一般情況下，通用性檢測儀器是由數(shù)字萬用表、接口總線、標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電源等組成，主要是借助計(jì)算機(jī)軟件開展檢測工作；第二步，實(shí)際檢定過程，因?yàn)樵跈z定儀器的選擇上存在不同，所以在實(shí)際檢定過程中的儀器應(yīng)用方法也是不同的，該文以通用性設(shè)備為例進(jìn)行闡述。通用性設(shè)備的工作原理是將標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)性參與輸入到數(shù)字萬用表中，然后對照結(jié)果判斷檢測目標(biāo)的準(zhǔn)確性。該階段的檢測結(jié)果不易人工讀取，所以需要計(jì)算機(jī)輔助讀??；并通過計(jì)算機(jī)軟件接通總線口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作，在進(jìn)行對比分析；第三步，誤差分析，通過第二步的處理，可以知曉當(dāng)前電氣設(shè)備的狀況，但是由于電學(xué)計(jì)量工作存在不可避免的誤差與影響因素，所以針對檢查結(jié)果的精確度也要進(jìn)行誤差分析。電學(xué)計(jì)量的誤差主要可以分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差2類。系統(tǒng)誤差存在恒定特征，大部分誤差都具有系統(tǒng)性，具有一定的規(guī)律性，所以檢定工作人員只要掌握其中規(guī)律，就能夠最大限度減少誤差。而隨機(jī)誤差的產(chǎn)生并沒有規(guī)律性，其存在的一切參數(shù)表現(xiàn)都是隨機(jī)發(fā)生的，無法通過找規(guī)律的方法進(jìn)行判斷，所以針對隨機(jī)誤差只能夠針對當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行故障排除，尋找出故障的位置與原因，確保電學(xué)計(jì)量的精準(zhǔn)度[2]。

1.2 不確定度評定方法

不確定度評定方法是當(dāng)前消除測量無誤差的國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過國際不確定組反復(fù)修改，1993 年制定了《測量不確定度表示指南》。我國在1996 年根據(jù)本國實(shí)際狀況，制定了《測量不確定度規(guī)范》。1999 年我國相關(guān)部門頒布基本等同于采用《測量不確定度表示指南》的國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《測量不確定度評定與表示》。并對測量數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行明確規(guī)定[3]。測量方程及數(shù)據(jù)見表 1， 測量結(jié)果不確定報告見表 2。

表1 測量方程及數(shù)據(jù)

表2 測量結(jié)果不確定報告

1.3 電學(xué)計(jì)量檢定與測量概重要性

隨著電力設(shè)備應(yīng)用范圍的逐漸廣泛，電力作為電力設(shè)備最為合適的節(jié)能能源，是無法取代的。所以加大電學(xué)計(jì)量檢定方式對設(shè)備進(jìn)行檢定工作十分必要。尤其是隨著電力設(shè)備應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，加大電力設(shè)備檢測，對于解決測量誤差具有十分重要的意義[4]。在電學(xué)計(jì)量檢定與測量工作中，系統(tǒng)誤差是不可避免的，其具有一定的變化規(guī)律，所以在開展工作過程中，工作人員可以根據(jù)其規(guī)律，通過操作避免誤差。隱蔽性誤差是不容易被發(fā)現(xiàn)的誤差，其對電力設(shè)備檢測工作的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。所以加大檢測設(shè)備的精準(zhǔn)度、規(guī)避系統(tǒng)誤差、減少隱蔽誤差對提高企業(yè)電力成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

2 電學(xué)計(jì)量檢定及測量系統(tǒng)誤差因素分析

2.1 檢測儀器因素

進(jìn)行電學(xué)計(jì)量檢定與測量工作時，所選用的工具主要是測量儀器，測量儀器的選用一般都是由生產(chǎn)廠方根據(jù)有需求廠房的實(shí)際應(yīng)用，按照不同規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)，造成誤差的產(chǎn)生，導(dǎo)致電學(xué)計(jì)量檢定以及測量工作中存在精準(zhǔn)度不同的狀況。同時在測量過程中還存在一定的系統(tǒng)誤差，影響測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。對于檢測設(shè)備的影響主要分為2 種：一種是儀器的影響，一種是測量裝置的影響。首先測量儀器的影響。儀器作為檢定重要檢測設(shè)備，屬于高精度設(shè)備范疇。高精密儀器在正常運(yùn)行過程中很少出現(xiàn)問題，所以影響高精度儀器精準(zhǔn)度主要是外部因素的影響。例如高精度儀器的檢驗(yàn)精準(zhǔn)度都有一定的期限，稱為有效期。所以在正常狀況下，都會在高精度儀器的有效期內(nèi)進(jìn)行檢定，以保證儀器的精準(zhǔn)度，一旦超過檢定期限，高精度儀器就會出現(xiàn)一系列的系統(tǒng)誤差[5]。測量裝置的影響主要是量具的影響，量具的影響因素主要有：第一，標(biāo)準(zhǔn)量具誤差，電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)級別，其自身的系統(tǒng)誤差是在量具的生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的，所以應(yīng)該根據(jù)相關(guān)檢定的規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)，加大對量具的檢定工作，尤其是針對超出有效期內(nèi)的量具，更要加大檢定工作，檢定完量具之后，還要針對系統(tǒng)重新進(jìn)行誤差確定。第二，儀器儀表顯示特性，即為當(dāng)儀器顯示的有效位數(shù)不完整、不夠時，平衡指示器的讀數(shù)機(jī)構(gòu)不夠完善、指針式儀表的刻度不均衡或是指針不接近滿刻度等，都會造成系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，影響檢定結(jié)果的精準(zhǔn)度；第三，不完全平衡測量中指示儀表的影響，該方法主要是針對差值法的測量，指示儀表的示指誤差問題的產(chǎn)生，也會直接影響被測值得準(zhǔn)確性；第四，數(shù)字儀表間隔采樣的影響，數(shù)字儀表間隔采樣后出現(xiàn)被測值、數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，這期間也會漏掉被測量波動的信息采樣，影響檢定結(jié)果的精準(zhǔn)度；第五，導(dǎo)線電阻和線路接點(diǎn)的影響，在進(jìn)行電力檢測過程中，測量線路要先后通過開關(guān)、接線柱、各個節(jié)點(diǎn)以及導(dǎo)線等，這些設(shè)備本身就具有微小電阻，雖然在電學(xué)檢測過程中，這些微小電阻可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)對結(jié)果準(zhǔn)確性要求較高時，還是會給檢定結(jié)果帶來一定影響；第六，開關(guān)變差因素的影響，在電學(xué)檢定工作中，轉(zhuǎn)換開關(guān)是檢定儀器中的常見部件，由于轉(zhuǎn)換開關(guān)中的電阻處于動態(tài)變化的狀態(tài)，在轉(zhuǎn)換過程中，其電阻也會發(fā)生變化，造成系統(tǒng)誤差。

其次裝置元件的影響，主要表現(xiàn)在儀器的穩(wěn)定性與靈敏度上。其中穩(wěn)定性是指元件在儀器正常運(yùn)行過程中是否能夠保證工作能效，影響元件能效的因素主要包括了元件的老化、電能供給繼續(xù)因素等[6]。元件的靈敏度是指裝置與電氣設(shè)備在連接起來之后，元件能否接收到電氣設(shè)備的所有電壓和電流，如果能夠全部接收則說明具有很好的靈敏度，如果不能能夠全部接收則說明靈敏度不高，造成檢定工作誤差的產(chǎn)生。靈敏性是衡量計(jì)量方法的重要指標(biāo)，在電學(xué)計(jì)量檢定過程中，計(jì)量設(shè)備的靈敏度越高，則計(jì)量檢定的結(jié)果精準(zhǔn)度就越高，所以在選擇設(shè)備裝置時，要盡力選擇靈敏性能良好的裝置。

2.2 電氣設(shè)備的因素

電氣設(shè)備作為被檢測目標(biāo)，其工作的狀態(tài)也會影響電學(xué)計(jì)量檢測工作的精準(zhǔn)度，一般來說電氣設(shè)備對電學(xué)計(jì)量工作的影響主要是由于電氣設(shè)備在工作時所產(chǎn)生的振動。針對電氣設(shè)備的檢測需要在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中開展實(shí)施，但是大部分電氣設(shè)施在運(yùn)作過程中都會產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動，當(dāng)振動頻率過大或是振幅過大時，就很容易導(dǎo)致電氣自身設(shè)備中的元件出現(xiàn)移位的狀況，影響檢定結(jié)果的精準(zhǔn)度。同時電氣設(shè)備規(guī)律性的振動還會造成電容極板之間的間隙出現(xiàn)擴(kuò)大問題，導(dǎo)致電氣設(shè)備的容量不穩(wěn)定，對于電壓和電流都會產(chǎn)生一定的影響。

2.3 環(huán)境因素的影響

外部環(huán)境對于電路測量來說也存在一定影響。外部環(huán)境因素主要包含電路環(huán)境、磁場環(huán)境、空氣中的水分、大氣壓等等。具體表現(xiàn)為在實(shí)際的電學(xué)計(jì)量檢定過程中，需要電路之間連接使用的，但是電路與電路之間的連接中間需要使用到絕緣體，這會就在兩者絕緣體之間產(chǎn)生電容，電路會將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橥?，雖然這種現(xiàn)象屬于正常現(xiàn)象，但是卻很容易導(dǎo)致電路出現(xiàn)漏電的問題，不僅影響測量儀表讀數(shù)，同時也帶來一定安全隱患。磁場一般產(chǎn)生于電路周圍，對測量結(jié)果有一定的影響。尤其是在外磁場較強(qiáng)的情況下，磁場會對檢測設(shè)備、電氣設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果精準(zhǔn)度的下降。所以再進(jìn)行測量工作開展時，要加大對元件磁場的重視，磁場的產(chǎn)生主要是由電路中的每個線圈形成。同時進(jìn)行檢定與測量工作中，也要重視水分、氣壓、電力環(huán)境的影響，眾所周知，空氣中含有水分，水具有導(dǎo)電性，所以在進(jìn)行測量時，空氣中的水分的變動也會導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差，例如在陰雨天氣進(jìn)行測量，空氣中的水分增多，導(dǎo)致絕緣體受到的電阻變小，部分高阻器件更容易受到大氣壓、空氣濕度、溫度的影響，改變空氣中電容器的容量，影響電學(xué)檢定與測量的結(jié)果[7]。過大的氣壓會導(dǎo)致設(shè)備的線圈骨架出現(xiàn)變形的問題，導(dǎo)致檢定儀器電阻數(shù)值出現(xiàn)誤差，影響檢定結(jié)果的精準(zhǔn)度。

2.4 電源因素的影響

電路的測量需要儀器在通電的狀態(tài)下運(yùn)行，所以在針對頻率測量的過程中，由于儀器在通電狀態(tài)下會產(chǎn)生電網(wǎng)頻率，所以會對2 種頻率會產(chǎn)生一定影響，影響測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。例如在電壓不穩(wěn)的狀態(tài)下，電路頻率波動會變大，變大之后的頻率就會對檢測結(jié)果造成一定的影響。同時在直流電通到電路中時，會進(jìn)行濾波操作，在這過程中，如果處理不當(dāng)就會出現(xiàn)直流電中存在交流電的狀態(tài)，影響測量結(jié)果精準(zhǔn)度，出現(xiàn)一定誤差[8]。同時在測量過程中，一般都會設(shè)定電壓值，如果電壓值設(shè)置的不合理，并且交流電路中的靈敏度大于該數(shù)值時，就會出現(xiàn)較大誤差。由此可見電流、電壓的平穩(wěn)度對于測量結(jié)果有很大的影響。

針對不同電子儀器所采用的電源線不同，有的采用兩線的電源線，有的采用三線的電源線，連接的方式也是不同的。當(dāng)采用三線電源線的時候，電子儀器的底座、面板、機(jī)架與插座中大地線相連，保證電子儀器的機(jī)殼保持大地電位，如果兩線電源線或是三線電源線未與大地相連，那么儀器機(jī)殼是浮置的。電源變壓器的初級繞組兩端分別與市電電源以及中線相連，變壓器要安裝在底座或是機(jī)架上，并將鐵芯接到機(jī)殼上，然后將電源變壓器的屏蔽層也要與機(jī)殼相連。這時初級繞組接通市電的時候，變壓器的鐵芯與屏蔽層就都會受到帶電初級繞組的感應(yīng)，進(jìn)而使機(jī)殼產(chǎn)生對地的交流電壓，即為機(jī)殼電位。這時候的電壓最高可達(dá)上百伏，雖然人體接觸之后沒有危險，但是會給電路帶來一定的干擾，繼而影響測量結(jié)果，增加了誤差的產(chǎn)生，所以為了避免機(jī)殼電位對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，在進(jìn)行測試線時一定要將各線連接正確，保持連接線之后進(jìn)行檢查的習(xí)慣，檢查無誤之后開機(jī)，在這個過程中要切實(shí)保證測試線連接的牢固性，避免出現(xiàn)松動問題。

3 針對電學(xué)計(jì)量檢定與測量系統(tǒng)誤差的有效控制途徑

3.1 加強(qiáng)對電學(xué)性能的檢測

加強(qiáng)電學(xué)性能檢測工作，是減少電學(xué)計(jì)量誤差幾率的重要手段。當(dāng)前針對電學(xué)性能的檢測方法主要包含直接觀察與通電試驗(yàn)2 種，在實(shí)際的工作中，無論是哪種方法，都需要操作人員具有一定的技能水平，對電學(xué)運(yùn)行狀況進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。首先，針對測量儀器儀表進(jìn)行校正，針對精準(zhǔn)度要求高的儀器儀表進(jìn)行測量時，要采用修正值的方式進(jìn)行修正。在針對常用測量儀器的儀表進(jìn)行檢測時，測出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)度尺的每個刻度的絕對誤差，然后通過列表格、做曲線的方式進(jìn)行記錄。常見儀表的實(shí)際值可以通過儀表上的示值和該示值的修正值得出，這種方法可以最大限度地消除由于系統(tǒng)導(dǎo)致的誤差。其次，針對儀器的不同，應(yīng)該選擇正確的測量方法與測量儀器，確保測量儀器能夠在規(guī)定的條件、環(huán)境下運(yùn)行，以減少由于外部因素帶來的影響。在實(shí)際的測量工作中，應(yīng)根據(jù)測量儀表的不同，采用不同的測量方法（正負(fù)誤差補(bǔ)償法、等值替代法、換位消除法等），以達(dá)到減少誤差的目的。例如在使用電流表測量電流的時候，考慮到外磁場對電流表的影響，可以將電流表的位置轉(zhuǎn)動180°，進(jìn)行2 次測量，然后讀取2 次測量的平均值，作為測試結(jié)果。通過這種方法，有效消除外磁場測量結(jié)果的影響，以保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.2 調(diào)整電學(xué)相關(guān)參數(shù)

電學(xué)計(jì)量測試過程中涉及到眾多的參數(shù)，如果不能夠確保這些參數(shù)的準(zhǔn)確度，那么將直接影響到最終的測量結(jié)果，進(jìn)而造成計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。所以在進(jìn)行電學(xué)計(jì)量工作時，可以采取降低電學(xué)負(fù)荷點(diǎn)出現(xiàn)概率的方式，來降低參數(shù)誤差。同時確保電學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性，減少二次回路引起的誤差。在進(jìn)行電學(xué)計(jì)量檢定時，為了保證測定結(jié)果數(shù)據(jù)的精確度，通常會多次測量一個時刻的數(shù)據(jù)，所以要保證電路狀態(tài)的穩(wěn)定性，確保多個數(shù)據(jù)同時刻的意義，保證電壓的穩(wěn)定性，減少誤差的產(chǎn)生。

3.3 優(yōu)化配置

通過選擇合適的元件配件，最大限度地促進(jìn)電學(xué)各元件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，從而降低整體誤差指數(shù)，達(dá)到補(bǔ)償途徑誤差的目的。同時電學(xué)計(jì)量配置的優(yōu)化還包含電學(xué)互感器、電學(xué)之間的性能、型號等是否匹配等。所以只有確保電學(xué)各元件的質(zhì)量和匹配性，才能夠切實(shí)保證電學(xué)整體計(jì)量的準(zhǔn)確性。除此之外還應(yīng)加大電學(xué)計(jì)量企業(yè)的檢定與維修工作，確保計(jì)量檢定儀器的有效性。一旦檢查出不合格、老化、磨損嚴(yán)重的元件，堅(jiān)決進(jìn)行處理更換。這個過程中要加大辦理相關(guān)手續(xù)的管理力度，針對更換的元件進(jìn)行重新計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，確保量值傳遞的統(tǒng)一，確保計(jì)量檢定數(shù)據(jù)的精度。落實(shí)環(huán)境條件及設(shè)施管理制度，符合有關(guān)人身健康、操作安全和環(huán)境保護(hù)的要求，確保試驗(yàn)室的設(shè)施和環(huán)境條件適合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的保存和使用。比如環(huán)境溫度：采用20℃為測量標(biāo)準(zhǔn)溫度，偏差要求±5℃；相對濕度：相對濕度宜保持在55%以下。在有儀器玻璃、塑料罩、局部使用干燥劑、空調(diào)柜等條件下，計(jì)量室內(nèi)的最大相對濕度不應(yīng)超過75%。同時將不相容活動的相鄰區(qū)域進(jìn)行有效隔離，防止相互影響，滿足開展計(jì)量檢定或校準(zhǔn)項(xiàng)目的計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

電學(xué)計(jì)量檢定與測量對于電氣設(shè)備安全生產(chǎn)、正常工作具有重要意義。該文主要針對電學(xué)計(jì)量檢定與測量時存在的誤差因素進(jìn)行相關(guān)研究，首先提出電學(xué)計(jì)量檢定與測量的理論知識，闡述相關(guān)概念以及評定方法。并針對電學(xué)計(jì)量檢定與測定中存在的誤差進(jìn)行分析，造成誤差的因素主要包含檢定儀器的因素、人為操作過程中的因素、外部環(huán)境的因素以及電源的影響因素等。最后針對影響因素提出策略，提高工作人員責(zé)任心，培育綜合能力強(qiáng)的操作人員，減少不可避免因素對工作人員的影響，同時減少外部環(huán)境造成的影響，促進(jìn)我國企業(yè)電學(xué)計(jì)量檢定、測量工作的發(fā)展。進(jìn)而提高我國電學(xué)計(jì)量的檢定與測量精準(zhǔn)度操作水平，確保我國電力事業(yè)持續(xù)發(fā)展。