降低數(shù)字多用表檢定誤差的技術(shù)方法研究

張麗梅 王武華

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)96分隊(duì)，湛江 524022)

0 引言

目前檢定(校準(zhǔn))數(shù)字多用表的標(biāo)準(zhǔn)器大多使用FLUKE公司的5000系列以及WAVETEK公司的9000系列多功能校準(zhǔn)儀。采用多功能校準(zhǔn)儀之后，數(shù)字多用表的檢定工作已經(jīng)變得不再復(fù)雜，但是在檢定數(shù)字多用表的過程當(dāng)中，仍然存在一些很容易被忽略的因素，這些因素可能會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，產(chǎn)生不必要的測(cè)量誤差。測(cè)量中應(yīng)該盡量避免這些主觀或者客觀的因素，這樣可以大大提高檢定(校準(zhǔn))質(zhì)量，確保量值準(zhǔn)確一致。

1 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的控制

1.1 環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的影響

環(huán)境的變化特別是溫度的變化會(huì)影響多數(shù)電子儀器的準(zhǔn)確度。一臺(tái)儀器最常見的誤差來源是它的校準(zhǔn)情況的變化，即在受控的實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行校準(zhǔn)，然后在不同的工作環(huán)境下使用。因此，在數(shù)字多用表的檢定(校準(zhǔn))過程中，要嚴(yán)格按照檢定規(guī)程中規(guī)定的環(huán)境要求進(jìn)行檢定。例如嚴(yán)格控制溫濕度、振動(dòng)、噪聲等。

1.2 測(cè)試電纜的影響

電纜的要求取決于輸出功率、幅值和頻率。測(cè)量中使用不適當(dāng)?shù)臏y(cè)試電纜會(huì)引入誤差：在小電壓測(cè)量時(shí)，電纜的材料和校準(zhǔn)器的接線柱材料間產(chǎn)生很大的熱電動(dòng)勢(shì)會(huì)造成誤差；而在大電流測(cè)量時(shí)過大的線阻也會(huì)造成誤差甚至導(dǎo)致無法測(cè)量，如使用多功能校準(zhǔn)儀9100測(cè)量數(shù)字萬用表15B的大電流時(shí)，校準(zhǔn)儀首先判斷與被測(cè)件是否形成回路然后再測(cè)量，如果使用線阻過大的測(cè)試線，校準(zhǔn)儀會(huì)判斷為斷路，導(dǎo)致15B的4A、10A量程無法進(jìn)行測(cè)量。

為避免由熱電勢(shì)以及線阻引起的誤差，應(yīng)當(dāng)使用由銅或其它與銅相接時(shí)產(chǎn)生很小熱電勢(shì)及很小線阻的材料制成的連接器和導(dǎo)線。測(cè)試電纜應(yīng)當(dāng)是屏蔽的并且屏蔽層連接到校準(zhǔn)器的保護(hù)端，以減少靜電場(chǎng)的影響，最好使用標(biāo)準(zhǔn)源配備的標(biāo)準(zhǔn)電纜。

1.3 分布電容的影響

交流電流測(cè)量中分布電容能帶來很大的測(cè)量誤差，一般分布電容存在于較長(zhǎng)的測(cè)試電纜和電流回路連接中，尤其是在測(cè)量小電流的時(shí)候誤差更為嚴(yán)重。解決的方法是用有源的方式來驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，通過消除信號(hào)源電纜和它的保護(hù)之間的電位差，使用三重同軸電纜不但可以消除電纜電容，還可以消除回路及內(nèi)導(dǎo)體和外層屏蔽間的電容。

1.4 有效的采用保護(hù)、接地和隔離

要實(shí)施保護(hù)端連接，以便減小雜散的地電流的影響；在被檢儀表的某些量程中，接地狀況對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很大，因此地線在儀表測(cè)量中對(duì)正確的測(cè)量結(jié)果起著很重要的作用，不能采用三相交流電中的接地線作為儀器的地線，因此實(shí)驗(yàn)室應(yīng)做好嚴(yán)格的接地，標(biāo)準(zhǔn)源和被檢表都應(yīng)選擇最好的接地點(diǎn)，以便降低噪聲，獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。良好的接地還能保證儀器免受外部電磁干擾，避免儀器電磁干擾泄露，保證檢定人員的安全。

2 對(duì)檢定(校準(zhǔn))過程的控制

2.1 儀器設(shè)備預(yù)熱

標(biāo)準(zhǔn)源和被測(cè)件均必需進(jìn)行預(yù)熱，使得儀器內(nèi)部受環(huán)境影響的部件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。一般情況下，若要標(biāo)準(zhǔn)源達(dá)到所有技術(shù)指標(biāo)，必須預(yù)熱30分鐘或兩倍的停機(jī)時(shí)間(例如，若校準(zhǔn)器已停機(jī)5分鐘，則需預(yù)熱10分鐘)。被測(cè)數(shù)字多用表則按照規(guī)程規(guī)定和儀器說明書進(jìn)行預(yù)熱，例如34401A數(shù)字多用表，在規(guī)定環(huán)境下放置24小時(shí)，要開機(jī)預(yù)熱2小時(shí)，儀器才能達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.2 儀器進(jìn)行自校準(zhǔn)

電子類測(cè)量?jī)x表，長(zhǎng)時(shí)間使用或者存放，內(nèi)部電路存在一定的漂移不確定性，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。標(biāo)準(zhǔn)器采用直流校零，是自動(dòng)消除11V、2.2V量程的失調(diào)誤差，以及消除220mV量程的失調(diào)和增益誤差的快速過程。為了確保指標(biāo)的真實(shí)性，必需至少每30天進(jìn)行一次直流零點(diǎn)校準(zhǔn)；被測(cè)數(shù)字表可以采用零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿度校準(zhǔn)，使示值與標(biāo)準(zhǔn)值趨于一致。

2.3 執(zhí)行零位測(cè)量

零位測(cè)量法也稱為相對(duì)測(cè)量(null)，就是用一個(gè)指零儀器或裝置，以顯示系統(tǒng)達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此處，用以消除是已存儲(chǔ)的零位值和輸入信號(hào)之間的差值。例如在進(jìn)行小電壓測(cè)量時(shí)，儀表本身的輸入部分會(huì)有一個(gè)比較小的電壓迭加在輸入信號(hào)上，如果在校準(zhǔn)時(shí)不將此值去掉，就有可能出現(xiàn)被校儀表超差。在其他功能測(cè)量時(shí)，如：小電流、小電阻等都會(huì)存在相應(yīng)的問題。可以執(zhí)行零位測(cè)量來消除此誤差 。檢定數(shù)字多用表執(zhí)行零位測(cè)量時(shí)(即清零)一般采用： 電壓測(cè)量用測(cè)試線短接高低兩端清零；電流測(cè)量則高低兩端開路清零；電阻測(cè)量四線測(cè)量測(cè)試線短接清零；兩線測(cè)量短接測(cè)試線兩端然后清零，主要用來消除測(cè)試引線的電阻，以得到更準(zhǔn)確的電阻測(cè)量。多功能校準(zhǔn)源5700A檢定數(shù)字多用表34401A的直流電壓10V量程調(diào)零前后的數(shù)據(jù)比對(duì)如表1所示。

表1

2.4 正確選擇量程和分辨力

在校準(zhǔn)數(shù)字多用表時(shí)，例如1V電壓，在基本量程10V和非基本量程1V兩個(gè)量程均可以讀數(shù)，但每個(gè)量程的誤差極限或者不確定度是不同的。因此，在讀數(shù)時(shí)，應(yīng)該按照被測(cè)值在相應(yīng)的量程檔和使用要求來讀數(shù)；分辨力以多用表可以測(cè)量和顯示的位數(shù)來表示，如需增加精度，則選擇高分辨力，如果要加快測(cè)量速度，則選擇低分辨力。不同的分辨力有不同的積分時(shí)間，按照選擇的分辨力，來確定最佳的讀數(shù)時(shí)機(jī)。

3 檢定(校準(zhǔn))中應(yīng)注意的問題

3.1 大、小電流測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問題

校準(zhǔn)大電流檔時(shí)， 由于電流較大，長(zhǎng)時(shí)間通電可能會(huì)使得被檢儀表中取樣電阻發(fā)熱而阻值發(fā)生變化，讀數(shù)發(fā)生跳動(dòng)，造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此在大電流讀數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后即讀，以免造成人為讀數(shù)誤差。在進(jìn)行小電流測(cè)量尤其是交流小電流測(cè)試時(shí)，最好選擇濾波器(一般測(cè)量40Hz以下頻率時(shí)選擇慢速濾波)，這樣可以減小噪聲和干擾，使低頻準(zhǔn)確度達(dá)到最佳化，或者使交流穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到最短。如表2所示是多功能校準(zhǔn)源5700A檢定數(shù)字多用表34401A的交流電流1A量程10Hz頻率采用濾波前后的數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)測(cè)中濾波前數(shù)據(jù)穩(wěn)定性很差，難以讀數(shù)，而且數(shù)據(jù)誤差很大甚至超差，濾波后數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差大幅減??；選擇合適的分辨率和適當(dāng)測(cè)量速度，確保在最佳時(shí)間讀取到正確的讀數(shù)。

表2

3.2 大、小電壓測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問題

交流電壓測(cè)量時(shí)，電容可能會(huì)引起分路效應(yīng)，從而增加源負(fù)載以及導(dǎo)線上的電壓降，因此，測(cè)量導(dǎo)線的長(zhǎng)度越短越好，同時(shí)減小回路范圍和引線屏蔽，減小外界影響及交流測(cè)量時(shí)的能量損失。在小電壓測(cè)量時(shí)也要采用交流濾波器，根據(jù)測(cè)量選用的頻率選用合適的濾波器，以降低噪聲和干擾，使讀數(shù)達(dá)到最佳。如表3所示是多功能校準(zhǔn)源5700A檢定數(shù)字多用表34401A的交流電壓10Hz頻率采用濾波前后的數(shù)據(jù)比對(duì)；測(cè)量直流電壓時(shí)，選擇好適當(dāng)?shù)妮斎腚娮?，以降低噪聲和減少測(cè)量負(fù)載所引起的效應(yīng)。

表3

3.3 大、小電阻測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問題

在電阻功能下，利用兩種功能可增強(qiáng)準(zhǔn)確度：兩線補(bǔ)償和四線檢測(cè)。

在進(jìn)行高阻測(cè)量時(shí)，由于流經(jīng)電阻的電流很小，如果不采取屏蔽措施，外界干擾信號(hào)很容易通過空間耦合進(jìn)來造成讀數(shù)亂跳。因此大電阻測(cè)量要做好屏蔽措施，并做兩線測(cè)量。應(yīng)用較短的連接導(dǎo)線，最好采用同軸線以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

小電阻測(cè)量時(shí)如果采用兩線測(cè)量，被測(cè)表吸收到較大的電流在接線上時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降，并且兩線測(cè)量法電流源和電壓測(cè)量是同一回路，而導(dǎo)線又非理想導(dǎo)體，存在一定電阻，因此用兩線法測(cè)到的電阻不止是被測(cè)電阻，還包括引線電阻。采用四線測(cè)量會(huì)避免這個(gè)問題。電阻四線測(cè)量法電流源和電壓測(cè)量回路是分開的，在線路上幾乎不會(huì)產(chǎn)生壓降，測(cè)量到的就是實(shí)際的電阻值，因此在電阻功能時(shí)，當(dāng)被測(cè)表具有四線歐姆輸入，且校準(zhǔn)源被設(shè)為100kΩ或更小時(shí)，應(yīng)該使用四線連接。導(dǎo)線選擇時(shí)四條導(dǎo)線必須在規(guī)格、長(zhǎng)短、接頭類型保持一致，才能獲得最佳數(shù)據(jù)。多功能校準(zhǔn)源5700A采用兩線和四線檢定數(shù)字多用表8846A的小電阻的數(shù)據(jù)比對(duì)如表4所示，采用兩線測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)超差。

4 利用其他手段降低出現(xiàn)測(cè)量誤差的可能性

在標(biāo)準(zhǔn)源的兩次檢定周期中， 不能明確標(biāo)準(zhǔn)源的技術(shù)狀態(tài)，因此有可能對(duì)被測(cè)數(shù)字多用表帶來測(cè)量誤差?？梢圆捎闷渌侄伪ＷC量值準(zhǔn)確一致，例如期間核查、技術(shù)能力比對(duì)等。期間核查的目的是考核測(cè)量?jī)x器、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的校準(zhǔn)狀態(tài)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)是否得到保持，當(dāng)出現(xiàn)任何一個(gè)檔位或者某個(gè)數(shù)值兩者一致性不高，便可查找到原因。定期進(jìn)行期間核查不但保證標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)狀態(tài)連續(xù)穩(wěn)定，還能保證對(duì)下級(jí)量值傳遞、計(jì)量測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；技術(shù)能力比對(duì)是對(duì)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)技術(shù)能力和工作水平的綜合考評(píng)，目的是促進(jìn)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室不斷提高技術(shù)能力，加強(qiáng)計(jì)量監(jiān)督管理，確保實(shí)驗(yàn)室間的量值準(zhǔn)確一致，提高計(jì)量保障能力。采用這兩種方法是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)狀態(tài)保持穩(wěn)定的非常有效的手段。

表4

5 結(jié)束語

數(shù)字多用表以其高準(zhǔn)確度、高靈敏度和高線性度等優(yōu)點(diǎn)，成為一種重要的精密測(cè)量?jī)x器，在計(jì)量、測(cè)試、科研、生產(chǎn)、國(guó)防等部門得到廣泛應(yīng)用，并成為重要的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，在其量值傳遞過程中必須考慮到各種細(xì)節(jié)，避免產(chǎn)生不必要的測(cè)量誤差，以保證被測(cè)數(shù)表的量值準(zhǔn)確一致，提高計(jì)量保障能力。

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