交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量審核的實(shí)施方法及結(jié)果分析

史三省 張欲曉

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052)

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交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量審核的實(shí)施方法及結(jié)果分析

史三省 張欲曉

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052)

針對(duì)常用作實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證的測(cè)量審核工作，以校準(zhǔn)交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)為實(shí)例，介紹了該工作的實(shí)施方法，詳細(xì)分析了測(cè)量審核過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理方法及影響結(jié)果的因素，并通過(guò)與作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家高電壓計(jì)量站提供的參考值進(jìn)行比對(duì)，判定了校準(zhǔn)結(jié)果的滿意度，從而驗(yàn)證了本單位實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)能力。本文為各種校準(zhǔn)項(xiàng)目的測(cè)量審核提供了一定的借鑒性，有助于提高實(shí)驗(yàn)室量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。

校準(zhǔn)；能力驗(yàn)證；測(cè)量審核；測(cè)量不確定度

0 引言

測(cè)量審核是實(shí)驗(yàn)室對(duì)被測(cè)物品進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果與參考值進(jìn)行比較的活動(dòng)。它是實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證的重要方式之一。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)向由國(guó)家認(rèn)可委發(fā)布的CNAS測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)完成測(cè)量審核工作，可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展該項(xiàng)目校準(zhǔn)或檢測(cè)的能力，確保量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性[1-2]。

測(cè)量審核不同于一般實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)，前者是由CNAS認(rèn)可的測(cè)量審核主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對(duì)一個(gè)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“一對(duì)一”能力評(píng)價(jià)的能力驗(yàn)證計(jì)劃，具有一定的權(quán)威性；而后者是由兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室按照預(yù)先規(guī)定的條件對(duì)相同的物品進(jìn)行測(cè)量或檢測(cè)的組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)，其權(quán)威性和可信度不如前者。

本文以校準(zhǔn)交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)的交直流100kV電壓為實(shí)例，詳細(xì)介紹了測(cè)量審核的實(shí)施方法和一致性滿意度評(píng)定方法，為各種校準(zhǔn)項(xiàng)目的測(cè)量審核提供了一定的借鑒性。

1 測(cè)量審核的工作流程

用于測(cè)量審核的被校樣品應(yīng)有足夠好的重復(fù)性、均勻性和穩(wěn)定性，可以由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供，也可以由申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室提供。本案例選擇的被校樣品為交流電壓1級(jí)、直流電壓0.5級(jí)，額定電壓為300kV的HV-300型交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)，由本單位實(shí)驗(yàn)室(申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室)提供，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家高電壓計(jì)量站。測(cè)量審核的工作流程如圖1所示[1]。

2 樣品的校準(zhǔn)及測(cè)量不確定度評(píng)定

2.1 校準(zhǔn)方法

依據(jù)DL/T 973-2005《數(shù)字高壓表檢定規(guī)程》，采用直接比較法，用高壓分壓器作為標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)高壓測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖如圖2所示[3]。

圖1 測(cè)量審核的工作流程圖

圖2 校準(zhǔn)原理示意圖

2.2 不確定度來(lái)源分析

根據(jù)高壓測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法與過(guò)程，分析影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來(lái)源有[4-7]：

1)標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器準(zhǔn)確度；

2)標(biāo)準(zhǔn)低壓表準(zhǔn)確度；

3)被校高壓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性；

4)標(biāo)準(zhǔn)低壓表示值分辨力；

5)電源穩(wěn)定度波動(dòng)；

6)環(huán)境條件的波動(dòng)。

2.3 數(shù)學(xué)模型建立

由校準(zhǔn)原理可知，被校高壓測(cè)量系統(tǒng)的電壓示值誤差ΔU可表示為[3]：

ΔU=Ux-U0=Ux-NfV0

(1)

式中，Ux為被校高壓測(cè)量系統(tǒng)電壓示值；U0為標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器高壓側(cè)電壓示值；Nf為標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器的分壓比；V0為標(biāo)準(zhǔn)低壓表的電壓示值。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定

由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1可用A類評(píng)定的方法進(jìn)行評(píng)定。在環(huán)境溫度20.0℃、相對(duì)濕度60%的條件下對(duì)被校樣品的交流電壓100kV、直流電壓100kV分別進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，結(jié)果如表1和表2所示。

計(jì)算得算術(shù)平均值：

(2)

表1 交流電壓重復(fù)測(cè)量結(jié)果

表2 直流電壓重復(fù)測(cè)量結(jié)果

(3)

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(4)

(5)

在實(shí)際測(cè)量中，常取1次讀數(shù)作為測(cè)量結(jié)果，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

(7)

由于在評(píng)定由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的過(guò)程中，已經(jīng)包含了對(duì)電源穩(wěn)定性、環(huán)境條件的波動(dòng)及示值分辨力等因素的評(píng)定，因此，不再對(duì)其引入的分量進(jìn)行重復(fù)評(píng)定[1]。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

(8)

(9)

2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

由影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來(lái)源分析可知，各輸入量之間均不相關(guān)，可使用如下公式計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[8]：

(10)

則可得：ucAC=9.4×10-4，ucDC=8.3×10-4。

2.6 擴(kuò)展不確定度的確定

在給出校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，一般情況下報(bào)告擴(kuò)展不確定度U，它由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k得到(一般取k=2)，即[8]

U=k×uc

(11)

則可得100kV測(cè)量點(diǎn)校準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：UAC=1.9×10-3，UDC=1.7×10-3。

3 測(cè)量審核結(jié)果滿意度評(píng)定

3.1 評(píng)定方法

測(cè)量審核結(jié)果評(píng)定方法由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提出，征求申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室意見(jiàn)后確定。通常情況下采用En比率值進(jìn)行評(píng)價(jià)，即申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)量審核校準(zhǔn)工作后，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室上報(bào)的樣品校準(zhǔn)值及其測(cè)量不確定度，結(jié)合主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)值及其測(cè)量不確定度，用En比率值計(jì)算得出最終的測(cè)量審核結(jié)果。En值由下式確定[9]：

(12)

式中，xlab為申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的樣品校準(zhǔn)值；xref為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的樣品校準(zhǔn)值；Ulab為申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果不確定度；Uref為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果不確定度。

En值又稱歸一化偏差，是一個(gè)比值。分子是申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與參考值之差，稱作申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的等效度，表示申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與參考值一致的程度，當(dāng)然兩者之差越小越好。分母是申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與參考值之差的測(cè)量不確定度，只有當(dāng)Ulab和Uref兩量互相無(wú)關(guān)時(shí)才用如式(12)所示的兩量的方和根表示，意為兩實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度的合成。按例主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的Uref是應(yīng)該由CNAS認(rèn)可的，且不應(yīng)該讓申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室事先知道；申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的Ulab應(yīng)是其申請(qǐng)認(rèn)可時(shí)上報(bào)的最佳測(cè)量能力，若Ulab大于最佳測(cè)量能力應(yīng)分析其原因；另外主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室必須比申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室具有更小的測(cè)量不確定度(即具有更佳的測(cè)量能力)。綜上所述，En表示等效度與其不確定度之比，是對(duì)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與其不確定度的一致性的評(píng)價(jià)。

若|En|≤1，則申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與參考值之差與其不確定度之比在合理的預(yù)期范圍之內(nèi)，測(cè)量結(jié)果符合要求，結(jié)論為滿意。若|En|>1，則申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與參考值之差與其不確定度之比沒(méi)有達(dá)到合理的預(yù)期，測(cè)量結(jié)果不符合要求，結(jié)論為不滿意，應(yīng)分析原因(包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備、人員等)，然后，根據(jù)實(shí)際情況提出整改意見(jiàn)和措施并加以實(shí)施。

3.2 結(jié)果分析

本案例中，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和本單位實(shí)驗(yàn)室的樣品校準(zhǔn)值及其測(cè)量不確定度分別如表3所示。

表3 測(cè)量審核結(jié)果

由表3可知，|En|值小于1，為滿意結(jié)果，反映了本單位實(shí)驗(yàn)室交直流電壓校準(zhǔn)工作的技術(shù)水平，驗(yàn)證了對(duì)交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性，以及電壓量值的保存能力。

4 影響測(cè)量審核結(jié)果因素分析

1)樣品的選擇。選擇的樣品性能應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性考核，以保證在測(cè)量審核過(guò)程中保持理想的校準(zhǔn)狀態(tài)。

2)測(cè)量審核周期。申請(qǐng)測(cè)量審核實(shí)驗(yàn)室和主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)同一樣品的時(shí)間間隔應(yīng)盡量短，以防樣品的特性值隨時(shí)間漂移。

3)試驗(yàn)環(huán)境條件。校準(zhǔn)樣品時(shí)，各影響量在規(guī)定的條件下應(yīng)盡量保持一致。

4)校準(zhǔn)方法。應(yīng)按檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的方法正確校準(zhǔn)樣品。

5)測(cè)量不確定度的評(píng)定。應(yīng)對(duì)影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來(lái)源進(jìn)行深入分析，正確評(píng)定校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)常用作實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證的測(cè)量審核工作，以校準(zhǔn)交直流高壓測(cè)量系統(tǒng)為實(shí)例，介紹了該工作的實(shí)施方法，詳細(xì)分析了測(cè)量審核過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理方法及影響結(jié)果的因素，并通過(guò)與作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家高電壓計(jì)量站提供的參考值進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了校準(zhǔn)結(jié)果的滿意度，顯示了本單位實(shí)驗(yàn)室交直流電壓校準(zhǔn)工作的技術(shù)水平。本文為各種校準(zhǔn)項(xiàng)目的測(cè)量審核提供了一定的借鑒性，有助于提高實(shí)驗(yàn)室量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。

[1] 中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì). 一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師基礎(chǔ)知識(shí)及專業(yè)實(shí)務(wù)

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.07