一種交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置及其不確定度分析

周 浩，朱淑媛，劉 罡，吳秋銅，郭 浩

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽 110168；2.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011）

經(jīng)驗(yàn)交流

一種交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置及其不確定度分析

周 浩1，朱淑媛1，劉 罡1，吳秋銅1，郭 浩2

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽 110168；2.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011）

針對目前校準(zhǔn)多功能標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出裝置的方法復(fù)雜、讀取測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高的問題，提出采用一種交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置來校準(zhǔn)該類輸出裝置。應(yīng)用自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)，根據(jù)被校裝置的不同輸出功能及測量點(diǎn)，自動切換相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)并處理數(shù)據(jù)。對測量原理、測量模型以及測量不確定度進(jìn)行分析，通過與中國計(jì)量科學(xué)研究院的測量結(jié)果比較，滿足JJF 1033—2016計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范中關(guān)于測量結(jié)果驗(yàn)證的條件，驗(yàn)證了該套裝置給出的測量結(jié)果的可信度和不確定度合理性，證明了裝置有效性。

交直流；電表；校準(zhǔn)；測量不確定度

隨著國內(nèi)電力行業(yè)飛速發(fā)展，各種電測量儀器儀表產(chǎn)品不斷增多，對于校準(zhǔn)該類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)裝置種類也層出不窮，如交流采樣檢驗(yàn)裝置［1］、電量變送器檢定裝置［2］、程控直流標(biāo)準(zhǔn)源、RTU檢驗(yàn)裝置、交流采樣變送器校驗(yàn)儀等。這些校驗(yàn)儀式的裝置可進(jìn)行多功能標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，具有標(biāo)準(zhǔn)源的性質(zhì)。不同裝置的功能各異，量程及技術(shù)參數(shù)多種多樣，通常使用單一的數(shù)字多用表、電壓表或電流表等儀表對其各項(xiàng)功能分別校準(zhǔn)。這種方法操作過程繁瑣、校準(zhǔn)效率低下，并且受被校裝置穩(wěn)定性影響，監(jiān)視儀表顯示數(shù)據(jù)波動變化，造成讀取測量數(shù)據(jù)存在偏差，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn)確，目前，已不能夠完全適應(yīng)該類裝置的校準(zhǔn)需求。

本文應(yīng)用自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集被校裝置與標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)，提高讀取測量值的準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定被校裝置的各項(xiàng)計(jì)量指標(biāo)，不同測量點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表自動切換對應(yīng)量程進(jìn)行讀數(shù)。校準(zhǔn)過程中，系統(tǒng)可對測量數(shù)據(jù)自行處理并保存。這種方法簡化常規(guī)校準(zhǔn)操作過程，提高測量自動化程度和工作效率，并且降低人為因素對于測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。

1 校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成

根據(jù)多功能標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出裝置的相關(guān)定義，將此類被校裝置統(tǒng)稱為交直流電表校驗(yàn)儀［3］。根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)命名原則，將該套用于校準(zhǔn)交直流電表校驗(yàn)儀的裝置命名為交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置［4］，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)框圖

被校裝置在校準(zhǔn)過程中同時(shí)又作為輸出源，校準(zhǔn)系統(tǒng)通過RS232或IEEE488通信接口自動控制被校裝置輸出電壓、電流給標(biāo)準(zhǔn)表，同時(shí)采集被校裝置的測量值作為被校示值。系統(tǒng)根據(jù)不同輸出示值，通過與標(biāo)準(zhǔn)表通信接口自動切換標(biāo)準(zhǔn)表狀態(tài)，并讀取標(biāo)準(zhǔn)表測量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)示值。系統(tǒng)內(nèi)部自動分析計(jì)算采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對被校裝置的校準(zhǔn)。

在整套裝置中，標(biāo)準(zhǔn)表部分由8508A型數(shù)字多用表和K2006型三相功率電能比較儀構(gòu)成。根據(jù)二者的技術(shù)指標(biāo)說明［5－6］， K2006型交流電流功能準(zhǔn)確度高于8508A型。因此，為滿足目前普遍被校裝置的計(jì)量特性要求，采用K2006型進(jìn)行交流電流功能校準(zhǔn)，其它功能校準(zhǔn)采用8508A型。對于不同功能的校準(zhǔn)，2種標(biāo)準(zhǔn)表可自動切換。

2 測量條件

測量依據(jù)：JJF 1284—2011《交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》。

環(huán)境條件：環(huán)境溫度 （20±2）℃；相對濕度（60±15）%RH。

被測對象：5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源的交流電壓（簡稱ACV，頻率60 Hz）100 V測量點(diǎn)、交流電流 （簡稱ACI，頻率60 Hz）5 A測量點(diǎn)、直流電壓 （簡稱DCV）100 V測量點(diǎn)、直流電流 （簡稱DCI）1 A測量點(diǎn)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。

測量原理：采用直接比較測量法如圖2所示，由被校裝置輸出一個測量值給標(biāo)準(zhǔn)表，與標(biāo)準(zhǔn)表上測得相應(yīng)的輸出實(shí)際值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對被校裝置的量值傳遞。

圖2 直接比較測量法原理

3 測量不確定度分析

3.1 測量模型

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，環(huán)境帶來的影響可以忽略，測量模型可用式 （1） 表達(dá)［3］：

式中：Δ為被校裝置輸出值的示值誤差；Ax為被校裝置的輸出值；An為標(biāo)準(zhǔn)表測得的輸出實(shí)際值。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

通過該套標(biāo)準(zhǔn)裝置對被校裝置主要功能的基本量程主要測量點(diǎn)進(jìn)行測量，在重復(fù)性測量條件下，分別測量10次，根據(jù)貝塞爾公式法計(jì)算試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差［7］。測量重復(fù)性引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表1所示，其中，y 為算術(shù)平均值；s為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；u為標(biāo)準(zhǔn)不確定度。實(shí)際測量時(shí)，被測量估計(jì)值由單次測量得到，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度等于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

測量不確定度的來源還包括標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差［5－6］和被校裝置測量分辨力引入的分量，采用B類評定方法，假設(shè)服從均勻分布，置信因子為 3，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表2所示。

表1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

被校裝置分辨力也會影響測量重復(fù)性，計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)，在分辨力與測量重復(fù)性引入的不確定度分量中，僅需選取較大的分量［8］。除此之外，各輸入量之間未發(fā)現(xiàn)有其它值得考慮的相關(guān)性，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按式 （2）計(jì)算：式中：u1為標(biāo)準(zhǔn)表示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u2為測量重復(fù)性與被校裝置分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行比較，取較大的分量。

結(jié)合表2中各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量數(shù)據(jù)，按式（2）計(jì)算ACV 100 V測量點(diǎn)、ACI 2 A測量點(diǎn)、DCV 100 V測量點(diǎn)、DCI 1 A測量點(diǎn)、OMH 1 kΩ測量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為5.81×10－3V、9.35×10－5A、 2.54×10－4V、 1.07×10－4A、 6.08×10－6kΩ。

3.4 不確定度報(bào)告

擴(kuò)展不確定度U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc乘包含因子k得到，按式 （3）計(jì)算：

將各測量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別代入式（3）計(jì)算相應(yīng)的擴(kuò)展不確定度，測量不確定度報(bào)告如表 3 所示［9］。

表3 測量不確定度報(bào)告

4 測量結(jié)果的驗(yàn)證

采用傳遞比較法對交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置的測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證［8］。以5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源 （出廠編號為3609502）為被測對象，用該套裝置進(jìn)行測量，與中國計(jì)量科學(xué)研究院使用高一級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對其測量的結(jié)果比較，測量結(jié)果分別為ylab和yref，擴(kuò)展不確定度分別為Ulab和Uref，應(yīng)滿足（Uref≤Ulab／3 時(shí)， 可忽略 Uref的影響）［10］：

將表4中該套裝置與中國計(jì)量科學(xué)研究院測量的結(jié)果代入式 （4）驗(yàn)證，各測量點(diǎn)均滿足條件。因此，該套交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置給出的測量結(jié)果是可信的，給出的測量結(jié)果不確定度合理。

表4 測量結(jié)果驗(yàn)證

5 結(jié)束語

目前，交直流電表校驗(yàn)儀應(yīng)用廣泛，型號及功能多樣。文中提出一種交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)裝置用于校準(zhǔn)該類可輸出多功能標(biāo)準(zhǔn)電信號的校驗(yàn)儀式裝置，同時(shí)規(guī)范其標(biāo)準(zhǔn)名稱。不同于使用各類電測儀表的常規(guī)測量方法，該方法可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化采集和處理，并保證讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過對測量結(jié)果分析，驗(yàn)證了該套裝置給出的測量結(jié)果的可信度、不確定度合理性以及裝置的有效性，為校準(zhǔn)交直流電表校驗(yàn)儀類型裝置以及評定其不確定度過程提供一定借鑒。

交直流電表校驗(yàn)儀的常見結(jié)構(gòu)形式中，也有表源一體式，具有標(biāo)準(zhǔn)信號源性質(zhì)，同時(shí)附有標(biāo)準(zhǔn)表功能。對于該種裝置的校準(zhǔn)，將是后續(xù)研究工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。

［1］ 馬琳娜.電量變送器檢定裝置的測量不確定度評定 ［J］.高電壓技術(shù)，2004，30 （7）： 26，49.

［2］ 鹿凱華，楊 靜.交流采樣測量裝置示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定 ［J］.電測與儀表， 2007， 44 （7）： 45－46， 28.

［3］ 交直流電表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1284—2011［S］.

［4］ 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)命名與分類編碼：JJF 1022—2014［S］.

［5］ Fluke Corporation.8508A Reference Multimeter Extended Specifications ［ DB ］. http： ／／download. flukecal. com／pub／literature／1887212F＿ EN＿ 8508A＿ Ext＿ Specs＿ w.pdf，2013.

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［8］ 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范：JJF1033—2016［S］.

［9］ 楊 梅，張春梅，李 悠，等.基于歐盟MID認(rèn)證要求的電能表檢定裝置測量結(jié)果不確定度評定 ［J］.電測與儀表，2016， 53 （19）： 62－66.

［10］ 范巧成，姜文娟，楊 梅，等.一種高準(zhǔn)確度直流毫伏校準(zhǔn)裝置及其不確定度 ［J］.電測與儀表，2015，52（8）：101－103.

Calibration of AC／DC Electric Instrument Calibrator and Its Uncertainty

ZHOU Hao1， ZHU Shuyuan1， LIU Gang1， WU Qiutong1， GUO Hao2

（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Metrological Center， Shenyang， Liaoning 110168， China；2.State Grid Urumqi Power Supply Company Urumqi， Xinjiang 830011， China）

To solve the problem which the calibration method ofmulti-functional electrical signal output device is complex and the accuracy of readingmeasurement data is not high.It is proposed to use a calibration of AC／DC electric instrument calibrator to calibrate the output devices.It uses automatic calibration system to automatically switch status of the corresponding standard meter.It calibrates and process the data according to different output functions and measurement points of the calibrated device.Measurement principle，measurementmodel and measurement uncertainty are analyzed.The demands about verification ofmeasurement result in JJF 1033－2016 Rule for the Examination of Measurement Standard meets through the comparison from China Institute of Metrology.The results verifies the credibility and uncertainty of themeasurement results given by the calibration，which proves the validity of the calibration.

AC／DC； electric instrument； calibration； measurement uncertainty

TM93

A

1004－7913（2017）11－0044－03

周 浩 （1988），男，碩士，國家二級注冊計(jì)量師，從事電磁計(jì)量技術(shù)研究工作。

2017－07－10）