時鐘測試儀測量不確定度評定方法

蘭駿 柳州市計量技術(shù)測試研究所 廣西柳州 545006

前言

時鐘測試儀主要是用于檢定具有內(nèi)部時鐘電路的電子式電能表的日計時誤差等計量性能是否符合檢定規(guī)程要求的計量儀器.其一般都能快速的測量電子式電能表內(nèi)部的時鐘信號,并能顯示所測電能表秒脈沖日計時誤差和頻率誤差等功能.因此時鐘測試儀被廣泛的應(yīng)用于電能表的生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)的電能表計量檢定機構(gòu).

1、時鐘測試儀的校準項目

依據(jù)JJF1662-2017《時鐘測試儀校準規(guī)范》的要求對時鐘測試儀主要是校準其日計時誤差、頻率測量誤差、頻率輸出信號、時鐘時刻誤差等四個技術(shù)指標.每個時鐘測試儀生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的時鐘測試儀功能有可能各不一樣,但是不管生產(chǎn)廠家如何不同,基本上每臺時鐘測試儀都具有頻率測量功能和頻率輸出功能.本文主要介紹時鐘測試儀的頻率輸出信號(即相對平均頻率偏差)的測量不確定度評定方法.

圖1 相對平均頻率偏差測量示意圖

時鐘測試儀經(jīng)其使用說明書規(guī)定預(yù)熱時間后,將其輸出信號加到通用計數(shù)器頻率測量端口,同時將通用計數(shù)器的閘門時間設(shè)置為10s,連續(xù)測量三次,取其算數(shù)平均值為測量結(jié)果.

2、校準時鐘測試儀的標準器

依據(jù)JJF1662-2017《時鐘測試儀校準規(guī)范》的要求,校準時鐘測試儀的主要儀器有:參考頻標、通用計數(shù)器、函數(shù)發(fā)生器、參考時鐘.本次校準時鐘測試儀輸出頻率偏差,只用到參考頻標和通用計數(shù)器.

3、時鐘測試儀輸出頻率偏差測量不確定度評定

3.1 數(shù)學(xué)評定模型

(σ-相對平均頻率偏差;f'0-被校頻率輸出標稱值,Hz;fx-被校頻率在τ內(nèi)的平均測量值,Hz.)

3.2 不確定度來源

3.2.1 被校頻率輸出標稱值測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u(fx)

3.2.2 由參考頻標和通用計數(shù)器引入的標準不確定度分量u(f'0)

3.3 標準不確定度分量的評定

對一臺時鐘測試儀的標稱輸出頻率,采用直接比較法進行校準.

3.3.1 被校頻率輸出標稱值測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u(xf )u ( fx)標準不確定度分量主要來源于被測時鐘測試儀頻率輸出的重復(fù)性,可以通過對其進行多次的連續(xù)測量,從而得到測量列.采用A類評定方法進行評定.

對一臺時鐘測試儀輸出的100kHz頻率信號,進行10次連續(xù)測量,選擇通用計數(shù)器的閘門時間為10s,得到測量列:

次數(shù) 1 2 3 4 5實際值(kHz)100.000 00043 100. 000 00045 100. 000 00044 100. 000 00043 100. 000 00049平均值(kHz) 100.000 00046 100. 000 00053次數(shù) 6 7 8 9 10實際值(kHz)100. 000 00052 100. 000 00042 100. 000 00043 100. 000 00047

通用計數(shù)器的顯示分辨力所引入的標準不確定度小于測量重復(fù)性引入的標準不確定度,因此只取測量重復(fù)性引入的標準不確定度 u ( fx).

3.3.2 由參考頻標和通用計數(shù)器引入的標準不確定度分量 u (f0')u ( f0')不確定度分量主要來源于參考頻標或通用計數(shù)器內(nèi)置時基的頻率偏差.根據(jù)校準規(guī)范對標準器的技術(shù)指標要求可以得知:"參考頻標的頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于被校時鐘測試儀頻率穩(wěn)定度的三分之一,其他計量性能指標如開機特性、頻率偏差等應(yīng)優(yōu)于被校相應(yīng)技術(shù)指標一個數(shù)量級.同樣對于通用計數(shù)器如果采用其內(nèi)置時基時,其頻率偏差應(yīng)優(yōu)于被校頻率偏差一個數(shù)量級."

根據(jù)校準規(guī)范可知被校時鐘測試儀的相對平均頻率偏差應(yīng)優(yōu)于±2X10-7,因此可知通用計數(shù)器內(nèi)置時基或參考頻標的頻率偏差至少應(yīng)該滿足≤2X10-8.按均勻分布,取包含因子k =,

4、合成標準不確定度為

各標準不確定度表:

標準不確定度 ()xi 標準不確定度分量 iu不確定度來源分布符號 數(shù)值(kHz) 符號 數(shù)值(kHz)u 靈敏系數(shù)Ci被校頻率輸出標稱值引入 )(xfu 2.3X10-8 1 1u 2.3X10-8 正態(tài)參考頻標和通用計數(shù)器引入 )(0'f u 1.2X10-6 -1 2u 1.2X10-6 均勻

合成標準不確定度:

5、相對擴展不確定度:取k = 2

在評定時鐘測試儀的輸出平均頻率偏差測量不確定度時,我們需要注意,雖然時鐘測試儀對于校準環(huán)境溫度條件的要求比較寬.環(huán)境溫度在(15~30)℃范圍內(nèi)就可以,但是對于具有高精度內(nèi)置石英晶體振蕩器的電子測量設(shè)備其校準過程中對實驗室環(huán)境溫度變化都有要求.在校準過程中環(huán)境溫度變化不能超過±2℃,且在校準過程中實驗室溫度不能有突變.