直流低電壓校準方法

/ 江蘇省計量科學研究院

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，數(shù)字多用表在各行各業(yè)中的使用越來越頻繁。由于市場需求的持續(xù)上升，數(shù)字多用表生產(chǎn)企業(yè)競爭激勵，其對于如何拓寬測量范圍、提升測量準確度方面做足了文章。具有高準確度等級直流低電壓測量功能的數(shù)字多用表相應面世，并被越來越廣泛地應用于生產(chǎn)或校準工作中。因此，對于直流低電壓的校準工作就顯得極為重要。本文主要就10 mV直流電壓點的校準方法進行探討，并提出校準過程中需要注意的問題及相應的解決方法。

1 校準方法

目前市場上具有直流低電壓測量功能的數(shù)字多用表多為某公司生產(chǎn)的34420A型和某公司生產(chǎn)的2182A型，它們在直流毫伏低電壓的準確度等級基本都優(yōu)于±0.01%。如果選擇使用某公司的5730A型多功能標準源，對數(shù)字多用表直流毫伏低電壓進行直接校準，方法簡單易操作，但通過5730A型多功能標準源的年技術指標可以看出，其直流電壓功能的測量不確定度不能滿足對34420A型和2182A型數(shù)字多用表10 mV直流電壓進行校準。因此，如何利用現(xiàn)有設備滿足直流毫伏低電壓的量值溯源問題，是開展本次校準方法研究的目的。

1.1 使用720A型開爾文-瓦力任意比例分壓器和5730A型多功能標準源校準

720A型開爾文-瓦力任意比例分壓器（以下簡稱K-V分壓器） 內部裝有惠斯通電橋的三個臂，兩個臂大約都是40 kΩ，第三個臂約為10 kΩ?？蛇M行自校準并產(chǎn)生相當準確的固定比率，其比率值的設置具有7個十進位的分辨力，可以將一個已知的輸入電壓進行細分。K-V分壓器由幾個電阻盤相互連接而成，與普通分壓器不同的是，K-V分壓器第一個十進位由12個電阻盤組成。當?shù)谝粋€十進位開關處在任意給定的位置時，這些電阻盤中都有兩個電阻盤和第二個十進位電阻盤相并聯(lián)。而把第二個電阻盤的輸入電阻設計成等于被并聯(lián)的兩個電阻盤的串聯(lián)電阻值。由于并聯(lián)電阻的組合效應，這兩個并聯(lián)電阻盤上的電壓降等于第一個十進位電阻盤中任何一個未被并聯(lián)的電阻盤上的電壓降。圖1是某公司720A型K-V分壓器的基本電路圖。

圖1 720A型K-V分壓器基本電路

K-V分壓器最重要的特性就是線性度，其絕對線性度為輸入電壓的±0.1×10-6，年穩(wěn)定性可達±1×10-6。由于5730A型多功能標準源在輸出1 V直流電壓時的不確定度最小，因此，考慮用分壓器將 1 V 直流電壓分壓至 10 mV。如校準 10 mV 點，調節(jié)5730A型多功能標準源輸出1 V直流電壓，調節(jié)K-V分壓器度盤設置為0.01，K-V分壓器輸出端輸出標準的10 mV直流電壓信號給被校準的數(shù)字多用表。此時整體標準器的不確定度由分壓器和多功能標準源合成得到。通過計算可知K-V分壓器和5730A型多功能標準源能夠滿足對34420A型和2182A型的10 mV直流電壓的校準要求。

1.2 使用一等標準電阻和高準確度數(shù)字多用表校準

由1.1可以看出，滿足校準要求的關鍵在于分壓器的準確度等級。如果實驗室沒有這樣高準確度的分壓器，可以利用歐姆定律，使電流I通過標準電阻來定標，測量電路如圖2所示。

圖2 直流低電壓校準電路

圖2 中E為直流標準電壓源，采用某公司的5730A型多功能標準源，Rn1、Rn2和Rn3為一等標準電阻，其標稱值分別為 1 000 Ω、10 Ω 和 1 Ω。Vn1、Vn2（或Vn3）分別接8508A型數(shù)字多用表和待校準的數(shù)字多用表（34420A型或2182A型）。校準10 mV直流電壓時，待校準數(shù)字多用表接入Rn2端；校準1 mV直流電壓時，待校準數(shù)字多用表接入Rn3端。如校準10 mV點，調節(jié)5730A型多功能標準源，使得接在Vn1端的8508A型數(shù)字多用表顯示為1 V，由歐姆定律得到式（1）

經(jīng)整理得到式（2）

則測量誤差為

式中：Vn1—— 8508A型數(shù)字多用表的示值；

Vn2—— 標準 10 mV 直流電壓；

Rn1—— 1 000 Ω 一等標準電阻；

Rn2—— 10 Ω 一等標準電阻；

Vx—— 被校準數(shù)字多用表的示值

使用此方法也可以滿足對某公司的34420A型和某公司的2182A型10 mV直流低電壓的校準要求。

2 校準結果的不確定度評定

2.1 測量方法

使用5730A型多功能標準源輸出1 V直流電壓，用K-V分壓器分壓得到10 mV直流電壓。將分壓得到的10 mV直流電壓輸入34420A型數(shù)字多用表的10 mV直流電壓量程檔得到示值電壓Ux。

2.2 測量模型

式中：Ux—— 34420A型數(shù)字多用表的電壓值；

Um—— 標準電壓值；

ΔU—— 34420A型數(shù)字多用表的電壓值與標準值的絕對誤差

各輸入量Um、ΔU彼此獨立，互不相關，所以合成標準不確定度uc的平方為

所以，被測34420A型數(shù)字多用表直流電壓值的不確定度來源有：

1）5730A型多功能標準源引入的不確定度分量ur1；

2）K-V分壓器引入的不確定度分量ur2；

3）測量重復性和分辨力引入的不確定度分量ur3；

4）零點無法完全清除引入的不確定度分量ur4。

2.3 輸入量估計值的相對標準不確定度評定

2.3.1 5730A多功能標準源引入的不確定度分量ur1某公司給出的5730A多功能標準源直流電壓1 a的最大允許誤差為±（5×10-6Output+0.7 μV），采用B類方法進行評定，可認為是均勻分布，。則5730A型數(shù)字多用表引入的不確定度為

2.3.2 K-V分壓器引入的不確定度分量ur2

K-V分壓器的傳遞不確定度和年穩(wěn)定性。上一級計量技術機構在0.01比例值給出的校準不確定度為Ur= 1×10-6（k= 2），則由此引入的標準不確定度分量為ur21= 1×10-6/2 = 5×10-7，某公司給出的K-V分壓器在0.01比例值的年穩(wěn)定性為±1×10-6×（10×0.01）2/3×1/0.01 = 2.15×10-5，采用 B 類方法進行評定，可認為是均勻分布，。則

引入以上兩項不確定度的因素相互獨立，互不相關，則

2.3.3 測量重復性和分辨力引入的不確定度分量ur3

由測量重復性引入的標準不確定度采用A類方法進行評定。對10 mV直流電壓點進行10次測量，顯示值如表7所示。

表7 使用5730A型多功能標準源和K-V分壓器測量10 mV直流電壓點10次

單次測量的實驗標準偏差為

由分辨力引入的標準不確定度采用B類方法進行評定。34420A型數(shù)字多用表的10 mV直流電壓顯示分辨力為1×10-5mV，其引入的標準不確定度分量為u2(ΔU) = 2.9×10-6mV。測量重復性引入的標準不確定度和分辨力引入的標準不確定度取其大者，因此，這里取重復性引入的標準不確定度u(ΔU) = 9.8×10-6mV，則ur3= 9.8×10-7。

2.3.4 零點無法完全清除引入的不確定度分量ur4

被校設備短路后，點擊清零鍵，清零后儀器顯示末尾還會有數(shù)字的跳變，跳變最大值為0.000 09 mV，則

2.4 標準不確定度分量

標準不確定度分量見表8。

表8 不確定度分量

2.5 計算合成標準不確定度

以上各分量相互獨立，故合成標準不確定度為

2.6 確定擴展不確定度

取包含因子k= 2，于是擴展不確定度為

Ur= 2×1.3×10-5= 2.6×10-5

則校準結果為：Ux=（9.999 85±0.000 26）mV

按照上述評定方法，使用1.2方法的校準結果的擴展不確定度為U= 8×10-5mV（k= 2）。

3 直流低電壓測量中需要注意的問題

在測量較高電壓電平時，通?？梢院雎缘钠秒妷汉驮肼曉磪s可能在低電壓測量工作中引入重大的誤差。

3.1 偏置電壓

在理想情況下，當把電壓表連接到一個沒有電壓且阻抗比較低的電路時，電壓表的示值應當為零。然而，電路中的若干誤差源可以引起非零的電壓偏置量。

這些誤差源包括熱電動勢、由射頻干擾經(jīng)過整流而產(chǎn)生的偏置量以及電壓表輸入電路中的偏置量。

將電壓表的測試引線端子短路，然后打開儀器的清零功能，通常可以消除穩(wěn)定的偏置電壓。但是，要想消除偏置量的漂移，則需要經(jīng)常進行清零操作，特別是存在熱電動勢的情況下更應如此。

3.1.1 熱電動勢

熱電動勢是低電壓測量中最常見的誤差來源。當電路的不同部分處在不同的溫度，或者當不同材料的導體互相接觸時，通常就會產(chǎn)生熱電動勢。

使用相同材料的導體來構建電路可以將產(chǎn)生的熱電動勢降至最低。如使用銅制接線片來連接銅導線，也就形成銅與銅的連接，將會產(chǎn)生最小的熱電動勢。而且，連接處還必須保持清潔，沒有氧化物。對設備進行預熱并使其在恒定的環(huán)境溫度下達到熱平衡也能使熱電動勢效應達到最小。此外，也可以采用反向的方法來抵消寄生熱電動勢所產(chǎn)生的誤差。

3.1.2 RFI（射頻干擾）和EMI（電磁干擾）

RFI/EMI的干擾可能表現(xiàn)為穩(wěn)定的示值偏置或者引起有噪聲的或錯誤的示值。示值偏置可能由輸入放大器過載或輸入端的直流整流效應所引起。

預防措施是使所有的儀器和電纜盡可能地遠離干擾源。對測試引線和儀器進行屏蔽常常能夠將這種干擾的影響降低到可以接受的水平。噪聲屏蔽應當連接到輸入低端（LO）。

3.1.3 零點漂移

零點漂移是在沒有輸入信號（在輸入端短路時進行測量）的情況下，電壓表的示值隨時間發(fā)生的變化。儀器的零點漂移幾乎完全由其輸入級來決定。大多數(shù)納伏表都對輸入信號進行某種形式的斬波或者調制使儀器的零點漂移達到最小。

儀器的零點示值也會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。這種效應通常稱為電壓偏置溫度系數(shù)。因此，應當在溫度恒定的環(huán)境中進行測量工作，并對電路進行熱屏蔽以使其溫度變化的速度減慢。

3.2 噪聲

噪聲源能夠產(chǎn)生很大的誤差，噪聲的來源包括磁場和地回路等。了解噪聲的來源以及使其變小的方法對于進行有效的低電壓測量是至關重要的。

3.2.1 磁場

在兩種情況下磁場會產(chǎn)生誤差電壓：1）磁場隨時間變化。2）在電路和磁場之間存在相對運動。導體在磁場中運動、測試系統(tǒng)中的元件引起的交變電流或者磁場的斜坡上升都會在導線中產(chǎn)生電壓。甚至地球本身比較弱的磁場也能夠在搖動的引線中產(chǎn)生納伏級的電壓，所以必須使引線盡可能短，引線必須緊貼在一起，采用磁屏蔽，并且將其捆扎起來盡量使其不移動?；蛘邔⒁€絞合在一起，由于絞合的引線包圍的面積小，所以產(chǎn)生的感應電壓小，而每個相鄰的絞合都產(chǎn)生一個很小的、極性交替變化，而且相等的電壓，所以雙絞線可以消除由磁場感應出的電壓。

3.2.2 地回路

噪聲和誤差電壓還可能由地回路引起。當存在兩個與地的連接點，例如源和測量儀器都連到一個公共的地總線時，就形成了回路。源和測量儀器的地之間的電壓會引起電流在回路中流動，這個電流將會產(chǎn)生與源電壓相串聯(lián)的不希望有的電壓。

解決這種地回路問題的方法是將所有的設備在一個單點接地。實現(xiàn)這一點的最簡單的辦法是使用隔離的電源和儀器，然后為整個系統(tǒng)找出一個單一的、良好的大地接地點。

4 結語

綜上所述，采用K-V分壓器和5730A型多功能標準源配合能夠很好地對34420A型和2182A型數(shù)字多用表10 mV直流電壓進行校準。若實驗室沒有K-V分壓器，那么采用一等標準電阻和8508A型高準確度數(shù)字多用表配合進行校準也同樣滿足要求。但需要注意在校準過程中減小偏置電壓和噪聲的影響，在進行不確定度評定時也要考慮由偏置電壓和噪聲引入的不確定度分量。