基于數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度評定

馬莉，常婧，吳楊，韓利，陳志偉

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.長沙天恒測控技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

近年來，數(shù)字多用表在電力、計量等科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，為保證量值的傳遞性和溯源性，需采用檢定裝置對其進(jìn)行周期性檢定/校準(zhǔn)[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，實驗室出具的報告測量結(jié)果必須具有對應(yīng)的測量不確定度說明，且給出的測量不確定度應(yīng)適用于數(shù)字多用表的整個測量范圍。數(shù)字多用表測量項目包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻[3]，校準(zhǔn)時采用的標(biāo)準(zhǔn)源輸出和量程選擇不同，其技術(shù)參數(shù)也不同。因此，在校準(zhǔn)工作中采用單一值表示并不能適用于整個測量范圍，應(yīng)依據(jù)校準(zhǔn)項目在每一量程范圍內(nèi)選擇典型的校準(zhǔn)點進(jìn)行評定，分段給出測量不確定度，然而，這樣在一定程度上不僅增加了校準(zhǔn)工作量，人工評定時測量不確定報告準(zhǔn)確率也會有所下降[4]。文獻(xiàn)[5]研發(fā)的自動評定系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)字多用表示值誤差測量結(jié)果不確定度的自動評定，但需提前手動錄入數(shù)字多用表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)才能完成測量不確定度的評定。文獻(xiàn)[6]提出的數(shù)字多用表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠自動調(diào)用表格中設(shè)置好的校準(zhǔn)點,實現(xiàn)數(shù)字多用表的自動化校準(zhǔn)，但不具備不確定度評定功能。

為解決上述問題，提高數(shù)字多用表不確定度評定的工作效率和準(zhǔn)確率，研究開發(fā)數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實現(xiàn)數(shù)字多用表自動檢定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升校準(zhǔn)自動化程度，實現(xiàn)測量不確定評定功能，使校準(zhǔn)工作更加規(guī)范，本文主要對系統(tǒng)組成、測量不確定度評定方法以及系統(tǒng)評定結(jié)果進(jìn)行介紹。

1 數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由計算機(jī)（系統(tǒng)軟件）、被檢表或被檢裝置、標(biāo)準(zhǔn)源或標(biāo)準(zhǔn)表、測試電纜、打印機(jī)組成，如圖1所示，在系統(tǒng)完成對被檢表的自動檢定/校準(zhǔn)后，可將結(jié)果自動輸出，實現(xiàn)送檢設(shè)備的日常檢定，不確定度評定時先進(jìn)行重復(fù)性測量，再調(diào)用重復(fù)性計算結(jié)果進(jìn)行綜合評定，最后系統(tǒng)自動出具校準(zhǔn)/檢定報告、不確定度評定報告并打印。

圖1 數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試

采用GPIB接口卡連接計算機(jī)、被檢設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，被檢設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備通過RS-232 總線電纜連接。在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，硬件測試合格后，即可開展檢定工作。

1.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，如圖2所示，包括報表模塊、方案模塊、系統(tǒng)模塊、檢定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊部分。

圖2 系統(tǒng)軟件組成模塊

1.4 系統(tǒng)原理

標(biāo)準(zhǔn)源模式如圖3所示，在檢定時，標(biāo)準(zhǔn)源的輸出值即為顯示值，系統(tǒng)自動控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)示值，系統(tǒng)通過被檢表的通訊接口自動切換被檢表的各種顯示狀態(tài)，讀取被檢表的實際測量值作為被檢表的示值實現(xiàn)對被檢表的檢定。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)源模式

標(biāo)準(zhǔn)源同時又是被檢表，是指利用標(biāo)準(zhǔn)表對表源為一體的裝置進(jìn)行檢定的一種模式，如圖4 所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)源同時又是被檢表模式

在檢定時，被檢裝置既是輸出源又是被檢表，檢定系統(tǒng)通過通信接口自動控制被檢裝置輸出電壓、電流給標(biāo)準(zhǔn)表，系統(tǒng)自動采集被檢裝置的測量值作為被檢示值，同時系統(tǒng)通過與標(biāo)準(zhǔn)表的通信接口自動切換標(biāo)準(zhǔn)表狀態(tài)，并且讀取標(biāo)準(zhǔn)表測量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)示值實現(xiàn)對被檢裝置的檢定。

2 測量不確定度評定

2.1 測量不確定度的數(shù)學(xué)模型

影響數(shù)字多用表不確定度分量來源包括：被測數(shù)字多用表的重復(fù)性測量引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)源的示值最大允許誤差引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)源的校準(zhǔn)引入的不確定度三個部分。

測量不確定度的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Δ表示示值誤差；Vx為被檢表的示值；VN為標(biāo)準(zhǔn)器的輸出值。

依據(jù)測量不確定度的來源，評定方法分為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定兩部分：

1）A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定。采用多功能標(biāo)準(zhǔn)源對數(shù)字多用表進(jìn)行多次測量，由數(shù)字多用表示值誤差分散性引入的不確定度分量uA。

2）B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定。多功能標(biāo)準(zhǔn)源通過上級標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)時引入的不確定度分量uB1，標(biāo)準(zhǔn)源示值最大允許誤差引入的不確定度uB2。

2.2 測量不確定度評定

2.2.1 不確定度分量uA的評定

數(shù)字多用表多次測量引入的不確定度采用A類評定方法進(jìn)行評定。以5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源作為測量標(biāo)準(zhǔn)，34410A型數(shù)字多用表作為被測對象，環(huán)境條件保持在溫度22.0 ℃，相對濕度50%，在重復(fù)性條件下，對交流電壓10 V(50 Hz)測量點各進(jìn)行10 次獨立測量，得到1 組測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10次重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

依據(jù)表1 試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)貝塞爾公式求出單次實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s(V)：

式中：Vˉ為n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值；Vi為第i次的測量結(jié)果。

平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差：

測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

2.2.2 不確定度分量uB1的評定

2.2.3 不確定度分量uB2的評定

標(biāo)準(zhǔn)源的校準(zhǔn)證書給出的不確定度U=0.000 2 V，kB2=2，因此半寬度aB2=0.000 2 V，故由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

2.2.4 合成不確定度的評定

檢定裝置檢定/校準(zhǔn)交流電壓表的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度各輸入量估計值彼此不相關(guān)，各不確定度分量匯總見表2。

表2 各不確定度分量匯總

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.2.5 擴(kuò)展不確定度的評定

取 包 含 因 子k=2，U=k×uc= 0.000 66 V。對于不同測試點測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度均可按上述方法分析計算。

校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)該數(shù)字多用表交流電壓10 V（50 Hz）點示值誤差測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U=0.000 66 V,k=2，相對擴(kuò)展不確定度為Urel=

2.3 系統(tǒng)不確定度自動評定

依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)源模式，利用5730A 型多功能標(biāo)準(zhǔn)源和34410A型數(shù)字多用表進(jìn)行重復(fù)性測量，得到被檢表示值，引入不確定度評定模塊，在系統(tǒng)中輸入標(biāo)準(zhǔn)源參數(shù)，進(jìn)行不確定度的自動評定，計算結(jié)論與人工評定結(jié)論相同，其計算過程不易出錯，且計算時間要遠(yuǎn)小于人工評定時間。

2.4 測量不確定度的驗證

測量不確定度的驗證一般采用傳遞比較法，被測數(shù)字多用表的測量值ylab=9.999 74 V，擴(kuò)展不確定度Ulab=U= 0.000 66 V，采用另一高等級計量標(biāo)準(zhǔn)同樣對該被測對象的交流電壓10 V（50 Hz）進(jìn)行測量，此時被測對象測量值為yref=9.999 78 V，測量時的擴(kuò)展不確定度為Uref=0.000 69 V。滿足公式：

此次的校準(zhǔn)測量結(jié)果及其不確定度的評定具有可信度。

3 結(jié)論

1）研究開發(fā)的數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)具有基本誤差的半自動或全自動校驗、測量重復(fù)性測試、不確定度全自動測試等功能。

2）數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)字多用表的自動校準(zhǔn)及不確定度自動評定，快速準(zhǔn)確地給出整個測量范圍內(nèi)的擴(kuò)展不確定度，有效提高檢定人員的工作效率，避免人工失誤誤差。