数字多用表的示值误差测量不确定度评定

刘　璐，郑　楠，谢蓓欣，战春雨，陈军伟，王　康

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春　130021；

2.国网西藏电力有限公司电力科学研究院，拉萨　850000)

近几年，数字多用表在电力、计量、工业生产以及科研领域的使用规模广泛，表的数量大幅增加。为保证数字多用表测量结果的准确性，需要采用数字多用表检定装置定期对其进行检定或校准。目前，我国实施的GB/T 27025—2005《检测和校准实验室能力的通用要求》规定：由校准实验室出具的证书和报告必须对测量结果的不确定度进行说明，且要求给出的测量不确定度需适用于数字多用表的整个测量范围[1-2]。由于数字多用表测量项目多，每个测量项目中不同量程的技术参数不尽相同，故在校准工作中应选择每一测试项目中每一量程的典型校准点进行评定，最后分段给出测量不确定度，这无疑大大增加了校准的工作量，同时人工手动评定也会使测量不确定度评定的准确率下降。为解决上述问题，采用Java语言开发数字多用表示值误差测量结果不确定度自动评定系统，有助于提高校准工作的工作效率和工作质量。本文主要对系统组成、测量不确定度评定方法及系统软件设计进行介绍。

1　系统组成

数字多用表示值误差测量结果不确定度自动评定系统主要由计算机及自动评定软件、数字多用表检定装置、数字多用表、测试电缆和打印机构成(见图1)。将测量结果及相关数据输入计算机中的评定软件，便可自动对数字多用表示值误差的测量结果进行不确定度评定及验证。此外，本系统能够自动导出文档(DOC)格式的评定报告并通过打印机打印。

图1　系统组成图

2　测量不确定度的评定与验证

2.1　测量方法

根据检定规程JJF 1817—2016《数字多用表校准规范》规定，采用标准源法对数字多用表的示值误差进行测量，数字多用表检定装置与被测对象采用直接连接的方式，其测量原理见图2，图中H为高电压，L为低电压。

图2　测量原理图

首先选择被测数字多用表的相应量程，其次设定数字多用表检定装置输出标准值(直流电压100 V)给被测对象，然后可直接从数字多用表的数字显示屏中读取测量值。其数学模型为：

ΔV=VX-VN

(1)

式中：ΔV为数字多用表的示值误差；VX为数字多用表测量值；VN为数字多用表检定装置输出标准值。

2.2　测量不确定度来源分析

由公式(1)可知，数字多用表示值误差的测量不确定度同时受到由数字多用表的测量值和数字多用表检定装置输出的标准值所产生不确定度的影响。测量不确定度的评定可采用A类不确定评定和B类不确定度评定两种方法。JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》中规定，按照不确定度的评定方法进行分类，测量不确定度的来源可分为以下分量。

a.A类不确定度的评定：数字多用表检定装置对被测数字多用表进行多次测量，主要由被测对象示值误差的分散性引起的测量不确定度分量uA。

b.B类不确定度的评定：数字多用表检定装置通过上级计量标准校准时由上级计量标准传递误差引入的不确定度分量uB1；数字多用表检定装置直流电压值的年变化误差引入的不确定分量uB2；由被测数字多用表分辨力引入的不确定度分量uB3。

2.3　测量不确定度评定

2.3.1不确定度分量uA的评定

该项不确定度主要由被测数字多用表示值误差的分散性引起。在温度为19～21 ℃、相对湿度为45%～60%的相同环境条件下，通过数字多用表检定装置对被测数字多用表在重复性条件下连续进行10次独立测量，并得到表1所示的一组测量值。

根据表1中的试验数据，通过贝塞尔公式求出试验标准偏差s(VX)：

(2)

式中n为在重复性条件下连续进行独立测量的次数。

表1　重复性试验测量值　V

由于在日常检定或校准过程中采用多次测量求平均值的测量方式，故可得测量不确定度分量uA为平均值的标准差：

(3)

A类不确定的自由度由式(4)计算可得：

vA=n-1=9

(4)

2.3.2不确定度分量uB1的评定

由数字多用表检定装置通过上级计量标准所提供的校准证书可知，在直流电压100 V处的扩展不确定度U为±0.000 6 V，取其半宽a1=0.000 6 V，包含因子k1=2，则对于数字多用表检定装置输出直流电压100 V的标准值时，由上级计量标准传递误差引入的不确定度分量uB1为：

uB1=a1/k1=300 μV

(5)

B类不确定的自由度可由公式(6)计算[3]：

(6)

式中u(VN)的相对标准不确定度Δu(VN)/u(VN)趋近于0，则不确定度分量uB1的自由度vB1=∞。

2.3.3不确定度分量uB2的评定

uB2=a2/k2=1 125.83 μV

(7)

自由度vB2=∞。

2.3.4不确定度分量uB3的评定

uB3=a3/k3=28.87 μV

(8)

自由度vB3=∞。

2.3.5合成不确定度的评定

由于VX与VN彼此独立不相关，因此上述各项不确定度分量的灵敏系数都为1。表2列出各项不确定度分量值及其自由度。

表2　不确定度一览表

根据JJG 1033—2016《计量标准考核规范》要求，进行合成不确定度评定时，在由被测对象测量重复性引起的不确定分量和由被测对象分辨力引入的不确定度分量两者中取较大者即可，另外一项可忽略；因此在本次不确定度评定中仅需考虑不确定度分量uA，根据表2中数据计算得合成不确定度uc为：

(9)

2.3.6扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，则在直流电压100 V处的扩展不确定度U为：

U=k×uc

(10)

换算至相对扩展不确定度，对直流电压UN(100 V)进行测量时的相对扩展不确定度Urel为：

(11)

2.4　测量不确定度评定的验证

对测量不确定度的评定进行验证可采用传递比较法[4]。当数字多用表检定装置5 522 A对被测数字多用表Keithley 2000的直流电压100 V进行测量时，被测对象的测量值ylab为99.994 1 V；根据2.3节计算其测量时的扩展不确定度Ulab为2 342.56 μV。采用另一高等级的计量标准同样对该被测对象的直流电压100 V进行测量，此时被测对象的测量值yref为99.994 8 V，测量时的扩展不确定度Uref为1 162.02 μV。在Ulab和Uref的包含因子近似相等的前提下，满足公式(12)：

(12)

说明此次检定或校准的测量结果及对其测量不确定度的评定具有可信度。如出现不满足公式(12)的情况，则说明检定或校准的结果及其测量不确定度的评定不具有可信度，应查明原因并且针对存在的问题采取一定的纠正措施。

3　系统软件设计

本系统采用Java语言作为系统的开发工具，以MySQL为数据库、Tomcat 为Web服务器；后台主要采用SpringJDBC+Struts2框架，利用模型视图控制器(MVC)分层模式，进行代码编写和管理。

3.1　软件结构设计

图3为软件结构设计图。

图3　软件结构设计图

系统采用模块化设计结构，主要包括试验数据维护模块、测量不确定度评定模块、不确定度评定的验证模块、评定报告文档导出模块。

3.2　软件流程设计

该系统的实现必须先经过试验数据采集、处理和验证等步骤，各个步骤之间有较强的依赖关系。在数据完整录入后才能够进行测量不确定度评定，在完成测量不确定度评定后才允许进行测量不确定度评定的验证，最终将结果Word存档。软件设计的流程图见图4。

图4　软件流程设计图

3.3　测量不确定度评定模块

选取试验测试记录，并通过前端页面获取3个计算参数：数字多用表检定装置通过上级计量标准校准的扩展不确定度及其年允许变化误差、被测对象的分辨力。

采用BigDecimal对象封装函数，对数据进行加减乘除、开平方运算，确保运算数据的真实性和有效性。在计算合成不确定度前对uA和uB3分量进行比较分析时，采用分支语句if{}…else{}语句选取较大值进行平方和运算。测量不确定度评定的过程及评定结果可在前端界面显示。

3.4　测量不确定度评定的验证模块

测量不确定度评定的验证过程及验证结论可在前端界面调用及显示。

3.5　报告自动导出模块

测量不确定评定及其验证报告的自动导出实现方法如下：先将模板文档转化成纯可扩展标记语言(XML)文件，将其模板文件存放在服务器端；在点击导出Word文档时，根据不同页面选择对应的函数调用模板，将所调用模板文档中需要替换的数值通过查询方式得出，并在后台进行替换；最后将替换后的文件后缀改成.doc ，以文件的形式推送给客户端提供下载。

4　结论

本文对数字多用表示值误差测量不确定度评定的方法进行了详细介绍，并采用Java语言对自动评定系统进行了开发。该系统只需人工输入测试数据及几个关键参数，便能够自动评定数字多用表示值误差的测量不确定度，且能够自动出具评定报告。该系统已经投入吉林省电力有限公司计量中心标准量传室的校准工作中，大大提高了工作效率，保证了校准工作的准确性。

参考文献：

[1]王浩伟,陈振林,程绍成.数字多用表测量不确定度评定及其LabVIEW编程实现[J].国外电子测量技术,2010,29(7):75-78.

[2]严洪燕,武桦. 数字多用表示值误差测量不确定度自动评定的设计[J].宇航计测技术,2012,32(6):80-85.

[3]葛琳.数字多用表不确定度评定方法探析[J]. 青海电力,2006,25(3):26-28.