低热电势扫描开关通道电势测试综合性实验开发

富雅琼, 李正坤, 谢 敏, 许素安, 陈 乐

(1. 中国计量大学 浙江省在线检测装备校准技术研究重点实验室,浙江 杭州 310018；2. 中国计量科学研究院, 北京 100013)

低热电势扫描开关是国家、省一级计量测试部门构建电阻、电压、热电偶、热电阻巡检测试系统的常用设备[1-3]。我国在2003年颁布施行计量校准规范JJF 1098《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》,给出一种扫描开关热电势指标的测试方法,同时规定热电偶、热电阻自动测量系统中扫描开关引入的热电势须小于0.4 μV[4]。电学计量通常有更高的准确度要求,国家级电学计量实验室采用50 nV,甚至20 nV级别的进口低热电势扫描开关,如Data proof 160、Guildline 6664B等,其提供的检测报告经常采用美国NBS 430为依据[5]。

浙江省在线检测装备校准技术研究重点实验室依托科技部重大科学仪器开发专项,成功研制了与进口产品指标相当的低热电势扫描开关[6-7],并对其测试方法进行了深入研究。依托此研究成果开展教学转化,开发设计了低热电势扫描开关通道电势测试综合性实验。此类实验契合了“新工科”建设行动路线的“教师将研究成果及时转化为教学内容,向学生介绍学科研究新进展、实践发展新经验,积极探索综合性课程、问题导向课程”的实践[8-9]。在实验中,学生了解计量测试学科研究新进展、掌握了直读与较量仪表巡检系统的原理和实验方法,对提高本专业学生工程能力和素质具有实际意义。

1 实验目的与意义

学生综合运用检测技术、计量测试技术和虚拟仪器等课程中关于热电效应、电学测量、误差与不确定度分析、LabVIEW编程等相关知识,设计和搭建出低热电势扫描开关通道电势测试系统。通过实验,让学生掌握计量技术规范文件的实施、纳伏计等精密测试设备的操作使用、热电势指标计算、误差分析和自动化测试软件设计方法。

在进一步拓展中,通过对多种测试方案(JJF 1098、NBS 430及拓展资料提供方案)原理和实验结果的辩析,使学生了解同一设备在直读和较量两类测试系统中的不同评价标准,从而对计量测试技术工程实践形成更深刻认识。

2 实验原理

电阻、电压、热电偶、热电阻等巡检系统一般包括测量仪表、扫描开关和测量对象。常用的测量仪表可以归类为直读仪表和较量仪表两类。通过分析两类仪表构成的测量系统模型,可以了解扫描开关在这两类系统中如何引入热电势,并制订相应的测试方案。

2.1 直读仪表巡检系统原理

直读仪表是指可以直接显示被测参量的仪表。例如测量电压、电阻所用的高精度数字万用表。直读仪表与低热电势扫描开关构成巡检系统时,两者只通过一组端口连接,测量对象(如电阻器、电池)或传感器(如热电偶)则连接在端口1～N上(见图1)。工作时,按照预定顺序、时间间隔自动切换通道,依次将测量仪表分别与1～N个被测对象接通,从而实现自动化巡检。

图1 直读仪表巡检系统

图1中PH、PL分别表示四线制中电压高端与电压低端；CH和CL分别表示四线制中电流高端和电流低端。

2.2 较量仪表巡检系统原理

较量仪表是指将测量对象与标准器进行比较或提供比例的仪表。电桥、电位差计等属于较量仪表。使用较量仪表时,标准器可以经过扫描开关与仪表相连,也可以不经过扫描开关直接连在仪表上。如采用后者,则扫描开关在系统中的作用与直读仪表时相同的。

当被比较的对象都通过扫描开关接入系统时,仪表的两组输入端口分别接在扫描开关的A组端口和B组端口；被比较的对象在扫描开关的1～N端口上，见图2。

图2 较量仪表巡检系统

测试时,可能是所有其他测量对象分别与标准器相比较,也可能是所有被测对象之间互相比较。

2.3 通道热电势

2.3.1 直读仪表巡检系统的热电势

塞贝克效应是导致扫描开关通道热电势产生的根本原因[10],其原理与热电偶相同。低热电势扫描开关的通道分为电压通道和电流通道。其中电压通道的附加热电势会对测量结果产生影响,要针对电压通道进行热电势分析。

在图1所示的直读仪表巡检系统中,当扫描开关的Line A与Chn选通时,其引入的测量线路有两部分,一部分是从Line A高压端口到Chn高压端口的内部线路,另一部分是从Chn低压端口到A line低压端口的内部线路。两部分热电势的总和为

ed=ePH-ePL

(1)

式中:ePH为Line A高压端口到Chn高压端口线路中的热电势；ePL为Line A高压端口到Chn高压端口线路中的热电势；ed就是扫描开关对直读巡检引入的热电势。

由于2个热电势在测量线路中的方向相反,计算时要将两项相减。

2.3.2 较量仪表巡检系统的热电势

在图2所示的较量仪表巡检系统中,当巡检系统的选通状态为Line A—Chn和Line B—Chm时。比较器所指示的测量结果为被测对象与标准器的差值。因此在测量结果中体现的热电势为

ec=(ePH(B,m)-ePL(B,m))-(ePH(A,n)-ePL(A,n))

(2)

式中，ec是扫描开关对比较测量巡检系统造成的误差项,其不确定度可作为系统测量结果不确定度的分量进行考虑。式(2)可以看作两次直接测量的组合。

式(1)和式(2)是中国标准JJG 1098和美国NBS 430技术报告分别给出的通道热电势测试指标。

3 实验开发与设计

3.1 JJF 1098实验方案

直读仪表巡检系统工作时,扫描开关引入的是单通道热电势。当被测对象为0 V时,测量仪表的读数即为扫描开关引入的单通道热电势。

测试时,用粗铜导线将扫描开关连接被测对象的PH与PL端口分别短接(见图3),等效于加载0 V的被测对象；纳伏计接在Line A或Line B的PH与PL端上作为测量仪表。为了消除测量仪器引入的误差,可先在纳伏计的正负输入端之间短接粗铜导线,待示数稳定后将纳伏计调零,最后将铜导线剪断进行测量。

图3 单通道热电势测量系统

上述步骤可以实现一个通道热电势的测量。切换通道重复上述过程,测量Line A和Line B所有通道热电势；取各通道多次测量结果的最大值,即可作为JJG 1098中所规定的指标。

3.2 NBS 430实验

较量仪表巡检系统工作时,扫描开关同时有2组通道在测量线路中,因此应综合2个通道热电势的影响。

测量线路如图4所示,测量前分别用粗铜导线短接，将扫描开关连接被测对象的所有通道Ch1—ChN各自的PH与PL端口短接；纳伏计正负输入端分别接在Line A和Line B的PH端上,同时将Line A和Line B的PL端用粗铜导线短接。

测量时,将Line A和Line B分别与进行比较的2个通道导通,系统稳定后读取纳伏计读数;然后交换测量端进行反向测量,反向后仍然待系统稳定后读取纳伏计读数。将反向测量的数据取负号后,与正向测量数据合并计算平均值作为读出。

上述步骤实现了一组通道组合的热电势测量。切换通道重复上述过程,可以测出所有通道组合的热电势。

图4 较量通道热电势测量系统

按照上述方法,当低热电势扫描开关通道数为2 Line×N通道时,需要测量的组数将有N×(N-1)组,可以想象工作量非常之大。为了提高效率,可以选取恰当的组合形式进行2N组测试,利用最小二乘方法对通道热电势进行测算,最小二乘方法同时可以计算测量仪器引入的误差。针对本实验所使用的16通道扫描开关,测试共包含2×N组测量,测量中能保证每个通道被测量2次。

3.3 编写测试程序

实验室计算机上安装有LabVIEW编程环境。学生需要正确配置纳伏计和低热电势扫描开关的GPIB通信参数,并参考2台仪表的SCPI指令集编写自动测试程序。

首先根据测试实验步骤编写自动控制程序,实现扫描开关通道的自动切换、延时和原始数据的采集与保存。2台仪器的指令集都符合SCPI标准,学生编写程序会用到的主要指令集见表1。

表1 低热电势扫描主要指令

然后编写程序完成数据的处理。

3.3.1 JJF 1098实验方案数据处理

JJG 1098要求取各通道3次测量结果的最大值作为该通道的热电势值。在本实验的自动测试系统中很容易增加数据量,因此将各通道的测量次数增加到10次以上(如40次)以便于符合贝塞尔公式计算不确定度的应用条件。

3.3.2 NBS 430实验方案数据处理

(3)

(4)

计算每一组测试读数y的估计值:

(5)

计算32组测量结果的偏差值：

(6)

最后计算标准偏差

(7)

值得注意的是,由于2×16次组合测量中受约束的项数为16,其中计算标准偏差时所用的自由度为16。

4 实验结果与讨论

4.1 JJF 1098实验结果

表2左侧为A line与16通道导通时的读数,右侧为B line与16通道导通时的读数。

表2 单通道热电势检测结果

按照JJF 1098的规定,被测低热电势扫描开关的单通道热电势的最大绝对值为34 nV,满足小于0.4 μV的要求。

当被测低热电势扫描开关被用于高精度数字万用表(DMM)、热电偶、热电阻温度测量仪等系统时,表2可作为评价其热电势性能指标的参考依据。

4.2 NBS 430实验结果

按照NBS430方法进行测试。34420A纳伏计不需要预先调零。表3为2×16组测试结果,测试中保证每一通道号在Line A和Line B组合中各出现2次。

表3 较量通道热电势检测结果

根据式(5)和(7)计算2×16组测量结果的偏差值,最后根据式(7)计算测量的标准偏差为15 nV。

4.3 讨论与拓展

4.3.1 测试方案的适用性讨论

中美两国的测试规范针对低热电势扫描开关同一设备给出了不同的测试方案。正确理解测试原理和应用领域是辨析两种方案的关键。

JJG 1098主要针对热电偶、热电阻巡检系统中的低热电势扫描开关进行测试,根据测试原理分析,其主要针对直读式巡检测量系统；而NBS 430的应用背景为计量实验室标准电池组的比对,属于较量式测量系统。可见当低热电势扫描开关应用在不同系统中,应采用与之相适应的测试方法和指标参数。

国内外低热电势扫描开关产品一般只提供上述两种方案之一的校准证书。作为计量测试工程师,对包含低热电势扫描开关的系统测量结果进行不确定度评定时,不能简单地依据证书进行B类评定,应考虑其所在的测量系统类型。特别是国内一些计量实验室在铂电阻温度计的校准中采用了直流电流比较仪(DCC)电桥系统,属于较量式测量系统,这种情况下采用NBS 430方案更为合理。

4.3.2 实验操作注意事项

本实验属于有“计量”特色的实验,其测量准确度要求较一般实验更高。实验过程要求学生充分体会实验环境、操作规范和一些特殊处理方法对于保证测量准确度的重要性。

实验过程中,通过空调保证室内温度为20 ℃±1 ℃,严禁开关门窗和人员随意走动；实验接线过程中学生需佩戴手套操作,防止皮肤影响各端子的接触点温度；在数据采集程序中,应包含有数据稳定性判定程序,以避免通道切换时的暂态影响。

两项实验中分别采用了零点校正和极性交换法以减小纳伏计引入的系统误差。这两种方法都是精密测量中常用于处理系统误差的手段。

4.3.3 拓展学习

经过课前准备和课堂实验之后,课后除了要求学生整理实验数据、总结实验规律以外,提供一篇专业文献[11]供学生自主研究学习。文献介绍了美国国家标准与技术研究院约瑟夫森量子电压基准系统中低热电势扫描开关的测试方案,对系统误差的处理有另一套完善的处理方式。学生通过拓展学习,进一步加深对实验机理的理解和培养学生的创新能力[12]。

5 结语

本文依托自制低热电势扫描开关样机科研成果,开发了低热电势扫描开关通道电势测试综合性实验。实验中学生需要查阅计量标准规范、设计测试软件和测试步骤，并完成数据处理与分析,具有较强的综合性和研究性,切合“新工科”建设路线。

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