时钟测试仪测量不确定度评定方法

兰骏 柳州市计量技术测试研究所 广西柳州 545006

前言

时钟测试仪主要是用于检定具有内部时钟电路的电子式电能表的日计时误差等计量性能是否符合检定规程要求的计量仪器.其一般都能快速的测量电子式电能表内部的时钟信号,并能显示所测电能表秒脉冲日计时误差和频率误差等功能.因此时钟测试仪被广泛的应用于电能表的生产企业和相关的电能表计量检定机构.

1、时钟测试仪的校准项目

依据JJF1662-2017《时钟测试仪校准规范》的要求对时钟测试仪主要是校准其日计时误差、频率测量误差、频率输出信号、时钟时刻误差等四个技术指标.每个时钟测试仪生产厂家所生产的时钟测试仪功能有可能各不一样,但是不管生产厂家如何不同,基本上每台时钟测试仪都具有频率测量功能和频率输出功能.本文主要介绍时钟测试仪的频率输出信号(即相对平均频率偏差)的测量不确定度评定方法.

图1 相对平均频率偏差测量示意图

时钟测试仪经其使用说明书规定预热时间后,将其输出信号加到通用计数器频率测量端口,同时将通用计数器的闸门时间设置为10s,连续测量三次,取其算数平均值为测量结果.

2、校准时钟测试仪的标准器

依据JJF1662-2017《时钟测试仪校准规范》的要求,校准时钟测试仪的主要仪器有:参考频标、通用计数器、函数发生器、参考时钟.本次校准时钟测试仪输出频率偏差,只用到参考频标和通用计数器.

3、时钟测试仪输出频率偏差测量不确定度评定

3.1 数学评定模型

(σ-相对平均频率偏差;f'0-被校频率输出标称值,Hz;fx-被校频率在τ内的平均测量值,Hz.)

3.2 不确定度来源

3.2.1 被校频率输出标称值测量重复性引入的标准不确定度分量u(fx)

3.2.2 由参考频标和通用计数器引入的标准不确定度分量u(f'0)

3.3 标准不确定度分量的评定

对一台时钟测试仪的标称输出频率,采用直接比较法进行校准.

3.3.1 被校频率输出标称值测量重复性引入的标准不确定度分量u(xf )u ( fx)标准不确定度分量主要来源于被测时钟测试仪频率输出的重复性,可以通过对其进行多次的连续测量,从而得到测量列.采用A类评定方法进行评定.

对一台时钟测试仪输出的100kHz频率信号,进行10次连续测量,选择通用计数器的闸门时间为10s,得到测量列:

次数 1 2 3 4 5实际值(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次数 6 7 8 9 10实际值(kHz)100. 000 00052 100. 000 00042 100. 000 00043 100. 000 00047

通用计数器的显示分辨力所引入的标准不确定度小于测量重复性引入的标准不确定度,因此只取测量重复性引入的标准不确定度 u ( fx).

3.3.2 由参考频标和通用计数器引入的标准不确定度分量 u (f0')u ( f0')不确定度分量主要来源于参考频标或通用计数器内置时基的频率偏差.根据校准规范对标准器的技术指标要求可以得知:"参考频标的频率稳定度应优于被校时钟测试仪频率稳定度的三分之一,其他计量性能指标如开机特性、频率偏差等应优于被校相应技术指标一个数量级.同样对于通用计数器如果采用其内置时基时,其频率偏差应优于被校频率偏差一个数量级."

根据校准规范可知被校时钟测试仪的相对平均频率偏差应优于±2X10-7,因此可知通用计数器内置时基或参考频标的频率偏差至少应该满足≤2X10-8.按均匀分布,取包含因子k =,

4、合成标准不确定度为

各标准不确定度表:

标准不确定度 ()xi 标准不确定度分量 iu不确定度来源分布符号 数值(kHz) 符号 数值(kHz)u 灵敏系数Ci被校频率输出标称值引入 )(xfu 2.3X10-8 1 1u 2.3X10-8 正态参考频标和通用计数器引入 )(0'f u 1.2X10-6 -1 2u 1.2X10-6 均匀

合成标准不确定度:

5、相对扩展不确定度:取k = 2

在评定时钟测试仪的输出平均频率偏差测量不确定度时,我们需要注意,虽然时钟测试仪对于校准环境温度条件的要求比较宽.环境温度在(15~30)℃范围内就可以,但是对于具有高精度内置石英晶体振荡器的电子测量设备其校准过程中对实验室环境温度变化都有要求.在校准过程中环境温度变化不能超过±2℃,且在校准过程中实验室温度不能有突变.