参考级直流标准电压源自动校准系统

李晶晶, 王乾娟, 孙 智, 金海彬, 罗春妹, 黄文钰

(北京东方计量测试研究所,北京 100086)

1 引 言

直流电压是电磁计量学中最基础的参数,为电磁计量及其它计量领域提供溯源依据。直流标准电压源由于准确度高、测量范围宽,通常作为保存和复现直流电压量值的标准设备广泛应用于各级计量机构。不确定度为10-6量级的参考级直流标准电压源的校准[1～4],需使用技术指标在10-6～10-7量级的固态电压标准(标准电池)及直流标准分压箱等标准设备,这些设备均无程控接口。传统的手动校准效率低、注意事项多、操作过程繁琐,校准人员的技术水平、工作经验对测量结果影响极大。在手动校准过程中操作人员会经常性换接线缆,在接触测试线缆或者仪器接线端子后会造成热电势残留,其耗散时间约为数min至数十min；接触热电势绝对值最大一般在数十μV量级,如不加注意则会引入较大热电势误差。因此,有必要引入自动校准程序,将上述影响量最小化。美国NIST开发了一套多功能校准系统(MCS),主要校准对象是高精度数字电压源、电压表,这套系统大部分的校准过程都可实现自动化,但是还需要操作人员根据系统功能改变接线以及切换部分开关。日本MTA公司研制了一套直流电压校准器和直流电压表的自动校准系统,可用于校准直流电压源和直流电压表的1 V,2 V,10 V,20 V和100 V电压,最佳测量点相对不确定度为0.3×10-6。中国计量科学研究院(NIM)的多功能源校标准装置主要由固态电压标准、空气电阻器以及自研比例分压箱组成,采用手动校准。

北京东方计量测试研究所经过多年科研项目、产品研发及量传任务的经验积累,开展了低热电势开关技术的研究,开发了一套基于已有固态电压标准、标准分压箱、直流数字电压表及自研程控低热电势开关矩阵和自动校准软件的参考级直流标准电压源自动校准系统,实现了校准过程自动化,保障了量传质量,提高了量传效率。

2 系统组成

2.1 系统的硬件组成及工作原理

2.1.1 系统的硬件组成

本系统由固态电压标准、直流数字电压表、分压箱、程控低热电势开关矩阵、主控计算机、打印机、GPIB总线等组成。系统硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件组成图Fig.1 The diagram of system hardware composition

2.1.2 系统的工作原理

固态电压标准提供1.018 V和10 V直流电压基准,直流标准分压箱提供2:1～100:1共计18个比例,被校直流标准电压源的各测试值通过分压箱进行比例运算与固态电压标准提供的电压基准进行比较得出其示值误差。程控低热电势开关矩阵用于实现直流电压测量范围的自动切换,直流数字电压表为过渡标准,主控计算机为整个系统的控制中心,打印机用来数据输出。

2.2 系统的软件开发

本系统采用LabVIEW软件和相关仪器驱动编制自动校准程序及软件调用框架[5]。系统软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构图Fig.2 The diagram of system software structure

软件结构示意图前2层为框架层,完成系统的资源调用、任务分配及人机交互,并实现证书报告中所有信息配置、报告类型(检定、校准)选择、环境参数配置、报告存放路径选择等功能。第3层的核心是校准流程控制,针对不同型号的参考级直流标准电压源进行程序开发,通过IEEE488总线对仪器进行读写操作,从而控制程控低热电势开关矩阵、直流数字电压表和被校直流标准电压源等,代替过去手动操作和用眼观测、手写记录的过程。

系统软件主要包括信息配置、计量校准、数据处理、证书生成、查询打印、开发扩展等功能。同时,在校准过程中对被校准直流标准电压源的量程、校准点、校准值、不确定度、各点的允许误差及实际误差进行实时监控,对不合格点可进行单点复测。测试完成后,将校准数据存储在数据库中,然后调取原始记录和校准证书进行打印,完成自动校准。

2.3 系统的技术指标

系统的技术指标主要由固态电压标准、直流标准分压箱、低热电势开关矩阵共同决定。具体指标见表1所示。

表1 参考级直流标准电压源自动校准系统技术指标Tab.1 Specifications of reference level DC standardvoltage source automatic calibration system

3 程控低热电势开关矩阵的研制

由于固态电压标准和直流标准分压箱都没有程控接口,因此要想实现直流标准电压源的自动校准,研制程控低热电势开关矩阵是关键[6，7]。这种多路程控开关矩阵不仅要求配有程控接口用以组成自动化校准系统,还要求有较高的可靠性、安全性及较低的热电势。程控低热电势开关矩阵的工作原理是根据所需测量的电压值大小,由触摸屏选择(手动操作)或通过通信接口发出指令,经CPU处理后,传递到FPGA现场可编程门列阵,由FPGA根据CPU的指令控制继电器,执行分压箱分压比例的选择或切换。研制程控低热电势开关矩阵的主要技术难点在于：1)分压箱的电阻需要承受的功率与U2成正比,当输入为高电压而误切换至低电压通道时,该通道内的电阻可能会难以承受高压而导致损坏；2)二次输出的电压为小信号,特别是小电压量程的通道,热电势和接触电势对其测量准确性影响较大。针对上述技术难点提出具体解决措施如下：1)在10 V及以下的通道内增加保护电路,防止大电压输入时,误切换至低电压通道而造成精密分压器损坏；保护电路采用过压嵌位电路使电压峰值控制在15 V以下,从而实现低电压分压器防误过载而损坏或数据变化,采用触摸屏控制(手动控制)和显示各通道的选择,通过内置CPU实现继电器的选通、关断、互锁以及保护功能；2)针对热电势对小信号电压的影响,通过优选低热电势的继电器和连接导线,最大程度地降低热电势和接触电势,从而减小引入的测量不确定度。

固态电压标准、标准分压箱、直流数字电压表、程控低热电势开关矩阵、被校参考级直流标准电压源组成的自动切换系统原理如图3所示。

图3 自动切换系统原理图Fig.3 Automatic switching system schematic diagram

固态电压标准接线端子置于系统的后面板上,其余接线端子均置于前面板上,所有接线柱均采用低热电势专用端子,并标注清晰。控制继电器均采用内部可抵消热电势的高品质继电器并能持续承受1 100 V电压。电路板采用优质陶瓷基板,所有内部连接均采用高绝缘低热电势导线。采用高清触摸屏显示和操作,可实现手动切换及状态指示,通过程控接口实现自动切换。系统最高输入电压为1 100 V；整个回路热电势≤50 nV,短期稳定性≤20 nV。

4 直流标准电压源校准方法

4.1 传统校准方法

不确定度为10-6量级的参考级直流标准电压源的校准,采用直流标准分压箱法[8～10]。以固态电压标准、直流标准分压箱和直流数字电压表组成标准装置,校准方法如图4所示。

图4 参考级直流标准电压源校准方法示意图Fig.4 Schematic diagram of reference level DC standard voltage source calibration method

直流数字电压表为过渡标准,其短期稳定性和分辨力应优于被校直流标准电压源最大允许误差的1/10,依据直流标准分压箱的输出电压,选择直流数字电压表为1 V量程或10 V量程,并短路清零；按图4(a)所示连线,直流数字电压表测量固态电压标准的电压值Uref(1 V或1.018 V、10 V),待稳定后读取直流数字电压表显示值U1；再按图4(b)所示连线,依据校准点设置被校直流标准电压源输出电压为Ut,选取直流标准分压箱的分压比例K,使直流标准分压箱的输出端电压为1 V或10 V,待稳定后读取直流数字电压表显示值U2；按式(1)计算被校直流标准电压源的标准值Ur：

(1)

式中：Ur，U1，U2，Uref，K分别为被校直流标准电压源的标准值、直流数字电压表测量固态电压标准示值、直流数字电压表测量直流标准分压箱输出端电压示值、固态电压标准值、直流标准分压箱分压比例标准值。

校准直流标准电压源1 V以下校准点,将直流数字电压表依据校准点选择1 V或100 mV,短路清零后按图4(c)接线方式；选取直流标准分压箱的分压比例K,使直流标准分压箱的输出端电压为被校直流标准电压源校准点电压值,待稳定后读取直流数字电压表显示值U3；再按图4(d)接线方式,被校直流标准电压源输出与U3同标称值的校准点Ut,待稳定后读取直流数字电压表显示值U4；按式(2)计算被校直流标准电压源的标准值Ur：

(2)

式中：U′ref，U3，U4分别为固态电压标准值或按式(1)计算得到的被校直流标准电压源输出电压标准值、直流数字电压表测量直流标准分压箱输出端电压示值、直流数字电压表测量被校直流标准电压源示值。

按式(3)计算被校直流标准电压源的误差：

ΔU=Ut-Ur

(3)

式中：ΔU，Ut分别为被校直流标准电压源的示值误差、被校直流标准电压源的输出值。

4.2 自动校准流程

传统的校准方法流程复杂,并且需要大量的数据运算和修正,操作费时费力,因此其过程适合于程序控制。参考图3自动切换系统的工作原理与图4参考级直流标准电压源校准方法,本系统采用的自动校准流程如图5所示。

图5 自动校准流程图Fig.5 Automatic calibration flow chart

5 不确定度评定

以校准参考级直流标准电压源100 V为例,进行测量不确定度分析与评定[12～13]。主要不确定度来源如下：

1) 固态电压标准上级溯源引入的不确定度u1

由固态电压标准上级溯源证书可知,10 V点的相对不确度Urel=3.6×10-7,k=2,则引入的不确定度：

u1=1.8×10-7

2) 固态电压标准年变化引入的不确定度u2

u2=5.8×10-7

3) 直流数字电压表10 V点短期稳定性引入的不确定度u3

由直流数字电压表说明书可知,直流电压10 V点的24 h稳定性优于±0.9×10-6,假设为正态分布,置信概率95%,k=2,则引入的不确定度：

u3=4.5×10-7

4) 直流数字电压表10 V点分辨力引入的不确定度u4

u4=2.9×10-8

5) 直流标准分压箱上级溯源引入的不确定度u5

由直流标准分压箱上级溯源证书可知,其相对不确度Urel=3.0×10-7,k=2,则引入的不确定度：

u5=1.5×10-7

6) 直流标准分压箱分压比年变化引入的不确定度u6

u6=5.8×10-7

7) 程控低热电势开关矩阵接触热电势引入的不确定度u7

u7=2.9×10-10

8) 低热电势导线接触热电势引入的不确定度u8

低热电势导线接触热电势引入的不确定度很小,可忽略不计。

9) 重复性引入的不确定度uA

经重复性测试,被校直流标准电压源输出100 V直流电压时,重复性引入的不确定度为：

uA=1.0×10-7

10) 合成标准不确定度uc

11)扩展不确定度U

取包含因子k=2,则扩展不确定度：

U=kuc=2×9.7×10-7=2×10-6

6 结 论

参考级直流标准电压源自动校准系统经过试验验证及不确定度评定,达到量传指标要求。1) 减小了校准人员的技术水平、工作经验对测量结果带来的影响,有效避免人为因素造成的设备损坏,保证校准数据准确可靠,提升了量传质量。2) 克服了手动校准时间长和步骤繁琐的弊端,减轻了校准人员的工作压力,经实践证明,校准时间缩短了50%～60%,大大提高了量传效率。3)系统设计遵循“系列化、标准化”的原则,具有可扩充性,对于新型号的直流标准电压源,只要编写或调用相应的驱动程序,按照相同的步骤即可实现自动校准。