一种数字多用表标准装置建标方案及不确定度评定

杨子锷 程昊 陈龙

沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110015

引言

数字多用表和多功能标准源具有测量和输出直流电压、直流电流、交流电压、交流电流和电阻等功能，广泛应用在各个领域的测试工作中。电压、电流、电阻是电磁学计量的基础参数，为保障量值传递准确可靠，需建立数字多用表标准装置来校准数字多用表及多功能标准源。本文提供了一种数字多用表标准装置建标方案并描述了计量标准的测量不确定度具体评定过程及其验证方法。

2 建标方案

2.1 计量标准装置的组成

计量标准装置一般由多功能标准源和数字多用表组成。本文选取美国FLUKE公司生产的型号为5700A的多功能标准源以及型号为8508A的数字多用表作为主标准器。

2.2 计量标准装置的工作原理

根据JJF1587-2016《数字多用表校准规范》，采用标准源法对数字多用表进行校准[1]。以多功能标准源校准数字多用表的直流电压功能为例，校准示意图见图1。

图1 采用标准源校准直流电压示意图

根据1638-2017《多功能标准源校准规范》采用标准表法对多功能标准源进行校准[2]。以数字多用表校准多功能标准源直流电压功能为例，校准示意图见图2。

图2 采用标准表校准直流电压示意图

2.3 环境条件

按照JJF1587-2016《数字多用表校准规范》和1638-2017《多功能标准源校准规范》中的环境条件要求，对比分析实验室实际情况，结果满足要求，见表1。

表1 环境条件

3 计量标准器具不确定度评定

在计量标准器具的各项功能的不确定度评定过程中，由于多功能标准源和数字多用表的技术指标具有按量程分段的特性，所以在评定时一般以各功能典型点为例说明不确定度评定的具体过程，然后按主标准器的量程划分，给出各量程下的测量不确定度范围，再汇总使用列表的形式给出各功能各量程的测量不确定度范围[3-4]。即用典型值举例，再列表给出结果范围。

下面以多功能标准源校准数字多用表直流电压功能为例，介绍测量不确定度评定的具体过程。直流电流、电阻、交流电压、交流电流功能评定过程类似，不再赘述。

3.1 测量方法

依据JJF1587-2016《数字多用表校准规范》中标准源法，使用多功能标准源5700A输出标准信号，对数字多用表直流电压功能10V点进行校准。

3.2 数学模型

式中：

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3.3 标准不确定度评定

3.3.1 测量重复性引入的标准不确定度评定u1。在重复性条件下，多功能标准源5700A输出直流电压10V，读取10次数字多用表示值，数据见表2。

表2 重复性测量数据

测量结果的平均值为：

单次测量结果的实验标准偏差为：

则：

3.3.2 多功能源引入的标准不确定度分量u2。多功能标准源5700A经上级计量机构校准，结果满意。5700A使用说用书中95%置信概率年技术指标给出在10V点的扩展不确定度为：

则：

3.3.3 被测数字表分辨力引入的不确定度分量u3。被测数字表在直流电压10V点的分辨力为1×10-6V，其区间半宽度a=5×10-7V，在区间内服从均匀分布，包含因子则：

3.3.4 各标准不确定度分量汇总。

表3 各标准不确定度分量汇总表

续表

3.4 合成标准不确定度

考虑到被测数字表读数的重复性和分辨力存在重复，在合成标准不确定度时将二者中较小值舍去，则：

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则多功能标准源直流电压10V校准点的扩展不确定度为：

相对扩展不确定度为：

3.6 其他校准点

直流电压其他校准点不确定度的分析方法和计算过程与此类似，结果列表见表4。

表4 直流电压各量程不确定度评定结果

3.7 计量标准不确定度的验证

数字多用表标准装置不确定度的验证采用传递比较法。

用数字多用表标准装置校准一台34461A型数字多用表得到各功能典型点测量值y及其测量不确定度U[5]。将34461A型数字多用表送上级计量技术机构校准，得到各功能典型点校准结果y0及其测量不确定度U0，应满足：，数据见表5。

表5 数字多用表标准装置不确定度验证

由表5可知，直流电压、直流电流、交流电压、交流电流和电阻各功能均满足要求，本装置通过验证，可以开展相应级别的数字多用表及多功能标准源的校准工作。

4 结束语

本文介绍了数字多用表标准装置的组成和工作原理，以直流电压功能为例重点介绍了标准装置不确定度评定的具体过程，将各功能各量程的测量不确定度范围汇总列表，并采用传递比较法验证标准装置的测量不确定度评定结果，对建立数字多用表标准装置有一定的参考意义。