手持式數(shù)字多用表的校準(zhǔn)方法研究

王三強(qiáng)，劉獻(xiàn)成，梁星，米思蓓，程渝琴

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123； 2. 哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 引 言

手持式數(shù)字多用是一種常用的工具型儀表，廣泛應(yīng)用在國防、科研、工廠、學(xué)校、計量測試等各領(lǐng)域。傳統(tǒng)上手持式數(shù)字多用表生產(chǎn)廠家眾多，型號紛繁復(fù)雜。我國是生產(chǎn)大國，產(chǎn)量居世界首位，年產(chǎn)量已超過2 000萬塊(只)。手持式數(shù)字多用表是我國目前電工儀表出口產(chǎn)品中所占出口份額較大的產(chǎn)品，作為測試領(lǐng)域不可缺少的產(chǎn)品之一，應(yīng)用范圍廣泛。

但是長期以來，不論是在國內(nèi)還是在國際上，均尚未制定關(guān)于手持式數(shù)字多用表相應(yīng)的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，這就給用戶的使用帶來了障礙。提出手持式數(shù)字多用表的校準(zhǔn)方法，對這方面進(jìn)行研究分析。

1 手持式數(shù)字多用表的特點分析

手持式數(shù)字多用表是一種工具型儀表，它運(yùn)用模/數(shù)轉(zhuǎn)換原理，將被測量數(shù)據(jù)從模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，測量結(jié)果以數(shù)字量形式顯示出來。與傳統(tǒng)的指針式萬用表相比，手持式數(shù)字萬用表具有精度高、讀數(shù)準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，因而手持式數(shù)字多用表得到了廣泛應(yīng)用。手持式數(shù)字多用表(DMM)是可直接測量交直流電壓、交直流電流、直流電阻或其它電參量，其功能可任意組合并以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測量值的電測量儀表[1-3]。

2 校準(zhǔn)條件和項目

2.1 校準(zhǔn)條件和環(huán)境條件

校準(zhǔn)手持式數(shù)字多用表所用的標(biāo)準(zhǔn)表和標(biāo)準(zhǔn)裝置各功能的擴(kuò)展不確定度一般小于被校手持式數(shù)字多用表各測量功能所許可誤差的1/3。標(biāo)準(zhǔn)裝置各功能的調(diào)節(jié)細(xì)度應(yīng)小于被校手持式數(shù)字多用表許可誤差的1/5～1/10。裝置的穩(wěn)定度小于被校儀表許可誤差的1/5～1/10。校準(zhǔn)的實驗室應(yīng)無腐蝕性氣體及導(dǎo)電塵埃，無強(qiáng)烈振動源，室內(nèi)照明充足，無陽光直射，有良好接地設(shè)施[4-8]。

2.2 校準(zhǔn)項目

手持式數(shù)字多用表以直流電壓為基本測量功能，可以同時具有直流電流、交流電壓、交流電流、直流電阻等測量功能，需要對這些功能進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)方法

3.1 校準(zhǔn)前檢查

手持式數(shù)字多用表應(yīng)該首先進(jìn)行外觀和通電檢查。儀表外觀完整，銘牌上應(yīng)有名稱、型號、準(zhǔn)確度等級、制造廠名、出廠號碼和制造日期。儀表上的指示器、按鈕、按鍵、接線(地)端鈕、開關(guān)、儀表、調(diào)節(jié)手柄(旋鈕)等，均應(yīng)有簡明的符號或文字標(biāo)明其功能及升降方向，按鈕、按鍵等接觸良好。外觀檢查后，通電功能檢查。按照其量程和測量范圍，從低到高依次輸入適當(dāng)?shù)男盘?交流電流、交流電壓)。檢查各測量功能的手動、自動量程切換和工作是否正常，液晶顯示是否有缺失。

3.2 校準(zhǔn)點的選取

校準(zhǔn)點應(yīng)覆蓋所有量程，同時應(yīng)參考被校手持式數(shù)字多用表應(yīng)用說明書中對校準(zhǔn)點的意見，并可依據(jù)實際情況或送校單位的意見選取校準(zhǔn)點。直流電壓的基本量程正極性選擇5個～10個校準(zhǔn)點，直流電壓的基本量程負(fù)極性和其他非基本量程選取3個校準(zhǔn)點。非基本量程的校準(zhǔn)點要考慮誤差最大的點和上、下量程的連續(xù)性。

3.3 測量功能的校準(zhǔn)

目前，國內(nèi)還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)或者檢定規(guī)程規(guī)范來對手持式數(shù)字多用表的校準(zhǔn)方法做出規(guī)定。儀表的校準(zhǔn)方法很多，但從原理上一般可以歸納為標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩大類。我們以直流電壓為例進(jìn)行說明。

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)源法

接線如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)源法接線Fig.1 Wiring of standard source method

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓為Un，被校儀表顯示電壓為Ux，則誤差為：

ΔU=Ux-Un

(1)

相對誤差為：

(2)

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)表法

選取一個穩(wěn)定的輸出源，分別輸出到標(biāo)準(zhǔn)表和被校儀表，通過讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被校儀表的示值來判斷誤差。在標(biāo)準(zhǔn)表法中，標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)比被校儀表至少多一位，并盡量選取與被校儀表的量程一致。輸出源應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定度，且能連續(xù)可調(diào)。穩(wěn)定度應(yīng)為被校儀表允許誤差的1/5～1/10，調(diào)節(jié)細(xì)度應(yīng)為被校儀表允許誤差的1/10，接線如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)接線Fig.2 Calibration wiring of standard meter method

具體采用哪一種方法，可根據(jù)所具有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被校儀表的級別選擇一種最合適、最經(jīng)濟(jì)可靠而又簡便的方法。

3.4 校準(zhǔn)過程

我們以10 V直流電壓為例，闡述具體的校準(zhǔn)方法。

3.4.1 校準(zhǔn)方法

選擇方法：標(biāo)準(zhǔn)源法。

選用標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)源選擇精度等級為0.1級的電測儀表檢定裝置。

被校對象：被校表選擇日常使用的手持式數(shù)字多用表。

測量環(huán)境條件：實驗室溫度21 ℃，濕度60%RH。

測量直流電壓10 V，分別測量10次。

測量過程：采用圖1所示接線，用0.1級的電測儀表檢定裝置直接輸出10 V直流電壓，分別讀出電測儀表檢定裝置的讀數(shù)和被校儀表的讀數(shù)，二者進(jìn)行直接比較，并對其進(jìn)行不確定度的計算[9-12]。

3.4.2 直流電壓10V的測量不確定度評定

(1)數(shù)學(xué)模型

ΔU=Ux-Un

(3)

式中ΔU為電壓誤差；Ux為被校儀表讀數(shù)；Un為標(biāo)準(zhǔn)裝置的讀數(shù)。

傳播系數(shù)：

C(Ux)=1；C(Un)=-1

(4)

(2)A類不確定度的評定

標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出調(diào)為10 V，分別讀取標(biāo)準(zhǔn)裝置和被校儀表讀數(shù)值，測量重復(fù)性記錄如表1所示。

Ux的不確定度來源是電壓的重復(fù)測量引起，采用A類不確定度評定。

根據(jù)表1可得A類不確定度為:

(5)

自由度為10-1=9。

表1 測量重復(fù)性記錄Tab.1 Records of measurement repeatability

(3)B類不確定度的評定

Un的不確定度采用B類不確定度評定。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定。輸入量Ux、Un相互獨(dú)立不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

合成不確定度的有效自由度根據(jù)韋爾奇-薩特思韋特公式計算為：

(7)

(4)擴(kuò)展不確定度

取置信水準(zhǔn)p=95%，k=2，擴(kuò)展不確定度U95為：

U95=k×uc=2×0.0753%=0.16%

(8)

3.5 其他項目的試驗方法

3.5.1 耐壓試驗

在手持式數(shù)字多用表外殼與地之間，加入持續(xù)1 min的試驗電壓，外殼應(yīng)無擊穿現(xiàn)象。

3.5.2 絕緣強(qiáng)度試驗

使用額定電壓為500 V的兆歐表對手持式數(shù)字多用表的電氣部件與外殼之間的絕緣電阻進(jìn)行測量。但對于額定電壓低于100 V的電氣部件，用額定電壓為100 V的兆歐表測量。

3.6 校準(zhǔn)結(jié)果的處理及復(fù)校時間間隔

3.6.1 校準(zhǔn)結(jié)果的處理

校準(zhǔn)應(yīng)該給出校準(zhǔn)證書，證書內(nèi)要求有本次校準(zhǔn)結(jié)果的有效性說明并給出測量結(jié)果的測量不確定度評定。此外還要說明校準(zhǔn)所使用的技術(shù)規(guī)范。

3.6.2 復(fù)校時間間隔

儀表的復(fù)校間隔為1年。此外按照儀表的環(huán)境條件、頻率以及重要性也可由用戶和校準(zhǔn)單位協(xié)定儀表的校準(zhǔn)周期。

4 結(jié)束語

不同于臺式數(shù)字多用表的市電供電，手持式數(shù)字多用表一般采用電池供電。從便捷等方面考慮，手持式數(shù)字多用表可以使用標(biāo)準(zhǔn)源法校準(zhǔn)，而不再另外配備輸出源和標(biāo)準(zhǔn)表。最后應(yīng)該指出，目前校準(zhǔn)手持式數(shù)字多用表，無論是國家還是行業(yè)，都沒有檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，因此本文提出的方法提供一個思路，提出的校準(zhǔn)手持式數(shù)字多用表的方法具有一定的實際意義。