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一、引言
在直流低頻電學(xué)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，多產(chǎn)品校準(zhǔn)器發(fā)揮著重要作用，例如福祿克的5500系列多產(chǎn)品校準(zhǔn)器。這種校準(zhǔn)器一臺就是一個小型的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，幫助工程技術(shù)人員檢定各類儀表，例如數(shù)字多用表，記錄儀，功率表，歐姆表，板表，鉗形表，示波器，熱工二次儀表等等。對于校準(zhǔn)器本身的性能，也需要定期檢查和校準(zhǔn)，以保障日常工作的可信度。 本文闡述了福祿克55XX系列校準(zhǔn)器溯源問題，尤其是一直受困擾的電流溯源問題。
二、現(xiàn)狀
福祿克校準(zhǔn)器在國內(nèi)有數(shù)千臺，服務(wù)于各級計量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)，對于校準(zhǔn)器本身的量值溯源，一直是個比較復(fù)雜的問題。目前我們國家還沒有出臺校準(zhǔn)器相應(yīng)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，校準(zhǔn)器的檢定/校準(zhǔn)有些實(shí)驗(yàn)室依據(jù)原廠說明書進(jìn)行，有些參考類似儀器例如過程校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)規(guī)范。校準(zhǔn)水平參差不齊。
隨著校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的提高和技術(shù)水平的不斷改進(jìn)，以及更高等級新儀器新設(shè)備開發(fā)面世，校準(zhǔn)器本身的溯源要求更加規(guī)范和嚴(yán)格。要求逐點(diǎn)報告測量不確定度，顯然一臺儀器設(shè)備不一定滿足所有測試點(diǎn)的校準(zhǔn)要求，需要多臺設(shè)備組成的校準(zhǔn)系統(tǒng)來幫助完成。
ISO 17025 明確要求報告校準(zhǔn)不確定度。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室或測試實(shí)驗(yàn)室做所有校準(zhǔn)測量時，應(yīng)該擁有并使用固定的程序來評估測量的不確定度。中國國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會 CNAS 最近要求確實(shí)執(zhí)行 ISO17025，在校準(zhǔn)結(jié)果中正確報告校準(zhǔn)不確定度，目的是說明本實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)能力是否達(dá)到 TUR比率≥3的要求。
如下是某實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)8508A的校準(zhǔn)證書：
以上看出，每個校準(zhǔn)項(xiàng)目只給出了一個典型點(diǎn)的測量不確定度，送檢單位無法判斷這是測量系統(tǒng)最優(yōu)點(diǎn)的不確定度，還是最差點(diǎn)的不確定度。無法確信每個測試點(diǎn)是否都滿足準(zhǔn)確度的要求。
目前，中國計量院等國家級標(biāo)準(zhǔn)計量機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始在校準(zhǔn)證書中逐點(diǎn)報告測量不確定度了，并且此活動已經(jīng)展開幾年。由此來看，對整個測量活動的要求更加嚴(yán)格，對標(biāo)準(zhǔn)器等級要求更高更嚴(yán)謹(jǐn)了。滿足逐點(diǎn)報告測量不確定度需要提升設(shè)備能力，不能期望用一臺高精度儀器滿足所有校準(zhǔn)的要求。
三、校準(zhǔn)器溯源
我們以使用量最大的FLUKE?5500A和5520A校準(zhǔn)器舉例，來看一下具體的校準(zhǔn)項(xiàng)目和實(shí)施過程。?5500A/5520A最主要的校準(zhǔn)項(xiàng)目有如下幾項(xiàng)。
? 直流電壓
? 交流電壓
? 直流電流
? 交流電流
? 電阻
以往，很多實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)5500A/5520A用最簡單的方法，就是使用8508A八位半高精度數(shù)字多用表直接測量。操作雖然簡單，但實(shí)際計算每個校準(zhǔn)點(diǎn)的測量不確定度，我們會發(fā)現(xiàn)有些參數(shù)，尤其是電流測量不能滿足對標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度要求。
下面，我們逐一闡述一下五大項(xiàng)目的校準(zhǔn)方法。
1. 直流電壓（以5500A為例）
5500A直流電壓輸出從330mV量程至1050V，8508A的直流電壓測量功能可滿足3倍的準(zhǔn)確度關(guān)系，可以直接測量。
| 5500A校準(zhǔn)點(diǎn)（V） | 5500A年指標(biāo) | 8508A年指標(biāo) | TUR |
| 3 | 0.0052% | 0.00043% | 11.9 |
| -3 | 0.0048% | 0.00043% | 11.1 |
| 0.3 | 0.0070% | 0.00433% | 16.1 |
| 30 | 0.0052% | 0.00058% | 8.8 |
| 300 | 0.0057% | 0.00062% | 9.1 |
| 1000 | 0.0057% | 0.00050% | 11.4 |
表1 8508A校準(zhǔn)5500A 的直流電壓
校準(zhǔn)之前，儀器按照要求預(yù)熱足夠的時間，8508A和5500A都要進(jìn)行校零工作，清除零點(diǎn)對測量結(jié)果的影響。一般校準(zhǔn)5500A輸出 3V 以內(nèi)的小電壓時，建議使用低熱電勢測試導(dǎo)線，以消除接觸點(diǎn)熱電勢不平衡對測量結(jié)果帶來的測量誤差，從而進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度。
另外校準(zhǔn)5500A的-1000V輸出接線時，8508A輸入高低端不可以反接。這是由于8508A的電壓輸入低端最高承受電壓為920V，壞。超過此電壓輸入可能會對電路造成不同程度的損壞。
2. 交流電壓（以5500A為例）
5500A交流電壓輸出指標(biāo)采用8508A不能滿足指標(biāo)要求，幾個主要校準(zhǔn)點(diǎn)以表2舉例說明。例如：5500A輸出0.3V，100Hz的交流電壓年指標(biāo)為：0.017%，而8508A年指標(biāo)為0.013%，TUR比率僅為1.3，不能滿足3倍以上的準(zhǔn)確度要求。校準(zhǔn)5500A交流電壓可以使用準(zhǔn)確度更高的5790A。5790A是一個高準(zhǔn)確度的交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)，它既有熱電轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)異準(zhǔn)確度，又有數(shù)字多用表易于使用的特點(diǎn)。
| 5500A校準(zhǔn)點(diǎn)（V） | 頻率 | 5500A年指標(biāo) | 8508A年指標(biāo) | TUR |
| 0.03 | 100Hz | 0.035% | 0.011% | 3.13 |
| 0.3 | 100Hz | 0.017% | 0.013% | 1.30 |
| 0.3 | 500kHz | 0.223% | 7.667% | 0.03 |
| 3.2999 | 100Hz | 0.017% | 0.013% | 1.34 |
| 30 | 100Hz | 0.017% | 0.013% | 1.29 |
表2 8508A直接校準(zhǔn)5500A 的交流電壓
校準(zhǔn)5500A的交流電壓時，測試導(dǎo)線可使用普通的導(dǎo)線，高頻時測試導(dǎo)線越短越好，以減少信號的衰減。
同樣在校準(zhǔn)前，也應(yīng)注意對5500A進(jìn)行正確的校零。
3. 電阻功能（以5500A為例）
5500A校準(zhǔn)器可以輸出連續(xù)可調(diào)電阻0-330MΩ，校準(zhǔn)時可采用8508A，滿足準(zhǔn)確度的要求。
一般輸出100kΩ以下的小電阻時，建議使用四線電阻的測量方式進(jìn)行校準(zhǔn)。 這是由于兩線電阻測量時，測試引線電阻和接觸電阻會帶來一定的附加誤差。對于小電阻測量時，不能忽略。采用四線電阻測量方式，將電流激勵回路和被測電阻上電壓測量分開，測量到的電壓為真正的被測電阻兩端電壓。從而消除了測試引線及接觸電阻帶來的測量誤差。
采用8508A作為標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)時，另外應(yīng)注意應(yīng)使用8508A的 Ω 測量功能，不要使用HiVΩ ，防止測試電壓過高對校準(zhǔn)器造成損壞。
另外校準(zhǔn)5500A的電阻功能時，8508A應(yīng)根據(jù)測試點(diǎn)使用電阻測量功能的手動量程，避免反復(fù)進(jìn)行量程切換而無法得到正確測量結(jié)果。
4. 電流功能（以5520A為例）
校準(zhǔn)器電流溯源問題一直是個難題。
利用高精度數(shù)字多用表電流測量功能直接檢定，方法簡單，是一般電流源的常規(guī)校準(zhǔn)方法。數(shù)字多用表的電流測量功能，一般是內(nèi)置分流器，被測電流流過已知分流器，通過監(jiān)測分流器兩端電壓，從而測得輸入電流。 而一般數(shù)字多用表體積有限，內(nèi)置分流器一般都做的比較小，一是準(zhǔn)確度不是很高，二是空間有限，散熱效果比較差，溫度系數(shù)比較大。因此數(shù)字表測電流的準(zhǔn)確度都不是很好。
我們以Fluke5520A校準(zhǔn)器舉例來說。電流輸出的準(zhǔn)確度指標(biāo)比較高。直接用數(shù)字多用表校準(zhǔn)，我們知道8508A標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字多用表的電流量程是200uA，2mA，20mA，直至20A量程，和5520A的電流校準(zhǔn)點(diǎn)不是很匹配，誤差較大，不能滿足3倍以上準(zhǔn)確度要求，因此測量不確定度比較大，我們以表3舉例說明。
8508A直接測量5520A交流電流TUR，如表3所示：
| 5520A校準(zhǔn)點(diǎn) | 頻率 | 5520A年指標(biāo) | 8508A年指標(biāo) | TUR |
| 0.3mA | 1kHz | 0.158% | 0.117% | 1.3 |
| 3 mA | 1kHz | 0.105% | 0.117% | 0.9 |
| 30 mA | 1kHz | 0.0467% | 0.116% | 0.4 |
| 300 mA | 1kHz | 0.0467% | 0.153% | 0.3 |
| 2.9A | 1kHz | 0.129% | 0.175% | 0.7 |
表3 8508A直接校準(zhǔn)5520A 交流電流
我們再用A40B+8508A做電流測量標(biāo)準(zhǔn)，來看看達(dá)到的效果，以下表說明。TUR比率可以實(shí)現(xiàn)3:1甚至更高，測量結(jié)果的不確定度大大降低，實(shí)現(xiàn)了可靠的校準(zhǔn)。
A40B+8508A校準(zhǔn)5520A交流電流達(dá)到的TUR比率，如表4所示：
| 5520A校準(zhǔn)點(diǎn) | 5520A年指標(biāo) | A40B+8508A | TUR |
| 300uA，1kHz | 0.158% | 0.0158% | 10 |
| 3mA，1kHz | 0.105% | 0.0151% | 7 |
| 30mA，1kHz | 0.0467% | 0.0124% | 3.7 |
| 300mA，1kHz | 0.0467% | 0.0125% | 3.7 |
| 2.9A，1kHz | 0.129% | 0.0112% | 11 |
表4 A40B+8508A校準(zhǔn)5520A 交流電流
A40B配合5790A交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)更好的性能，TUR比率如表5所示：
A40B+5790A校準(zhǔn)5520A交流電流實(shí)現(xiàn)TUR，以表5所示：
| 5520A校準(zhǔn)點(diǎn) | 5520A年指標(biāo) | A40B+5790A（ppm） | TUR |
| 300uA，1kHz | 0.158% | 64 | 24 |
| 3mA，1kHz | 0.105% | 42 | 25 |
| 30mA，1kHz | 0.047% | 41 | 11 |
| 300mA，1kHz | 0.047% | 43 | 11 |
| 2.9A，1kHz | 0.129% | 45 | 29 |
表5 A40B+5790A校準(zhǔn)5520A 交流電流
由上述可知，Fluke A40B配合 高精度電壓測量裝置8508A或5790A是實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)器電流溯源的理想解決方案。
四、 總結(jié)
任何一個規(guī)范的校準(zhǔn)過程，測量不確定度非常重要，他代表了本次測量結(jié)果的可信度如何，是考察一個校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的重要指標(biāo)。ISO17025明確提出校準(zhǔn)過程要逐點(diǎn)報告測量不確定度。因此，為了對5500A/5520A等校準(zhǔn)器實(shí)現(xiàn)規(guī)范的校準(zhǔn)，需用一系列標(biāo)準(zhǔn)器來完成，例如：8508A，A40B，5790A等。單獨(dú)一臺儀器是無法保證每項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)的不確定度要求的。
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