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如何校准福禄克5500A、5502A、5520A、5522A校准器

文章出处:深圳市连讯达电子技术开发有限公司 人气:-发表时间:2021-04-15 09:39:00

为了校准5500A、5502A、5520A、5522A,即55xxA多产品校准器的交直流电压、交直流电流和电阻五项主要功能,使用的标准设备必须满足校准不确定度比率的要求,即被校仪器的不确定度与校准标准的不确定度之比率TUR,按国际上的要求,需要大于4:1,按国内JJF1638-2017多功能源校准规范的要求,则要至少大于3:1。


本文对这五项校准的测量不确定度的要求进行了讨论,分析了使用不同标准设备时的校准不确定度和不确定度比率。分析表明,要完成这五项功能的校准,需要8508A/01或8588A高精度数字多用表,A40B精密分流器系列,5790B交流电压测量标准以及742A标准电阻系列,才能较好的满足国际国内标准的要求。




一、引言

       

在直流低频电学校准实验室和研究机构,多产品校准器发挥着重要作用,其中,美国福禄克公司的55XX系列多产品校准器应用广泛。计量人员可用它们检定多类仪表,例如数字多用表、功率表、欧姆表、开关板表、记录仪、钳形表、示波器、温度二次仪表等。使用一台这种校准器就可以承担一个小型的电学校准实验室的大部分校准负荷。


为了保证量值的溯源性,保证校准质量,这些校准器自身也需要定期校准溯源。由于它们功能多、量程宽、指标高,校准溯源的难度也比较大。如何可靠地校准这些校准器,保证量值溯源性,是一项技术性很强的工作。目前国内有些校准实验室在校准这些校准器的工作中,还存在一些问题。有时候,其校准不确定度并不能满足技术要求。本文对这些问题做了分析,并提出了解决方法。


二、校准依据

          

校准仪器时,有一个最基本的要求,就是要求被校仪器的不确定度远大于校准标准的不确定度。它们之间的比率称为不确定度比率TUR。一般要求TUR至少大于4:1或者3:1。达到要求,可以开展校准或检定;达不到要求,只能进行仪器间的比对测量。


ISO17025明确要求校准结果要报告测量(校准)不确定度,校准实验室或测试实验室做所有校准测量时,应该拥有并使用固定的程序来评估测量不确定度。中国国家实验室认可委员会CNAS-CL07:2011《测量不确定度的要求》,要求切实执行ISO17025,在校准结果中逐点正确报告校准不确定度。报告不确定度就是要说明在各项校准工作中,实验室的校准能力是否达到要求,保证校准质量。


例如,下图是某校准实验室前些年校准5502A的校准证书节选:



从上面证书摘录内容可以看出,这个《高精度电压、电流、电阻测量标准装置》实际上是福禄克高精度数字电压表8508A。列出的扩展不确定度是8508A的一年总不确定度,置信度为95%。但是,在这份校准证书中,每个测量功能只给出了一个测试点的扩展不确定度,也是该测量功能的最优不确定度。用户无法得知这个测量标准在其他测量点的不确定度,更无法知道在其它各个测试点是否都满足不确定度比率的要求。可以说,这种校准不确定度的报告方式不满足国家规定,也不能满足用户的要求。正确的报告方式应该是逐功能、逐个测试点报告校准不确定度,并全面满足校准比率的要求。

随着ISO17025在国内的贯彻,最近几年,各级校准实验室和标准计量机构已经开始在校准证书中逐点报告校准不确定度,因此现在用户已经有机会可以去对比上级单位给出的校准不确定度与被检设备的不确定度指标,从而判断上级单位的校准标准是否完全符合校准要求。但不可否认的是,虽然校准不确定度是逐点报告了,但校准不确定度的比率却不见得都能完全满足。

现在,国家已经出台了JJF1638-2017多功能源校准规范,覆盖福禄克55xxA多产品校准器交直流电压电流和电阻五项功能的校准,每个功能校准方法上也有不同的选择。但具体到55xxA每一个型号各项功能的校准,则要具体分析,基于不同的校准标准和方法进行探讨和研究,详细计算和分析逐点TUR,最终才能确定最适用的校准标准和方法,从而确保整个计量校准活动的严谨和合规。

另外,在校准不确定度的比率计算上,很多人不太留意仪器指标的置信度,但实际上,只有确保校准器和标准表的不确定度指标的置信度处于同一水平,计算出的TUR比率才是真实的。

具体到多产品校准器的每项功能校准,也有不同的问题,我们将在下述章节逐一分析。


三、校准55XXA系列校准器


55XXA系列校准器包括新型号5502A,5522A,以及老型号的5502A和5522A。它们的主要功能有如下几项:

以往,很多实验室校准这些多产品校准器的方法,就是使用8508A八位半高精度数字多用表直接测量。但一台8508A真的就能够完成55XX系列校准器的校准吗?我们必须对不同的型号做具体的分析。


1

55xxA直流电压功能校准


①:校准中存在的问题


直流电压功能是福禄克多产品校准器55xxA核心、指标最高的功能,其校准复杂,校准标准的选择也较难。我们以5520A/5522A的DC 3.3V量程校准点为例来说明。


552xA在0~3.3V量程指标是±(11ppm输出+2μV),最常见的1V点的允差为Δ552x=±(11×10-6× 1V + 2mV)= ±13mV,指标置信度为99%,而8508A在2V量程TCAL±5℃且相同置信度的指标为±(4.5ppm+0.25ppm量程),则Δ8508=±(4.5×10-6×1V + 0.25×10-6 ×2)= ±5mV,因此两者TUR=2.6,并不完全满足3:1要求。


类似的,我们还可以获得整个DCV 3.3V量程的测试点TUR,可以看出都未能达到3:1的要求,这一方面是由于552xA是指标中等偏上的校准器,另外一方面也是由于8508A在2V档量程满度仅1.99990000V,导致2V不得不放到20V高一档量程测量,量程的不匹配导致TUR更低。



我们还可以发现如果只用8508A,552xA在33V,330V,1000V量程的TUR大部分都不能满足3:1,只有330mV才能满足这一要求,很显然,用8508A独立校准552xA的直流电压是行不通的,我们必须另寻他法。






②:55xxA直流电压功能的校准


对于指标中等的5500A/5502A,即550xA校准器,幸运的是,单台8508A即可以完全胜任其直流电压功能的校准,因为如下所示的各量程关键测试点TUR均可以满足3:1的要求。



③:552xA直流电压功能的校准


由于使用单台8508A校准552xA时存在诸多TUR<3的情况,那么,我们该如何解决5522A的DCV功能校准呢?

a.  方案一,我们可以用JJF 1638-2017多功能源校准规范在直流电压校准中给出的电阻分压箱法来解决。

规范给出的校准框图表明除了要用一个高精度的电阻分压箱,同时还需要使用固态电压标准、参考直流电压源,以及数字多用表。


对于10V以下的校准点,规程所示的校准框图可以用实际的标准仪器来代替,这里的固态电压标准732C具有高达2ppm的年稳定性和0.3ppm的90天短期稳定性,并具有10V/1V/0.1V三个标准输出;5730A则有0~1100V的宽范围输出和高稳定性;8508A我们选择的是带后面板输入的8508A/01,它可以巧妙替代规程框图中的低热电势开关,自动地在参考源和被检源之间进行不断的切换测量,给出两者的差值或比差,并提供更高的比率准确度。如图所示,参考直流电压源5730A通过参考表8508A/01与固态电压标准732C进行比对溯源后,其输出通过分压器720A进行分压,以使其输出与被检源552xA输出相同,并在过渡表8508A/01上进行比对,从而完成对被检源552xA的校准。




按照这个方案所计算的TUR如下所示,可见10V以下各个测试点TUR均能大于3:1。


对于10V以上的测试点,规范用另一张框图来指示,其中区别在于分压器的输出用于与固态电压标准比较溯源,反向确保分压器的输入端,即多功能源的输出被标定溯源,从而直接与被检源输出进行比较。

按照这个方案所计算的TUR如下所示,由于考虑了多功能源的短期稳定性,因此在部分测试电上存在TUR小于3的情况。

b.方案二,福禄克公司使用的方法与JJF 1638-2017多功能源校准规范中的分压器法略有不同,不再通过固态电压标准去对参考直流电压源进行比对溯源,而是用固态电压标准替代参考电压源直接接到分压器的输入端,分压器的输出接到8508/01过渡表与10V以下输出的被检源直接进行比较,10V以上输出的被检源则再通过另一个分压器衰减到10V以下后再与分压器的输出进行比较。按照这个方案,减少了参考直流电压源和一台数字多用表,在10V以上多使用了一个分压器,总体计算的TUR均大于3。

c.至于10V点,则无需分压器,直接用8508A/01前后面板输入分别接入固态电压标准732C和被检源,就可以按JJF 1638-2017规程所述的标准源法进行校准。



d  有些用户可能受困于预算的限制,无法配置较完善的双分压器方案,实际工作中也可以考虑单分压器配置,虽然固态电压标准与分压器的分压输出与被检源输出在8508A上比较的时候无法实现1:1的比率,但最终计算出的TUR也是不错的,限于篇幅,此处不祥述。


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55xxA交流电压功能的校准


尽管8508A是8.5位高精度数字多用表,其交流电压功能最优不确定度可以达到65ppm,但针对55xxA,即使是低精度的550xA,使用8508A独立校准它们的交流电压功能,TUR计算的结果仍然不太理想,在330V以下量程存在诸多小于3:1的测试点。


因此,我们必须使用交流电压测量性能更好的5790B交流测量标准来对55xxA的ACV功能进行校准。5790包括早期的5790A和现在的5790B,两者交流测量性能相同,但5790B在5790A的基础上提高了测量带宽,优化了人机界面,并具有便利稳定性测试的统计测试等。它们都是高准确度的交流电压测量标准,既有热电转换标准的优异准确度,又有数字多用表易于使用、测量快捷的特点,是专门用于校准各种交流校准器的标准设备。


采用5790后,如示例在3.3V量程,实际计算的TUR比采用8508A的优化很多,已能满足校准552xA,自然也能满足校准550xA的要求。其他量程也是类似情况。



校准交流电压时,测试导线可使用普通的导线,测试导线要尽可能的短,特别是在频率较高时,要越短越好,并使用屏蔽线,以减少信号衰减,避免捡拾干扰信号。如果使用5790校准,建议打开5790的EXGRD键,并采用双绞线,尤其是在高频高压时,可有效改善测量准确度。


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55xxA直流电流功能的校准


校准器电流溯源问题一直是个比较困难的任务。有些人喜欢用高精度数字多用表的电流测量功能来校准类似55xxA这些常用校准器的电流输出功能。可是,高精度数字多用表的电流测量功能是否能满足准确度要求呢?


答案是否定的。数字多用表测量电流大都使用内置分流器。当被测电流流过分流器,在分流器上会产生与分流器阻值成比率的电压,测量分流器两端的电压,就可以测量出电流。当电流较大时,分流器上会消耗相当大的功率,如果分流器的散热效果比较差,分流器温度就会升高,导致分流器电阻值发生变化,测量误差就会很大。高精度数字多用表体积有限,电流测量功能使用的内置分流器一般都做的比较小,而且数字表内空间有限,散热不够好,大电流时误差较大。可以说,一般使用内置分流器的数字多用表的电流测量准确度都不高。


5522A/5520A/5502A输出电流范围均达20A,5500A可达11A,虽然8508A的电流测量范围可以达到20A,可以覆盖55xxA的范围,但从指标上看,要校准55xxA,以独立标准8508A所TUR计算的结果并不理想。



要想改善这个局面,必须利用JJF 1638-2017多功能源校准规范建议的电流电压转换器法,即使用外部分流器A40B来测量被检源的直流电流输出,分流器的直流电压输出则由8508A进行测量,利用欧姆定律计算出被检源的直流电流值。在这个方法中,福禄克的A40B系列分流器具有高达20ppm的年测量准确度,且电流覆盖范围1mA~20A,完全可以满足校准55xxA的要求。5790B比5790A更为方便,可以支持录入A40B的电阻参数,测量时可以屏幕上直接显示最终的电流值。



4

55xxA交流电流功能的校准


55xxA的交流电流功能校准和直流电流校准类似,采用8508A独立校准时依靠其内部分流器直接测量的TUR不甚理想,必须采用校准规范提出的电流电压转换器法,用外部分流器A40B来进行。A40B系列交流电流测量范围从1mA~100A,年不确定度最优达23ppm,频率范围可达100kHz,再结合5790,可完美覆盖55xxA的交流电流校准。校准时,用外部A40B分流器测量被检源的交流电流输出,分流器的交流电压输出则由5790测量,利用欧姆定律计算出被检源的电流值。5790B在此也可以录入A40B的分流器在不同频率的交直流差和负载效应参数,精确计算出实际电流值,并显示在屏幕上


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5

55xxA电阻功能的校准


5522A/5520A/5502A电阻范围均达1.1GΩ,5500A可达330MΩ,均为连续可调输出,若采用8508A独立校准,可以看出针对5500A的校准TUR是满足的,但针对5522A/5520A/5502A校准则部分测试点TUR略微偏低。


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我们也可以采用校准规范给出的标准电阻器法,通过一块过渡表,把被检源的电阻输出与标准电阻进行比较,改善TUR。实际校准时,我们可以用8508A/01充当过渡表,参考标准电阻742A接到8508A/01后面板,被检源接前面板,利用8508A/01的前后面板扫描功能,自动切换测量两者差值或比值,并提供更高的比率不确定度,这种情况下,总的TUR也会更理想。






例如,标准电阻742A-1M年稳定度指标8ppm,8508A/01需要进行两次测量,以确定被测1MΩ和标准1MΩ的比率:,因此 = 8.28ppm,被检552xA 1MΩ 年指标34ppm,TUR = 34/8.28 = 4.11,比单纯用8508A校准TUR 2.58提高1.59倍。

一般测量100kΩ以下的小电阻时,应该尽量使用四线电阻的测量方法进行校准。这是由于两线电阻测量时,测试引线电阻和接触电阻会带来附加误差,在小电阻测量时,往往影响较大。采用四线电阻测量方式,将电流激励回路和测量电阻上的电压降测量回路分开,测量到的电压就可不受电流回路中电阻电压降的影响,为真正的被测电阻两端电压,消除了测试引线及接触电阻带来的测量误差。在高阻校准时,应使用屏蔽线,降低干扰,减少环境因素对测量读数的影响。 

校准时,应注意使用8508A的常规电阻测量模式,不要使用HiVΩ高压电阻模式,在这种模式,测量电阻时的激励电流是常规电阻测量模式的10倍,由此可能产生最高达240V的顺从电压,可能会导致55xxA系列校准器电阻功能输出保护,甚至造成损坏。

另外,校准5502A的电阻功能时,根据测试点数值,尤其是在110kΩ以上,最好使用8508A电阻测量功能的手动量程,避免设置在自动量程时,测量仪表在寻找最适合电阻范围的量程时,因量程的改变引起激励电流的变化,有可能超出55xxA合成电阻输出的电流工作点范围,导致校准器保护。

四:8508A的替代型号


8508A是一款功能、量程、准确度都很适合各类电学校准器校准的测量标准,本文TUR计算也是依据8508A的性能指标进行的描述,但不可否认的是,尽管仍然有不少用户依然拥有和使用它,但它的替代型号,Fluke 8588A,业已登上了历史舞台。8588A的功能更多,性能指标也比8508A更胜一筹,尤其是其测量速度比8508A提高了几十倍,校准效率得到了很大提高,另外8588A所具有的2.02倍量程满度,使得前述DC 2V等测试点的TUR也大为改善。8588A特有的图形界面统计分析功能和便捷的数据存取,对于校准器的性能和稳定性测试具有独特作用,新增的高精度瞬态数字化测量功能也给校准器的性能测试提供了新的手段,如此种种益处,使得8588A未来在各类校准器的校准中将发挥更大作用。

五:结束语


任何一个规范的校准任务,满足测量不确定度的要求是最基本的要求。它表征了本次测量的质量,也表征了测量结果的可信度。能否在各项校准工作中满足测量不确定度的要求是考察一个校准实验室能力的重要指标。ISO 17025对报告测量不确定度有明确的要求。为了开展5500A,5502A,5520A,5522A等多产品校准器的校准工作,需要用8508A/01高精度数字多用表,732C 固态电压标准,A40B精密分流器和5790B交流电压测量标准等多个标准器,如果还要校准多产品校准器的其他功能,如频率准确度,需要一台高精度频率计;电容功能,需要高精度LCR电桥或8588A,热电偶测量功能,需要一支标准温度计和合适的油槽或水槽(油杯或水杯)。总之,无论是那一项校准,我们都必须认真分析,逐项满足测量不确定度比率的要求,这样才能实现一个可靠的量值传递和溯源,也才能保证计量的质量。


六、参考文献       


1. 5522A Multi-Product Calibrator Service Manual, May 2012, Fluke Corporation

2. 5502A Multi-Product Calibrator Operators Manual, June 2012, Fluke Corporation

3. 5520A Multi-Product Calibrator Service Manual, April 1999, Fluke Corporation

4. 5500A Multi-Product Calibrator Operators Manual, August 1995, Fluke Corporation

5.《测量不确定度的要求》, CNAS-CL07:2011,中国国家实验室认可委员会


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