史三省 張欲曉

(國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052)

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交直流高壓測量系統(tǒng)測量審核的實施方法及結(jié)果分析

史三省 張欲曉

(國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052)

針對常用作實驗室能力驗證的測量審核工作，以校準(zhǔn)交直流高壓測量系統(tǒng)為實例，介紹了該工作的實施方法，詳細(xì)分析了測量審核過程中的數(shù)據(jù)處理方法及影響結(jié)果的因素，并通過與作為主導(dǎo)實驗室的國家高電壓計量站提供的參考值進行比對，判定了校準(zhǔn)結(jié)果的滿意度，從而驗證了本單位實驗室的校準(zhǔn)能力。本文為各種校準(zhǔn)項目的測量審核提供了一定的借鑒性，有助于提高實驗室量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。

校準(zhǔn)；能力驗證；測量審核；測量不確定度

0 引言

測量審核是實驗室對被測物品進行實際測試，其測試結(jié)果與參考值進行比較的活動。它是實驗室能力驗證的重要方式之一。實驗室通過向由國家認(rèn)可委發(fā)布的CNAS測量審核主導(dǎo)實驗室申請完成測量審核工作，可以驗證實驗室開展該項目校準(zhǔn)或檢測的能力，確保量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性[1-2]。

測量審核不同于一般實驗室間比對，前者是由CNAS認(rèn)可的測量審核主導(dǎo)實驗室對一個申請實驗室進行“一對一”能力評價的能力驗證計劃，具有一定的權(quán)威性；而后者是由兩個或多個實驗室按照預(yù)先規(guī)定的條件對相同的物品進行測量或檢測的組織、實施和評價，其權(quán)威性和可信度不如前者。

本文以校準(zhǔn)交直流高壓測量系統(tǒng)的交直流100kV電壓為實例，詳細(xì)介紹了測量審核的實施方法和一致性滿意度評定方法，為各種校準(zhǔn)項目的測量審核提供了一定的借鑒性。

1 測量審核的工作流程

用于測量審核的被校樣品應(yīng)有足夠好的重復(fù)性、均勻性和穩(wěn)定性，可以由主導(dǎo)實驗室提供，也可以由申請實驗室提供。本案例選擇的被校樣品為交流電壓1級、直流電壓0.5級，額定電壓為300kV的HV-300型交直流高壓測量系統(tǒng)，由本單位實驗室(申請實驗室)提供，主導(dǎo)實驗室為國家高電壓計量站。測量審核的工作流程如圖1所示[1]。

2 樣品的校準(zhǔn)及測量不確定度評定

2.1 校準(zhǔn)方法

依據(jù)DL/T 973-2005《數(shù)字高壓表檢定規(guī)程》，采用直接比較法，用高壓分壓器作為標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)高壓測量系統(tǒng)的原理示意圖如圖2所示[3]。

圖1 測量審核的工作流程圖

圖2 校準(zhǔn)原理示意圖

2.2 不確定度來源分析

根據(jù)高壓測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法與過程，分析影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來源有[4-7]：

1)標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器準(zhǔn)確度；

2)標(biāo)準(zhǔn)低壓表準(zhǔn)確度；

3)被校高壓測量系統(tǒng)測量重復(fù)性；

4)標(biāo)準(zhǔn)低壓表示值分辨力；

5)電源穩(wěn)定度波動；

6)環(huán)境條件的波動。

2.3 數(shù)學(xué)模型建立

由校準(zhǔn)原理可知，被校高壓測量系統(tǒng)的電壓示值誤差ΔU可表示為[3]：

ΔU=Ux-U0=Ux-NfV0

(1)

式中，Ux為被校高壓測量系統(tǒng)電壓示值；U0為標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器高壓側(cè)電壓示值；Nf為標(biāo)準(zhǔn)高壓分壓器的分壓比；V0為標(biāo)準(zhǔn)低壓表的電壓示值。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定

由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1可用A類評定的方法進行評定。在環(huán)境溫度20.0℃、相對濕度60%的條件下對被校樣品的交流電壓100kV、直流電壓100kV分別進行10次獨立重復(fù)測量，結(jié)果如表1和表2所示。

計算得算術(shù)平均值：

(2)

表1 交流電壓重復(fù)測量結(jié)果

表2 直流電壓重復(fù)測量結(jié)果

(3)

單次實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(4)

(5)

在實際測量中，常取1次讀數(shù)作為測量結(jié)果，則相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

(7)

由于在評定由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的過程中，已經(jīng)包含了對電源穩(wěn)定性、環(huán)境條件的波動及示值分辨力等因素的評定，因此，不再對其引入的分量進行重復(fù)評定[1]。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定

(8)

(9)

2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

由影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來源分析可知，各輸入量之間均不相關(guān)，可使用如下公式計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[8]：

(10)

則可得：ucAC=9.4×10-4，ucDC=8.3×10-4。

2.6 擴展不確定度的確定

在給出校準(zhǔn)結(jié)果時，一般情況下報告擴展不確定度U，它由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k得到(一般取k=2)，即[8]

U=k×uc

(11)

則可得100kV測量點校準(zhǔn)值對應(yīng)的相對擴展不確定度為：UAC=1.9×10-3，UDC=1.7×10-3。

3 測量審核結(jié)果滿意度評定

3.1 評定方法

測量審核結(jié)果評定方法由主導(dǎo)實驗室提出，征求申請實驗室意見后確定。通常情況下采用En比率值進行評價，即申請實驗室完成測量審核校準(zhǔn)工作后，主導(dǎo)實驗室根據(jù)申請實驗室上報的樣品校準(zhǔn)值及其測量不確定度，結(jié)合主導(dǎo)實驗室的校準(zhǔn)值及其測量不確定度，用En比率值計算得出最終的測量審核結(jié)果。En值由下式確定[9]：

(12)

式中，xlab為申請實驗室的樣品校準(zhǔn)值；xref為主導(dǎo)實驗室的樣品校準(zhǔn)值；Ulab為申請實驗室的測量結(jié)果不確定度；Uref為主導(dǎo)實驗室的測量結(jié)果不確定度。

En值又稱歸一化偏差，是一個比值。分子是申請實驗室測量結(jié)果與參考值之差，稱作申請實驗室測量結(jié)果的等效度，表示申請實驗室測量結(jié)果與參考值一致的程度，當(dāng)然兩者之差越小越好。分母是申請實驗室測量結(jié)果與參考值之差的測量不確定度，只有當(dāng)Ulab和Uref兩量互相無關(guān)時才用如式(12)所示的兩量的方和根表示，意為兩實驗室測量結(jié)果的測量不確定度的合成。按例主導(dǎo)實驗室的Uref是應(yīng)該由CNAS認(rèn)可的，且不應(yīng)該讓申請實驗室事先知道；申請實驗室的Ulab應(yīng)是其申請認(rèn)可時上報的最佳測量能力，若Ulab大于最佳測量能力應(yīng)分析其原因；另外主導(dǎo)實驗室必須比申請實驗室具有更小的測量不確定度(即具有更佳的測量能力)。綜上所述，En表示等效度與其不確定度之比，是對申請實驗室測量結(jié)果與其不確定度的一致性的評價。

若|En|≤1，則申請實驗室的測量結(jié)果與參考值之差與其不確定度之比在合理的預(yù)期范圍之內(nèi)，測量結(jié)果符合要求，結(jié)論為滿意。若|En|>1，則申請實驗室的測量結(jié)果與參考值之差與其不確定度之比沒有達到合理的預(yù)期，測量結(jié)果不符合要求，結(jié)論為不滿意，應(yīng)分析原因(包括實驗環(huán)境、設(shè)備、人員等)，然后，根據(jù)實際情況提出整改意見和措施并加以實施。

3.2 結(jié)果分析

本案例中，主導(dǎo)實驗室和本單位實驗室的樣品校準(zhǔn)值及其測量不確定度分別如表3所示。

表3 測量審核結(jié)果

由表3可知，|En|值小于1，為滿意結(jié)果，反映了本單位實驗室交直流電壓校準(zhǔn)工作的技術(shù)水平，驗證了對交直流高壓測量系統(tǒng)進行量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性，以及電壓量值的保存能力。

4 影響測量審核結(jié)果因素分析

1)樣品的選擇。選擇的樣品性能應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)經(jīng)過穩(wěn)定性考核，以保證在測量審核過程中保持理想的校準(zhǔn)狀態(tài)。

2)測量審核周期。申請測量審核實驗室和主導(dǎo)實驗室校準(zhǔn)同一樣品的時間間隔應(yīng)盡量短，以防樣品的特性值隨時間漂移。

3)試驗環(huán)境條件。校準(zhǔn)樣品時，各影響量在規(guī)定的條件下應(yīng)盡量保持一致。

4)校準(zhǔn)方法。應(yīng)按檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的方法正確校準(zhǔn)樣品。

5)測量不確定度的評定。應(yīng)對影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來源進行深入分析，正確評定校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度。

5 結(jié)束語

本文針對常用作實驗室能力驗證的測量審核工作，以校準(zhǔn)交直流高壓測量系統(tǒng)為實例，介紹了該工作的實施方法，詳細(xì)分析了測量審核過程中的數(shù)據(jù)處理方法及影響結(jié)果的因素，并通過與作為主導(dǎo)實驗室的國家高電壓計量站提供的參考值進行比對，驗證了校準(zhǔn)結(jié)果的滿意度，顯示了本單位實驗室交直流電壓校準(zhǔn)工作的技術(shù)水平。本文為各種校準(zhǔn)項目的測量審核提供了一定的借鑒性，有助于提高實驗室量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。

[1] 中國計量測試學(xué)會. 一級注冊計量師基礎(chǔ)知識及專業(yè)實務(wù)

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.07