張露妍 趙品彰 李林 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的溯源

張露妍 趙品彰 李林 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

探討了FLUKE公司5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的溯源問題，介紹了兩種不同的校準(zhǔn)方法，即用高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表直接校準(zhǔn)和使用A40B型交流分流器配合高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表進(jìn)行校準(zhǔn)。簡(jiǎn)單評(píng)定了兩種校準(zhǔn)方法對(duì)交流電流校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，通過對(duì)比得到解決5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流溯源的解決方案。對(duì)一個(gè)交流電流校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定結(jié)果表明，所提出的解決方案能夠滿足5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的溯源要求。

5520A型多功能校準(zhǔn)器；交流電流；溯源；不確定度評(píng)定

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，計(jì)量被越來越多的企事業(yè)單位所重視。在各電子產(chǎn)品校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中，多功能校準(zhǔn)器起到了至關(guān)重要的作用，其中FLUKE公司生產(chǎn)的55XX型多功能校準(zhǔn)器更是被廣泛應(yīng)用于低頻交直流電壓、電流以及電阻的校準(zhǔn)工作。多功能校準(zhǔn)器的溯源問題一直被計(jì)量人員所關(guān)注，尤其是交流電流的溯源一直以來都是困擾計(jì)量人員的一個(gè)難題。本文主要探討FLUKE公司5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的溯源問題，并比較兩種校準(zhǔn)方法之間的差異。

1 校準(zhǔn)方法

1.1 FLUKE公司5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流技術(shù)指標(biāo)

由FLUKE公司生產(chǎn)的5520A型多功能校準(zhǔn)器，其交流電流技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流技術(shù)指標(biāo)

1.2 使用高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表直接校準(zhǔn)

使用FLUKE公司的8508A型8位半數(shù)字多用表，對(duì)校準(zhǔn)器交流電流進(jìn)行直接測(cè)量。在FLUKE公司提供的技術(shù)說明書中，8508A型數(shù)字多用表交流電流的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 8508A型數(shù)字多用表交流電流技術(shù)指標(biāo)

利用高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表的電流測(cè)量功能進(jìn)行直接測(cè)量，方法簡(jiǎn)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(cè)量一般采用內(nèi)置分流器。被測(cè)電流流過內(nèi)置分流器，通過監(jiān)測(cè)分流器兩端電壓即可測(cè)得輸入電流。而一般數(shù)字多用表體積有限，內(nèi)置分流器一般都做得比較小，一是準(zhǔn)確度不高，二是空間有限，散熱效果比較差，溫度系數(shù)比較大。因此采用數(shù)字多用表測(cè)量電流的準(zhǔn)確度都不是很高。

由表1和表2可得到直接用8508A型數(shù)字多用表的交流電流功能測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的TUR比率，如表3所示。

表3 8508A型數(shù)字多用表直接測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的TUR比率

由表3所示的TUR比率可以看出，8508A型數(shù)字多用表對(duì)交流電流的測(cè)量不確定度不能滿足小于5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流測(cè)量不確定度1/3的要求。

1.3 使用交流分流器和高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表校準(zhǔn)

A40B 系列精密分流器有14個(gè)低電感同軸分流器，電流量程額定值從1 mA到100 A，用于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量交直流電流和校準(zhǔn)交直流電流轉(zhuǎn)換測(cè)量裝置。整個(gè)裝置包括四個(gè)封閉的小尺寸分流器：1 mA，10 mA，20 mA，50 mA；五個(gè)小尺寸同軸分流器100 mA，200 mA，500 mA，1 A，2 A；三個(gè)中等尺寸的分流器：5 A，10 A，20 A；兩個(gè)大尺寸的分流器：50 A和100 A。根據(jù)校準(zhǔn)點(diǎn)選擇1 mA，10 mA，50 mA，500 mA，5 A，10 A和20 A這七個(gè)分流器。多功能校準(zhǔn)器交流電流通過分流器得到交流電壓，通過數(shù)字多用表直接測(cè)得電壓值。因此標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量結(jié)果的不確定度由分流器和數(shù)字多用表兩者引入的不確定度合成得到，如表4所示。

由表1和表4可得到用A40B型分流器和8508A型數(shù)字多用表測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流的TUR比率，如表5所示。

表4 A40B型分流器與8508A型數(shù)字多用表合成不確定度

表5 A40B型分流器和8508A型數(shù)字多用表測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流TUR比率

由表5所示的TUR比率可以看出，使用A40B型分流器和8508A型數(shù)字多用表配合測(cè)量，交流電流的測(cè)量不確定度完全可以滿足小于5520A型多功能校準(zhǔn)器交流電流測(cè)量不確定度1/3的要求，測(cè)量結(jié)果的不確定度大大降低，實(shí)現(xiàn)了可靠的校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定（30mA，1kHz校準(zhǔn)點(diǎn)）

2.1 測(cè)量方法

使用A40B分流器和8508A型數(shù)字多用表測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器的交流電流。交流電流通過A40B分流器產(chǎn)生的交流電壓輸入到8508A型數(shù)字多用表，即可測(cè)得被測(cè)多功能校準(zhǔn)器的交流電流值Ix。

2.2 測(cè)量模型

式中：Ix—— 被測(cè)多功能校準(zhǔn)器的交流電流值；

Um—— 數(shù)字多用表的測(cè)量值；

R—— A40B的阻值；

ΔI—— 被測(cè)交流電流值與標(biāo)準(zhǔn)值的絕對(duì)誤差

各輸入量Um、R、ΔI彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的平方為

所以，被測(cè)多功能校準(zhǔn)器交流電流值的不確定度來源有：

1）8508A型數(shù)字多用表引入的不確定度分量u(Um)；

2）A40B型分流器引入的不確定度分量u(R)；

3）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u(ΔI)

2.3 輸入量估計(jì)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

2.3.1Um的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Um)

Um的不確定度主要來源于數(shù)字多用表的示值誤差。FLUKE公司給出的8508A型數(shù)字多用表交流電壓1 a的最大允許誤差±（65×10-6Reading + 10×10-6Range），采用B類方法進(jìn)行評(píng)定，可認(rèn)為是均勻分布，。則

2.3.2R的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(R)

R的不確定度主要來源于分流器的示值誤差。FLUKE公司給出的A40B型分流器1 a的最大允許誤差為±23×10-6，采用B類方法進(jìn)行評(píng)定，可認(rèn)為是均勻分布，。則

2.3.3 ΔI的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(ΔI)

ΔI的不確定度主要來源于測(cè)量重復(fù)性，采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。對(duì)30 mA，1 kHz校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行6次測(cè)量，實(shí)際交流電流測(cè)量值如表6所示。

表6 使用A40B和8508A測(cè)量交流電壓6次

單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

算術(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

2.4 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

表7 相對(duì)不確定度分量一覽表

2.5 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各分量相互獨(dú)立，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucrel為

2.6 確定擴(kuò)展不確定度

取包含因子k= 2，于是擴(kuò)展不確定度為

2.7 使用數(shù)字多用表直接測(cè)量的測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

使用8508A型數(shù)字多用表直接測(cè)量5520A型多功能校準(zhǔn)器30 mA，1 kHz校準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度（評(píng)定步驟參照2.1～2.6）為

3 結(jié)語

綜上所述，使用8508A型數(shù)字多用表的交流電流功能對(duì)5520A型多功能校準(zhǔn)器的交流電流進(jìn)行直接測(cè)量，由于TUR比率不能達(dá)到3倍以上關(guān)系，因此測(cè)量結(jié)果的不確定度較大。而采用A40B型分流器和8508A型數(shù)字多用表配合對(duì)5520A型多功能校準(zhǔn)器的交流電流進(jìn)行校準(zhǔn)，TUR比率完全滿足3倍以上關(guān)系，因此，此方法能夠?qū)?520A型多功能校準(zhǔn)器的交流電流進(jìn)行校準(zhǔn)，且測(cè)量結(jié)果的不確定度大大降低。

[1]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國計(jì)量出版社，2012.

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[4]王艷,維付璇.數(shù)字多用表標(biāo)準(zhǔn)裝置8508A測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].電子測(cè)試，2015（2）：29-31.

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AC current traceability of 5520A multifunction calibrator

Zhang Luyan，Zhao Pinzhang，Li Lin
（Jiangsu Institute of Metrology）

The AC current traceability of 5520A multifunction calibrator manufactured by FLUKE company is discussed in the paper.Two different calibration methods are introduced, i.e.using a high precision digital multimeter only for direct calibration, and using A40B AC current shunt with a high precision digital multimeter for calibration.The uncertainties of AC current calibration results obtained by the two calibration methods are simply evaluated.By comparing the calibration uncertainties, a solution to AC current traceability of 5520A multifunction calibrator is presented.The uncertainty evaluation results of the calibration data acquired at a AC current calibration point show that the solution could meet the AC current traceability requirement of 5520A multifunction calibrator.

5520A multifunction calibrator; AC current; traceability;uncertainty evaluation