馬莉，常婧，吳楊，韓利，陳志偉

（1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；2.長沙天恒測控技術有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

近年來，數字多用表在電力、計量等科學領域應用廣泛，為保證量值的傳遞性和溯源性，需采用檢定裝置對其進行周期性檢定/校準[1]。根據文獻[2]，實驗室出具的報告測量結果必須具有對應的測量不確定度說明，且給出的測量不確定度應適用于數字多用表的整個測量范圍。數字多用表測量項目包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻[3]，校準時采用的標準源輸出和量程選擇不同，其技術參數也不同。因此，在校準工作中采用單一值表示并不能適用于整個測量范圍，應依據校準項目在每一量程范圍內選擇典型的校準點進行評定，分段給出測量不確定度，然而，這樣在一定程度上不僅增加了校準工作量，人工評定時測量不確定報告準確率也會有所下降[4]。文獻[5]研發(fā)的自動評定系統(tǒng)可實現數字多用表示值誤差測量結果不確定度的自動評定，但需提前手動錄入數字多用表校準數據才能完成測量不確定度的評定。文獻[6]提出的數字多用表自動校準系統(tǒng)能夠自動調用表格中設置好的校準點,實現數字多用表的自動化校準，但不具備不確定度評定功能。

為解決上述問題，提高數字多用表不確定度評定的工作效率和準確率，研究開發(fā)數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實現數字多用表自動檢定的基礎上，進一步提升校準自動化程度，實現測量不確定評定功能，使校準工作更加規(guī)范，本文主要對系統(tǒng)組成、測量不確定度評定方法以及系統(tǒng)評定結果進行介紹。

1 數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構成

數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)主要由計算機（系統(tǒng)軟件）、被檢表或被檢裝置、標準源或標準表、測試電纜、打印機組成，如圖1所示，在系統(tǒng)完成對被檢表的自動檢定/校準后，可將結果自動輸出，實現送檢設備的日常檢定，不確定度評定時先進行重復性測量，再調用重復性計算結果進行綜合評定，最后系統(tǒng)自動出具校準/檢定報告、不確定度評定報告并打印。

圖1 數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)構成

1.2 系統(tǒng)硬件調試

采用GPIB接口卡連接計算機、被檢設備與標準設備，被檢設備與標準設備通過RS-232 總線電纜連接。在系統(tǒng)中設置相應的參數，硬件測試合格后，即可開展檢定工作。

1.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)采用模塊化設計思路，如圖2所示，包括報表模塊、方案模塊、系統(tǒng)模塊、檢定模塊、通信模塊、數據處理模塊部分。

圖2 系統(tǒng)軟件組成模塊

1.4 系統(tǒng)原理

標準源模式如圖3所示，在檢定時，標準源的輸出值即為顯示值，系統(tǒng)自動控制標準源輸出標準示值，系統(tǒng)通過被檢表的通訊接口自動切換被檢表的各種顯示狀態(tài)，讀取被檢表的實際測量值作為被檢表的示值實現對被檢表的檢定。

圖3 標準源模式

標準源同時又是被檢表，是指利用標準表對表源為一體的裝置進行檢定的一種模式，如圖4 所示。

圖4 標準源同時又是被檢表模式

在檢定時，被檢裝置既是輸出源又是被檢表，檢定系統(tǒng)通過通信接口自動控制被檢裝置輸出電壓、電流給標準表，系統(tǒng)自動采集被檢裝置的測量值作為被檢示值，同時系統(tǒng)通過與標準表的通信接口自動切換標準表狀態(tài)，并且讀取標準表測量數據作為標準示值實現對被檢裝置的檢定。

2 測量不確定度評定

2.1 測量不確定度的數學模型

影響數字多用表不確定度分量來源包括：被測數字多用表的重復性測量引入的不確定度；標準源的示值最大允許誤差引入的不確定度；標準源的校準引入的不確定度三個部分。

測量不確定度的數學模型如下：

式中：Δ表示示值誤差；Vx為被檢表的示值；VN為標準器的輸出值。

依據測量不確定度的來源，評定方法分為A類標準不確定度的評定和B類標準不確定度的評定兩部分：

1）A類標準不確定度的評定。采用多功能標準源對數字多用表進行多次測量，由數字多用表示值誤差分散性引入的不確定度分量uA。

2）B類標準不確定度的評定。多功能標準源通過上級標準校準時引入的不確定度分量uB1，標準源示值最大允許誤差引入的不確定度uB2。

2.2 測量不確定度評定

2.2.1 不確定度分量uA的評定

數字多用表多次測量引入的不確定度采用A類評定方法進行評定。以5730A型多功能標準源作為測量標準，34410A型數字多用表作為被測對象，環(huán)境條件保持在溫度22.0 ℃，相對濕度50%，在重復性條件下，對交流電壓10 V(50 Hz)測量點各進行10 次獨立測量，得到1 組測量數據如表1所示。

表1 10次重復性測量數據

依據表1 試驗數據，依據貝塞爾公式求出單次實驗標準偏差s(V)：

式中：Vˉ為n次測量結果的算術平均值；Vi為第i次的測量結果。

平均值的實驗標準偏差：

測量重復性引入的標準不確定度分量為

2.2.2 不確定度分量uB1的評定

2.2.3 不確定度分量uB2的評定

標準源的校準證書給出的不確定度U=0.000 2 V，kB2=2，因此半寬度aB2=0.000 2 V，故由此引入的標準不確定度分量：

2.2.4 合成不確定度的評定

檢定裝置檢定/校準交流電壓表的合成標準不確定度各輸入量估計值彼此不相關，各不確定度分量匯總見表2。

表2 各不確定度分量匯總

合成標準不確定度為

2.2.5 擴展不確定度的評定

取 包 含 因 子k=2，U=k×uc= 0.000 66 V。對于不同測試點測量結果的擴展不確定度均可按上述方法分析計算。

校準裝置校準該數字多用表交流電壓10 V（50 Hz）點示值誤差測量結果的擴展不確定度為U=0.000 66 V,k=2，相對擴展不確定度為Urel=

2.3 系統(tǒng)不確定度自動評定

依據系統(tǒng)標準源模式，利用5730A 型多功能標準源和34410A型數字多用表進行重復性測量，得到被檢表示值，引入不確定度評定模塊，在系統(tǒng)中輸入標準源參數，進行不確定度的自動評定，計算結論與人工評定結論相同，其計算過程不易出錯，且計算時間要遠小于人工評定時間。

2.4 測量不確定度的驗證

測量不確定度的驗證一般采用傳遞比較法，被測數字多用表的測量值ylab=9.999 74 V，擴展不確定度Ulab=U= 0.000 66 V，采用另一高等級計量標準同樣對該被測對象的交流電壓10 V（50 Hz）進行測量，此時被測對象測量值為yref=9.999 78 V，測量時的擴展不確定度為Uref=0.000 69 V。滿足公式：

此次的校準測量結果及其不確定度的評定具有可信度。

3 結論

1）研究開發(fā)的數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)具有基本誤差的半自動或全自動校驗、測量重復性測試、不確定度全自動測試等功能。

2）數字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)可實現數字多用表的自動校準及不確定度自動評定，快速準確地給出整個測量范圍內的擴展不確定度，有效提高檢定人員的工作效率，避免人工失誤誤差。