仪器校准

直流电位差计仪器校准中面临的问题

作者：calibration    来源：未知    发布时间：2019-03-23 15:12    浏览量：
直流电位差计具有准确度等级高、便于携带、价格低廉、测量结果准确可靠等优势，因此在企业、科研机构等相关单位广泛使用。在仪器校准检定中通常采用的仪器校准检定方法为对检法，即采用高等级的电位差计仪器校准检定低等级的电位差计。但该方法在仪器校准检定过程中需要反复的对检流计进行平衡调节，操作较为复杂，仪器校准检定的效率较低。
 
在 JJG 123—2004 《直流电位差计》仪器校准检定规程中有采用数字电压表仪器校准检定的方法。由于之前数字仪表的量程、准确度等限制因素，数字表仪器校准检定法的使用较少。随着数字仪表的快速发展，数字电压表的测量范围、量程、准确度等级都有大程度的提高。数字电压表具有读数方便、操作简单和接口丰富便于扩展等优势，若再配合计算机及相应软件控制则可实现自动测量、记录等优势，其仪器校准检定效率将大大提升，因此数字电压表仪器校准检定法在仪器校准检定中采用的越来越多。
 
在直流电位差计的仪器校准检定规程中，对数字表仪器校准检定法的描述较为简单，因此在实际仪器校准检定过程中会遇到一些实际问题，在下面部分将进行具体讨论。
 
1 数字电压表的选择
JJG 123—2004 《直流电位差计》仪器校准检定规程中数字电压表应具有与被检电位差计相应的量程，数字电压表的误差不应超过被检电位差计基本误差的 1/5，分辨力不大于被检电位差计的最小步进值的 1/10。数字电压表预热后 2 min 的电压变差应小于被检电位差计测量盘中最小允许误差的 1/10。
 
仪器校准检定规程要求数字电压表具有与被检电位差计相应的量程。所谓相应即直流数字电压表的量程应满足被检电位差计的上限要求，而下限量程也应与被检电位差计的下限量程相近或一致。如1 V、0. 1 V、0. 01 V 基准值的电位差计，数字电压表也应具有 0. 01 V 的量程或更低量程，即测定10m V 的量程系数比的能力。对于低电势电位差计，基准值可能为 0. 1 V、0. 01 V、0. 001 V，则要求数字电压表具有 0. 001 V 的量程或更低量程，即测定 1 mV 的量程系数比的能力。同时要求数字表的分辨力不小于最小步进值的 1/10。如最小步进盘的分别为 10 μV、1 μV、0. 1 μV 的电位差计，则要求数字表的分辨力分别为 1 μV、0. 1 μV、0. 01 μV。同时数字表预热后 2 min 的变差应小于被检电位差计测量盘中最小允许误差的 1/10。对常用的一些准确度等级较高、稳定性较好的且具有代表性的数字的变差进行测试，选择为八位半的为 FLUKE 公司的 8508、七位半的为吉时利公司的 2182A、六位半的为安捷伦的 34410A。通过测试其变差分别为 0. 1 μV、0. 01 μV、0 mV，其中安捷伦的 34410A 由于为六位半仪表，最小分辨力为1 mV，且在 2 min 内的变化为零。根据电位差计的误差公式:
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如等级为 0. 01 级，基准值为 1 V 的电位差计，0. 1 V 刻度盘其最小误差为示值为 20 μV，则最大变差要求为不大于 2 μV。因此一般常用的六位半至八位半数字表的变差均能满足多数电位差计的分辨力要求。直流数字电压表的准确度一般表示为: 读数 × ppm + 量程 × ppm。则上述典型的三款数字表的最优和最差误差如表 1 所示。
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选择的数字电压表的准确度等级一等要满足不超过被检电位差计基本误差的 1/5。因此在测量电位差计不同的测量盘时巧妙利用数字表不同的量程，从而提高数字的准确度等级，满足仪器校准检定的需求。
 
2 数字电压表的溯源
电位差计仪器校准检定时要对电位差计的每个测量盘的每个测量点进行仪器校准检定。如基准值为 1 V，最小步进值为 1μV 的直流电位差计，则最小点应仪器校准检定至1 μV，且最小分辨力为 0. 1 μV。若此时选用的数字表为2182A 型，则选择的量程为10 mV。此时按数字表的误差公式: 读数 × ppm + 量程 × ppm 计算，因为读数值较小，则误差的主要贡献为量程误差，其读数误差可以忽略，其误差为: 4 ×10－8V。但按照我们日常对数字表仪器校准检定和使用的规则，一般按全检量程的 10% ～ 100% 进行选点仪器校准检定，其他量程为选点仪器校准检定，下限为量程的 10%，因此我们在 10 mV 量程进行 1 μV 的电压测量，该值的准确性若不经验证将无法保障。为了保障在该值数字电压的准确性，可以通过对小电压对量程电压进行校准和检验。
 
一般的标准电压源的输出电压最小值也仅为 mV级别，难以对 μV 级别电压校准。而标准电流源的最小输出值可以达到 μA 级别，且准确度等级也较高。如 FLUKE 的5700 多功能校准器220 μA量程、2. 2 mA 量程的准确 度 均 为: 读 数 值 ×60 ppm +10 nA。因此可以采用一等标准电阻作为负载电阻，在电位端进行电压采样，一等电阻的年稳定性在 6 ppm 以内，因此得到的电压误差则以电流误差为主要影响量的误差，根据不同的电流值可以获得不同的标准电压值，从而可以实现对数字表的校准验证。0. 01 级直流电位差计 0. 01，基准电压为 1 V，则仅常数项误差就为 10 μV，因此在 μV 量级，采用数字表做标准测量，其误差要求并不高。下面将对该方法进行验证试验，试验电阻采用的是 1 mΩ 标准电阻，5700 多功能校准器，电流根据所需电压进行调节，试验数据如表 2所示。在上述试验数据中可以看到，采用此电流源在标准电阻上的压降采样法计算的理论数据和数字电压表上的电压显示数据基本吻合。该方法可以有效验证该数字表在其量程的下限测量中其准确度是否合格，同时可以根据该值对数字表的误差进行修正，保证其测量的准确性。
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3 结束语
随着数字表技术的快速发展，其在直流电位差计仪器校准检定中的优势在不断凸显。利用数字表的高准确度等级、多量程、接口丰富等优势，配合计算机软件控制可以将电位差计的仪器校准检定工作的效率有效提高，降低人工操作、计算成本。通过小电流源在标准电阻上压降的方法可以有效弥补数字表在量程下限的量值溯源和验证问题，并可以通过将验证值输入计算机软件，对各个量值进行误差修正，在测量过程中自动对测量值补偿，提高测量准确度。
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