降低数字多用表检定误差的技术方法研究

2013-05-14张丽梅王武华

计量技术 2013年11期

张丽梅王武华

(中国人民解放军91388部队96分队，湛江 524022)

0 引言

目前检定(校准)数字多用表的标准器大多使用FLUKE公司的5000系列以及WAVETEK公司的9000系列多功能校准仪。采用多功能校准仪之后，数字多用表的检定工作已经变得不再复杂，但是在检定数字多用表的过程当中，仍然存在一些很容易被忽略的因素，这些因素可能会直接影响测量结果的准确性和一致性，产生不必要的测量误差。测量中应该尽量避免这些主观或者客观的因素，这样可以大大提高检定(校准)质量，确保量值准确一致。

1 对标准源的控制

1.1 环境对标准源的影响

环境的变化特别是温度的变化会影响多数电子仪器的准确度。一台仪器最常见的误差来源是它的校准情况的变化，即在受控的实验室下进行校准，然后在不同的工作环境下使用。因此，在数字多用表的检定(校准)过程中，要严格按照检定规程中规定的环境要求进行检定。例如严格控制温湿度、振动、噪声等。

1.2 测试电缆的影响

电缆的要求取决于输出功率、幅值和频率。测量中使用不适当的测试电缆会引入误差：在小电压测量时，电缆的材料和校准器的接线柱材料间产生很大的热电动势会造成误差；而在大电流测量时过大的线阻也会造成误差甚至导致无法测量，如使用多功能校准仪9100测量数字万用表15B的大电流时，校准仪首先判断与被测件是否形成回路然后再测量，如果使用线阻过大的测试线，校准仪会判断为断路，导致15B的4A、10A量程无法进行测量。

为避免由热电势以及线阻引起的误差，应当使用由铜或其它与铜相接时产生很小热电势及很小线阻的材料制成的连接器和导线。测试电缆应当是屏蔽的并且屏蔽层连接到校准器的保护端，以减少静电场的影响，最好使用标准源配备的标准电缆。

1.3 分布电容的影响

交流电流测量中分布电容能带来很大的测量误差，一般分布电容存在于较长的测试电缆和电流回路连接中，尤其是在测量小电流的时候误差更为严重。解决的方法是用有源的方式来驱动保护电路，通过消除信号源电缆和它的保护之间的电位差，使用三重同轴电缆不但可以消除电缆电容，还可以消除回路及内导体和外层屏蔽间的电容。

1.4 有效的采用保护、接地和隔离

要实施保护端连接，以便减小杂散的地电流的影响；在被检仪表的某些量程中，接地状况对测量结果的影响很大，因此地线在仪表测量中对正确的测量结果起着很重要的作用，不能采用三相交流电中的接地线作为仪器的地线，因此实验室应做好严格的接地，标准源和被检表都应选择最好的接地点，以便降低噪声，获得更准确的数据。良好的接地还能保证仪器免受外部电磁干扰，避免仪器电磁干扰泄露，保证检定人员的安全。

2 对检定(校准)过程的控制

2.1 仪器设备预热

标准源和被测件均必需进行预热，使得仪器内部受环境影响的部件达到稳定状态。一般情况下，若要标准源达到所有技术指标，必须预热30分钟或两倍的停机时间(例如，若校准器已停机5分钟，则需预热10分钟)。被测数字多用表则按照规程规定和仪器说明书进行预热，例如34401A数字多用表，在规定环境下放置24小时，要开机预热2小时，仪器才能达到最佳状态。

2.2 仪器进行自校准

电子类测量仪表，长时间使用或者存放，内部电路存在一定的漂移不确定性，会产生测量误差。标准器采用直流校零，是自动消除11V、2.2V量程的失调误差，以及消除220mV量程的失调和增益误差的快速过程。为了确保指标的真实性，必需至少每30天进行一次直流零点校准；被测数字表可以采用零点校准和满度校准，使示值与标准值趋于一致。

2.3 执行零位测量

零位测量法也称为相对测量(null)，就是用一个指零仪器或装置，以显示系统达到一种平衡状态。此处，用以消除是已存储的零位值和输入信号之间的差值。例如在进行小电压测量时，仪表本身的输入部分会有一个比较小的电压迭加在输入信号上，如果在校准时不将此值去掉，就有可能出现被校仪表超差。在其他功能测量时，如：小电流、小电阻等都会存在相应的问题。可以执行零位测量来消除此误差。检定数字多用表执行零位测量时(即清零)一般采用：电压测量用测试线短接高低两端清零；电流测量则高低两端开路清零；电阻测量四线测量测试线短接清零；两线测量短接测试线两端然后清零，主要用来消除测试引线的电阻，以得到更准确的电阻测量。多功能校准源5700A检定数字多用表34401A的直流电压10V量程调零前后的数据比对如表1所示。

表1

2.4 正确选择量程和分辨力

在校准数字多用表时，例如1V电压，在基本量程10V和非基本量程1V两个量程均可以读数，但每个量程的误差极限或者不确定度是不同的。因此，在读数时，应该按照被测值在相应的量程档和使用要求来读数；分辨力以多用表可以测量和显示的位数来表示，如需增加精度，则选择高分辨力，如果要加快测量速度，则选择低分辨力。不同的分辨力有不同的积分时间，按照选择的分辨力，来确定最佳的读数时机。

3 检定(校准)中应注意的问题

3.1 大、小电流测量时应注意的问题

校准大电流档时，由于电流较大，长时间通电可能会使得被检仪表中取样电阻发热而阻值发生变化，读数发生跳动，造成测量数据不准确。因此在大电流读数时，数据稳定之后即读，以免造成人为读数误差。在进行小电流测量尤其是交流小电流测试时，最好选择滤波器(一般测量40Hz以下频率时选择慢速滤波)，这样可以减小噪声和干扰，使低频准确度达到最佳化，或者使交流稳定时间达到最短。如表2所示是多功能校准源5700A检定数字多用表34401A的交流电流1A量程10Hz频率采用滤波前后的数据比对，实测中滤波前数据稳定性很差，难以读数，而且数据误差很大甚至超差，滤波后数据稳定，误差大幅减小；选择合适的分辨率和适当测量速度，确保在最佳时间读取到正确的读数。

表2

3.2 大、小电压测量时应注意的问题

交流电压测量时，电容可能会引起分路效应，从而增加源负载以及导线上的电压降，因此，测量导线的长度越短越好，同时减小回路范围和引线屏蔽，减小外界影响及交流测量时的能量损失。在小电压测量时也要采用交流滤波器，根据测量选用的频率选用合适的滤波器，以降低噪声和干扰，使读数达到最佳。如表3所示是多功能校准源5700A检定数字多用表34401A的交流电压10Hz频率采用滤波前后的数据比对；测量直流电压时，选择好适当的输入电阻，以降低噪声和减少测量负载所引起的效应。

表3

3.3 大、小电阻测量时应注意的问题

在电阻功能下，利用两种功能可增强准确度：两线补偿和四线检测。

在进行高阻测量时，由于流经电阻的电流很小，如果不采取屏蔽措施，外界干扰信号很容易通过空间耦合进来造成读数乱跳。因此大电阻测量要做好屏蔽措施，并做两线测量。应用较短的连接导线，最好采用同轴线以保证测量结果准确可靠。

小电阻测量时如果采用两线测量，被测表吸收到较大的电流在接线上时会产生明显的压降，并且两线测量法电流源和电压测量是同一回路，而导线又非理想导体，存在一定电阻，因此用两线法测到的电阻不止是被测电阻，还包括引线电阻。采用四线测量会避免这个问题。电阻四线测量法电流源和电压测量回路是分开的，在线路上几乎不会产生压降，测量到的就是实际的电阻值，因此在电阻功能时，当被测表具有四线欧姆输入，且校准源被设为100kΩ或更小时，应该使用四线连接。导线选择时四条导线必须在规格、长短、接头类型保持一致，才能获得最佳数据。多功能校准源5700A采用两线和四线检定数字多用表8846A的小电阻的数据比对如表4所示，采用两线测量时，数据超差。

4 利用其他手段降低出现测量误差的可能性

在标准源的两次检定周期中，不能明确标准源的技术状态，因此有可能对被测数字多用表带来测量误差。可以采用其他手段保证量值准确一致，例如期间核查、技术能力比对等。期间核查的目的是考核测量仪器、测量标准或标准物质的校准状态在校准有效期内是否得到保持，当出现任何一个档位或者某个数值两者一致性不高，便可查找到原因。定期进行期间核查不但保证标准器的技术状态连续稳定，还能保证对下级量值传递、计量测试数据准确可靠；技术能力比对是对计量技术机构技术能力和工作水平的综合考评，目的是促进校准实验室不断提高技术能力，加强计量监督管理，确保实验室间的量值准确一致，提高计量保障能力。采用这两种方法是对标准器技术状态保持稳定的非常有效的手段。