交直流高压测量系统测量审核的实施方法及结果分析

史三省 张欲晓

(国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052)



交直流高压测量系统测量审核的实施方法及结果分析

史三省 张欲晓

(国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052)

针对常用作实验室能力验证的测量审核工作，以校准交直流高压测量系统为实例，介绍了该工作的实施方法，详细分析了测量审核过程中的数据处理方法及影响结果的因素，并通过与作为主导实验室的国家高电压计量站提供的参考值进行比对，判定了校准结果的满意度，从而验证了本单位实验室的校准能力。本文为各种校准项目的测量审核提供了一定的借鉴性，有助于提高实验室量值传递的准确性和一致性。

校准；能力验证；测量审核；测量不确定度

0 引言

测量审核是实验室对被测物品进行实际测试，其测试结果与参考值进行比较的活动。它是实验室能力验证的重要方式之一。实验室通过向由国家认可委发布的CNAS测量审核主导实验室申请完成测量审核工作，可以验证实验室开展该项目校准或检测的能力，确保量值传递的准确性和一致性[1-2]。

测量审核不同于一般实验室间比对，前者是由CNAS认可的测量审核主导实验室对一个申请实验室进行“一对一”能力评价的能力验证计划，具有一定的权威性；而后者是由两个或多个实验室按照预先规定的条件对相同的物品进行测量或检测的组织、实施和评价，其权威性和可信度不如前者。

本文以校准交直流高压测量系统的交直流100kV电压为实例，详细介绍了测量审核的实施方法和一致性满意度评定方法，为各种校准项目的测量审核提供了一定的借鉴性。

1 测量审核的工作流程

用于测量审核的被校样品应有足够好的重复性、均匀性和稳定性，可以由主导实验室提供，也可以由申请实验室提供。本案例选择的被校样品为交流电压1级、直流电压0.5级，额定电压为300kV的HV-300型交直流高压测量系统，由本单位实验室(申请实验室)提供，主导实验室为国家高电压计量站。测量审核的工作流程如图1所示[1]。

2 样品的校准及测量不确定度评定

2.1 校准方法

依据DL/T 973-2005《数字高压表检定规程》，采用直接比较法，用高压分压器作为标准器校准高压测量系统的原理示意图如图2所示[3]。

图1 测量审核的工作流程图

图2 校准原理示意图

2.2 不确定度来源分析

根据高压测量系统的校准方法与过程，分析影响校准结果的不确定度来源有[4-7]：

1)标准高压分压器准确度；

2)标准低压表准确度；

3)被校高压测量系统测量重复性；

4)标准低压表示值分辨力；

5)电源稳定度波动；

6)环境条件的波动。

2.3 数学模型建立

由校准原理可知，被校高压测量系统的电压示值误差ΔU可表示为[3]：

ΔU=Ux-U0=Ux-NfV0

(1)

式中，Ux为被校高压测量系统电压示值；U0为标准高压分压器高压侧电压示值；Nf为标准高压分压器的分压比；V0为标准低压表的电压示值。

2.4 标准不确定度评定

2.4.1 标准不确定度的A类评定

由测量重复性引入的标准不确定度u1可用A类评定的方法进行评定。在环境温度20.0℃、相对湿度60%的条件下对被校样品的交流电压100kV、直流电压100kV分别进行10次独立重复测量，结果如表1和表2所示。

计算得算术平均值：

(2)

表1 交流电压重复测量结果

表2 直流电压重复测量结果

(3)

单次实验标准偏差：

(4)

(5)

在实际测量中，常取1次读数作为测量结果，则相对标准不确定度为：

(6)

(7)

由于在评定由测量重复性引入的标准不确定度的过程中，已经包含了对电源稳定性、环境条件的波动及示值分辨力等因素的评定，因此，不再对其引入的分量进行重复评定[1]。

2.4.2 标准不确定度的B类评定

(8)

(9)

2.5 合成标准不确定度计算

由影响校准结果的不确定度来源分析可知，各输入量之间均不相关，可使用如下公式计算合成标准不确定度[8]：

(10)

则可得：ucAC=9.4×10-4，ucDC=8.3×10-4。

2.6 扩展不确定度的确定

在给出校准结果时，一般情况下报告扩展不确定度U，它由合成标准不确定度乘以包含因子k得到(一般取k=2)，即[8]

U=k×uc

(11)

则可得100kV测量点校准值对应的相对扩展不确定度为：UAC=1.9×10-3，UDC=1.7×10-3。

3 测量审核结果满意度评定

3.1 评定方法

测量审核结果评定方法由主导实验室提出，征求申请实验室意见后确定。通常情况下采用En比率值进行评价，即申请实验室完成测量审核校准工作后，主导实验室根据申请实验室上报的样品校准值及其测量不确定度，结合主导实验室的校准值及其测量不确定度，用En比率值计算得出最终的测量审核结果。En值由下式确定[9]：

(12)

式中，xlab为申请实验室的样品校准值；xref为主导实验室的样品校准值；Ulab为申请实验室的测量结果不确定度；Uref为主导实验室的测量结果不确定度。

En值又称归一化偏差，是一个比值。分子是申请实验室测量结果与参考值之差，称作申请实验室测量结果的等效度，表示申请实验室测量结果与参考值一致的程度，当然两者之差越小越好。分母是申请实验室测量结果与参考值之差的测量不确定度，只有当Ulab和Uref两量互相无关时才用如式(12)所示的两量的方和根表示，意为两实验室测量结果的测量不确定度的合成。按例主导实验室的Uref是应该由CNAS认可的，且不应该让申请实验室事先知道；申请实验室的Ulab应是其申请认可时上报的最佳测量能力，若Ulab大于最佳测量能力应分析其原因；另外主导实验室必须比申请实验室具有更小的测量不确定度(即具有更佳的测量能力)。综上所述，En表示等效度与其不确定度之比，是对申请实验室测量结果与其不确定度的一致性的评价。

若|En|≤1，则申请实验室的测量结果与参考值之差与其不确定度之比在合理的预期范围之内，测量结果符合要求，结论为满意。若|En|>1，则申请实验室的测量结果与参考值之差与其不确定度之比没有达到合理的预期，测量结果不符合要求，结论为不满意，应分析原因(包括实验环境、设备、人员等)，然后，根据实际情况提出整改意见和措施并加以实施。

3.2 结果分析

本案例中，主导实验室和本单位实验室的样品校准值及其测量不确定度分别如表3所示。

表3 测量审核结果

由表3可知，|En|值小于1，为满意结果，反映了本单位实验室交直流电压校准工作的技术水平，验证了对交直流高压测量系统进行量值传递的准确性和一致性，以及电压量值的保存能力。

4 影响测量审核结果因素分析

1)样品的选择。选择的样品性能应稳定，应经过稳定性考核，以保证在测量审核过程中保持理想的校准状态。

2)测量审核周期。申请测量审核实验室和主导实验室校准同一样品的时间间隔应尽量短，以防样品的特性值随时间漂移。

3)试验环境条件。校准样品时，各影响量在规定的条件下应尽量保持一致。

4)校准方法。应按检定规程或校准规范规定的方法正确校准样品。

5)测量不确定度的评定。应对影响校准结果的不确定度来源进行深入分析，正确评定校准结果的测量不确定度。

5 结束语

本文针对常用作实验室能力验证的测量审核工作，以校准交直流高压测量系统为实例，介绍了该工作的实施方法，详细分析了测量审核过程中的数据处理方法及影响结果的因素，并通过与作为主导实验室的国家高电压计量站提供的参考值进行比对，验证了校准结果的满意度，显示了本单位实验室交直流电压校准工作的技术水平。本文为各种校准项目的测量审核提供了一定的借鉴性，有助于提高实验室量值传递的准确性和一致性。

[1] 中国计量测试学会. 一级注册计量师基础知识及专业实务

[M].北京:中国计量出版社, 2009

[2] CNAS-RL02:2010 能力验证规则[S]

[3] DL/T 973—2005 数字高压表检定规程[S]

[4] 马琳娜. 电量变送器检定装置的测量不确定度评定[J]. 高电压技术, 2004, 30 (7)

[5] 董耀. 分压电路方法测量直流高压高阻箱示值误差的测量不确定度的研究[J]. 化工自动化及仪表, 2009, 36 (5)

[6] 鹿凯华, 杨静. 交流采样测量装置示值误差测量结果的不确定度评定[J]. 电测与仪表, 2007, 44 (499)

[7] 范巧成, 祝福, 杨梅, 等. 交流电能表检定装置示值误差测量结果的不确定度评定[J]. 电测与仪表, 2009, 46 (520)

[8] JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示[S]

[9] CNAS-GL02: 2014 能力验证结果的统计处理和能力评价指南[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.07