手持式数字多用表的校准方法研究

王三强，刘献成，梁星，米思蓓，程渝琴

(1. 国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123； 2. 哈尔滨电工仪表研究所有限公司，哈尔滨 150028)

0 引 言

手持式数字多用是一种常用的工具型仪表，广泛应用在国防、科研、工厂、学校、计量测试等各领域。传统上手持式数字多用表生产厂家众多，型号纷繁复杂。我国是生产大国，产量居世界首位，年产量已超过2 000万块(只)。手持式数字多用表是我国目前电工仪表出口产品中所占出口份额较大的产品，作为测试领域不可缺少的产品之一，应用范围广泛。

但是长期以来，不论是在国内还是在国际上，均尚未制定关于手持式数字多用表相应的检定规程和校准规范，这就给用户的使用带来了障碍。提出手持式数字多用表的校准方法，对这方面进行研究分析。

1 手持式数字多用表的特点分析

手持式数字多用表是一种工具型仪表，它运用模/数转换原理，将被测量数据从模拟量转化为数字量，测量结果以数字量形式显示出来。与传统的指针式万用表相比，手持式数字万用表具有精度高、读数准确、抗干扰能力强等优点，因而手持式数字多用表得到了广泛应用。手持式数字多用表(DMM)是可直接测量交直流电压、交直流电流、直流电阻或其它电参量，其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量值的电测量仪表[1-3]。

2 校准条件和项目

2.1 校准条件和环境条件

校准手持式数字多用表所用的标准表和标准装置各功能的扩展不确定度一般小于被校手持式数字多用表各测量功能所许可误差的1/3。标准装置各功能的调节细度应小于被校手持式数字多用表许可误差的1/5～1/10。装置的稳定度小于被校仪表许可误差的1/5～1/10。校准的实验室应无腐蚀性气体及导电尘埃，无强烈振动源，室内照明充足，无阳光直射，有良好接地设施[4-8]。

2.2 校准项目

手持式数字多用表以直流电压为基本测量功能，可以同时具有直流电流、交流电压、交流电流、直流电阻等测量功能，需要对这些功能进行校准。

3 校准方法

3.1 校准前检查

手持式数字多用表应该首先进行外观和通电检查。仪表外观完整，铭牌上应有名称、型号、准确度等级、制造厂名、出厂号码和制造日期。仪表上的指示器、按钮、按键、接线(地)端钮、开关、仪表、调节手柄(旋钮)等，均应有简明的符号或文字标明其功能及升降方向，按钮、按键等接触良好。外观检查后，通电功能检查。按照其量程和测量范围，从低到高依次输入适当的信号(交流电流、交流电压)。检查各测量功能的手动、自动量程切换和工作是否正常，液晶显示是否有缺失。

3.2 校准点的选取

校准点应覆盖所有量程，同时应参考被校手持式数字多用表应用说明书中对校准点的意见，并可依据实际情况或送校单位的意见选取校准点。直流电压的基本量程正极性选择5个～10个校准点，直流电压的基本量程负极性和其他非基本量程选取3个校准点。非基本量程的校准点要考虑误差最大的点和上、下量程的连续性。

3.3 测量功能的校准

目前，国内还没有国家标准或者检定规程规范来对手持式数字多用表的校准方法做出规定。仪表的校准方法很多，但从原理上一般可以归纳为标准源法和标准表法两大类。我们以直流电压为例进行说明。

3.3.1 标准源法

接线如图1所示。

图1 标准源法接线Fig.1 Wiring of standard source method

设标准源输出电压为Un，被校仪表显示电压为Ux，则误差为：

ΔU=Ux-Un

(1)

相对误差为：

(2)

3.3.2 标准表法

选取一个稳定的输出源，分别输出到标准表和被校仪表，通过读取标准表和被校仪表的示值来判断误差。在标准表法中，标准表应比被校仪表至少多一位，并尽量选取与被校仪表的量程一致。输出源应具有足够的稳定度，且能连续可调。稳定度应为被校仪表允许误差的1/5～1/10，调节细度应为被校仪表允许误差的1/10，接线如图2所示。

图2 标准表法校准接线Fig.2 Calibration wiring of standard meter method

具体采用哪一种方法，可根据所具有的标准设备和被校仪表的级别选择一种最合适、最经济可靠而又简便的方法。

3.4 校准过程

我们以10 V直流电压为例，阐述具体的校准方法。

3.4.1 校准方法

选择方法：标准源法。

选用标准：标准源选择精度等级为0.1级的电测仪表检定装置。

被校对象：被校表选择日常使用的手持式数字多用表。

测量环境条件：实验室温度21 ℃，湿度60%RH。

测量直流电压10 V，分别测量10次。

测量过程：采用图1所示接线，用0.1级的电测仪表检定装置直接输出10 V直流电压，分别读出电测仪表检定装置的读数和被校仪表的读数，二者进行直接比较，并对其进行不确定度的计算[9-12]。

3.4.2 直流电压10V的测量不确定度评定

(1)数学模型

ΔU=Ux-Un

(3)

式中ΔU为电压误差；Ux为被校仪表读数；Un为标准装置的读数。

传播系数：

C(Ux)=1；C(Un)=-1

(4)

(2)A类不确定度的评定

标准装置输出调为10 V，分别读取标准装置和被校仪表读数值，测量重复性记录如表1所示。

Ux的不确定度来源是电压的重复测量引起，采用A类不确定度评定。

根据表1可得A类不确定度为:

(5)

自由度为10-1=9。

表1 测量重复性记录Tab.1 Records of measurement repeatability

(3)B类不确定度的评定

Un的不确定度采用B类不确定度评定。

合成标准不确定度的评定。输入量Ux、Un相互独立不相关，合成标准不确定度为：

(6)

合成不确定度的有效自由度根据韦尔奇-萨特思韦特公式计算为：

(7)

(4)扩展不确定度

取置信水准p=95%，k=2，扩展不确定度U95为：

U95=k×uc=2×0.0753%=0.16%

(8)

3.5 其他项目的试验方法

3.5.1 耐压试验

在手持式数字多用表外壳与地之间，加入持续1 min的试验电压，外壳应无击穿现象。

3.5.2 绝缘强度试验

使用额定电压为500 V的兆欧表对手持式数字多用表的电气部件与外壳之间的绝缘电阻进行测量。但对于额定电压低于100 V的电气部件，用额定电压为100 V的兆欧表测量。

3.6 校准结果的处理及复校时间间隔

3.6.1 校准结果的处理

校准应该给出校准证书，证书内要求有本次校准结果的有效性说明并给出测量结果的测量不确定度评定。此外还要说明校准所使用的技术规范。

3.6.2 复校时间间隔

仪表的复校间隔为1年。此外按照仪表的环境条件、频率以及重要性也可由用户和校准单位协定仪表的校准周期。

4 结束语

不同于台式数字多用表的市电供电，手持式数字多用表一般采用电池供电。从便捷等方面考虑，手持式数字多用表可以使用标准源法校准，而不再另外配备输出源和标准表。最后应该指出，目前校准手持式数字多用表，无论是国家还是行业，都没有检定规程和校准规范，因此本文提出的方法提供一个思路，提出的校准手持式数字多用表的方法具有一定的实际意义。