基于数字式多功能标准装置自动校准系统的不确定度评定

马莉，常婧，吴杨，韩利，陈志伟

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.长沙天恒测控技术有限公司，湖南 长沙 410100）

0 引言

近年来，数字多用表在电力、计量等科学领域应用广泛，为保证量值的传递性和溯源性，需采用检定装置对其进行周期性检定/校准[1]。根据文献[2]，实验室出具的报告测量结果必须具有对应的测量不确定度说明，且给出的测量不确定度应适用于数字多用表的整个测量范围。数字多用表测量项目包括直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻[3]，校准时采用的标准源输出和量程选择不同，其技术参数也不同。因此，在校准工作中采用单一值表示并不能适用于整个测量范围，应依据校准项目在每一量程范围内选择典型的校准点进行评定，分段给出测量不确定度，然而，这样在一定程度上不仅增加了校准工作量，人工评定时测量不确定报告准确率也会有所下降[4]。文献[5]研发的自动评定系统可实现数字多用表示值误差测量结果不确定度的自动评定，但需提前手动录入数字多用表校准数据才能完成测量不确定度的评定。文献[6]提出的数字多用表自动校准系统能够自动调用表格中设置好的校准点,实现数字多用表的自动化校准，但不具备不确定度评定功能。

为解决上述问题，提高数字多用表不确定度评定的工作效率和准确率，研究开发数字式多功能标准装置自动校准系统，该系统在实现数字多用表自动检定的基础上，进一步提升校准自动化程度，实现测量不确定评定功能，使校准工作更加规范，本文主要对系统组成、测量不确定度评定方法以及系统评定结果进行介绍。

1 数字式多功能标准装置自动校准系统

1.1 系统构成

数字式多功能标准装置自动校准系统主要由计算机（系统软件）、被检表或被检装置、标准源或标准表、测试电缆、打印机组成，如图1所示，在系统完成对被检表的自动检定/校准后，可将结果自动输出，实现送检设备的日常检定，不确定度评定时先进行重复性测量，再调用重复性计算结果进行综合评定，最后系统自动出具校准/检定报告、不确定度评定报告并打印。

图1 数字式多功能标准装置自动校准系统构成

1.2 系统硬件调试

采用GPIB接口卡连接计算机、被检设备与标准设备，被检设备与标准设备通过RS-232 总线电缆连接。在系统中设置相应的参数，硬件测试合格后，即可开展检定工作。

1.3 系统软件开发

系统采用模块化设计思路，如图2所示，包括报表模块、方案模块、系统模块、检定模块、通信模块、数据处理模块部分。

图2 系统软件组成模块

1.4 系统原理

标准源模式如图3所示，在检定时，标准源的输出值即为显示值，系统自动控制标准源输出标准示值，系统通过被检表的通讯接口自动切换被检表的各种显示状态，读取被检表的实际测量值作为被检表的示值实现对被检表的检定。

图3 标准源模式

标准源同时又是被检表，是指利用标准表对表源为一体的装置进行检定的一种模式，如图4 所示。

图4 标准源同时又是被检表模式

在检定时，被检装置既是输出源又是被检表，检定系统通过通信接口自动控制被检装置输出电压、电流给标准表，系统自动采集被检装置的测量值作为被检示值，同时系统通过与标准表的通信接口自动切换标准表状态，并且读取标准表测量数据作为标准示值实现对被检装置的检定。

2 测量不确定度评定

2.1 测量不确定度的数学模型

影响数字多用表不确定度分量来源包括：被测数字多用表的重复性测量引入的不确定度；标准源的示值最大允许误差引入的不确定度；标准源的校准引入的不确定度三个部分。

测量不确定度的数学模型如下：

式中：Δ表示示值误差；Vx为被检表的示值；VN为标准器的输出值。

依据测量不确定度的来源，评定方法分为A类标准不确定度的评定和B类标准不确定度的评定两部分：

1）A类标准不确定度的评定。采用多功能标准源对数字多用表进行多次测量，由数字多用表示值误差分散性引入的不确定度分量uA。

2）B类标准不确定度的评定。多功能标准源通过上级标准校准时引入的不确定度分量uB1，标准源示值最大允许误差引入的不确定度uB2。

2.2 测量不确定度评定

2.2.1 不确定度分量uA的评定

数字多用表多次测量引入的不确定度采用A类评定方法进行评定。以5730A型多功能标准源作为测量标准，34410A型数字多用表作为被测对象，环境条件保持在温度22.0 ℃，相对湿度50%，在重复性条件下，对交流电压10 V(50 Hz)测量点各进行10 次独立测量，得到1 组测量数据如表1所示。

表1 10次重复性测量数据

依据表1 试验数据，依据贝塞尔公式求出单次实验标准偏差s(V)：

式中：Vˉ为n次测量结果的算术平均值；Vi为第i次的测量结果。

平均值的实验标准偏差：

测量重复性引入的标准不确定度分量为

2.2.2 不确定度分量uB1的评定

2.2.3 不确定度分量uB2的评定

标准源的校准证书给出的不确定度U=0.000 2 V，kB2=2，因此半宽度aB2=0.000 2 V，故由此引入的标准不确定度分量：

2.2.4 合成不确定度的评定

检定装置检定/校准交流电压表的合成标准不确定度各输入量估计值彼此不相关，各不确定度分量汇总见表2。

表2 各不确定度分量汇总

合成标准不确定度为

2.2.5 扩展不确定度的评定

取 包 含 因 子k=2，U=k×uc= 0.000 66 V。对于不同测试点测量结果的扩展不确定度均可按上述方法分析计算。

校准装置校准该数字多用表交流电压10 V（50 Hz）点示值误差测量结果的扩展不确定度为U=0.000 66 V,k=2，相对扩展不确定度为Urel=

2.3 系统不确定度自动评定

依据系统标准源模式，利用5730A 型多功能标准源和34410A型数字多用表进行重复性测量，得到被检表示值，引入不确定度评定模块，在系统中输入标准源参数，进行不确定度的自动评定，计算结论与人工评定结论相同，其计算过程不易出错，且计算时间要远小于人工评定时间。

2.4 测量不确定度的验证

测量不确定度的验证一般采用传递比较法，被测数字多用表的测量值ylab=9.999 74 V，扩展不确定度Ulab=U= 0.000 66 V，采用另一高等级计量标准同样对该被测对象的交流电压10 V（50 Hz）进行测量，此时被测对象测量值为yref=9.999 78 V，测量时的扩展不确定度为Uref=0.000 69 V。满足公式：

此次的校准测量结果及其不确定度的评定具有可信度。

3 结论

1）研究开发的数字式多功能标准装置自动校准系统具有基本误差的半自动或全自动校验、测量重复性测试、不确定度全自动测试等功能。

2）数字式多功能标准装置自动校准系统可实现数字多用表的自动校准及不确定度自动评定，快速准确地给出整个测量范围内的扩展不确定度，有效提高检定人员的工作效率，避免人工失误误差。