李晶晶, 王乾娟, 孫 智, 金海彬, 羅春妹, 黃文鈺

(北京東方計量測試研究所,北京 100086)

1 引 言

直流電壓是電磁計量學(xué)中最基礎(chǔ)的參數(shù),為電磁計量及其它計量領(lǐng)域提供溯源依據(jù)。直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源由于準(zhǔn)確度高、測量范圍寬,通常作為保存和復(fù)現(xiàn)直流電壓量值的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備廣泛應(yīng)用于各級計量機構(gòu)。不確定度為10-6量級的參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的校準(zhǔn)[1～4],需使用技術(shù)指標(biāo)在10-6～10-7量級的固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)電池)及直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,這些設(shè)備均無程控接口。傳統(tǒng)的手動校準(zhǔn)效率低、注意事項多、操作過程繁瑣,校準(zhǔn)人員的技術(shù)水平、工作經(jīng)驗對測量結(jié)果影響極大。在手動校準(zhǔn)過程中操作人員會經(jīng)常性換接線纜,在接觸測試線纜或者儀器接線端子后會造成熱電勢殘留,其耗散時間約為數(shù)min至數(shù)十min；接觸熱電勢絕對值最大一般在數(shù)十μV量級,如不加注意則會引入較大熱電勢誤差。因此,有必要引入自動校準(zhǔn)程序,將上述影響量最小化。美國NIST開發(fā)了一套多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)(MCS),主要校準(zhǔn)對象是高精度數(shù)字電壓源、電壓表,這套系統(tǒng)大部分的校準(zhǔn)過程都可實現(xiàn)自動化,但是還需要操作人員根據(jù)系統(tǒng)功能改變接線以及切換部分開關(guān)。日本MTA公司研制了一套直流電壓校準(zhǔn)器和直流電壓表的自動校準(zhǔn)系統(tǒng),可用于校準(zhǔn)直流電壓源和直流電壓表的1 V,2 V,10 V,20 V和100 V電壓,最佳測量點相對不確定度為0.3×10-6。中國計量科學(xué)研究院(NIM)的多功能源校標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、空氣電阻器以及自研比例分壓箱組成,采用手動校準(zhǔn)。

北京東方計量測試研究所經(jīng)過多年科研項目、產(chǎn)品研發(fā)及量傳任務(wù)的經(jīng)驗積累,開展了低熱電勢開關(guān)技術(shù)的研究,開發(fā)了一套基于已有固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)分壓箱、直流數(shù)字電壓表及自研程控低熱電勢開關(guān)矩陣和自動校準(zhǔn)軟件的參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源自動校準(zhǔn)系統(tǒng),實現(xiàn)了校準(zhǔn)過程自動化,保障了量傳質(zhì)量,提高了量傳效率。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

2.1.1 系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)由固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、直流數(shù)字電壓表、分壓箱、程控低熱電勢開關(guān)矩陣、主控計算機、打印機、GPIB總線等組成。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖Fig.1 The diagram of system hardware composition

2.1.2 系統(tǒng)的工作原理

固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)提供1.018 V和10 V直流電壓基準(zhǔn),直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱提供2:1～100:1共計18個比例,被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的各測試值通過分壓箱進行比例運算與固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)提供的電壓基準(zhǔn)進行比較得出其示值誤差。程控低熱電勢開關(guān)矩陣用于實現(xiàn)直流電壓測量范圍的自動切換,直流數(shù)字電壓表為過渡標(biāo)準(zhǔn),主控計算機為整個系統(tǒng)的控制中心,打印機用來數(shù)據(jù)輸出。

2.2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件和相關(guān)儀器驅(qū)動編制自動校準(zhǔn)程序及軟件調(diào)用框架[5]。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of system software structure

軟件結(jié)構(gòu)示意圖前2層為框架層,完成系統(tǒng)的資源調(diào)用、任務(wù)分配及人機交互,并實現(xiàn)證書報告中所有信息配置、報告類型(檢定、校準(zhǔn))選擇、環(huán)境參數(shù)配置、報告存放路徑選擇等功能。第3層的核心是校準(zhǔn)流程控制,針對不同型號的參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源進行程序開發(fā),通過IEEE488總線對儀器進行讀寫操作,從而控制程控低熱電勢開關(guān)矩陣、直流數(shù)字電壓表和被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源等,代替過去手動操作和用眼觀測、手寫記錄的過程。

系統(tǒng)軟件主要包括信息配置、計量校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理、證書生成、查詢打印、開發(fā)擴展等功能。同時,在校準(zhǔn)過程中對被校準(zhǔn)直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的量程、校準(zhǔn)點、校準(zhǔn)值、不確定度、各點的允許誤差及實際誤差進行實時監(jiān)控,對不合格點可進行單點復(fù)測。測試完成后,將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中,然后調(diào)取原始記錄和校準(zhǔn)證書進行打印,完成自動校準(zhǔn)。

2.3 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要由固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱、低熱電勢開關(guān)矩陣共同決定。具體指標(biāo)見表1所示。

表1 參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源自動校準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of reference level DC standardvoltage source automatic calibration system

3 程控低熱電勢開關(guān)矩陣的研制

由于固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)和直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱都沒有程控接口,因此要想實現(xiàn)直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的自動校準(zhǔn),研制程控低熱電勢開關(guān)矩陣是關(guān)鍵[6，7]。這種多路程控開關(guān)矩陣不僅要求配有程控接口用以組成自動化校準(zhǔn)系統(tǒng),還要求有較高的可靠性、安全性及較低的熱電勢。程控低熱電勢開關(guān)矩陣的工作原理是根據(jù)所需測量的電壓值大小,由觸摸屏選擇(手動操作)或通過通信接口發(fā)出指令,經(jīng)CPU處理后,傳遞到FPGA現(xiàn)場可編程門列陣,由FPGA根據(jù)CPU的指令控制繼電器,執(zhí)行分壓箱分壓比例的選擇或切換。研制程控低熱電勢開關(guān)矩陣的主要技術(shù)難點在于：1)分壓箱的電阻需要承受的功率與U2成正比,當(dāng)輸入為高電壓而誤切換至低電壓通道時,該通道內(nèi)的電阻可能會難以承受高壓而導(dǎo)致?lián)p壞；2)二次輸出的電壓為小信號,特別是小電壓量程的通道,熱電勢和接觸電勢對其測量準(zhǔn)確性影響較大。針對上述技術(shù)難點提出具體解決措施如下：1)在10 V及以下的通道內(nèi)增加保護電路,防止大電壓輸入時,誤切換至低電壓通道而造成精密分壓器損壞；保護電路采用過壓嵌位電路使電壓峰值控制在15 V以下,從而實現(xiàn)低電壓分壓器防誤過載而損壞或數(shù)據(jù)變化,采用觸摸屏控制(手動控制)和顯示各通道的選擇,通過內(nèi)置CPU實現(xiàn)繼電器的選通、關(guān)斷、互鎖以及保護功能；2)針對熱電勢對小信號電壓的影響,通過優(yōu)選低熱電勢的繼電器和連接導(dǎo)線,最大程度地降低熱電勢和接觸電勢,從而減小引入的測量不確定度。

固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)分壓箱、直流數(shù)字電壓表、程控低熱電勢開關(guān)矩陣、被校參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源組成的自動切換系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 自動切換系統(tǒng)原理圖Fig.3 Automatic switching system schematic diagram

固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)接線端子置于系統(tǒng)的后面板上,其余接線端子均置于前面板上,所有接線柱均采用低熱電勢專用端子,并標(biāo)注清晰。控制繼電器均采用內(nèi)部可抵消熱電勢的高品質(zhì)繼電器并能持續(xù)承受1 100 V電壓。電路板采用優(yōu)質(zhì)陶瓷基板,所有內(nèi)部連接均采用高絕緣低熱電勢導(dǎo)線。采用高清觸摸屏顯示和操作,可實現(xiàn)手動切換及狀態(tài)指示,通過程控接口實現(xiàn)自動切換。系統(tǒng)最高輸入電壓為1 100 V；整個回路熱電勢≤50 nV,短期穩(wěn)定性≤20 nV。

4 直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)方法

4.1 傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法

不確定度為10-6量級的參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的校準(zhǔn),采用直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱法[8～10]。以固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱和直流數(shù)字電壓表組成標(biāo)準(zhǔn)裝置,校準(zhǔn)方法如圖4所示。

圖4 參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of reference level DC standard voltage source calibration method

直流數(shù)字電壓表為過渡標(biāo)準(zhǔn),其短期穩(wěn)定性和分辨力應(yīng)優(yōu)于被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源最大允許誤差的1/10,依據(jù)直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱的輸出電壓,選擇直流數(shù)字電壓表為1 V量程或10 V量程,并短路清零；按圖4(a)所示連線,直流數(shù)字電壓表測量固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)的電壓值Uref(1 V或1.018 V、10 V),待穩(wěn)定后讀取直流數(shù)字電壓表顯示值U1；再按圖4(b)所示連線,依據(jù)校準(zhǔn)點設(shè)置被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出電壓為Ut,選取直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱的分壓比例K,使直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱的輸出端電壓為1 V或10 V,待穩(wěn)定后讀取直流數(shù)字電壓表顯示值U2；按式(1)計算被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的標(biāo)準(zhǔn)值Ur：

(1)

式中：Ur，U1，U2，Uref，K分別為被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的標(biāo)準(zhǔn)值、直流數(shù)字電壓表測量固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)示值、直流數(shù)字電壓表測量直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱輸出端電壓示值、固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)值、直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱分壓比例標(biāo)準(zhǔn)值。

校準(zhǔn)直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源1 V以下校準(zhǔn)點,將直流數(shù)字電壓表依據(jù)校準(zhǔn)點選擇1 V或100 mV,短路清零后按圖4(c)接線方式；選取直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱的分壓比例K,使直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱的輸出端電壓為被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)點電壓值,待穩(wěn)定后讀取直流數(shù)字電壓表顯示值U3；再按圖4(d)接線方式,被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出與U3同標(biāo)稱值的校準(zhǔn)點Ut,待穩(wěn)定后讀取直流數(shù)字電壓表顯示值U4；按式(2)計算被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的標(biāo)準(zhǔn)值Ur：

(2)

式中：U′ref，U3，U4分別為固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)值或按式(1)計算得到的被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)值、直流數(shù)字電壓表測量直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱輸出端電壓示值、直流數(shù)字電壓表測量被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源示值。

按式(3)計算被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的誤差：

ΔU=Ut-Ur

(3)

式中：ΔU，Ut分別為被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的示值誤差、被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源的輸出值。

4.2 自動校準(zhǔn)流程

傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法流程復(fù)雜,并且需要大量的數(shù)據(jù)運算和修正,操作費時費力,因此其過程適合于程序控制。參考圖3自動切換系統(tǒng)的工作原理與圖4參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)方法,本系統(tǒng)采用的自動校準(zhǔn)流程如圖5所示。

圖5 自動校準(zhǔn)流程圖Fig.5 Automatic calibration flow chart

5 不確定度評定

以校準(zhǔn)參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源100 V為例,進行測量不確定度分析與評定[12～13]。主要不確定度來源如下：

1) 固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)上級溯源引入的不確定度u1

由固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)上級溯源證書可知,10 V點的相對不確度Urel=3.6×10-7,k=2,則引入的不確定度：

u1=1.8×10-7

2) 固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)年變化引入的不確定度u2

u2=5.8×10-7

3) 直流數(shù)字電壓表10 V點短期穩(wěn)定性引入的不確定度u3

由直流數(shù)字電壓表說明書可知,直流電壓10 V點的24 h穩(wěn)定性優(yōu)于±0.9×10-6,假設(shè)為正態(tài)分布,置信概率95%,k=2,則引入的不確定度：

u3=4.5×10-7

4) 直流數(shù)字電壓表10 V點分辨力引入的不確定度u4

u4=2.9×10-8

5) 直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱上級溯源引入的不確定度u5

由直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱上級溯源證書可知,其相對不確度Urel=3.0×10-7,k=2,則引入的不確定度：

u5=1.5×10-7

6) 直流標(biāo)準(zhǔn)分壓箱分壓比年變化引入的不確定度u6

u6=5.8×10-7

7) 程控低熱電勢開關(guān)矩陣接觸熱電勢引入的不確定度u7

u7=2.9×10-10

8) 低熱電勢導(dǎo)線接觸熱電勢引入的不確定度u8

低熱電勢導(dǎo)線接觸熱電勢引入的不確定度很小,可忽略不計。

9) 重復(fù)性引入的不確定度uA

經(jīng)重復(fù)性測試,被校直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出100 V直流電壓時,重復(fù)性引入的不確定度為：

uA=1.0×10-7

10) 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

11)擴展不確定度U

取包含因子k=2,則擴展不確定度：

U=kuc=2×9.7×10-7=2×10-6

6 結(jié) 論

參考級直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源自動校準(zhǔn)系統(tǒng)經(jīng)過試驗驗證及不確定度評定,達到量傳指標(biāo)要求。1) 減小了校準(zhǔn)人員的技術(shù)水平、工作經(jīng)驗對測量結(jié)果帶來的影響,有效避免人為因素造成的設(shè)備損壞,保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,提升了量傳質(zhì)量。2) 克服了手動校準(zhǔn)時間長和步驟繁瑣的弊端,減輕了校準(zhǔn)人員的工作壓力,經(jīng)實踐證明,校準(zhǔn)時間縮短了50%～60%,大大提高了量傳效率。3)系統(tǒng)設(shè)計遵循“系列化、標(biāo)準(zhǔn)化”的原則,具有可擴充性,對于新型號的直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源,只要編寫或調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序,按照相同的步驟即可實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。