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基于數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)的不確定度評定

2022-03-02 07:20馬莉常婧吳楊韓利陳志偉
寧夏電力 2022年6期
關(guān)鍵詞:示值自動數(shù)字

馬莉,常婧,吳楊,韓利,陳志偉

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.長沙天恒測控技術(shù)有限公司,湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來,數(shù)字多用表在電力、計量等科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,為保證量值的傳遞性和溯源性,需采用檢定裝置對其進行周期性檢定/校準[1]。根據(jù)文獻[2],實驗室出具的報告測量結(jié)果必須具有對應(yīng)的測量不確定度說明,且給出的測量不確定度應(yīng)適用于數(shù)字多用表的整個測量范圍。數(shù)字多用表測量項目包括直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻[3],校準時采用的標準源輸出和量程選擇不同,其技術(shù)參數(shù)也不同。因此,在校準工作中采用單一值表示并不能適用于整個測量范圍,應(yīng)依據(jù)校準項目在每一量程范圍內(nèi)選擇典型的校準點進行評定,分段給出測量不確定度,然而,這樣在一定程度上不僅增加了校準工作量,人工評定時測量不確定報告準確率也會有所下降[4]。文獻[5]研發(fā)的自動評定系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)字多用表示值誤差測量結(jié)果不確定度的自動評定,但需提前手動錄入數(shù)字多用表校準數(shù)據(jù)才能完成測量不確定度的評定。文獻[6]提出的數(shù)字多用表自動校準系統(tǒng)能夠自動調(diào)用表格中設(shè)置好的校準點,實現(xiàn)數(shù)字多用表的自動化校準,但不具備不確定度評定功能。

為解決上述問題,提高數(shù)字多用表不確定度評定的工作效率和準確率,研究開發(fā)數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng),該系統(tǒng)在實現(xiàn)數(shù)字多用表自動檢定的基礎(chǔ)上,進一步提升校準自動化程度,實現(xiàn)測量不確定評定功能,使校準工作更加規(guī)范,本文主要對系統(tǒng)組成、測量不確定度評定方法以及系統(tǒng)評定結(jié)果進行介紹。

1 數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)主要由計算機(系統(tǒng)軟件)、被檢表或被檢裝置、標準源或標準表、測試電纜、打印機組成,如圖1所示,在系統(tǒng)完成對被檢表的自動檢定/校準后,可將結(jié)果自動輸出,實現(xiàn)送檢設(shè)備的日常檢定,不確定度評定時先進行重復(fù)性測量,再調(diào)用重復(fù)性計算結(jié)果進行綜合評定,最后系統(tǒng)自動出具校準/檢定報告、不確定度評定報告并打印。

圖1 數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試

采用GPIB接口卡連接計算機、被檢設(shè)備與標準設(shè)備,被檢設(shè)備與標準設(shè)備通過RS-232 總線電纜連接。在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),硬件測試合格后,即可開展檢定工作。

1.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路,如圖2所示,包括報表模塊、方案模塊、系統(tǒng)模塊、檢定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊部分。

圖2 系統(tǒng)軟件組成模塊

1.4 系統(tǒng)原理

標準源模式如圖3所示,在檢定時,標準源的輸出值即為顯示值,系統(tǒng)自動控制標準源輸出標準示值,系統(tǒng)通過被檢表的通訊接口自動切換被檢表的各種顯示狀態(tài),讀取被檢表的實際測量值作為被檢表的示值實現(xiàn)對被檢表的檢定。

圖3 標準源模式

標準源同時又是被檢表,是指利用標準表對表源為一體的裝置進行檢定的一種模式,如圖4 所示。

圖4 標準源同時又是被檢表模式

在檢定時,被檢裝置既是輸出源又是被檢表,檢定系統(tǒng)通過通信接口自動控制被檢裝置輸出電壓、電流給標準表,系統(tǒng)自動采集被檢裝置的測量值作為被檢示值,同時系統(tǒng)通過與標準表的通信接口自動切換標準表狀態(tài),并且讀取標準表測量數(shù)據(jù)作為標準示值實現(xiàn)對被檢裝置的檢定。

2 測量不確定度評定

2.1 測量不確定度的數(shù)學(xué)模型

影響數(shù)字多用表不確定度分量來源包括:被測數(shù)字多用表的重復(fù)性測量引入的不確定度;標準源的示值最大允許誤差引入的不確定度;標準源的校準引入的不確定度三個部分。

測量不確定度的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:Δ表示示值誤差;Vx為被檢表的示值;VN為標準器的輸出值。

依據(jù)測量不確定度的來源,評定方法分為A類標準不確定度的評定和B類標準不確定度的評定兩部分:

1)A類標準不確定度的評定。采用多功能標準源對數(shù)字多用表進行多次測量,由數(shù)字多用表示值誤差分散性引入的不確定度分量uA。

2)B類標準不確定度的評定。多功能標準源通過上級標準校準時引入的不確定度分量uB1,標準源示值最大允許誤差引入的不確定度uB2。

2.2 測量不確定度評定

2.2.1 不確定度分量uA的評定

數(shù)字多用表多次測量引入的不確定度采用A類評定方法進行評定。以5730A型多功能標準源作為測量標準,34410A型數(shù)字多用表作為被測對象,環(huán)境條件保持在溫度22.0 ℃,相對濕度50%,在重復(fù)性條件下,對交流電壓10 V(50 Hz)測量點各進行10 次獨立測量,得到1 組測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10次重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

依據(jù)表1 試驗數(shù)據(jù),依據(jù)貝塞爾公式求出單次實驗標準偏差s(V):

式中:Vˉ為n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值;Vi為第i次的測量結(jié)果。

平均值的實驗標準偏差:

測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量為

2.2.2 不確定度分量uB1的評定

2.2.3 不確定度分量uB2的評定

標準源的校準證書給出的不確定度U=0.000 2 V,kB2=2,因此半寬度aB2=0.000 2 V,故由此引入的標準不確定度分量:

2.2.4 合成不確定度的評定

檢定裝置檢定/校準交流電壓表的合成標準不確定度各輸入量估計值彼此不相關(guān),各不確定度分量匯總見表2。

表2 各不確定度分量匯總

合成標準不確定度為

2.2.5 擴展不確定度的評定

取 包 含 因 子k=2,U=k×uc= 0.000 66 V。對于不同測試點測量結(jié)果的擴展不確定度均可按上述方法分析計算。

校準裝置校準該數(shù)字多用表交流電壓10 V(50 Hz)點示值誤差測量結(jié)果的擴展不確定度為U=0.000 66 V,k=2,相對擴展不確定度為Urel=

2.3 系統(tǒng)不確定度自動評定

依據(jù)系統(tǒng)標準源模式,利用5730A 型多功能標準源和34410A型數(shù)字多用表進行重復(fù)性測量,得到被檢表示值,引入不確定度評定模塊,在系統(tǒng)中輸入標準源參數(shù),進行不確定度的自動評定,計算結(jié)論與人工評定結(jié)論相同,其計算過程不易出錯,且計算時間要遠小于人工評定時間。

2.4 測量不確定度的驗證

測量不確定度的驗證一般采用傳遞比較法,被測數(shù)字多用表的測量值ylab=9.999 74 V,擴展不確定度Ulab=U= 0.000 66 V,采用另一高等級計量標準同樣對該被測對象的交流電壓10 V(50 Hz)進行測量,此時被測對象測量值為yref=9.999 78 V,測量時的擴展不確定度為Uref=0.000 69 V。滿足公式:

此次的校準測量結(jié)果及其不確定度的評定具有可信度。

3 結(jié)論

1)研究開發(fā)的數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)具有基本誤差的半自動或全自動校驗、測量重復(fù)性測試、不確定度全自動測試等功能。

2)數(shù)字式多功能標準裝置自動校準系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)字多用表的自動校準及不確定度自動評定,快速準確地給出整個測量范圍內(nèi)的擴展不確定度,有效提高檢定人員的工作效率,避免人工失誤誤差。

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