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如何校准Fluke 55XX系列校准器



为了校准交流/直流电压,交流和直流电流以及5500A,5502A,5520A,5522A等多产品校准器的五大功能,所使用的标准设备必须满足校准不确定度要求,即仪器不是校准标准的确定度和不确定度之间的比率TUR至少大于4: 1或3: 1。

本文讨论了这五种校准的测量不确定度要求,并分析了使用不同标准设备时的校准不确定度和不确定度比。分析表明,要完成这五个功能的校准,需要8508A高精度数字万用表,A40B精密分流器,5790A交流电压测量标准或其他类似标准仪器;还需要几个直流电压和电阻校准调整点应用保护带技术或使用其他测量仪器。

一,导言

多产品校准器在直流低频电气校准实验室中发挥着重要作用。其中,Fluke的55XX系列多产品校准器是使用最广泛的校准器。计量人员使用它们来验证各种类型的仪器,例如数字万用表,功率计,欧姆表,配电盘,记录仪,钳形表,示波器,热仪器等。使用此校准器,您可以承担小型校准实验室的大部分校准负载。为了确保幅度的可追溯性并确保校准质量,这些校准器本身也需要定期校准可追溯性。这些校准器具有许多功能,宽范围,高驱动能力和高校准可追溯性要求。如何可靠地校准这些校准器以确保可靠的可追溯性是一项高技术任务。目前,中国的一些校准实验室在校准这些校准器方面仍然存在一些问题。有时,其校准不确定性不符合技术要求。本文分析了这些问题并提出了解决方案。

二是存在的问题

校准仪器时最基本的要求之一是被测仪器的不确定度远大于校准标准的不确定度。它们之间的比率称为不确定比率TUR。通常要求TUR至少大于4: 1或3: 1.如果满足要求,则可以进行校准或验证;如果不满足要求,则只能进行仪器之间的比较。ISO 17025明确要求校准结果报告测量(校准)不确定度,校准实验室或测试实验室应该具有并使用固定程序来评估测量不确定度,以进行所有校准测量。中国国家实验室认可委员会CNAS-CL07: 2011《测量不确定度的要求》要求实施ISO17025并在校准结果中逐点正确报告校准不确定度。报告的不确定性是指示实验室的校准能力是否满足每个校准工作的要求,并保证校准质量。

Fluke 55XX系列校准器,包括5500A,5502A,5520A,5522A和其他多产品校准器,在中国拥有近2,000台,为各级校准和校准实验室及研究机构提供服务。多产品校准器本身的可追溯性一直是一个难题。由于这些校准器的校准程序或校准规格尚未在我国发布,因此中国校准实验室在校准这些校准器时有不同的校准方法,所使用的标准仪器不同,校准水平也有很大差异。

例如,以下是校准实验室校准5502A的校准证书的一部分:

标准名称:高精度电压,电流,电阻测量标准装置

从上面的证书摘录中可以看出,《高精度电压、电流、电阻测量标准装置》实际上是福禄克高精度数字电压表8508A。列出的扩展不确定性是8508A的年度总不确定性,置信水平为95%。但是,在此校准证书中,每个测量功能仅给出一个测试点的扩展不确定性,这也是测量功能的最佳不确定性。用户不知道在其他测量点处该测量的不确定性,并且更难以知道在每个其他测试点处是否满足不确定性比率。可以说这种校准不确定度的报告方法不符合国家规定,也不能满足用户的要求。正确的报告方法应完全符合相关规定,逐一报告校准不确定度。

目前,中国计量院等国家标准计量机构已经开始在校准证书中逐点报告校准不确定度,这项工作已经进行了数年。未来,国家对整个测量活动的要求将更加严格,对标准水平的要求将更高,更严格。三,校准55XX系列校准器

55XX系列校准器包括新型号5080A,5502A,5522A以及5502A和5522A的旧型号。它们的主要功能如下:

·直流电压±(0~1020)V

·交流电压1.0 mV~1020 V(1Hz~1MHz)

·直流电流±(0~20.5)A

·交流电流29 mA~20.5 A,(1Hz~1MHz)

·电阻0 W~1100 MW

过去,许多实验室通过使用8508A八个半精度数字万用表进行直接测量来校准这些多产品校准器。 8508A真的可以校准55XX系列校准器吗?我们必须对不同的模型进行具体分析。有关这些仪器的校准要求和校准方法,请参见5500A,5502A,5520A和5522A的维护手册。特别地,已经提出了用于各个功能的校准调整点。只有确保这些校准调整点的准确性,才能保证仪器各种功能的全方位性能。在检查仪器性能时,应尽可能包括这些校准调整点。如果发现校准器精度降低,则必须调整这些点以恢复仪器的精度。在这里,我们以具有较低精度指数的5502A为例。根据5502A手册推荐的校准调整点,实际计算每个校准点的测量不确定度,以及可以使用哪种标准设备校准5502A。我们会发现8508A有许多功能,特别是电流测量功能,不能满足校准多产品校准器的精度要求。

1.直流电压校准

根据5502A维护手册,5502A直流电压除以零,有八个校准调整点。在每个校准调整点,我们计算了5502A的总不确定度和8508A的直流电压测量功能的总不确定度。计算结果列于表1.从表1可以看出,8508A直流电压的性能非常好。在所有5502A直流电压校准调整点处,5502A直流电压的总不确定度与8508A的总不确定度之比大于7,这可以满足校准要求。基本要求。因此,8502A的直流电压测量功能可用于直接校准5502A的直流电压输出功能。校准前,您应该准备校准。首先,所有仪器应在加电后预热足够的时间。然后,8508A和5502A都需要将仪器归零并清除零偏移对测量结果的影响。然后,可以执行每个测试点的校准。当5502A输出低于3V的小电压时,应使用低热电位测试引线消除由导线中的热电势引起的测量误差,并确保测量精度。

虽然5520A和5522A的直流电压输出的不确定性远远优于5502A,但在国内校准的0.1V,1V,10V,100V时,858A和8508A的校准不确定性比率TUR仍然大于3和1000V测试点。 。但是,在制造商指定的校准调整点:3V,-3V和30V TUR仅为2.2,2.7,2.7。这些测试点与8508A直流电压范围不匹配,并在8508A 20V范围或200V范围内测量。测量值仅为该范围的15%,这使得8508A测量不确定度大大增加。如果需要调整这些点,则需要使用分压器将测量值转换为满量程测量值,即可解决此问题。校准边界保证(Guardbanding)技术也可用于更严格地控??制校准器偏移以满足校准要求。

2.电阻功能校准

5502A校准器可输出0-1100MΩ的连续可调电阻。根据5502A规范,5502A交流电压有16个校准调整点。 8508A可用于直接校准5502A的各种校准调整点,以满足每个校准调整点的测量不确定度要求。校准不确定度比大于5.可以使用8508A电阻功能直接校准,以满足测量不确定度要求。表2列出了5502A的电阻校准调整点。校准110 kW,1.1 MW,11 MW和110 MW的四个校准点时,需要将8508A的测量电流设置为LoI低电流模式,以适用于5502A电阻。当前范围。在低电流模式下,8508A的测量不确定度略有增加,但校准不确定度仍大于4,以满足测量不确定度要求。通常,当测量100kΩ或更小的小电阻时,应尽可能使用四线电阻的测量方法。这是由于在测量双线电阻时测试引线电阻和接触电阻引起的额外误差,这对于小电阻测量通常更大。四线电阻测量方法用于分离测量电阻上的电流激励环路和电压降测量环路,测得的电压不受电流环路中电阻电压降的影响,这是整个电压环路的真实电压。测量电阻,省去测试。由引线和接触电阻引起的测量误差。在高阻抗校准中,应使用屏蔽线来减少干扰并减少环境因素对测量读数的影响。

校准时,请注意8508A的正常电阻测量功能。请勿使用HiVΩ高压电阻模式。在这种模式下,测量电阻时的激励电流是传统电阻测量模式的10倍,这可能产生高达240V的顺应电压。可能会损坏55xxA系列校准器电阻功能。

此外,在校准5502A的电阻功能时,最好根据测试点值使用8508A电阻测量功能的手动范围。当测量不在自动范围内时,校准器正在寻找合适的范围,同时校准器正在寻找合适的工作电流。这使得两个仪器不可能尽快选择合适的范围和适当的电流范围,并且不能正常测量,并且长时间不能获得正确的测量结果。

校准5520A和5522A电阻功能时,36MΩ和110MΩ的两个校准测试点的不确定度为1.7和2.7。不符合校准要求。可以应用保护带以在校准调整期间更精确地控制校准器偏移以满足校准要求。

3.交流电压校准

根据5502A规范,5502A交流电压有13个校准调整点。在每个校准调整点,我们计算了5502A的总不确定度和8508A交流电压测量功能的总不确定度。计算结果列于表3中。从表3中可以看出,8508A交流电压的性能不满足在大多数点校准5502A交流电压的测量不确定度要求。例如,5502A输出30V,100Hz交流电压年度指标为:0.032%,8508A年度指标为0.013%,TUR比率仅为2.3,不能满足不确定性比例大于3倍的要求。造成这种情况的原因还与两种工具之间的不匹配有关。 5502A交流电压校准调节点大多为3的倍数,如:30mV,300mV,-3V,-30V,300V; 8508A的范围是2的倍数,例如:200 mV,2V,20V,200V。校准时,只有15%的8508A范围可用作测试点,这极大地增加了8508A的测量不确定度。

如何解决这个问题呢?答案是使用更准确的5790A。 5790A是一种高精度交流电压测量标准,它将热电转换标准的出色精度与数字万用表的易用性相结合。它是专门用于校准各种AC校准器的标准设备。使用5790A,您不仅可以校准5502A和5522A,还可以校准更高精度的交流测量仪器,如5700A和5720A。

在这里,我们在使用5790A校准5502A多产品校准器时分析TUR。在每个5502A交流电压的校准调整点,我们计算了5502A的总不确定度和5790A交流电压测量功能的总不确定度。计算结果列于表4.从表4可以看出,除300V70 kHz的测试点外,不确定率为5.3。所有其他测试点的不确定性比率大于13。

校准交流电压时,测试引线可以使用普通电线。测试引线应尽可能短,特别是在较高频率时,越短越好,屏蔽线应用于减少信号衰减并避免拾取干扰信号。

使用5790A校准5520A和5522A交流电压功能时,所有校准调整点的不确定性比率TUR均大于3,以满足校准要求。

4.电流功能校准

校准器当前的可追溯性一直是一项艰巨的任务。有些人喜欢使用高精度数字万用表的电流测量功能来校准普通校准器的电流输出功能。但是,高精度数字万用表的电流测量功能能否满足精度要求?答案是否定的。 DMM使用内置分流器测量电流。当测量的电流流过分流器时,在分流器上产生与分流电阻成比例的电压,并测量分流器两端的电压以测量电流。当电流很大时,分流器将消耗相当大的功率。如果分流器的散热效果相对较差,则分流器的温度将增加,导致分流器的电阻变化,并且测量误差将很大。高精度数字万用表体积有限,电流测量功能中使用的内置分流器一般很小,数字仪表内部空间有限,散热不够好,误差大在大电流。可以说通常使用内置分流器的数字万用表的电流测量精度不高。如果直接使用8508A数字万用表的当前范围校准多产品校准器的当前功能,您会发现8508A和5502A,5522A的当前范围不匹配,并且电流输出的精度与5502A和5522A校准器相对较高。虽然8508A是数字万用表中最好的,但测量精度仍不能满足校准要求。在许多校准调整点处,不确定性比率小于3。即使使用5502A的直流电流功能,8508A也不称职。表4列出了每个校准调整点5502A的当前输出不确定度,8508A电流测量不确定度,以及使用8508A直接校准5502A直流电流时的不确定性比率TUR。可以看出,在大多数测量点,即所有校准调整点高于30 mA时,不确定性比率小于2。

当前可追溯性的解决方案是使用Fluke的A40B。 A40B是一种新型高性能标准分配器。使用A40B和8508A,可以大大提高电流测量精度。使用8508A A40B作为电流测量标准,校准5502A的直流电和交流电可以获得满意的结果。在5502A直流电流的每个校准调整点,我们计算5502A的不确定度,8508A的不确定性的平方根和A40B的不确定性,并将其用作总不确定度。计算结果列于表5中。从表5可以看出,根据每个校准调整点5502A的电流输出不确定度和8508A A40B的总不确定度计算的不确定性比率TUR至少大于5.3。

采用5790A交流电压测量标准,A40B可以实现更好的性能。它不仅可以校准5502A,5522A的交流电流,还可以校准5700A和5720A等高精度交流测量仪器的交流电。 5500A,5502A,5520A,5522A具有更多的AC电流校准调整点。表6列出了5502A交流电流主校准调整点的不确定度,A40B的不确定度以及5790A测得的交流电压的不确定度。方形和根,并将其用作总不确定度,计算结果列于表6.可以看出,通过校准实现的TUR非常好,并且所有校准调整点的TUR至少大于8.6 。由于5502A和5520A,5522A交流和直流电流功能输出范围,性能指标完全相同,因此分析5502A多产品校验仪交流和直流电流功能校准完全适用于5520A,5522A多产品校验仪。

第四,结论

任何满足测量不确定度要求的校准任务都是最基本的要求。它表征了这种测量的质量以及测量的可靠性。在各种校准中满足测量不确定性要求的能力是校准实验室能力的重要指标。 ISO 17025对报告测量不确定度有明确要求。为了执行5500A,5502A,5520A,5522A和其他多产品校准器的校准工作,需要多个标准。本文仅讨论了AC/DC电压,交流和直流电流以及多产品校准器电阻的五个主要功能的校准。要完成这五项功能,需要8508A高精度数字万用表,A40B精密分流器和5790A交流电压测量标准;在直流电压和电阻校准调整点中,还需要直流分压器或应用校准边界保证(保护带)。 )技术。如果要校准多产品校准器的频率精度,则需要高精度频率计;要校准多产品校准器的温度功能,您需要一个标准的温度计和一个合适的油底壳或水槽(油杯或杯子)。无论校准如何,都必须满足测量不确定度。

五,参考文献

1. 5522A Multi-Product Calibrator服务手册,2012年5月,Fluke Corporation

2. 5502A多产品校准器操作员手册,2012年6月,Fluke Corporation

3. 5520A多产品校准器服务手册,1999年4月,Fluke Corporation4. 5500A多产品校准器操作员手册,1995年8月,Fluke Corporation

5.《测量不确定度的要求》,CNAS-CL07: 2011,中国国家实验室认可委员会

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福禄克公司(FLUKE)

Fluke成立于1948年,是电子测试工具的全球领导者。多年来,它创建并开发了一个特定的技术市场,为各种行业提供卓越的测量和检测故障产品。 Fluke的用户包括技术人员,工程师,计量学家等,他们使用Fluke的测试工具来安装,故障排除和管理工业电源,电气设备和过程校准以控制质量。在过去的五年中,福禄克的测试工具赢得了众多奖项,包括《测试与测量世界》最佳测试工具奖,《控制工程》工程师选择奖,以及50多个产品奖项。

Fluke Calibration是精密校准仪器和软件的领导者,涵盖电气,温度,压力,流量和射频仪器。 Fluke Calibration的校准产品广泛应用于全球范围内的校准设施,包括需要最高性能和可靠性的国家计量机构,测量技术以及对最新科技成果的有力支持。校准产品受到质量工程师,校准技术人员和计量专家的信赖,使他们对质量,安全性,可靠性和成本充满信心。