利用原器校准法替代多功能校准源传统核查的方法研究

2015-06-09张丽梅张立利

计量技术 2015年1期

关键词：量程核查测量

张丽梅张立利

(中国人民解放军91388部队96分队，湛江 524022)

利用原器校准法替代多功能校准源传统核查的方法研究

张丽梅张立利

(中国人民解放军91388部队96分队，湛江 524022)

标准核查是测量过程控制的最常用的方法，传统的核查方法是利用核查标准建立过程控制参数，通过对核查标准经常地、多次测量实现对测量过程的控制[1]。本文提出多功能校准源5700A系列可以将原器校准的方法应用于标准核查，通过对两种方法的研究和比较，分析原器校准法替代传统核查方法的可行性和实用性。

测量过程控制；多功能校准源；标准核查；原器校准；5700A

0 引言

美国FLUKE公司的5700A系列多功能校准源(以下简称5700A系列)是一种实验室中用作标准的高精度、多功能、可程控的标准器，一般是以一年为周期，送往中国航天科工集团二院二○三所进行检定。这种做法存在因仪器运输、人员素质、偶然性和不可预见等因素，造成仪器性能下降的可能性，不过，通过测量过程控制可以将这些可能性降到最低。测量标准的核查是测量过程控制的重要手段，在对5700A系列的测量过程控制中，传统的核查方法对测量过程中需要控制的量的技术要求很高，而且数据繁琐，核查范围有限，容易出现人为误差，并且需要花费大量的人力物力。采用原器校准法不但可以提高用户在两次校准之间对仪器的置信度，还可以降低各种风险和费用，可用于替代传统的核查方法，在原器校准中使用统计学的软件程序还能够增强用户预计仪器性能的能力。

1 传统的核查方法

测量标准的核查是通过监视和分析测量过程中获得的数据，采取必要的纠正措施，使测量过程的不确定度连续保持在规定的技术要求之内的一种手段。5700A系列传统的核查方法类似于对被测件的检定，一般选取基本量程的基本点进行核查。

1.1 选定合适的核查标准

核查标准首先必须具有良好的稳定性，如果核查标准的稳定性不高，则很难判断出测量过程的变化到底是由哪部分引起的；其次，核查标准的精度要求也要和测量标准相适应，低精度的核查标准很难显示出测量过程中的变化。因此，针对5700A系列我们必须选定高端的7位半甚至是8位半的数字表才可以满足条件，如FLUKE的8508A数字多用表。

1.2 建立核查数据库

1.3 对测量标准进行核查

在对测量标准进行核查的过程中，通常对各个参数的典型值进行重复测量，一般对选定的核查标准进行3组重复测量，每组之间时间间隔为三天到一周左右，组内观测次数为6～10次，根据核查数据曲线和平均值控制图、极差控制图做出比较，如果核查数据在预先规定的控制极限以内，表明测量过程处于统计控制状态，否则就是测量过程失控，应采取纠正措施直至受控。

1.4 修订或更新

经过一定的时间后，对最初确定的控制极限进行修订或更新。

1.5 核查实例

如图1所示是用传统的方法对5700A(编号：7645601)的直流电压10V点进行核查的数据，时间为2002年至2008年，包括平均值控制图和极差控制图。

图1 5700A核查数据

2 原器校准法

2.1 原器校准的概念

原器校准(Artifact Calibration)是使被校准的仪器和原器标准(Artifact Standard，实物标准，用于此次称为原器标准)进行比率比较的过程，是将一个标准的赋值传递给一个以上的参量的过程，即在一台仪器内部实现传递的过程[4]。原器校准类似于标准的量值溯源，不同之处在于量值溯源是使用一大套外部设备把标准数值传递到标准器的各个量程和功能上去，而原器校准则是使用仪器内部的比率和测量装置，利用内置软件程序把它的性能和外部的原器标准进行比较，从而获得一致的校准质量。

2.2 原器校准的测量方法

5700A系列是具备原器校准能力的标准器，其内部装有高性能的内置标准、精密的开关电路和微处理器控制的固件校准步骤，用来完成这种校准任务。5700A系列原器校准过程中使用的内部电路包括：检零计、直流电压和电阻参考基准，用作比率计的脉冲调宽数字-模拟变换器(PWMDAC)以及交—直流传递系统。原器校准使用的外部原器标准可以采用FLUKE公司的直流参考标准732B、标准电阻742A—1Ω和742A-10kΩ。具体测量方法如下：

2.2.1 获取校准因子

5700A系列内部具有两个参考放大器，保证其直流电压的准确度和稳定性，是直流电压内部参考基准；5700A系列内部还有1Ω和10kΩ两个电阻器作为内部的电阻参考标准。当5700A系列使用PWMDAC和检零计通过比率技术对内部的参考基准和外部的原器标准进行比较时，其微处理器就计算出相应参考基准的软件校准因子S。

2.2.2 内部校准

使用仪器内置的校准检查标准，按照一定的增益比率和交—直流传递校准技术，来进行内部校准。

图2 原器校准测量方法

交—直流传递校准技术用于交流量程原器校准，两个固态有效值热-电变换器，形成了标准器内部的交流电压参考基准，其中一个热-电变换器只在进行原器校准时使用，以便把外部的直流原器标准和另一个热-电变换器产生的交流电压进行比较。为了保证置信度，标准器内部软件支配两个内部热-电变换器进行相互比较，以保证其特性一致。

通过内部校准，使得标准器进行原器校准的功能扩展到各个交流、直流电压和电流量程以及各个电阻量程。

2.3 原器校准与标准核查

具有原器校准能力的标准器因为有了内部参考基准和内部比较能力以后，该标准器就有了在进行原器校准的时候收集数据的能力，同时能够测量其漂移和性能的变化，并通过统计技术对测量所得的数据进行分析。在各次外部校准之间执行原器校准，运行内部校准检查程序，使得用户可以在两次校准之间监视标准器的性能。由于标准器中的内部参考基准处于良好的控制条件之下，并且对环境的变化不敏感，因此可以在标准器的使用环境中进行原器校准以替换传统的核查方法，增加标准器的置信度，从而达到测量过程控制的目的。

统计分析的技术使得我们能够对在原器校准中收集的数据进行分析。使用计算机和适当的软件，就能够输入这些数据，对其进行处理和显示，并用来评价标准器的性能。如图3所示是使用FLUKE测试软件包收集和分析5700A内部生成的校准数据得到的结果，直流220mV量程，黑色的圆点是收集到的数据点，直斜线A是相对于技术指标的回归线，弯曲线B和C是相对的预计范围线。实际应用中可以根据需要进行编程，对原器校准中采集的数据统计分析，形成核查报告或其他的分析报告。

图3 原器校准数据分析报告

3 原器校准法与传统核查方法的比较

3.1 核查范围大小的比较

传统方法的核查范围是核查标准基本量程的基本值，例如核查5700A直流电压，传统方法一般只是核查直流电压10V量程的10V点，通过测量标准的重复性是否一致来检验是否受控。而原器校准法则是通过内部软件对5700A系列的所有参数的全部量程进行比较，实现全面的核查。

3.2 核查准确度的比较

传统的核查方法比较准确，但是也不排除中间过程出现的意外状况，例如数据库建立、控制极限的确立，计算过程中可能会出现差错，在核查操作过程中可能会出现的人为差错；原器校准法则是利用标准内部软件进行内部校准，自动收集数据，保证总是正确、一致地进行校准工作，所以能够获得更加一致的校准质量。

实际应用中，对直流电压进行核查，采用传统核查方法时以10V作为核查点，5700A在一段时间内对选定的核查标准8508A进行3组重复测量，表1中为核查时间及数据，核查受控；采用原器校准法时，利用原器标准732B对5700A进行外部校准即可实现对电压和电流全部量程的核查，如表2所示是程序读取的直流电压11V量程单次校准数据，数据受控，其中的绝对偏移和相对偏移是与原器标准真值的比较。

表1 传统核查方法数据

表2 原器校准法数据

3.3 标准溯源性的比较

溯源性是指通过不间断的比较链，把个别的测量结果和国家标准或者国家承认的测量系统联系起来的能力。不通过和溯源性的标准进行比较就不能进行校准调节，并且所有的量值传递必须使用可靠的比率技术进行。

传统的核查方法中，标准器和核查标准精度相当，需要同时进行周期性溯源，其溯源性如图4所示。外部检验通常周期为一年。

图4 传统核查方法的溯源性

原器校准法只需要将原器标准进行外部溯源，经过这一步骤后周期性地进行原器校准，5700A系列可以置信使用两年，而无须开展进一步的外部校验。原器校准的标准器溯源性如图5所示，比率传递和参考基准处于标准器内部。

图5 原器校准标准器的溯源性

3.4 相关开销的比较

采用传统的核查方法需购置高精度数字多用

表作为核查标准，如8508A，核查标准每年需溯源，费用较高，运输过程中风险较高，每次核查过程一般需要一周甚至几周时间来测量数据，绘制控制图，全程需要人工操作；采用原器校准法时需购置原器标准732B、742A—1Ω和742A-10kΩ，原器标准两年甚至两年以上溯源一次，费用较低，运输过程少风险较低，每次核查采用自动校准，只需一个小时的时间，且在校准过程中无需人工干预。通过对两种方法相关开销的比较，明显可看出采用原器校准法时在经费和时间等方面的开销要优于传统的核查方法。