低熱電勢掃描開關通道電勢測試綜合性實驗開發

富雅瓊, 李正坤, 謝 敏, 許素安, 陳 樂

(1. 中國計量大學 浙江省在線檢測裝備校準技術研究重點實驗室,浙江 杭州 310018；2. 中國計量科學研究院, 北京 100013)

低熱電勢掃描開關是國家、省一級計量測試部門構建電阻、電壓、熱電偶、熱電阻巡檢測試系統的常用設備[1-3]。我國在2003年頒布施行計量校準規范JJF 1098《熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范》,給出一種掃描開關熱電勢指標的測試方法,同時規定熱電偶、熱電阻自動測量系統中掃描開關引入的熱電勢須小于0.4 μV[4]。電學計量通常有更高的準確度要求,國家級電學計量實驗室采用50 nV,甚至20 nV級別的進口低熱電勢掃描開關,如Data proof 160、Guildline 6664B等,其提供的檢測報告經常采用美國NBS 430為依據[5]。

浙江省在線檢測裝備校準技術研究重點實驗室依托科技部重大科學儀器開發專項,成功研制了與進口產品指標相當的低熱電勢掃描開關[6-7],并對其測試方法進行了深入研究。依托此研究成果開展教學轉化,開發設計了低熱電勢掃描開關通道電勢測試綜合性實驗。此類實驗契合了“新工科”建設行動路線的“教師將研究成果及時轉化為教學內容,向學生介紹學科研究新進展、實踐發展新經驗,積極探索綜合性課程、問題導向課程”的實踐[8-9]。在實驗中,學生了解計量測試學科研究新進展、掌握了直讀與較量儀表巡檢系統的原理和實驗方法,對提高本專業學生工程能力和素質具有實際意義。

1 實驗目的與意義

學生綜合運用檢測技術、計量測試技術和虛擬儀器等課程中關于熱電效應、電學測量、誤差與不確定度分析、LabVIEW編程等相關知識,設計和搭建出低熱電勢掃描開關通道電勢測試系統。通過實驗,讓學生掌握計量技術規范文件的實施、納伏計等精密測試設備的操作使用、熱電勢指標計算、誤差分析和自動化測試軟件設計方法。

在進一步拓展中,通過對多種測試方案(JJF 1098、NBS 430及拓展資料提供方案)原理和實驗結果的辯析,使學生了解同一設備在直讀和較量兩類測試系統中的不同評價標準,從而對計量測試技術工程實踐形成更深刻認識。

2 實驗原理

電阻、電壓、熱電偶、熱電阻等巡檢系統一般包括測量儀表、掃描開關和測量對象。常用的測量儀表可以歸類為直讀儀表和較量儀表兩類。通過分析兩類儀表構成的測量系統模型,可以了解掃描開關在這兩類系統中如何引入熱電勢,并制訂相應的測試方案。

2.1 直讀儀表巡檢系統原理

直讀儀表是指可以直接顯示被測參量的儀表。例如測量電壓、電阻所用的高精度數字萬用表。直讀儀表與低熱電勢掃描開關構成巡檢系統時,兩者只通過一組端口連接,測量對象(如電阻器、電池)或傳感器(如熱電偶)則連接在端口1～N上(見圖1)。工作時,按照預定順序、時間間隔自動切換通道,依次將測量儀表分別與1～N個被測對象接通,從而實現自動化巡檢。

圖1 直讀儀表巡檢系統

圖1中PH、PL分別表示四線制中電壓高端與電壓低端；CH和CL分別表示四線制中電流高端和電流低端。

2.2 較量儀表巡檢系統原理

較量儀表是指將測量對象與標準器進行比較或提供比例的儀表。電橋、電位差計等屬于較量儀表。使用較量儀表時,標準器可以經過掃描開關與儀表相連,也可以不經過掃描開關直接連在儀表上。如采用后者,則掃描開關在系統中的作用與直讀儀表時相同的。

當被比較的對象都通過掃描開關接入系統時,儀表的兩組輸入端口分別接在掃描開關的A組端口和B組端口；被比較的對象在掃描開關的1～N端口上，見圖2。

圖2 較量儀表巡檢系統

測試時,可能是所有其他測量對象分別與標準器相比較,也可能是所有被測對象之間互相比較。

2.3 通道熱電勢

2.3.1 直讀儀表巡檢系統的熱電勢

塞貝克效應是導致掃描開關通道熱電勢產生的根本原因[10],其原理與熱電偶相同。低熱電勢掃描開關的通道分為電壓通道和電流通道。其中電壓通道的附加熱電勢會對測量結果產生影響,要針對電壓通道進行熱電勢分析。

在圖1所示的直讀儀表巡檢系統中,當掃描開關的Line A與Chn選通時,其引入的測量線路有兩部分,一部分是從Line A高壓端口到Chn高壓端口的內部線路,另一部分是從Chn低壓端口到A line低壓端口的內部線路。兩部分熱電勢的總和為

ed=ePH-ePL

(1)

式中:ePH為Line A高壓端口到Chn高壓端口線路中的熱電勢；ePL為Line A高壓端口到Chn高壓端口線路中的熱電勢；ed就是掃描開關對直讀巡檢引入的熱電勢。

由于2個熱電勢在測量線路中的方向相反,計算時要將兩項相減。

2.3.2 較量儀表巡檢系統的熱電勢

在圖2所示的較量儀表巡檢系統中,當巡檢系統的選通狀態為Line A—Chn和Line B—Chm時。比較器所指示的測量結果為被測對象與標準器的差值。因此在測量結果中體現的熱電勢為

ec=(ePH(B,m)-ePL(B,m))-(ePH(A,n)-ePL(A,n))

(2)

式中，ec是掃描開關對比較測量巡檢系統造成的誤差項,其不確定度可作為系統測量結果不確定度的分量進行考慮。式(2)可以看作兩次直接測量的組合。

式(1)和式(2)是中國標準JJG 1098和美國NBS 430技術報告分別給出的通道熱電勢測試指標。

3 實驗開發與設計

3.1 JJF 1098實驗方案

直讀儀表巡檢系統工作時,掃描開關引入的是單通道熱電勢。當被測對象為0 V時,測量儀表的讀數即為掃描開關引入的單通道熱電勢。

測試時,用粗銅導線將掃描開關連接被測對象的PH與PL端口分別短接(見圖3),等效于加載0 V的被測對象；納伏計接在Line A或Line B的PH與PL端上作為測量儀表。為了消除測量儀器引入的誤差,可先在納伏計的正負輸入端之間短接粗銅導線,待示數穩定后將納伏計調零,最后將銅導線剪斷進行測量。

圖3 單通道熱電勢測量系統

上述步驟可以實現一個通道熱電勢的測量。切換通道重復上述過程,測量Line A和Line B所有通道熱電勢；取各通道多次測量結果的最大值,即可作為JJG 1098中所規定的指標。

3.2 NBS 430實驗

較量儀表巡檢系統工作時,掃描開關同時有2組通道在測量線路中,因此應綜合2個通道熱電勢的影響。

測量線路如圖4所示,測量前分別用粗銅導線短接，將掃描開關連接被測對象的所有通道Ch1—ChN各自的PH與PL端口短接；納伏計正負輸入端分別接在Line A和Line B的PH端上,同時將Line A和Line B的PL端用粗銅導線短接。

測量時,將Line A和Line B分別與進行比較的2個通道導通,系統穩定后讀取納伏計讀數;然后交換測量端進行反向測量,反向后仍然待系統穩定后讀取納伏計讀數。將反向測量的數據取負號后,與正向測量數據合并計算平均值作為讀出。

上述步驟實現了一組通道組合的熱電勢測量。切換通道重復上述過程,可以測出所有通道組合的熱電勢。

圖4 較量通道熱電勢測量系統

按照上述方法,當低熱電勢掃描開關通道數為2 Line×N通道時,需要測量的組數將有N×(N-1)組,可以想象工作量非常之大。為了提高效率,可以選取恰當的組合形式進行2N組測試,利用最小二乘方法對通道熱電勢進行測算,最小二乘方法同時可以計算測量儀器引入的誤差。針對本實驗所使用的16通道掃描開關,測試共包含2×N組測量,測量中能保證每個通道被測量2次。

3.3 編寫測試程序

實驗室計算機上安裝有LabVIEW編程環境。學生需要正確配置納伏計和低熱電勢掃描開關的GPIB通信參數,并參考2臺儀表的SCPI指令集編寫自動測試程序。

首先根據測試實驗步驟編寫自動控制程序,實現掃描開關通道的自動切換、延時和原始數據的采集與保存。2臺儀器的指令集都符合SCPI標準,學生編寫程序會用到的主要指令集見表1。

表1 低熱電勢掃描主要指令

然后編寫程序完成數據的處理。

3.3.1 JJF 1098實驗方案數據處理

JJG 1098要求取各通道3次測量結果的最大值作為該通道的熱電勢值。在本實驗的自動測試系統中很容易增加數據量,因此將各通道的測量次數增加到10次以上(如40次)以便于符合貝塞爾公式計算不確定度的應用條件。

3.3.2 NBS 430實驗方案數據處理

(3)

(4)

計算每一組測試讀數y的估計值:

(5)

計算32組測量結果的偏差值：

(6)

最后計算標準偏差

(7)

值得注意的是,由于2×16次組合測量中受約束的項數為16,其中計算標準偏差時所用的自由度為16。

4 實驗結果與討論

4.1 JJF 1098實驗結果

表2左側為A line與16通道導通時的讀數,右側為B line與16通道導通時的讀數。

表2 單通道熱電勢檢測結果

按照JJF 1098的規定,被測低熱電勢掃描開關的單通道熱電勢的最大絕對值為34 nV,滿足小于0.4 μV的要求。

當被測低熱電勢掃描開關被用于高精度數字萬用表(DMM)、熱電偶、熱電阻溫度測量儀等系統時,表2可作為評價其熱電勢性能指標的參考依據。

4.2 NBS 430實驗結果

按照NBS430方法進行測試。34420A納伏計不需要預先調零。表3為2×16組測試結果,測試中保證每一通道號在Line A和Line B組合中各出現2次。

表3 較量通道熱電勢檢測結果

根據式(5)和(7)計算2×16組測量結果的偏差值,最后根據式(7)計算測量的標準偏差為15 nV。

4.3 討論與拓展

4.3.1 測試方案的適用性討論

中美兩國的測試規范針對低熱電勢掃描開關同一設備給出了不同的測試方案。正確理解測試原理和應用領域是辨析兩種方案的關鍵。

JJG 1098主要針對熱電偶、熱電阻巡檢系統中的低熱電勢掃描開關進行測試,根據測試原理分析,其主要針對直讀式巡檢測量系統；而NBS 430的應用背景為計量實驗室標準電池組的比對,屬于較量式測量系統。可見當低熱電勢掃描開關應用在不同系統中,應采用與之相適應的測試方法和指標參數。

國內外低熱電勢掃描開關產品一般只提供上述兩種方案之一的校準證書。作為計量測試工程師,對包含低熱電勢掃描開關的系統測量結果進行不確定度評定時,不能簡單地依據證書進行B類評定,應考慮其所在的測量系統類型。特別是國內一些計量實驗室在鉑電阻溫度計的校準中采用了直流電流比較儀(DCC)電橋系統,屬于較量式測量系統,這種情況下采用NBS 430方案更為合理。

4.3.2 實驗操作注意事項

本實驗屬于有“計量”特色的實驗,其測量準確度要求較一般實驗更高。實驗過程要求學生充分體會實驗環境、操作規范和一些特殊處理方法對于保證測量準確度的重要性。

實驗過程中,通過空調保證室內溫度為20 ℃±1 ℃,嚴禁開關門窗和人員隨意走動；實驗接線過程中學生需佩戴手套操作,防止皮膚影響各端子的接觸點溫度；在數據采集程序中,應包含有數據穩定性判定程序,以避免通道切換時的暫態影響。

兩項實驗中分別采用了零點校正和極性交換法以減小納伏計引入的系統誤差。這兩種方法都是精密測量中常用于處理系統誤差的手段。

4.3.3 拓展學習

經過課前準備和課堂實驗之后,課后除了要求學生整理實驗數據、總結實驗規律以外,提供一篇專業文獻[11]供學生自主研究學習。文獻介紹了美國國家標準與技術研究院約瑟夫森量子電壓基準系統中低熱電勢掃描開關的測試方案,對系統誤差的處理有另一套完善的處理方式。學生通過拓展學習,進一步加深對實驗機理的理解和培養學生的創新能力[12]。

5 結語

本文依托自制低熱電勢掃描開關樣機科研成果,開發了低熱電勢掃描開關通道電勢測試綜合性實驗。實驗中學生需要查閱計量標準規范、設計測試軟件和測試步驟，并完成數據處理與分析,具有較強的綜合性和研究性,切合“新工科”建設路線。

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