手持式數字多用表的校準方法研究

王三強，劉獻成，梁星，米思蓓，程渝琴

(1. 國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123； 2. 哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 引 言

手持式數字多用是一種常用的工具型儀表，廣泛應用在國防、科研、工廠、學校、計量測試等各領域。傳統上手持式數字多用表生產廠家眾多，型號紛繁復雜。我國是生產大國，產量居世界首位，年產量已超過2 000萬塊(只)。手持式數字多用表是我國目前電工儀表出口產品中所占出口份額較大的產品，作為測試領域不可缺少的產品之一，應用范圍廣泛。

但是長期以來，不論是在國內還是在國際上，均尚未制定關于手持式數字多用表相應的檢定規程和校準規范，這就給用戶的使用帶來了障礙。提出手持式數字多用表的校準方法，對這方面進行研究分析。

1 手持式數字多用表的特點分析

手持式數字多用表是一種工具型儀表，它運用模/數轉換原理，將被測量數據從模擬量轉化為數字量，測量結果以數字量形式顯示出來。與傳統的指針式萬用表相比，手持式數字萬用表具有精度高、讀數準確、抗干擾能力強等優點，因而手持式數字多用表得到了廣泛應用。手持式數字多用表(DMM)是可直接測量交直流電壓、交直流電流、直流電阻或其它電參量，其功能可任意組合并以十進制數字顯示被測量值的電測量儀表[1-3]。

2 校準條件和項目

2.1 校準條件和環境條件

校準手持式數字多用表所用的標準表和標準裝置各功能的擴展不確定度一般小于被校手持式數字多用表各測量功能所許可誤差的1/3。標準裝置各功能的調節細度應小于被校手持式數字多用表許可誤差的1/5～1/10。裝置的穩定度小于被校儀表許可誤差的1/5～1/10。校準的實驗室應無腐蝕性氣體及導電塵埃，無強烈振動源，室內照明充足，無陽光直射，有良好接地設施[4-8]。

2.2 校準項目

手持式數字多用表以直流電壓為基本測量功能，可以同時具有直流電流、交流電壓、交流電流、直流電阻等測量功能，需要對這些功能進行校準。

3 校準方法

3.1 校準前檢查

手持式數字多用表應該首先進行外觀和通電檢查。儀表外觀完整，銘牌上應有名稱、型號、準確度等級、制造廠名、出廠號碼和制造日期。儀表上的指示器、按鈕、按鍵、接線(地)端鈕、開關、儀表、調節手柄(旋鈕)等，均應有簡明的符號或文字標明其功能及升降方向，按鈕、按鍵等接觸良好。外觀檢查后，通電功能檢查。按照其量程和測量范圍，從低到高依次輸入適當的信號(交流電流、交流電壓)。檢查各測量功能的手動、自動量程切換和工作是否正常，液晶顯示是否有缺失。

3.2 校準點的選取

校準點應覆蓋所有量程，同時應參考被校手持式數字多用表應用說明書中對校準點的意見，并可依據實際情況或送校單位的意見選取校準點。直流電壓的基本量程正極性選擇5個～10個校準點，直流電壓的基本量程負極性和其他非基本量程選取3個校準點。非基本量程的校準點要考慮誤差最大的點和上、下量程的連續性。

3.3 測量功能的校準

目前，國內還沒有國家標準或者檢定規程規范來對手持式數字多用表的校準方法做出規定。儀表的校準方法很多，但從原理上一般可以歸納為標準源法和標準表法兩大類。我們以直流電壓為例進行說明。

3.3.1 標準源法

接線如圖1所示。

圖1 標準源法接線Fig.1 Wiring of standard source method

設標準源輸出電壓為Un，被校儀表顯示電壓為Ux，則誤差為：

ΔU=Ux-Un

(1)

相對誤差為：

(2)

3.3.2 標準表法

選取一個穩定的輸出源，分別輸出到標準表和被校儀表，通過讀取標準表和被校儀表的示值來判斷誤差。在標準表法中，標準表應比被校儀表至少多一位，并盡量選取與被校儀表的量程一致。輸出源應具有足夠的穩定度，且能連續可調。穩定度應為被校儀表允許誤差的1/5～1/10，調節細度應為被校儀表允許誤差的1/10，接線如圖2所示。

圖2 標準表法校準接線Fig.2 Calibration wiring of standard meter method

具體采用哪一種方法，可根據所具有的標準設備和被校儀表的級別選擇一種最合適、最經濟可靠而又簡便的方法。

3.4 校準過程

我們以10 V直流電壓為例，闡述具體的校準方法。

3.4.1 校準方法

選擇方法：標準源法。

選用標準：標準源選擇精度等級為0.1級的電測儀表檢定裝置。

被校對象：被校表選擇日常使用的手持式數字多用表。

測量環境條件：實驗室溫度21 ℃，濕度60%RH。

測量直流電壓10 V，分別測量10次。

測量過程：采用圖1所示接線，用0.1級的電測儀表檢定裝置直接輸出10 V直流電壓，分別讀出電測儀表檢定裝置的讀數和被校儀表的讀數，二者進行直接比較，并對其進行不確定度的計算[9-12]。

3.4.2 直流電壓10V的測量不確定度評定

(1)數學模型

ΔU=Ux-Un

(3)

式中ΔU為電壓誤差；Ux為被校儀表讀數；Un為標準裝置的讀數。

傳播系數：

C(Ux)=1；C(Un)=-1

(4)

(2)A類不確定度的評定

標準裝置輸出調為10 V，分別讀取標準裝置和被校儀表讀數值，測量重復性記錄如表1所示。

Ux的不確定度來源是電壓的重復測量引起，采用A類不確定度評定。

根據表1可得A類不確定度為:

(5)

自由度為10-1=9。

表1 測量重復性記錄Tab.1 Records of measurement repeatability

(3)B類不確定度的評定

Un的不確定度采用B類不確定度評定。

合成標準不確定度的評定。輸入量Ux、Un相互獨立不相關，合成標準不確定度為：

(6)

合成不確定度的有效自由度根據韋爾奇-薩特思韋特公式計算為：

(7)

(4)擴展不確定度

取置信水準p=95%，k=2，擴展不確定度U95為：

U95=k×uc=2×0.0753%=0.16%

(8)

3.5 其他項目的試驗方法

3.5.1 耐壓試驗

在手持式數字多用表外殼與地之間，加入持續1 min的試驗電壓，外殼應無擊穿現象。

3.5.2 絕緣強度試驗

使用額定電壓為500 V的兆歐表對手持式數字多用表的電氣部件與外殼之間的絕緣電阻進行測量。但對于額定電壓低于100 V的電氣部件，用額定電壓為100 V的兆歐表測量。

3.6 校準結果的處理及復校時間間隔

3.6.1 校準結果的處理

校準應該給出校準證書，證書內要求有本次校準結果的有效性說明并給出測量結果的測量不確定度評定。此外還要說明校準所使用的技術規范。

3.6.2 復校時間間隔

儀表的復校間隔為1年。此外按照儀表的環境條件、頻率以及重要性也可由用戶和校準單位協定儀表的校準周期。

4 結束語

不同于臺式數字多用表的市電供電，手持式數字多用表一般采用電池供電。從便捷等方面考慮，手持式數字多用表可以使用標準源法校準，而不再另外配備輸出源和標準表。最后應該指出，目前校準手持式數字多用表，無論是國家還是行業，都沒有檢定規程和校準規范，因此本文提出的方法提供一個思路，提出的校準手持式數字多用表的方法具有一定的實際意義。