如何校準(zhǔn)福祿克5500A、5502A、5520A、5522A校準(zhǔn)器

為了校準(zhǔn)5500A、5502A、5520A、5522A，即55xxA多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的交直流電壓、交直流電流和電阻五項主要功能，使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須滿足校準(zhǔn)不確定度比率的要求，即被校儀器的不確定度與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度之比率TUR，按國際上的要求，需要大于4:1，按國內(nèi)JJF1638-2017多功能源校準(zhǔn)規(guī)范的要求，則要至少大于3:1。

本文對這五項校準(zhǔn)的測量不確定度的要求進(jìn)行了討論，分析了使用不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時的校準(zhǔn)不確定度和不確定度比率。分析表明，要完成這五項功能的校準(zhǔn)，需要8508A/01或8588A高精度數(shù)字多用表，A40B精密分流器系列，5790B交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)以及742A標(biāo)準(zhǔn)電阻系列，才能較好的滿足國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在直流低頻電學(xué)校準(zhǔn)實驗室和研究機構(gòu)，多產(chǎn)品校準(zhǔn)器發(fā)揮著重要作用，其中，美國福祿克公司的55XX系列多產(chǎn)品校準(zhǔn)器應(yīng)用廣泛。計量人員可用它們檢定多類儀表，例如數(shù)字多用表、功率表、歐姆表、開關(guān)板表、記錄儀、鉗形表、示波器、溫度二次儀表等。使用一臺這種校準(zhǔn)器就可以承擔(dān)一個小型的電學(xué)校準(zhǔn)實驗室的大部分校準(zhǔn)負(fù)荷。

為了保證量值的溯源性，保證校準(zhǔn)質(zhì)量，這些校準(zhǔn)器自身也需要定期校準(zhǔn)溯源。由于它們功能多、量程寬、指標(biāo)高，校準(zhǔn)溯源的難度也比較大。如何可靠地校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器，保證量值溯源性，是一項技術(shù)性很強的工作。目前國內(nèi)有些校準(zhǔn)實驗室在校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器的工作中，還存在一些問題。有時候，其校準(zhǔn)不確定度并不能滿足技術(shù)要求。本文對這些問題做了分析，并提出了解決方法。

校準(zhǔn)儀器時，有一個最基本的要求，就是要求被校儀器的不確定度遠(yuǎn)大于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度。它們之間的比率稱為不確定度比率TUR。一般要求TUR至少大于4:1或者3:1。達(dá)到要求，可以開展校準(zhǔn)或檢定；達(dá)不到要求，只能進(jìn)行儀器間的比對測量。

ISO17025明確要求校準(zhǔn)結(jié)果要報告測量（校準(zhǔn)）不確定度，校準(zhǔn)實驗室或測試實驗室做所有校準(zhǔn)測量時，應(yīng)該擁有并使用固定的程序來評估測量不確定度。中國國家實驗室認(rèn)可委員會CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》，要求切實執(zhí)行ISO17025，在校準(zhǔn)結(jié)果中逐點正確報告校準(zhǔn)不確定度。報告不確定度就是要說明在各項校準(zhǔn)工作中，實驗室的校準(zhǔn)能力是否達(dá)到要求，保證校準(zhǔn)質(zhì)量。

例如，下圖是某校準(zhǔn)實驗室前些年校準(zhǔn)5502A的校準(zhǔn)證書節(jié)選：

從上面證書摘錄內(nèi)容可以看出，這個《高精度電壓、電流、電阻測量標(biāo)準(zhǔn)裝置》實際上是福祿克高精度數(shù)字電壓表8508A。列出的擴展不確定度是8508A的一年總不確定度，置信度為95%。但是，在這份校準(zhǔn)證書中，每個測量功能只給出了一個測試點的擴展不確定度，也是該測量功能的最優(yōu)不確定度。用戶無法得知這個測量標(biāo)準(zhǔn)在其他測量點的不確定度，更無法知道在其它各個測試點是否都滿足不確定度比率的要求?？梢哉f，這種校準(zhǔn)不確定度的報告方式不滿足國家規(guī)定，也不能滿足用戶的要求。正確的報告方式應(yīng)該是逐功能、逐個測試點報告校準(zhǔn)不確定度，并全面滿足校準(zhǔn)比率的要求。

隨著ISO17025在國內(nèi)的貫徹，最近幾年，各級校準(zhǔn)實驗室和標(biāo)準(zhǔn)計量機構(gòu)已經(jīng)開始在校準(zhǔn)證書中逐點報告校準(zhǔn)不確定度，因此現(xiàn)在用戶已經(jīng)有機會可以去對比上級單位給出的校準(zhǔn)不確定度與被檢設(shè)備的不確定度指標(biāo)，從而判斷上級單位的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是否完全符合校準(zhǔn)要求。但不可否認(rèn)的是，雖然校準(zhǔn)不確定度是逐點報告了，但校準(zhǔn)不確定度的比率卻不見得都能完全滿足。

現(xiàn)在，國家已經(jīng)出臺了JJF1638-2017多功能源校準(zhǔn)規(guī)范，覆蓋福祿克55xxA多產(chǎn)品校準(zhǔn)器交直流電壓電流和電阻五項功能的校準(zhǔn)，每個功能校準(zhǔn)方法上也有不同的選擇。但具體到55xxA每一個型號各項功能的校準(zhǔn)，則要具體分析，基于不同的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行探討和研究，詳細(xì)計算和分析逐點TUR，最終才能確定最適用的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和方法，從而確保整個計量校準(zhǔn)活動的嚴(yán)謹(jǐn)和合規(guī)。

另外，在校準(zhǔn)不確定度的比率計算上，很多人不太留意儀器指標(biāo)的置信度，但實際上，只有確保校準(zhǔn)器和標(biāo)準(zhǔn)表的不確定度指標(biāo)的置信度處于同一水平，計算出的TUR比率才是真實的。

具體到多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的每項功能校準(zhǔn)，也有不同的問題，我們將在下述章節(jié)逐一分析。

55XXA系列校準(zhǔn)器包括新型號5502A，5522A，以及老型號的5502A和5522A。它們的主要功能有如下幾項：

以往，很多實驗室校準(zhǔn)這些多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的方法，就是使用8508A八位半高精度數(shù)字多用表直接測量。但一臺8508A真的就能夠完成55XX系列校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)嗎？我們必須對不同的型號做具體的分析。

①：校準(zhǔn)中存在的問題

直流電壓功能是福祿克多產(chǎn)品校準(zhǔn)器55xxA核心、指標(biāo)最高的功能，其校準(zhǔn)復(fù)雜，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的選擇也較難。我們以5520A/5522A的DC 3.3V量程校準(zhǔn)點為例來說明。

552xA在0~3.3V量程指標(biāo)是±（11ppm輸出+2μV），最常見的1V點的允差為Δ_552x=±(11×10^-6× 1V + 2mV)= ±13mV，，指標(biāo)置信度為99%，而8508A在2V量程TCAL±5℃且相同置信度的指標(biāo)為±（4.5ppm+0.25ppm量程），則Δ₈₅₀₈=±(4.5×10^-6×1V + 0.25×10^-6 ×2)= ±5mV，因此兩者TUR=2.6，并不完全滿足3:1要求。

類似的，我們還可以獲得整個DCV 3.3V量程的測試點TUR，可以看出都未能達(dá)到3：1的要求，這一方面是由于552xA是指標(biāo)中等偏上的校準(zhǔn)器，另外一方面也是由于8508A在2V檔量程滿度僅1.99990000V，導(dǎo)致2V不得不放到20V高一檔量程測量，量程的不匹配導(dǎo)致TUR更低。

我們還可以發(fā)現(xiàn)如果只用8508A，552xA在33V，330V，1000V量程的TUR大部分都不能滿足3：1，只有330mV才能滿足這一要求，很顯然，用8508A獨立校準(zhǔn)552xA的直流電壓是行不通的，我們必須另尋他法。

③：552xA直流電壓功能的校準(zhǔn)

由于使用單臺8508A校準(zhǔn)552xA時存在諸多TUR<3的情況，那么，我們該如何解決5522A的DCV功能校準(zhǔn)呢？

a.  方案一，我們可以用JJF 1638-2017多功能源校準(zhǔn)規(guī)范在直流電壓校準(zhǔn)中給出的電阻分壓箱法來解決。

規(guī)范給出的校準(zhǔn)框圖表明除了要用一個高精度的電阻分壓箱，同時還需要使用固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)、參考直流電壓源，以及數(shù)字多用表。

對于10V以下的校準(zhǔn)點，規(guī)程所示的校準(zhǔn)框圖可以用實際的標(biāo)準(zhǔn)儀器來代替，這里的固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)732C具有高達(dá)2ppm的年穩(wěn)定性和0.3ppm的90天短期穩(wěn)定性，并具有10V/1V/0.1V三個標(biāo)準(zhǔn)輸出；5730A則有0~1100V的寬范圍輸出和高穩(wěn)定性；8508A我們選擇的是帶后面板輸入的8508A/01，它可以巧妙替代規(guī)程框圖中的低熱電勢開關(guān)，自動地在參考源和被檢源之間進(jìn)行不斷的切換測量，給出兩者的差值或比差，并提供更高的比率準(zhǔn)確度。如圖所示，參考直流電壓源5730A通過參考表8508A/01與固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)732C進(jìn)行比對溯源后，其輸出通過分壓器720A進(jìn)行分壓，以使其輸出與被檢源552xA輸出相同，并在過渡表8508A/01上進(jìn)行比對，從而完成對被檢源552xA的校準(zhǔn)。

按照這個方案所計算的TUR如下所示，可見10V以下各個測試點TUR均能大于3：1。

對于10V以上的測試點，規(guī)范用另一張框圖來指示，其中區(qū)別在于分壓器的輸出用于與固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)比較溯源，反向確保分壓器的輸入端，即多功能源的輸出被標(biāo)定溯源，從而直接與被檢源輸出進(jìn)行比較。

按照這個方案所計算的TUR如下所示，由于考慮了多功能源的短期穩(wěn)定性，因此在部分測試電上存在TUR小于3的情況。

b.方案二，福祿克公司使用的方法與JJF 1638-2017多功能源校準(zhǔn)規(guī)范中的分壓器法略有不同，不再通過固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)去對參考直流電壓源進(jìn)行比對溯源，而是用固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)替代參考電壓源直接接到分壓器的輸入端，分壓器的輸出接到8508/01過渡表與10V以下輸出的被檢源直接進(jìn)行比較，10V以上輸出的被檢源則再通過另一個分壓器衰減到10V以下后再與分壓器的輸出進(jìn)行比較。按照這個方案，減少了參考直流電壓源和一臺數(shù)字多用表，在10V以上多使用了一個分壓器，總體計算的TUR均大于3。

盡管8508A是8.5位高精度數(shù)字多用表，其交流電壓功能最優(yōu)不確定度可以達(dá)到65ppm，但針對55xxA，即使是低精度的550xA，使用8508A獨立校準(zhǔn)它們的交流電壓功能，TUR計算的結(jié)果仍然不太理想，在330V以下量程存在諸多小于3：1的測試點。

因此，我們必須使用交流電壓測量性能更好的5790B交流測量標(biāo)準(zhǔn)來對55xxA的ACV功能進(jìn)行校準(zhǔn)。5790包括早期的5790A和現(xiàn)在的5790B，兩者交流測量性能相同，但5790B在5790A的基礎(chǔ)上提高了測量帶寬，優(yōu)化了人機界面，并具有便利穩(wěn)定性測試的統(tǒng)計測試等。它們都是高準(zhǔn)確度的交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)，既有熱電轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)異準(zhǔn)確度，又有數(shù)字多用表易于使用、測量快捷的特點，是專門用于校準(zhǔn)各種交流校準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

采用5790后，如示例在3.3V量程，實際計算的TUR比采用8508A的優(yōu)化很多，已能滿足校準(zhǔn)552xA，自然也能滿足校準(zhǔn)550xA的要求。其他量程也是類似情況。

校準(zhǔn)交流電壓時，測試導(dǎo)線可使用普通的導(dǎo)線，測試導(dǎo)線要盡可能的短，特別是在頻率較高時，要越短越好，并使用屏蔽線，以減少信號衰減，避免撿拾干擾信號。如果使用5790校準(zhǔn)，建議打開5790的EXGRD鍵，并采用雙絞線，尤其是在高頻高壓時，可有效改善測量準(zhǔn)確度。

校準(zhǔn)器電流溯源問題一直是個比較困難的任務(wù)。有些人喜歡用高精度數(shù)字多用表的電流測量功能來校準(zhǔn)類似55xxA這些常用校準(zhǔn)器的電流輸出功能?？墒?，高精度數(shù)字多用表的電流測量功能是否能滿足準(zhǔn)確度要求呢？

答案是否定的。數(shù)字多用表測量電流大都使用內(nèi)置分流器。當(dāng)被測電流流過分流器，在分流器上會產(chǎn)生與分流器阻值成比率的電壓，測量分流器兩端的電壓，就可以測量出電流。當(dāng)電流較大時，分流器上會消耗相當(dāng)大的功率，如果分流器的散熱效果比較差，分流器溫度就會升高，導(dǎo)致分流器電阻值發(fā)生變化，測量誤差就會很大。高精度數(shù)字多用表體積有限，電流測量功能使用的內(nèi)置分流器一般都做的比較小，而且數(shù)字表內(nèi)空間有限，散熱不夠好，大電流時誤差較大?？梢哉f，一般使用內(nèi)置分流器的數(shù)字多用表的電流測量準(zhǔn)確度都不高。

5522A/5520A/5502A輸出電流范圍均達(dá)20A，5500A可達(dá)11A，雖然8508A的電流測量范圍可以達(dá)到20A，可以覆蓋55xxA的范圍，但從指標(biāo)上看，要校準(zhǔn)55xxA，以獨立標(biāo)準(zhǔn)8508A所TUR計算的結(jié)果并不理想。

要想改善這個局面，必須利用JJF 1638-2017多功能源校準(zhǔn)規(guī)范建議的電流電壓轉(zhuǎn)換器法，即使用外部分流器A40B來測量被檢源的直流電流輸出，分流器的直流電壓輸出則由8508A進(jìn)行測量，利用歐姆定律計算出被檢源的直流電流值。在這個方法中，福祿克的A40B系列分流器具有高達(dá)20ppm的年測量準(zhǔn)確度，且電流覆蓋范圍1mA~20A，完全可以滿足校準(zhǔn)55xxA的要求。5790B比5790A更為方便，可以支持錄入A40B的電阻參數(shù)，測量時可以屏幕上直接顯示最終的電流值。

5522A/5520A/5502A電阻范圍均達(dá)1.1GΩ，5500A可達(dá)330MΩ，均為連續(xù)可調(diào)輸出，若采用8508A獨立校準(zhǔn)，可以看出針對5500A的校準(zhǔn)TUR是滿足的，但針對5522A/5520A/5502A校準(zhǔn)則部分測試點TUR略微偏低。

我們也可以采用校準(zhǔn)規(guī)范給出的標(biāo)準(zhǔn)電阻器法，通過一塊過渡表，把被檢源的電阻輸出與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較，改善TUR。實際校準(zhǔn)時，我們可以用8508A/01充當(dāng)過渡表，參考標(biāo)準(zhǔn)電阻742A接到8508A/01后面板，被檢源接前面板，利用8508A/01的前后面板掃描功能，自動切換測量兩者差值或比值，并提供更高的比率不確定度，這種情況下，總的TUR也會更理想。

例如，標(biāo)準(zhǔn)電阻742A-1M年穩(wěn)定度指標(biāo)8ppm，8508A/01需要進(jìn)行兩次測量，以確定被測1MΩ和標(biāo)準(zhǔn)1MΩ的比率：，因此 = 8.28ppm，被檢552xA 1MΩ 年指標(biāo)34ppm，TUR = 34/8.28 = 4.11，比單純用8508A校準(zhǔn)TUR 2.58提高1.59倍。

一般測量100kΩ以下的小電阻時，應(yīng)該盡量使用四線電阻的測量方法進(jìn)行校準(zhǔn)。這是由于兩線電阻測量時，測試引線電阻和接觸電阻會帶來附加誤差，在小電阻測量時，往往影響較大。采用四線電阻測量方式，將電流激勵回路和測量電阻上的電壓降測量回路分開，測量到的電壓就可不受電流回路中電阻電壓降的影響，為真正的被測電阻兩端電壓，消除了測試引線及接觸電阻帶來的測量誤差。在高阻校準(zhǔn)時，應(yīng)使用屏蔽線，降低干擾，減少環(huán)境因素對測量讀數(shù)的影響。 

校準(zhǔn)時，應(yīng)注意使用8508A的常規(guī)電阻測量模式，不要使用HiVΩ高壓電阻模式，在這種模式，測量電阻時的激勵電流是常規(guī)電阻測量模式的10倍，由此可能產(chǎn)生最高達(dá)240V的順從電壓，可能會導(dǎo)致55xxA系列校準(zhǔn)器電阻功能輸出保護，甚至造成損壞。

另外，校準(zhǔn)5502A的電阻功能時，根據(jù)測試點數(shù)值，尤其是在110kΩ以上，最好使用8508A電阻測量功能的手動量程，避免設(shè)置在自動量程時，測量儀表在尋找最適合電阻范圍的量程時，因量程的改變引起激勵電流的變化，有可能超出55xxA合成電阻輸出的電流工作點范圍，導(dǎo)致校準(zhǔn)器保護。

8508A是一款功能、量程、準(zhǔn)確度都很適合各類電學(xué)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)的測量標(biāo)準(zhǔn)，本文TUR計算也是依據(jù)8508A的性能指標(biāo)進(jìn)行的描述，但不可否認(rèn)的是，盡管仍然有不少用戶依然擁有和使用它，但它的替代型號，F(xiàn)luke 8588A,業(yè)已登上了歷史舞臺。8588A的功能更多，性能指標(biāo)也比8508A更勝一籌，尤其是其測量速度比8508A提高了幾十倍，校準(zhǔn)效率得到了很大提高，另外8588A所具有的2.02倍量程滿度，使得前述DC 2V等測試點的TUR也大為改善。8588A特有的圖形界面統(tǒng)計分析功能和便捷的數(shù)據(jù)存取，對于校準(zhǔn)器的性能和穩(wěn)定性測試具有獨特作用，新增的高精度瞬態(tài)數(shù)字化測量功能也給校準(zhǔn)器的性能測試提供了新的手段，如此種種益處，使得8588A未來在各類校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)中將發(fā)揮更大作用。

任何一個規(guī)范的校準(zhǔn)任務(wù)，滿足測量不確定度的要求是最基本的要求。它表征了本次測量的質(zhì)量，也表征了測量結(jié)果的可信度。能否在各項校準(zhǔn)工作中滿足測量不確定度的要求是考察一個校準(zhǔn)實驗室能力的重要指標(biāo)。ISO 17025對報告測量不確定度有明確的要求。為了開展5500A，5502A，5520A，5522A等多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)工作，需要用8508A/01高精度數(shù)字多用表，732C 固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)，A40B精密分流器和5790B交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)等多個標(biāo)準(zhǔn)器，如果還要校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的其他功能，如頻率準(zhǔn)確度，需要一臺高精度頻率計；電容功能，需要高精度LCR電橋或8588A，熱電偶測量功能，需要一支標(biāo)準(zhǔn)溫度計和合適的油槽或水槽（油杯或水杯）?？傊瑹o論是那一項校準(zhǔn)，我們都必須認(rèn)真分析，逐項滿足測量不確定度比率的要求，這樣才能實現(xiàn)一個可靠的量值傳遞和溯源，也才能保證計量的質(zhì)量。

六、參考文獻(xiàn)       

1. 5522A Multi-Product Calibrator Service Manual, May 2012, Fluke Corporation

2. 5502A Multi-Product Calibrator Operators Manual, June 2012, Fluke Corporation

3. 5520A Multi-Product Calibrator Service Manual, April 1999, Fluke Corporation

4. 5500A Multi-Product Calibrator Operators Manual, August 1995, Fluke Corporation

5.《測量不確定度的要求》， CNAS-CL07:2011，中國國家實驗室認(rèn)可委員會