福禄克计量校准（浅谈福禄克55XX系列校准器的五项校准方法）

为了校准5500A、5502A、5520A、5522A等多产品校准器的五个主要功能，所使用的标准设备必须满足校准不确定度比的要求，即被校准仪器的不确定度与校准标准的不确定度之比TUR至少应大于4:1或3:1。

本文讨论了这五种校准的测量不确定度要求，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，要完成这五项功能的校准，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的标准仪器。在DC电压和电阻的几个校准调整点，需要应用校准边界保证技术或使用其他测量仪器。

1.介绍多产品校准器在DC低频电校准实验室中发挥着重要作用，其中美国Fluke公司的55XX系列多产品校准器是应用最广泛的校准器。计量学家用它们来检定各种仪器，如数字万用表、功率表、欧姆表、配电盘表、记录仪、钳形表、示波器、热工仪表等。一个这样的校准器可以承担小型校准实验室的大部分校准工作。为了保证量值溯源和校准质量，这些校准器本身需要定期校准。这些校准器功能多，量程宽，驱动能力强，对校准溯源性要求高。如何可靠地校准这些校准品，确保可靠值的溯源性，是一项技术性很强的工作。目前，国内一些校准实验室在校准这些校准品时还存在一些问题。有时，校准不确定度不能满足技术要求。本文对这些问题进行了分析，并提出了一些解决办法。

二。存在的问题校准仪器时，一个最基本的要求就是被校准仪器的不确定度远大于校准标准的不确定度。它们之间的比值称为不确定度比TUR。通常，要求转弯至少为41或31。符合要求的，可以进行校准或检定；达不到要求，只能进行仪器间的比对测量。

ISO 17025明确要求校准结果应报告测量(校准)不确定度。当校准实验室或检测实验室进行所有校准测量时，应具有并使用固定的程序来评估测量不确定度。中国国家实验室认可委员会CNAS-CL07:2011 《测量不确定度的要求》要求有效实施ISO17025，并在校准结果中逐点正确报告校准不确定度。报告不确定度是为了说明实验室的校准能力是否满足要求，保证校准质量。

Luc 55XX系列校准器，包括5500A、5502A、5520A、5522A等多产品校准器，在国内拥有近2000台，服务于各级计量校准实验室和研究所。多产品校准器本身的量值溯源一直是个难题。目前，我国还没有出台这些校准器的检定规程或校准规范。国内校准实验室在校准这些校准器时，校准方法不同，标准仪器不同，校准水平也不同。

例如，以下是校准实验室校准5502A的校准证书的一部分：

名称：高精度电压、电流和电阻测量标准装置

从上面的证书摘录可以看出，这个《高精度电压、电流、电阻测量标准装置》其实是福禄克高精度数字电压表8508A。列出的扩展不确定度是8508A一年的总不确定度，置信度为95%。但是在这个校准证书中，每个测量函数只给出了一个测试点的扩展不确定度，这也是这个测量函数的最优不确定度。用户无法知道这个测量标准在其他测量点的不确定度，更无法知道其他所有测量点是否都满足不确定度比的要求。可以说，这种校准不确定度的报告方法不符合国家规定和用户的要求。正确的报告方法应完全符合相关规定，并逐一报告校准不确定度。

目前，中国计量科学研究院等国家标准计量机构已经开始在校准证书中逐点上报校准不确定度，这项工作已经开展了几年。未来国家对整个计量活动的要求会更严格，对标准的要求会更高更严谨。

2.电阻功能校准

5502A校准器可以输出0-1100m的连续可调电阻。根据5502A的规格，5502A交流电压有16个校准调整点。8508A可用于直接校准5502A的各校准调整点，可满足各校准调整点的测量不确定度要求，校准不确定度比值大于5。可以用8508A电阻功能直接校准，满足测量不确定度的要求。表2列出了5502A电阻的校准调整点。校准110 kW、1.1 MW、11 MW、110 MW四个校准点时，需要将8508A的测量电流设置为LoI小电流模式，以适应5502A电阻的工作电流范围。在小电流模式下，8508A的测量不确定度会略有增加，但校准不确定度比仍大于4，满足测量不确定度的要求。

一般测量100k以下的小电阻时，应采用四线电阻测量法进行校准。这是因为测量两根导线的电阻时，测试引线电阻和接触电阻会带来额外的误差，而测量小导线的电阻时，噪声往往很大。采用四线电阻测量法，将电流激励电路与测量电阻上的压降测量电路分开，被测电压不受电流电路中电阻压降的影响，是被测电阻两端的真实电压，消除了测试引线和接触电阻带来的测量误差。在高阻抗校准期间，应使用屏蔽线来减少干扰和环境因素对测量读数的影响。

校准时要注意使用8508A的常规电阻测量功能，不要使用HiV高压电阻模式。在这种模式下，测量电阻时的激励电流是常规电阻测量模式的10倍，可能会产生高达240V的顺从电压，这可能会损坏55xxA系列校准器的电阻功能。

另外，在校准5502A的电阻功能时，最好根据测试点的数值使用8508A电阻测量功能的手动测量范围，避免设置在自动测量范围内。当测量仪器在寻找合适的量程时，校准器也在寻找合适的工作电流，导致两个仪器无法尽快选择合适的量程和合适的电流范围，从而无法正常测量，长时间得不到正确的测量结果。

校准5520A和5522A的电阻功能时，在36m和110 m两个校准测试点，不确定度分别为1.7和2.7。达不到校准要求。在校准调整过程中，可以使用保护带严格控制校准器的偏移量，以满足校准的要求。

3.交流电压校准

根据5502A的规格，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的交流电压测量功能的总不确定度。计算结果列于表3中。来自表格

造成这种情况的原因也与两台仪器的量程不匹配有关。5502A交流电压校准的调整点多为3的倍数，如30mV、300mV、3V、30V、300v8508A的测量范围是2的倍数，比如200 mV，2V，20V，200V。校准时，8508A只有15%的量程可以作为测试点，这大大增加了8508A的测量不确定度。

如何解决这个问题？答案是，用精度更高的5790A。5790A是高精度交流电压测量标准。它既具有热电转换标准的优良精度，又具有数字万用表使用方便的特点。它是专门用于校准各种交流校准器的标准设备。5790A不仅可用于校准5502A和5522A，还可用于校准精度更高的交流测量仪器，如5700A和5720A。

这里，我们分析5502A多产品校准器与5790A校准时的TUR。我们计算了5502A的总不确定度和5790A交流电压测量功能在5502A的每个交流电压校准调整点的总不确定度。计算结果列于表4中。从表4可以看出，除了300V70kHz的测试点外，不确定度比为5.3。所有其他测试点的不确定度比大于13。

校准交流电压时，测试线可以是普通线，测试线尽量短，尤其是频率较高时，应使用屏蔽线，减少信号衰减，避免拾取干扰信号。

用5790A校准5520A和5522A交流电压函数时，所有校准调整点的不确定度比TUR大于3，可以满足校准要求。

4.电流功能校准

追踪校准器电流的来源始终是一项艰巨的任务。有些人喜欢用高精度数字万用表的电流测量功能来校准常用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满足精度要求吗？答案是否定的，数字万用表大多采用内置分流器测量电流。当被测电流流过分流器时，分流器上会产生一个与分流电阻成正比的电压，通过测量分流器两端的电压就可以测出电流。当电流较高时，分流器将消耗大量功率。如果分流器散热效果差，分流器温度会升高，导致分流器电阻值变化，测量误差大。高精度数字万用表体积有限，用于电流测量功能的内置分流器一般较小。而且数字表内空间有限，散热不够好，电流大时误差大。可以说内置分流的数字万用表的电流测量精度普遍不高。

如果直接用8508A数字万用表的电流量程来校准多产品校准器的电流功能，人们会发现8508A和5502A、5522A的电流量程不匹配，5502A、5522A校准器的电流输出精度比较高。虽然8508A是DMM中最好的，但是测量精度仍然不能满足校准的要求，在很多校准调整点不确定度比小于3。即使校准了5502A的DC电流功能，8508A也无法胜任。表4列出了5502A在每个校准调整点的电流输出不确定度、8508A电流的测量不确定度以及用8508A直接校准5502A的DC电流时它们的不确定度比TUR。可以看出，大部分测点，即30mA以上的所有校准调整点，不确定度比都小于2。

解决目前寻人问题的方案是使用福禄克公司的A40B。A40B是一种新型高性能标准分流器。A40B配合8508A使用可以大大提高电流测量的精度。用8508A A40B作为电流测量标准，对5502A的DC电流和交流电流进行校准，可以取得满意的结果。在5502A DC电流的每个校准调整点，我们计算5502A的不确定度、8508A的不确定度和A40B的不确定度的平方根，并将其作为总不确定度。计算结果列于表5中。从表5可以看出，不确定度比TUR是根据5502A的当前输出不确定度和8508A A40B的每个校准调整点的总不确定度计算出来的

A40B匹配5790A交流电压测量标准，性能更佳。不仅可以校准5502A、5522A的交流电流，还可以校准5700A、5720A等高精度交流测量仪器的交流电流。500A、5502A、5520A、5522A有很多交流电流校准调节点。5502A交流电流主要校准调整点的不确定度、A40B的不确定度的平方根和5790A交流电压测量不确定度列于表6，计算结果列于表6。可以看出，通过校准实现的TUR非常优秀，所有校准调整点的TUR至少大于8.6。

由于5502A和5520A、5522A的交流/DC电流函数的输出范围和性能指标都是相同的，所以对5502A多产品校准器的交流/DC电流函数的校准分析完全适用于5520A、5522A多产品校准器。

四。结论对于任何标准校准任务，满足测量不确定度的要求是最基本的要求。它表征了这种测量的质量和测量结果的可靠性。能否满足各种校准工作中测量不确定度的要求，是检验一个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的要求。为了进行5500A、5502A、5520A、5522A等多产品校准品的标准校准，需要使用多种校准品。本文仅对多产品校验仪的交流/DC电压、交流/DC电流和电阻五个主要功能的校准进行讨论和分析。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DC电压和电阻的几个校准调整点，需要一个DC分压器，或者应用校准边界保证(Guardbanding)技术。如果要校准多产品校准器的频率精度，需要高精度的频率计。要校准多产品校准器的温度功能，您需要一个标准温度计和一个合适的油箱或水箱(油杯或水杯)。无论哪种校准，都必须满足测量不确定度的要求。

4.5500A多产品校准器操作员手册，1995年8月，福禄克公司

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