直流电压校准 （_-_浅谈福禄克55XX系列校准器的五项校准方法）

三、 55XX系列校准品的校准。55XX系列校准品包括新型号5080A、5502A和5522A，以及旧型号5502A和5522A。它们的主要职能如下：

DC电压(0 ~ 1020)伏

交流电压1.0毫伏至1020伏(1赫兹至1兆赫)

直流电(0 ~ 20.5) a

交流电流29毫安~20.5安(1赫兹~ 1兆赫)

电阻0瓦~1100毫瓦

以往很多实验室对这些多产品校准器的校准都是使用8508A 8位半高精度数字万用表直接测量。单个8508A真的能完成55XX系列校准器的校准吗？我们必须对不同的模型进行详细的分析。在5500A、5502A、5520A和5522A的维修手册中，详细描述了这些仪器的校准要求和方法。特别提出了各功能的校准调整点。只有保证这些校准调整点的准确性，才能保证仪器各项功能的全量程性能。检查仪器性能时，应尽可能包括这些校准调整点。如果发现校准器的精度下降，必须通过调整这些点来恢复仪器的精度。这里我们以准确度指标较低的5502A为例，根据5502A的规范中建议的校准调整点，计算各校准点的测量不确定度，分析什么样的标准设备可以用来校准5502A。我们会发现功能很多，尤其是电流测量功能，8508A无法满足校准多产品校准器的精度要求。

1.DC电压校准

根据5502A的维护说明，5502A的DC电压除了零点外，还有八个校准调整点。在每个校准调整点，我们计算了5502A的总不确定度和8508A的DC电压测量功能的总不确定度。计算结果列于表1中。从表1可以看出，8508A DC电压的性能非常优秀。在所有5502A DC电压校准调整点，5502A DC电压的总不确定度与8508A的总不确定度之比TUR大于7，可以满足校准的基本要求。因此，8508A的DC电压测量功能可用于直接校准5502A的DC电压输出功能。

在校准之前，您应该做好校准准备。首先，所有仪器开机后都要预热足够的时间。然后，应校准8508A和5502A，以消除零偏移对测量结果的影响。然后，可以对每个测试点进行校准。当5502A输出小于3V的小电压时，应使用低热势测试导线，以消除导线中热电势引起的测量误差，保证测量精度。

虽然5520A和5522A的DC电压输出的不确定度比8508A好很多，但在国内常用的校准0.1V、1V、10V、100V和1000V测试点，5520A和5522A的校准不确定度比TUR仍然大于3。而厂家规定的3V，-3V，30V的TUR只有2.2，2.7，2.7。这些测试点与8508A的DC电压范围不匹配。它们是用8508A的20V或200V量程测量的，测量值只有量程的15%，大大增加了8508A的测量不确定度。如果这些点需要调整，就需要用分压器把测量值转换成满量程的测量，可以解决这个问题。保护带技术还可以用来更严格地控制校准器的偏移，以满足校准的要求。

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。在低电流模式下，测量不确定性

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。从表3可以看出，8508A交流电压的性能在大部分点都不能满足校准5502A交流电压的测量不确定度要求。比如输出为30V、100Hz的5502A交流电压的年指标为0.032%，而8508A的年指标为0.013%，TUR比仅为2.3，无法满足不确定度比大于3倍的要求。

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，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的不确定度比TUR至少大于5.3。

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来说，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