引言
電測儀表以電測方法實現(xiàn)對各種量的測量。電測儀表種類繁多，根據(jù)等級不同，可分為用于現(xiàn)場測量控制的工業(yè)用儀表和用于精密測量的高精度測量儀表。本文根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗，主要針對熱學(xué)計量中作為標(biāo)準(zhǔn)器具的電測儀表(多為數(shù)字多用表)的等級定義、選用原則等方面對目前存在較大爭議的幾個問題進(jìn)行了探討，對合理表述熱學(xué)計量用電測儀表的參數(shù)、等級以及選取標(biāo)準(zhǔn)器具實現(xiàn)量值傳遞具有重要意義。



1、電磁學(xué)計量中電測儀表的基本情況
數(shù)字多用表量值溯源參照J(rèn)JF 1587-2016《數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行。JJF 1587-2016適用于具有直流電壓、直流電流、直流電阻、交流電壓和交流電流測量功能的數(shù)字多用表的校準(zhǔn)，也適用于具有上述單一測量功能或組合測量功能的儀表的校準(zhǔn)。數(shù)字表按顯示位數(shù)分為三位半、四位半、五位半、六位半、七位半、八位半等(凡首位顯示不足9者稱半位)。

JJF 1587-2016中對數(shù)字多用表的相對示值誤差和最大允許誤差定義如下：





式中：γ為相對示值誤差；PX為被校數(shù)字表的示值；PN為對應(yīng)輸入量的參考值(標(biāo)準(zhǔn)值)；ΔMPE為最大允許誤差；YX為被測量的讀數(shù)值(示值)；Ym為被測量的量程值(量程上限值)；a為與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù)；b為與量程值有關(guān)的誤差系數(shù)。

根據(jù)JJF 1587-2016，現(xiàn)在已使用最大允許誤差替代準(zhǔn)確度等級用于表達(dá)數(shù)字多用表技術(shù)性能。但GB/T 13978-2008《數(shù)字多用表》之5.14.3給出：以規(guī)定基本測量不確定度的系數(shù)a和b之和作為等級指標(biāo)。已作廢的JJG 315-1983《直流數(shù)字電壓表》之6.2、6.3給出：準(zhǔn)確度等級以基本量程誤差系數(shù)(a+b)的大小和年穩(wěn)定誤差來劃分。各標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字表等級定義主要依據(jù)如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字多用表定級主要依據(jù)



由表1可以看出，在JJF 1587-2016實施之前，數(shù)字多用表均按照(a+b)的值進(jìn)行定級。

2、熱學(xué)計量中電測儀表的基本情況
本文以直流電阻信號為例，介紹熱學(xué)計量中常見項目電測儀表的基本情況。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計是-196℃～660℃溫度范圍內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)器具，是開展工業(yè)鉑、銅熱電阻溫度計檢定、標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計檢定、溫度變送器校準(zhǔn)、精密測溫的主標(biāo)準(zhǔn)器。用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為主標(biāo)準(zhǔn)器開展量值傳遞時，需配接電測設(shè)備用于測量其電阻值。常見檢定規(guī)程/標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對電測設(shè)備的要求如表2所示。

表2 檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范對電測儀器的要求



由表2可以看出，除JJG 161-2010外，均使用準(zhǔn)確度等級對電測儀表進(jìn)行定義。

常用數(shù)字多用表電阻參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 常用數(shù)字多用表電阻參數(shù)技術(shù)指標(biāo)



由表3可以明顯地看出，由于各廠家生產(chǎn)的數(shù)字多用表技術(shù)指標(biāo)的不同，量程分段、等級指標(biāo)也各不相同，這就會造成雖然(a+b)相同，即名義上的準(zhǔn)確度等級相同，但由于對應(yīng)量程不同，最大允許誤差也就不同。

綜上所述，數(shù)字多用表每個功能都是多量程的，每個量程中不同值的最大允許誤差對該值的百分比也不一樣。目前，沒有一個合理的、統(tǒng)一的表達(dá)方式可以對電測設(shè)備技術(shù)性能進(jìn)行表述，尤其是在JJF 1587-2016實施后，數(shù)字多用表證書中已不再給出等級結(jié)論，繼續(xù)使用數(shù)字多用表的等級來表述電測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)是不合適的。

3、熱學(xué)計量中數(shù)字多用表的選取
熱學(xué)計量中數(shù)字多用表的選取應(yīng)從使用要求、儀表量程、允差判斷、不確定度評定等方面綜合考慮。例如，某計量檢定機(jī)構(gòu)擬建立二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計標(biāo)準(zhǔn)裝置參照J(rèn)JG 229-2010、JJF 1908-2021開展-80℃～300℃溫度范圍內(nèi)的檢定/校準(zhǔn)工作。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計為Pt25型，被檢以最常見的Pt100工業(yè)鉑電阻溫度計為例分析。常用溫度點對應(yīng)的電阻值如表4所示。

表4 溫度-電阻關(guān)系



 各計量檢定機(jī)構(gòu)計量技術(shù)人員在判定數(shù)字多用表是否符合技術(shù)指標(biāo)要求時，通常有以下兩種方法：

①根據(jù)數(shù)字多用表溯源證書，計算證書上各個校準(zhǔn)點的示值誤差，根據(jù)示值誤差計算相對誤差，近似的以相對誤差作為準(zhǔn)確度等級與檢定規(guī)程要求相比較，判斷其是否符合要求。

②根據(jù)數(shù)字多用表溯源證書，計算證書上各個校準(zhǔn)點的示值誤差，根據(jù)數(shù)字多用表的技術(shù)指標(biāo)計算對應(yīng)的最大允許誤差，如果不超過最大允許誤差要求，則判定為合格。

以上兩種判定方法，第1種可能會造成判定標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格，尤其是電測儀表量程與所需的校準(zhǔn)點不合理時。例如，吉時利2002型數(shù)字多用表校準(zhǔn)25.0000Ω時，電測儀表量程為200Ω，計算其最大允許誤差為±1.225mΩ，相對誤差為0.005%，而其a+b值為0.0021%，究其原因是數(shù)表量程偏大，造成(b×量程)值偏大，最終可能造成誤判。第2種判定方法如果對電測設(shè)備指標(biāo)概念把握不清(目前很多計量人員僅以a值作為等級指標(biāo))，在電測儀表選型時就會出現(xiàn)錯誤，造成選配電測儀表不合理，數(shù)據(jù)超差。

選用吉時利2002型數(shù)字多用表作為電測儀表時，其最大允差如表5所示

表5 吉時利2002型數(shù)字多用表示值誤差計算



通過表5可以看出，選取2002型數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)器，(a+b)均不超過0.003%，在最大誤差下計算得到的相對誤差也均小于0.005%。針對JJG229-2010，在數(shù)字多用表后續(xù)溯源結(jié)果符合性判定時，只需確認(rèn)誤差不超過最大允許誤差即可。當(dāng)選用2010型數(shù)字多用表時，其最大允許誤差如表6所示。

表6 吉時利2010型數(shù)字多用表示值誤差計算



JJG 229-2010要求，A級及以上電測儀表不低于0.005級。顯然，選取吉時利2010型數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)器是不合理的。應(yīng)選取準(zhǔn)確度更高的數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)器。

綜上所述，在現(xiàn)有檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范的表述下，計量技術(shù)機(jī)構(gòu)在選取電測儀表時，首先要明確使用的量程范圍，確定等級指標(biāo)(a+b)值，然后根據(jù)量程計算最大允許誤差和對應(yīng)最大誤差下的相對誤差，進(jìn)而綜合考慮儀表選型。

但目前很多計量技術(shù)機(jī)構(gòu)仍將2010型數(shù)字多用表作為電測設(shè)備，主要是其價格合理、分辨力符合要求、穩(wěn)定性較好，雖然其等級指標(biāo)和最大允差超過了檢定規(guī)程的要求，但目前多數(shù)自動檢定系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動修正。其穩(wěn)定性好和數(shù)據(jù)可修正使得2010型數(shù)字多用表仍占有很大市場份額。另外，計量技術(shù)機(jī)構(gòu)在開展項目不確定度評定時，經(jīng)合理修正后，其不確定度結(jié)果也可滿足檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范對標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求(裝置總不確定度一般不大于被檢最大允差要求的1/3～1/5)。

計量技術(shù)機(jī)構(gòu)如果使用了吉時利2010型數(shù)字多用表，建議在進(jìn)行符合性判定時，首先要滿足不確定度評定報告中評定時使用的技術(shù)指標(biāo)。其次，可以計算溯源證書中所用量程對應(yīng)校準(zhǔn)點示值誤差的相對誤差，與檢定規(guī)程的等級指標(biāo)作對比，相對誤差不超過檢定規(guī)程要求等級，也是符合要求的。采用相對誤差判定的方法，實際上是變相縮小了數(shù)字多用表的允差指標(biāo)，所以應(yīng)著重注意數(shù)字多用表的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)數(shù)字多用表的示值誤差接近上、下限時。在開展期間核查時，應(yīng)對吉時利2010型數(shù)字多用表單獨核查其穩(wěn)定性，每年建議不少于4次。

隨著JJF 1587-2016的實施，采用準(zhǔn)確度等級來定義電測儀表不再合理，2023年6月27日實施的JJG 75-2022《標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶》就給出了比較合理的表述方法，其中第6.1.3條熱電動勢測量儀器技術(shù)要求為：低電勢直流電位差計的準(zhǔn)確度等級不低于0.01級，步進(jìn)值為0.1μV。如使用直流數(shù)字電壓表，其應(yīng)具備100mV或更低的量程；其分辨力不低于0.01μV，在檢定點附近示值誤差不超過±1.5μV。

綜上，合理地表達(dá)電測儀表技術(shù)指標(biāo)的方式應(yīng)至少包含：所使用的量程、分辨力、各點對應(yīng)最大允許誤差或相對誤差。各點對應(yīng)最大允許誤差或相對誤差是通過不確定度評定，并結(jié)合數(shù)字多用表量程、技術(shù)指標(biāo)綜合考慮的。

另外需特別注意的是，由于歷史原因，電磁學(xué)中大多數(shù)數(shù)字多用表，包括許多模擬儀表所說的等級是所有功能中、具有最佳測量能力的量程體現(xiàn)的等級，并不是全部量程和所有功能均可達(dá)到此等級。有時也將MPEV對應(yīng)的相對誤差簡要定義為等級，例如表6中0～100Ω可稱為0.01。

作者：張軍明(山東省計量科學(xué)研究院)

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