航空计测技术
AVIATION METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY
1999年　第19卷　第6期　Vol.19　No.6　1999



热电偶检定系统电测仪器选择的误区
潘书军　高欣婷
　　摘要　针对目前热电偶检定行业存在的电测仪器的选择问题，对高精度数字电压表的误差进行了概要分析，从而为广大计量检定人员选择符合规程要求的电测仪器提供了参考。
　　关键词　热电偶检定　电测仪器　选择　检定规程　数字电压表
Erroneous Conception of Selecting Electrical Measuring Instrument for
Thermocouple Calibration System
Pan Shujun,Gao Xinting
　　Abstract　Regarding with the problem of selecting electrical measuring instrument in thermocouple calibration fields,we generally analyze the error of high precision digital voltmeter (DVM) and provide the technicians the reference of selecting measuring instruments in accordance with the verification regulations
　　Key words　TC calibration,Electrical measuring instrument,Selection,Verification regulation,DVM
　　随着1991年7月1日起1990年国际温标(ITS-90)在全国范围内的施行，有关国家计量检定规程、计量检定系统的制定、修订工作也同时全面展开。到目前为止，新的《标准热电偶检定规程》及《廉金属热电偶检定规程》都已经正式实施。较之旧规程，其主要技术要求有了很大的变更，其中对于电测仪器的准确度要求也有所提高。以廉金属热电偶检定规程为例，其旧规程《工作用镍铬-镍硅、镍铬-考铜热电偶检定规程》(JJG351-84)规定“准确度不低于0.05级，最小步进值为1 μV的低电势电位差计一套，或具有同等准确度的其它电测设备”，而在1997年3月1日实施的《工作用廉金属热电偶检定规程》(JJG351-96)则规定“低电势直流电位差计一套，准确度不低于0.02级，最小步进值不大于1 μV，或具有同等准确度的其它电测设备”。如此一来，不少从事工业热电偶检定的单位，都必须对其电测仪器进行更新。
　　由于近年来数字电压表(DVM)技术的迅猛发展，加之工业自动化的要求，不少单位都以高精度的数字电压表代替了检定系统中的电位差计，它体现了科学技术的进步与发展，是一件值得称道的事；但是，由于在选择“同等准确度”的数字电压表这一点上，不少计量决策人员都走进了一个误区，以致相当数量的在用检定系统的误差分配不符合国家检定规程要求。
　　经笔者的调查，很多单位使用了HP34401A 6位半DVM或Keithly2000 6位半DVM作为其工业检定系统的电测仪器。这两种DVM精度指标相差不多，在其基本量程上都为ppm级，分辨力为0.1 μV(本文中所涉及的数字电压表的精度指标请参照表1。他们普遍认为：如此高精度的DVM足以满足工业检定“0.02级，最小步进值不大于1 μV”的要求。然而，只要作一下误差分析就不难发现，这几种DVM，尽管精度很高，但是仍然不符合规程要求。
表 1
准确度：±(ppm读数＋ppm量程)

型号量程mV分辨力μV年稳定度
HP34401A100.0000.150＋35
HP34420A100.000000.0140＋4
Solartron7071100.000000.0120＋1
Solartron7081100.0000000.00113＋0.8
Keithly2000100.00000.150＋35
Keithly2001200.000000.0137＋6
Keithly2002200.0000000.00119＋9

　　现以HP34401ADVM为例，其基本量程100 mV上准确度指标为：±(0.0050％读数＋0.0035％量程)。规程JJG351-96规定，检定一级工业热电偶须用S型一等标准热电偶作为标准，其最高检定点温度的热电势为：10.575 mV，选择数字电压表的最低量程档，测量该点所带来的绝对误差为
△＝±(0.0050％×10.575＋0.0035％
×100)×103μV＝±4.02875 μV
换算成相对误差则为
γ＝4.02875／10.575×100％
＝0.038％
可见，并不能满足0.02％的精度要求。同理可计算出Keithly2000，其测量铜点电势所能达到的精度等级为：γ＝0.038％(100 mV量程)。
　　7位半的DVM铜点测量精度以Keithly2001为例,γ＝0.012％(最小量程档200 mV)，8位半的DVM铜点测量精度以Keithly2002为例，γ＝0.019％(最小量程档200 mV)，计算结果表明,对铜点电势测量精度8位半的Keithly2002比7位半的Keithly2001的精度还要差，原因在于DVM的误差表示形式为
△＝±α％Ux±β％Um 
(1)
式中，α为误差的相对项系数；β为误差的绝对项系数；Ux为读数值；Um为满度值(或量值)。
　　由上式可知，DVM的误差主要由两部分组成：一部分是与被测量示值Ux大小有关的项，即α项误差，它包括DVM标准源电压的误差、输入放大器误差、衰减器误差、刻度系数误差、非线性误差等，一般称之为读数误差；另一部分是与Ux无关的项，即β项误差，它是由DVM的量子化误差、、零点漂移、噪声干扰等因素引起的，一般称之为固定项误差或满度误差。
　　所以无论测量的信号值为多大，只要不改变测量量程，所引入的固定误差大小是不变的。当测量信号小于所选量程很多时，固定项误差将成为测量误差的主要组成部分，在此测量点上，误差指标远远达不到DVM给定的精度。为了更好地理解这一点，将式(1)作如下变形
γ＝±(α％＋β％Un／Ux)
＝±((α＋β)％＋β％(Um／Ux－1)) 
(2)
　　γ为用DVM读数值Ux之比表示的相对误差。
　　由式(2)可得总的相对误差曲线，如图1所示。


图1　数字电压表的总误差曲线
从图1可以看出，相对误差随Ux的增加而减小。在满量程时，Ux＝Um；此时误差为
γmin＝±(α＋β)％
在非满量程时，Ux＜Um；当用在1／10量程时，误差为γmax＝±(α＋10β)％即β项误差增大了10倍，此时就不难理解本文开始所提的问题了。
　　要充分利用DVM的准确度，就必须用到满量程，或至少用到满量程的1／3。避免只用到满量程的1／10左右的情况，从而避免出现10 β以上的误差。
　　对于广大计量检定人员来说，一定要走出以DVM的分辨力(或所能显示的位数)为依据选 用电测仪器的误区，必须根据所测量信号的大小，系统所允许的最大误差限来选择合适的DVM。目前一般以HP34401A、Keithly2000等型号的6位半DVM(甚至包括一些7位半DVM)为配置，从事工业一级热电偶检定的单位还请尽快对本系统的不确定度进行重新评估，以免对科研和生产工作带来不必要的损失。
作者简介:潘书军　25岁　男　助理工程师
作者单位:北京长城计量测试技术研究所，北京市1066信箱，100095
参考文献
　　1　冯占岭、王建军.数字电压表的检定测试技术.北京:中国计量出版社.1998
　　2　JJG351-84工作用镍铬-镍硅、镍铬-考铜热电偶检定规程、JJG351-96.工作用廉金属热电偶检定规程
1998-10-01收稿
