计量检测

八位半万用表不寻常特性极其应用

发布时间:2011-05-02 点击次数:

一、八位半万用表不寻常特性
八位半万用表是业界最高分辨的常用电磁计量仪器,基本档最高年稳定度在3ppm左右(Fluke 8508, 10V/20V档),差一些的有10ppm的(Keithley 2002, 10V/20V档),而且必须每年检定。这样的指标在很多场合下是不够的,不仅因为心理上的1ppm的不确定度上限,更主要是类似的仪器都具备类似的稳定度,互相不能测量。因此看来直接用八位半万用表来进行计量工作是无能为力了,也就是说,自己不能校准自己。然而,八位半万用表具备一些不寻常的指标超高的特性,而且不需要校准,可以在整个生命周期内由设计或由生产厂家保证,这些特性包括:
1、分辨力很高,与准确度比余量很大。
以最末位字数为单位,3位半到4位半万用表稳定度一般为几个字到十几个字,例如某万用表测量19.99V时,准确读为0.5%为0.1V,为10个字。对于6位半的,一般为几十个字,例如34401A,10V档年稳定度35ppm,分辨为1ppm,因此为35个字。而8位半的就非常高,比如3458A,10V档年稳定度8ppm,但分辨0.01ppm,因此为800个字。
2、线性度非常好  
线性度是高位万用表追求的指标之一,一般其指标远远高于其年稳定度,比如3458A达到0.1ppm,是年稳定度的80倍。线性度好,类似一把尺子,不仅平直,而且刻度均匀(尽管每一个刻度绝对准确度不很高)。
3、噪音小
例如3458A,10V量程,当NPLC=100时(常用),RMS噪音达到了惊人的0.01ppm。
4、转移特性非常好,短期稳定性比较高。   
转移特性即短期测量对比特性,能够在多大不确定程度上对比测量两个相似的量。这一方面要求噪音小、短期稳定性高,另一方面,也要求有足够高的线性度。例如3458A的10V转移特性为0.1ppm。
几种典型万用表不寻常特性对比表
Fluke 189, HP/Aigilent 34401A,HP/Aigilent 3458A,Fluke 8508A
基本档(年)准确度(ppm),250,30,8,2.7。
最高分辨力(ppm),20,1,0.01,0.005。
分辨力超出倍数(ppm),12.5,30,800,540。
线性度(ppm),n/a,3,0.1,0.1(10V时0.2)。
噪音(ppm),n/a,1,0.01,n/a。
转移特性(ppm),n/a,7.5,0.1,0.22(10V时0.32)。
二、八位半万用表不寻常特性的验证
1、零点的稳定性 0V:PRq;v0  
零点用短路环测量,实测变动特性不大于0.2μV,对于10V就是0.02ppm。 % g*AGu`  
零点测量时往往有一个固定偏差,一般在0.2μV到0.5μV之间,可以自用校准消除,采用低热电动势测试线也可以减少测量的不确定度。这个零点即便不进行消除,也可以在随后的计算中减去,不影响线性度。
2、线性度
采用高稳定度固态电压基准Fluke 732B和线性度指标达到0.1ppm的KVD分压器Fluke 720A,做了多点对比,结果在0.1ppm范围内相符。 eyGY8fF8$  
对比时注意,720A的输出电阻最大为66k,同时与其0.03ppm最大负载误差上限,要求负载不小于1E12Ω,万用表的输入电阻达不到这个要求,因此需要增加一级高输入阻抗、低失调的缓冲跟随器。
3、稳定性(可重复性) 我们知道,万用表读数的不稳定性不仅取决于信号源的不稳定性(A),而且取决于万用表自身的不稳定性(B),合成不稳定性的计算方法,是A和B取平方和,再开方,与合成不确定度的计算方法一样。因此,只要读数稳定,就证明信号源和万用表自身都稳定性。更具体的说,万用表自身的不稳定性不大于其(对任何信号源测量时)读数的不稳定性。 
不稳定性一般用阿伦方差来表示,以一定间隔测量出一组数据,就可以计算出阿伦方差。 
使用经过彻底预热的3458A,对高稳定度10V基准源(Fluke 732B)和高稳定度标准电阻(IET SRX-10k)进行采样测量,闸门周期2秒,采样周期4秒,结果是均为0.1ppm之内。  
稳定性(可重复性)的一个直观理解:
比如阿伦方差为1ppm,就是正态分布σ=1ppm,意味着读数有68%的概率落在中心±1ppm的范围内,或者有95%的概率落在中心±2ppm的范围内,或者有98.8%的概率落在中心±3ppm的范围内。  
三、八位半万用表不寻常特性的应用
1、转移和传递
转移和传递就是对比传递两个很相近的量。计量中常用到10V电压基准和10kΩ电阻基准的对比,就可以利用八位半万用表不寻常特性来解决。电压的对比。若被对比的电压是独立的,那么就可以采用直接比对的方法,即负极接到一起,正极用小范围量程的万用表来测量,这样分辨很高,对比准确度也高。但是,有的时候被对比的电压是不共地的,比如一个多段分压器,就需要在线分段测量。
电阻的对比。可采用四线法直接测量。与DCC和电桥对比法相比,此方法具有速度快和使用方便的特点。  
2、同量程量的精确对比
比如一个10V和一个7V,需要准确知道其比例,就不能或不方便用别的方法来对比,而利用万用表10V档的超级线性度,就可以很方便的完成,对比的不确定度可以达到0.2ppm(两次转移不确定度)。   
这样对比的一个实际应用,就是可以大大提高Fluke 732A/732B的稳定性。实际上Fluke 732A/B内部是采用7V基准,然后采用两只电阻分压/升压成10V,因此其稳定性取决于两个部分分别稳定性。事实上7V内部基准是非常稳定的,但分压电阻就很难稳定,比如标价3万多的Fluke标准电阻742A-10k,其年稳定性才4ppm,那么732A/B内部采用的电阻不太可能超过独立的电阻基准,或者说电阻器件稳定到4ppm已经接近极限。因此可以确定,732A/B不稳定指标中,大部分是分压/升压电阻的问题。只要我们精确的测定7V/10V比例,就知道了这两个电阻的分压值的变化,就可以进行自修正,从而大大提高732A/B的稳定性指标。
3、温度系数的测量
高稳定、低温飘的基准和仪器,其温度系数非常小,甚至有的远小于1ppm/℃。因此如果进行测量,需要很高的分辨,这样八位半万用表就有了用武之地。
4、老化的测量
老化就是电压、电阻等参数随时间长期的变化,一般常用90天、半年、1年作为时间测量单位。高稳定度的基准和仪器,其稳定度一般很高,有的每年变化不了几个ppm,要在短时间内进行测量,则变化更小,更需要高分辨的测量。另外,要想进行老化测量,必需具备比被测物更稳定的基准做对比。因为八位半万用表本身的稳定性并不好,不能以其直接测量的结果为依据,而是利用其线性度好、转移特性高的特点来测量。如果不具备这样的基准,那么就很难测量,或者需要非常长的时间累计才能得到结果。   
举个例子,一个10kΩ标准电阻,第一次测量值是10,000.123Ω,第2次间隔90天后再次测量为10,000.130Ω,即增大了0.7ppm,这就是90天的稳定性。假设用直线外延,那么1年的稳定性就是0.7*4=2.8ppm/年。由此可以看到,进行老化测量时其测量值变化特别小,因此对读数的不确定度要求就更高。  
再举个具体的例子,我的一个国产标准电阻BZ3C/8-10k,稳定度指标为20ppm/年,出厂检验日期为2001年3月。但是,根据生产技术人员介绍,他们不对稳定度进行测量,原因是没有相应的测量手段。因此,这20ppm是指标值。实际上,电阻出厂时有在20℃的准确测量值10000.19Ω,现在再次测量,阻值(折算成20度)为10000.20Ω。因此,只变化了2ppm,老化仅为0.3ppm/年。由此看来,这样的电阻老化很小。事实上,该电阻生产规格比较高,填充与金属密封效果很好,因此老化才比较好。另外,也正因为老化小,因此很难在短时间内测量出老化结果。要不是利用了出厂准确值以及出厂后经历了多年,该电阻的老化结果也不可能知道。 
四、结束语
以上这些八位半万用表不寻常的特性,主要不寻常在某些参数的高性能,比稳定度指标高出很多。另外,这些指标不需要检定和校准,因为:
A、是厂家保证的,很难出问题;
B、出了问题就属于大问题,即损坏,应修理;
、检定项目不包含;
D、不能通过校准程序来改善。
理解了万用表的这些不寻常的特性指标,就可以更好的发挥其作用。

 

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