如何校準福祿克5500A、5502A、5520A、5522A校準器

為了校準5500A、5502A、5520A、5522A，即55xxA多產品校準器的交直流電壓、交直流電流和電阻五項主要功能，使用的標準設備必須滿足校準不確定度比率的要求，即被校儀器的不確定度與校準標準的不確定度之比率TUR，按國際上的要求，需要大於4:1，按國內JJF1638-2017多功能源校準規範的要求，則要至少大於3:1。

本文對這五項校準的測量不確定度的要求進行了討論，分析了使用不同標準設備時的校準不確定度和不確定度比率。分析表明，要完成這五項功能的校準，需要8508A/01或8588A高精度數字多用表，A40B精密分流器係列，5790B交流電壓測量標準以及742A標準電阻係列，才能較好的滿足國際國內標準的要求。

在直流低頻電學校準實驗室和研究機構，多產品校準器發揮著重要作用，其中，美國福祿克公司的55XX係列多產品校準器應用廣泛。計量人員可用它們檢定多類儀表，例如數字多用表、功率表、歐姆表、開關板表、記錄儀、鉗形表、示波器、溫度二次儀表等。使用一台這種校準器就可以承擔一個小型的電學校準實驗室的大部分校準負荷。

為了保證量值的溯源性，保證校準質量，這些校準器自身也需要定期校準溯源。由於它們功能多、量程寬、指標高，校準溯源的難度也比較大。如何可靠地校準這些校準器，保證量值溯源性，是一項技術性很強的工作。目前國內有些校準實驗室在校準這些校準器的工作中，還存在一些問題。有時候，其校準不確定度並不能滿足技術要求。本文對這些問題做了分析，並提出了解決方法。

校準儀器時，有一個最基本的要求，就是要求被校儀器的不確定度遠大於校準標準的不確定度。它們之間的比率稱為不確定度比率TUR。一般要求TUR至少大於4:1或者3:1。達到要求，可以開展校準或檢定；達不到要求，隻能進行儀器間的比對測量。

ISO17025明確要求校準結果要報告測量（校準）不確定度，校準實驗室或測試實驗室做所有校準測量時，應該擁有並使用固定的程序來評估測量不確定度。中國國家實驗室認可委員會CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》，要求切實執行ISO17025，在校準結果中逐點正確報告校準不確定度。報告不確定度就是要說明在各項校準工作中，實驗室的校準能力是否達到要求，保證校準質量。

例如，下圖是某校準實驗室前些年校準5502A的校準證書節選：

從上麵證書摘錄內容可以看出，這個《高精度電壓、電流、電阻測量標準裝置》實際上是福祿克高精度數字電壓表8508A。列出的擴展不確定度是8508A的一年總不確定度，置信度為95%。但是，在這份校準證書中，每個測量功能隻給出了一個測試點的擴展不確定度，也是該測量功能的最優不確定度。用戶無法得知這個測量標準在其他測量點的不確定度，更無法知道在其它各個測試點是否都滿足不確定度比率的要求。可以說，這種校準不確定度的報告方式不滿足國家規定，也不能滿足用戶的要求。正確的報告方式應該是逐功能、逐個測試點報告校準不確定度，並全麵滿足校準比率的要求。

隨著ISO17025在國內的貫徹，最近幾年，各級校準實驗室和標準計量機構已經開始在校準證書中逐點報告校準不確定度，因此現在用戶已經有機會可以去對比上級單位給出的校準不確定度與被檢設備的不確定度指標，從而判斷上級單位的校準標準是否完全符合校準要求。但不可否認的是，雖然校準不確定度是逐點報告了，但校準不確定度的比率卻不見得都能完全滿足。

現在，國家已經出台了JJF1638-2017多功能源校準規範，覆蓋福祿克55xxA多產品校準器交直流電壓電流和電阻五項功能的校準，每個功能校準方法上也有不同的選擇。但具體到55xxA每一個型號各項功能的校準，則要具體分析，基於不同的校準標準和方法進行探討和研究，詳細計算和分析逐點TUR，最終才能確定最適用的校準標準和方法，從而確保整個計量校準活動的嚴謹和合規。

另外，在校準不確定度的比率計算上，很多人不太留意儀器指標的置信度，但實際上，隻有確保校準器和標準表的不確定度指標的置信度處於同一水平，計算出的TUR比率才是真實的。

具體到多產品校準器的每項功能校準，也有不同的問題，我們將在下述章節逐一分析。

55XXA係列校準器包括新型號5502A，5522A，以及老型號的5502A和5522A。它們的主要功能有如下幾項：

以往，很多實驗室校準這些多產品校準器的方法，就是使用8508A八位半高精度數字多用表直接測量。但一台8508A真的就能夠完成55XX係列校準器的校準嗎？我們必須對不同的型號做具體的分析。

①：校準中存在的問題

直流電壓功能是福祿克多產品校準器55xxA核心、指標最高的功能，其校準複雜，校準標準的選擇也較難。我們以5520A/5522A的DC 3.3V量程校準點為例來說明。

552xA在0~3.3V量程指標是±（11ppm輸出+2μV），最常見的1V點的允差為Δ_552x=±(11×10^-6× 1V + 2mV)= ±13mV，，指標置信度為99%，而8508A在2V量程TCAL±5℃且相同置信度的指標為±（4.5ppm+0.25ppm量程），則Δ₈₅₀₈=±(4.5×10^-6×1V + 0.25×10^-6 ×2)= ±5mV，因此兩者TUR=2.6，並不完全滿足3:1要求。

類似的，我們還可以獲得整個DCV 3.3V量程的測試點TUR，可以看出都未能達到3：1的要求，這一方麵是由於552xA是指標中等偏上的校準器，另外一方麵也是由於8508A在2V檔量程滿度僅1.99990000V，導致2V不得不放到20V高一檔量程測量，量程的不匹配導致TUR更低。

我們還可以發現如果隻用8508A，552xA在33V，330V，1000V量程的TUR大部分都不能滿足3：1，隻有330mV才能滿足這一要求，很顯然，用8508A獨立校準552xA的直流電壓是行不通的，我們必須另尋他法。

③：552xA直流電壓功能的校準

由於使用單台8508A校準552xA時存在諸多TUR<3的情況，那麼，我們該如何解決5522A的DCV功能校準呢？

a.  方案一，我們可以用JJF 1638-2017多功能源校準規範在直流電壓校準中給出的電阻分壓箱法來解決。

規範給出的校準框圖表明除了要用一個高精度的電阻分壓箱，同時還需要使用固態電壓標準、參考直流電壓源，以及數字多用表。

對於10V以下的校準點，規程所示的校準框圖可以用實際的標準儀器來代替，這裏的固態電壓標準732C具有高達2ppm的年穩定性和0.3ppm的90天短期穩定性，並具有10V/1V/0.1V三個標準輸出；5730A則有0~1100V的寬範圍輸出和高穩定性；8508A我們選擇的是帶後麵板輸入的8508A/01，它可以巧妙替代規程框圖中的低熱電勢開關，自動地在參考源和被檢源之間進行不斷的切換測量，給出兩者的差值或比差，並提供更高的比率準確度。如圖所示，參考直流電壓源5730A通過參考表8508A/01與固態電壓標準732C進行比對溯源後，其輸出通過分壓器720A進行分壓，以使其輸出與被檢源552xA輸出相同，並在過渡表8508A/01上進行比對，從而完成對被檢源552xA的校準。

按照這個方案所計算的TUR如下所示，可見10V以下各個測試點TUR均能大於3：1。

對於10V以上的測試點，規範用另一張框圖來指示，其中區別在於分壓器的輸出用於與固態電壓標準比較溯源，反向確保分壓器的輸入端，即多功能源的輸出被標定溯源，從而直接與被檢源輸出進行比較。

按照這個方案所計算的TUR如下所示，由於考慮了多功能源的短期穩定性，因此在部分測試電上存在TUR小於3的情況。

b.方案二，福祿克公司使用的方法與JJF 1638-2017多功能源校準規範中的分壓器法略有不同，不再通過固態電壓標準去對參考直流電壓源進行比對溯源，而是用固態電壓標準替代參考電壓源直接接到分壓器的輸入端，分壓器的輸出接到8508/01過渡表與10V以下輸出的被檢源直接進行比較，10V以上輸出的被檢源則再通過另一個分壓器衰減到10V以下後再與分壓器的輸出進行比較。按照這個方案，減少了參考直流電壓源和一台數字多用表，在10V以上多使用了一個分壓器，總體計算的TUR均大於3。

盡管8508A是8.5位高精度數字多用表，其交流電壓功能最優不確定度可以達到65ppm，但針對55xxA，即使是低精度的550xA，使用8508A獨立校準它們的交流電壓功能，TUR計算的結果仍然不太理想，在330V以下量程存在諸多小於3：1的測試點。

因此，我們必須使用交流電壓測量性能更好的5790B交流測量標準來對55xxA的ACV功能進行校準。5790包括早期的5790A和現在的5790B，兩者交流測量性能相同，但5790B在5790A的基礎上提高了測量帶寬，優化了人機界麵，並具有便利穩定性測試的統計測試等。它們都是高準確度的交流電壓測量標準，既有熱電轉換標準的優異準確度，又有數字多用表易於使用、測量快捷的特點，是專門用於校準各種交流校準器的標準設備。

采用5790後，如示例在3.3V量程，實際計算的TUR比采用8508A的優化很多，已能滿足校準552xA，自然也能滿足校準550xA的要求。其他量程也是類似情況。

校準交流電壓時，測試導線可使用普通的導線，測試導線要盡可能的短，特別是在頻率較高時，要越短越好，並使用屏蔽線，以減少信號衰減，避免撿拾幹擾信號。如果使用5790校準，建議打開5790的EXGRD鍵，並采用雙絞線，尤其是在高頻高壓時，可有效改善測量準確度。

校準器電流溯源問題一直是個比較困難的任務。有些人喜歡用高精度數字多用表的電流測量功能來校準類似55xxA這些常用校準器的電流輸出功能。可是，高精度數字多用表的電流測量功能是否能滿足準確度要求呢？

答案是否定的。數字多用表測量電流大都使用內置分流器。當被測電流流過分流器，在分流器上會產生與分流器阻值成比率的電壓，測量分流器兩端的電壓，就可以測量出電流。當電流較大時，分流器上會消耗相當大的功率，如果分流器的散熱效果比較差，分流器溫度就會升高，導致分流器電阻值發生變化，測量誤差就會很大。高精度數字多用表體積有限，電流測量功能使用的內置分流器一般都做的比較小，而且數字表內空間有限，散熱不夠好，大電流時誤差較大。可以說，一般使用內置分流器的數字多用表的電流測量準確度都不高。

5522A/5520A/5502A輸出電流範圍均達20A，5500A可達11A，雖然8508A的電流測量範圍可以達到20A，可以覆蓋55xxA的範圍，但從指標上看，要校準55xxA，以獨立標準8508A所TUR計算的結果並不理想。

要想改善這個局麵，必須利用JJF 1638-2017多功能源校準規範建議的電流電壓轉換器法，即使用外部分流器A40B來測量被檢源的直流電流輸出，分流器的直流電壓輸出則由8508A進行測量，利用歐姆定律計算出被檢源的直流電流值。在這個方法中，福祿克的A40B係列分流器具有高達20ppm的年測量準確度，且電流覆蓋範圍1mA~20A，完全可以滿足校準55xxA的要求。5790B比5790A更為方便，可以支持錄入A40B的電阻參數，測量時可以屏幕上直接顯示最終的電流值。

5522A/5520A/5502A電阻範圍均達1.1GΩ，5500A可達330MΩ，均為連續可調輸出，若采用8508A獨立校準，可以看出針對5500A的校準TUR是滿足的，但針對5522A/5520A/5502A校準則部分測試點TUR略微偏低。

我們也可以采用校準規範給出的標準電阻器法，通過一塊過渡表，把被檢源的電阻輸出與標準電阻進行比較，改善TUR。實際校準時，我們可以用8508A/01充當過渡表，參考標準電阻742A接到8508A/01後麵板，被檢源接前麵板，利用8508A/01的前後麵板掃描功能，自動切換測量兩者差值或比值，並提供更高的比率不確定度，這種情況下，總的TUR也會更理想。

例如，標準電阻742A-1M年穩定度指標8ppm，8508A/01需要進行兩次測量，以確定被測1MΩ和標準1MΩ的比率：，因此 = 8.28ppm，被檢552xA 1MΩ 年指標34ppm，TUR = 34/8.28 = 4.11，比單純用8508A校準TUR 2.58提高1.59倍。

一般測量100kΩ以下的小電阻時，應該盡量使用四線電阻的測量方法進行校準。這是由於兩線電阻測量時，測試引線電阻和接觸電阻會帶來附加誤差，在小電阻測量時，往往影響較大。采用四線電阻測量方式，將電流激勵回路和測量電阻上的電壓降測量回路分開，測量到的電壓就可不受電流回路中電阻電壓降的影響，為真正的被測電阻兩端電壓，消除了測試引線及接觸電阻帶來的測量誤差。在高阻校準時，應使用屏蔽線，降低幹擾，減少環境因素對測量讀數的影響。 

校準時，應注意使用8508A的常規電阻測量模式，不要使用HiVΩ高壓電阻模式，在這種模式，測量電阻時的激勵電流是常規電阻測量模式的10倍，由此可能產生最高達240V的順從電壓，可能會導致55xxA係列校準器電阻功能輸出保護，甚至造成損壞。

另外，校準5502A的電阻功能時，根據測試點數值，尤其是在110kΩ以上，最好使用8508A電阻測量功能的手動量程，避免設置在自動量程時，測量儀表在尋找最適合電阻範圍的量程時，因量程的改變引起激勵電流的變化，有可能超出55xxA合成電阻輸出的電流工作點範圍，導致校準器保護。

8508A是一款功能、量程、準確度都很適合各類電學校準器校準的測量標準，本文TUR計算也是依據8508A的性能指標進行的描述，但不可否認的是，盡管仍然有不少用戶依然擁有和使用它，但它的替代型號，Fluke 8588A,業已登上了曆史舞台。8588A的功能更多，性能指標也比8508A更勝一籌，尤其是其測量速度比8508A提高了幾十倍，校準效率得到了很大提高，另外8588A所具有的2.02倍量程滿度，使得前述DC 2V等測試點的TUR也大為改善。8588A特有的圖形界麵統計分析功能和便捷的數據存取，對於校準器的性能和穩定性測試具有獨特作用，新增的高精度瞬態數字化測量功能也給校準器的性能測試提供了新的手段，如此種種益處，使得8588A未來在各類校準器的校準中將發揮更大作用。

任何一個規範的校準任務，滿足測量不確定度的要求是最基本的要求。它表征了本次測量的質量，也表征了測量結果的可信度。能否在各項校準工作中滿足測量不確定度的要求是考察一個校準實驗室能力的重要指標。ISO 17025對報告測量不確定度有明確的要求。為了開展5500A，5502A，5520A，5522A等多產品校準器的校準工作，需要用8508A/01高精度數字多用表，732C 固態電壓標準，A40B精密分流器和5790B交流電壓測量標準等多個標準器，如果還要校準多產品校準器的其他功能，如頻率準確度，需要一台高精度頻率計；電容功能，需要高精度LCR電橋或8588A，熱電偶測量功能，需要一支標準溫度計和合適的油槽或水槽（油杯或水杯）。總之，無論是那一項校準，我們都必須認真分析，逐項滿足測量不確定度比率的要求，這樣才能實現一個可靠的量值傳遞和溯源，也才能保證計量的質量。

六、參考文獻       

1. 5522A Multi-Product Calibrator Service Manual, May 2012, Fluke Corporation

2. 5502A Multi-Product Calibrator Operators Manual, June 2012, Fluke Corporation

3. 5520A Multi-Product Calibrator Service Manual, April 1999, Fluke Corporation

4. 5500A Multi-Product Calibrator Operators Manual, August 1995, Fluke Corporation

5.《測量不確定度的要求》， CNAS-CL07:2011，中國國家實驗室認可委員會