引言
電測儀表以電測方法實現對各種量的測量。電測儀表種類繁多，根據等級不同，可分為用于現場測量控制的工業用儀表和用于精密測量的高精度測量儀表。本文根據筆者多年工作經驗，主要針對熱學計量中作為標準器具的電測儀表(多為數字多用表)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行了探討，對合理表述熱學計量用電測儀表的參數、等級以及選取標準器具實現量值傳遞具有重要意義。
1、電磁學計量中電測儀表的基本情況
數字多用表量值溯源參照JJF 1587-2016《數字多用表校準規范》進行。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字多用表的校準，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。數字表按顯示位數分為三位半、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為被校數字表的示值；PN為對應輸入量的參考值(標準值)；ΔMPE為最大允許誤差；YX為被測量的讀數值(示值)；Ym為被測量的量程值(量程上限值)；a為與讀數值有關的誤差系數；b為與量程值有關的誤差系數。
根據JJF 1587-2016，現在已使用最大允許誤差替代準確度等級用于表達數字多用表技術性能。但GB/T 13978-2008《數字多用表》之5.14.3給出：以規定基本測量不確定度的系數a和b之和作為等級指標。已作廢的JJG 315-1983《直流數字電壓表》之6.2、6.3給出：準確度等級以基本量程誤差系數(a+b)的大小和年穩定誤差來劃分。各標準對數字表等級定義主要依據如表1所示。
表1 各標準對數字多用表定級主要依據
由表1可以看出，在JJF 1587-2016實施之前，數字多用表均按照(a+b)的值進行定級。
2、熱學計量中電測儀表的基本情況
本文以直流電阻信號為例，介紹熱學計量中常見項目電測儀表的基本情況。標準鉑電阻溫度計是-196℃～660℃溫度范圍內常用的標準器具，是開展工業鉑、銅熱電阻溫度計檢定、標準水銀溫度計檢定、溫度變送器校準、精密測溫的主標準器。用標準鉑電阻溫度計作為主標準器開展量值傳遞時，需配接電測設備用于測量其電阻值。常見檢定規程/標準規范中對電測設備的要求如表2所示。
表2 檢定規程/校準規范對電測儀器的要求
由表2可以看出，除JJG 161-2010外，均使用準確度等級對電測儀表進行定義。
常用數字多用表電阻參數技術指標如表3所示。
表3 常用數字多用表電阻參數技術指標
由表3可以明顯地看出，由于各廠家生產的數字多用表技術指標的不同，量程分段、等級指標也各不相同，這就會造成雖然(a+b)相同，即名義上的準確度等級相同，但由于對應量程不同，最大允許誤差也就不同。
綜上所述，數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、統一的表達方式可以對電測設備技術性能進行表述，尤其是在JJF 1587-2016實施后，數字多用表證書中已不再給出等級結論，繼續使用數字多用表的等級來表述電測設備技術指標是不合適的。
3、熱學計量中數字多用表的選取
熱學計量中數字多用表的選取應從使用要求、儀表量程、允差判斷、不確定度評定等方面綜合考慮。例如，某計量檢定機構擬建立二等標準鉑電阻溫度計標準裝置參照JJG 229-2010、JJF 1908-2021開展-80℃～300℃溫度范圍內的檢定/校準工作。標準鉑電阻溫度計為Pt25型，被檢以最常見的Pt100工業鉑電阻溫度計為例分析。常用溫度點對應的電阻值如表4所示。
表4 溫度-電阻關系
各計量檢定機構計量技術人員在判定數字多用表是否符合技術指標要求時，通常有以下兩種方法：
①根據數字多用表溯源證書，計算證書上各個校準點的示值誤差，根據示值誤差計算相對誤差，近似的以相對誤差作為準確度等級與檢定規程要求相比較，判斷其是否符合要求。
②根據數字多用表溯源證書，計算證書上各個校準點的示值誤差，根據數字多用表的技術指標計算對應的最大允許誤差，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準過于嚴格，尤其是電測儀表量程與所需的校準點不合理時。例如，吉時利2002型數字多用表校準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備指標概念把握不清(目前很多計量人員僅以a值作為等級指標)，在電測儀表選型時就會出現錯誤，造成選配電測儀表不合理，數據超差。
選用吉時利2002型數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型數字多用表示值誤差計算
通過表5可以看出，選取2002型數字多用表作為標準器，(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，在數字多用表后續溯源結果符合性判定時，只需確認誤差不超過最大允許誤差即可。當選用2010型數字多用表時，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型數字多用表作為標準器是不合理的。應選取準確度更高的數字多用表作為標準器。
綜上所述，在現有檢定規程/校準規范的表述下，計量技術機構在選取電測儀表時，首先要明確使用的量程范圍，確定等級指標(a+b)值，然后根據量程計算最大允許誤差和對應最大誤差下的相對誤差，進而綜合考慮儀表選型。
但目前很多計量技術機構仍將2010型數字多用表作為電測設備，主要是其價格合理、分辨力符合要求、穩定性較好，雖然其等級指標和最大允差超過了檢定規程的要求，但目前多數自動檢定系統可實現數據自動修正。其穩定性好和數據可修正使得2010型數字多用表仍占有很大市場份額。另外，計量技術機構在開展項目不確定度評定時，經合理修正后，其不確定度結果也可滿足檢定規程/校準規范對標準裝置的要求(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)。
計量技術機構如果使用了吉時利2010型數字多用表，建議在進行符合性判定時，首先要滿足不確定度評定報告中評定時使用的技術指標。其次，可以計算溯源證書中所用量程對應校準點示值誤差的相對誤差，與檢定規程的等級指標作對比，相對誤差不超過檢定規程要求等級，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字多用表的允差指標，所以應著重注意數字多用表的穩定性，尤其是當數字多用表的示值誤差接近上、下限時。在開展期間核查時，應對吉時利2010型數字多用表單獨核查其穩定性，每年建議不少于4次。
隨著JJF 1587-2016的實施，采用準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《標準鉑銠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要求為：低電勢直流電位差計的準確度等級不低于0.01級，步進值為0.1μV。如使用直流數字電壓表，其應具備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，合理地表達電測儀表技術指標的方式應至少包含：所使用的量程、分辨力、各點對應最大允許誤差或相對誤差。各點對應最大允許誤差或相對誤差是通過不確定度評定，并結合數字多用表量程、技術指標綜合考慮的。
另外需特別注意的是，由于歷史原因，電磁學中大多數數字多用表，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的等級，并不是全部量程和所有功能均可達到此等級。有時也將MPEV對應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(山東省計量科學研究院)
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