JJF 2018-2022 电荷量测量仪校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范陈少华(北京东方计量测试研究所)金海彬(北京东方计量测试研究所)集海妮(北京东方计量测试研究所)郭柏军(辽宁省检验检测认证中心)梁国鼎(辽宁省检验检测认证中心)吴海益(广东省计量科学研究院)赵晓俊(大连计量检验检测研究院有限公司)I 1范围 3术语和计量单位 5计量特性 6校准条件 6.1环境条件 6.2测量标准及其他设备 7校准项目和校准方法 7.1校准项目 8校准结果表达 8.1校准证书 8.2数据修约 9复校时间间隔 附录A电荷量测量仪示值误差校准不确定度评定示例 附录B校准原始记录格式 附录C校准证书内页格式 Ⅱ本规范依据JF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1059.1—20121本规范适用于测量范围为0.1nC～20μC电荷量测量仪的校准。本规范不适用于脉JJF1023—1991常用电学计量名词术语(试行)凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。物体所带电荷的量值。电荷量有时也被简称为电量，其国号为C。电荷量测量仪是用来测量带电体(如织物、带电导体等)的电荷量而设计的仪表，配合法拉第筒使用。电荷量测量仪的测量对象可以统一认为是各种能输出电荷量的电荷电荷量测量仪按输入方式可分为虚地式和非虚地式。具体原理如图1所示。十测量测量结果显示Q,(a)虚地式(b)非虚地式5.2最大允许误差：±(0.2%～10%2电荷量测量仪的示值误差按公式(1)计算，相对示值误差按公式(2)计算。式中：△Q--——电荷量测量仪的示值误差，C;Q₁———电荷量测量仪的示值，C;y—-—电荷量测量仪的相对示值误差。电荷量测量仪的最大允许误差用公式(3)表示，相对最大允许误差用公式(4)表示。式中：△QMPE——电荷量测量仪的最大允许误差，C;Q₁——电荷量测量仪的示值，C;Q电荷量测量仪的量程满度值，C;4与读数值有关的误差系数；b—--—与量程值有关的误差系数；YMPE——电荷量测量仪的相对最大允许误差。6校准条件6.1环境条件a)环境温度：20℃±2℃;b)相对湿度：40%～60%;c)供电电源：电压220V±22V,频率50Hz±1Hz;d)实验室应有防静电措施；e)周围无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动，并具有良好的接地。6.2测量标准及其他设备校准用设备的测量范围要覆盖被校准参数的测量范围，应具有足够的分辨力、准确度和稳定性，以保证由标准器、辅助设备及环境条件所引起的扩展不确定度(k=2)不大于被校准参数最大允许误差绝对值的1/3。根据所采用的校准方法，选择以下满足校准要求的测量设备：a)直流标准电荷源输出范围：±(0.1nC～20μC),最大允许误差：±0.05%。b)直流标准电压源输出范围：±(0.01V～20V),最大允许误差：±0.02%。3c)标准电容器标准电容器泄漏电阻的影响应当可以忽略不计，并应该有足够的耐压。d)电容测量仪测量范围：士(1pF～10pF),最大允许误差：±0.05%。7.1校准项目电荷量测量仪校准项目见表1。校准项目计量特性的条款编号校准方法的条款编号1电荷量57.2.1校准前准备a)外观检查被校电荷量测量仪外观应完好，无影响正常工作的机械损伤。机壳、端钮、开关、按键和调节旋钮应无松动、损伤、脱落，各种功能标志应齐全正b)工作正常性检查通电后开关、按键、调节旋钮、显示屏、测量仪表和各种状态指示灯(标志)应工c)预热被校仪器应在实验室环境中放置不少于24h,以消除温度均匀性的影响。校准示在校准前应对被校仪器进行放电，消除被校仪器内部已积累的电荷引起的误差。7.2.2电荷量示值误差7.2.2.1校准点选取按被校电荷量测量仪每个量程选取3至5个校准点，至少包括量程的10%、50%此方法使用标准电荷源对被校电荷量测量仪进行校准，校准步骤如下：a)按图2所示，通过适配器用低噪声测试线将标准电荷源输出端与被校电荷量测c)接通标准电荷源输出，待电荷测量稳定后，读取被校电荷量测量仪示值Q。d)记录标准电荷源设置值Q.和被校电荷量测量仪示值Q。4e)被校电荷量测量仪的示值误差按公式(1)计算，被校电荷量测量仪的相对示值误差按公式(2)计算。7.2.2.3间接测量法a)标准电压-标准电容法标准电压-标准电容法仅适用于输入虚地式电荷量测量仪的校准，具体步骤如下：1)按图3所示，将标准电压源、标准电容器与被校电荷量测量仪连接，并进行清零操作。2)根据7.2.2.1,选择校准点，按公式U.=Q,/C.计算U,调节标准电压源输3)待测量稳定后，记录被校电荷量测量仪示值Q。4)被校电荷量测量仪的示值误差按公式(5)计算：式中：△Q———被校电荷量测量仪的示值误差，C;Q——标准电容器上的电荷量值，C;U.--——标准电压源输出值，V;C.———标准电容器电容值，F。被校电荷量测量仪的相对示值误差按公式(2)计算。b)标准电压-采样电容法标准电压-采样电容法仅适用于输入非虚地电荷量测量仪的校准，具体步骤如下：5十十图4标准电压-采样电容法接线图4)被校电荷量测量仪的示值误差按公式(6)计算：被校电荷量测量仪的相对示值误差按公式(2)计算。d)证书或报告的唯一性标识(如编号),每i)对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；61)校准结果及其测量不确定度的说明；n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效p)未经实验室书面批准，不得部分复制证书或报告的声明。校准原始记录格式见附录B,校准证书(报告)内页格式见附录C。8.2数据修约校准数据应先计算，后修约。数据修约应采用四舍五入及偶数法则进行，末位数修约到被校电荷量测量仪最大允许误差绝对值的1/10位。建议电荷量测量仪的复校时间间隔为1年。送校单位也可根据实际使用情况自主决JJF2018—20227电荷量测量仪示值误差校准不确定度评定示例本附录以电荷量测量仪100nC点示值误差校准结果的测量不确定度评定为例，说明电荷量测量仪示值误差校准结果测量不确定度评定的程序。A.2直接测量法A.2.1测量模型以标准电荷源直接校准电荷量测量仪示值误差，见7.2.2.2,测量模型可用式(A.1)表示：式中：△Q——被校电荷量测量仪的示值误差，C;Q.——被校电荷量测量仪的示值，C;Q,——标准电荷源输出标准电荷量值，C。各输入量之间不相关，不确定度传播律可用公式(A.2)表示。式中：u(△Q)——被校电荷量测量仪示值误差的合成标准不确定度，C;u(Q₁)———被校电荷量测量仪引入的标准不确定度，C;u(Q,)———标准电荷源引入的标准不确定度，C。A.2.2标准不确定度来源标准电荷源输出示值误差引入的标准不确定度u(Q:)。a)被校电荷量测量仪分辨力引入的不确定度u₁(Q₁);b)被校电荷量测量仪重复性引入的不确定度u₂(Q)。A.2.3不确定度的评定A.2.3.1标准电荷源引入的标准不确定度u(Q,)按B类进行评定。根据标准电荷源100nC技术指标，其最大允许误差为士(100×10-⁹×0.1%)C=±(1×10-¹0)C,则分散区间的半宽度为a=1×10-10C,为均匀分布，包含因子k=√3,则标准电荷源最大允许误差引入的标准不确定度为：A.2.3.2被校电荷量测量仪引入的标准不确定度u(Q)a)被校电荷量测量仪分辨力引入的不确定度u₁(Q₁)8 根据说明书可知，被校电荷量测量仪分辨力为0.1nC,按B类进行评定，其区间半宽度为a=5×10-¹¹C,为均匀分布，包含因子k=√3,则被校电荷量测量仪分辨力引入的标准不确定度为： b)被校电荷量测量仪重复性引入的不确定度u₂(Q)重复性引入的标准不确定度，采用A类评定，通过多次重复测量，经计算得到。多次重复测量的数据见表A.1,用贝塞尔公式(A.3)计算实验标准差：式中：Q——被校电荷量测量仪多次测量值的平均值，C;Q———被校电荷量测量仪第i次测量值，C;n--——重复测量的次数，此处n=10。测量序号123456789根据表A.1中的数据，由公式(A.3)计算出单个测得值的实验标准差：校准时取单次测量的测得值，故测量重复性引入的不确定度为：u₂(Q.)=s(Q.)=4.9×10-c)被校电荷量测量仪引入的不确定度u(Q,)测量结果的重复性和测量分辨力作为被校电荷量测量仪引入不确定度分量，则被校电荷量测量仪引入的不确定度：u(Q.)=√u²(Q₁)+u2(Q.)=5.7×1A.2.4不确定度分量一览表不确定度分量见表A.2。标准不确定度A.2.5合成标准不确定度u(△Q)各输入量之间的测量不确定度之间不相关，故合成标准不确定度：u(△Q)=√u²(Q.)+u²(Q,)=8.1×10-JJF2018—20229"A.2.6扩展不确定度U(△Q)"取包含因子k=2,则扩展不确定度为：U(△Q)=k×u(△Q)=1.7×10-10C=0.2nCA.3间接测量法A.3.1测量模型以标准电压-标准电容法校准电荷量测量仪示值误差为例，校准方法详见7.2.2.3,测量模型可用公式(A.4)和公式(A.5)表示：式中：△Q——被校电荷量测量仪的示值误差，C;Q.——被校电荷量测量仪的示值，C;Q,——标准电容器上的电荷量值，C;U.——标准电压源输出值，V;CE——标准电容器与被校电荷量测量仪输入电容串联的等效电容，F;C,——标准电容器电容值，F;不确定度传播律可用式(A.6)表示：u.(△Q)=√c²(Q₁)u²(Q.)+c²(U,)u²(U,)+c²(C.)u²(C,)+c²(C;)式中：u(△Q)——被校电荷量测量仪示值误差的合成标准不确定度，C;u(Q₁)——被校电荷量测量仪重复性或分辨力引入的标准不确定度，C;u(U,)—-——标准电压源引入的标准不确定度，V;u(C,)--——标准电容引入的标准不确定度，F;u(C;)--——被校电荷量测量仪输入电容引入的标准不确定度，F。A.3.2标准不确定度来源由标准电压源最大允许误差引入的标准不确定度u(U)。由标准电容年变化引入的标准不确定度u(C。)。A.3.2.3u(C;)的来源由被校电荷量测量仪输入电容引入的标准不确定度u(C)。a)被校电荷量测量仪分辨力引入的标准不确定度u₁(Q.);b)被校电荷量测量仪重复性引入的标准不确定度u₂(Q.);c)被校电荷量测量仪失调电压引入的标准不确定度u₃(Q);d)被校电荷量测量仪失调电流引入的标准不确定度u₄(Q.)。A.3.3标准不确定度的评定A.3.3.1标准电压源引入的标准不确定度u(U₈)按B类进行评定。根据标准电压源1V技术指标，其最大允许误差为±0.0000057V,则分散区间的半宽度为a=5.7×10-⁶V,为均匀分布，包含因子k=√3,则标准电压源最大允许误差引入的标准不确定度为：A.3.3.2标准电容引入的标准不确定度u(C,)按B类进行评定。根据标准电容100nF技术指标，其年变化为±0.02nF,则分散区间的半宽度为a=0.02nF,为均匀分布，包含因子k=√3,则标准电容引入的标准不确定度为：A.3.3.3被校电荷量测量仪输入电容引入的标准不确定度u(C)按B类进行评定。根据被校电荷量测量仪说明书和经验数据，被校电荷量测量仪输入电容为反馈电容(pF量级)与放大系数(10⁶量级)的乘积，变化区间为±0.09F,则分散区间的半宽度为a=0.09F,为均匀分布，包含因子k=√3,则被校电荷量测量仪输入电容引入的标准不确定度为：A.3.3.4被校电荷量测量仪引入的不确定度u(Q:)a)被校电荷量测量仪分辨力引入的不确定度u₁(Q₁)根据说明书可知，被校电荷量测量仪分辨力为0.1nC。按B类进行评定，其区间半宽度为a=5×10-¹¹C,为均匀分布，包含因子k=√3,则被校电荷量测量仪分辨力引入的标准不确定度为：b)被校电荷量测量仪重复性引入的标准不确定度u₂(Q.)重复性引入的标准不确定度，采用A类评定，通过多次重复测量，经计算得到。多次重复测量的数据见表A.3,用贝塞尔公式(A.7)计算实验标准差：JJF2018—2022式中：Q.——被校电荷量测量仪多次测量值的平均值，C;Qu——被校电荷量测量仪第i次测量值，C;n———重复测量的次数，此处n=10。测量序号123456789示值/nC根据表A.3中的数据，由公式(A.7)计算出实验标准差：校准时取单次测量的测得值，故测量重复性引入的标准不确定度为：u₂(Q₁)=s(Q.)=5.2×10c)被校电荷量测量仪失调电压引入的标准不确定度u₃(Q.)按B类进行评定。根据被校电荷量测量仪说明书和经验数据，失调电压Uo变化引入的电荷量变化值为±9×10-¹¹C,则分散区间的半宽度为a=9×10-11C,为均匀分布，包含因子k=√3,则被校电荷量测量仪失调电压引入的标准不确定度为：d)被校电荷量测量仪失调电流引入的标准不确定度u₄(Q.)按B类进行评定。根据被校电荷量测量仪说明书和经验数据，失调电流I。变化引入的电荷量变化值为±2.4×10-13C,则分散区间的半宽度为a=2.4×10-13C,为均匀分布，包含因子k=√3,则被校电荷量测量仪失调电流引入的标准不确定度为：e)被校电荷量测量仪引入的标准不确定度u(Q.)综上，被校电荷量测量仪引入的不确定度为