非接觸式靜電電壓測量儀校準(zhǔn)規(guī)范

1本規(guī)范適用于測量物體表面電壓不大于20kV的非接觸式靜電電壓測量儀(也可稱為非接觸式靜電電壓表，以下簡稱靜電表)的校準(zhǔn)。本規(guī)范不適用于接觸式靜電電壓測量儀的校準(zhǔn)。2術(shù)語和計(jì)量單位2.1測試距離testingdistance在非接觸測量中，被測表面與測量儀器最前端的距離或測量儀器說明書中定義的距離。2.2標(biāo)準(zhǔn)平板電極standardplateelectrode一個(gè)連接標(biāo)準(zhǔn)高壓電源的、對(duì)地絕緣且邊緣經(jīng)過圓滑處理的金屬平板。在平板中心靠近平板表面處，有平行于法線方向的均勻靜電場存在，金屬平板上的電壓可以通過標(biāo)準(zhǔn)電壓表讀數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)高壓電源的設(shè)定來確定。靜電表是一種用于測量帶靜電物體表面對(duì)地電位的儀器。在不與被測表面接觸的情況下，利用電場感應(yīng)原理或其他原理，測量出表面的電壓值。該電壓是以無窮遠(yuǎn)或大地為零作為參考電位。靜電表一般由電場傳感器、距離指示器、測量單元、調(diào)零單元和顯示單元組成，有些靜電表有接地端子。最常見的電場傳感器有感應(yīng)電容式、轉(zhuǎn)子伏特計(jì)式和振動(dòng)電容靜電表按距離指示可分為帶有距離定位指示器的和不帶距離定位指示器兩種；按顯示方式可分為數(shù)字顯示式和指針式兩種。4計(jì)量特性4.1靜電電壓基本誤差靜電表的基本誤差分為數(shù)字顯示基本誤差和指針顯示基本誤差兩類，其公式可用下列形式之一表示。4.1.1數(shù)字顯示的絕對(duì)誤差a——與讀數(shù)有關(guān)的誤差系數(shù)；2b——與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù)；U?——被校靜電表的讀數(shù)值(顯示值),V;Um——被校靜電表量程的滿度值，V。4.1.2數(shù)字顯示的相對(duì)誤差式中：γ——相對(duì)誤差表示的基本誤差限，V/V;其他字母含義同式(1)。4.1.3指針顯示的絕對(duì)誤差限△Umx——量程內(nèi)最大允許絕對(duì)誤差，V。其他字母含義同式(1)。4.1.4指針顯示的相對(duì)誤差字母含義同式(1)、式(2)4.2電壓禾值短期穩(wěn)定性被校靜電表電壓示值在短時(shí)間內(nèi)的變化應(yīng)不大于儀器最大允許誤差限的1/2。短時(shí)間是指兩次調(diào)零操作之間的時(shí)間，缺省值為15s5校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件靜電表的校準(zhǔn)環(huán)境條件應(yīng)滿足以下要求；a)環(huán)境溫度：20℃±5℃。b)相對(duì)濕度：30%～75%。c)周圍無影響測量的強(qiáng)電場和交變磁場，外界電磁場影響而引起的誤差應(yīng)不超過被校靜電表允許誤差的1/10。d)有接地線，且接地電阻小于4Ω。e)在被校準(zhǔn)儀器前端面與標(biāo)準(zhǔn)平板電極之間的立體空間內(nèi)應(yīng)不存在其他導(dǎo)體和絕緣物體。5.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備靜電表的校準(zhǔn)裝置一般由高壓電源、標(biāo)準(zhǔn)平板電極、直流高壓表、刻度尺、絕緣支架和距離調(diào)節(jié)裝置組成，原理圖如圖1所示。其校準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被校準(zhǔn)對(duì)象基本誤差限值的1/3。3OR?R圖1靜電表校準(zhǔn)裝置原理框圖5.2.1高壓電源高壓電源分為工作用高壓電源和標(biāo)準(zhǔn)用高壓電源。a)作為工作用的高壓電源的穩(wěn)定度應(yīng)滿足：在半分鐘內(nèi)其電壓的穩(wěn)定度應(yīng)不低于被校靜電表最大允許誤差限的1/10,調(diào)節(jié)細(xì)度應(yīng)優(yōu)于被校靜電表最大允許誤差限的1/10,直流電壓紋波系數(shù)應(yīng)小于1%。b)作為標(biāo)準(zhǔn)用高壓電源的允許誤差應(yīng)小于被校靜電表最大允許誤差限的1/5。5.2.2直流高壓表直流高壓表的允許誤差應(yīng)小于被校靜電表最大允許誤差限的1/5。5.2.3標(biāo)準(zhǔn)平板電極標(biāo)準(zhǔn)平板電極平面的尺寸應(yīng)該足夠大，以減少邊界效應(yīng)引入的不確定度影響。判斷方法見附錄D。5.2.4刻度尺刻度尺范圍為1mm～300mm,允許誤差為±(0.1～1)mm。5.2.5絕緣支架絕緣支架應(yīng)滿足以下要求：a)絕緣電阻Ra大于1TΩ;b)耐受電壓為25kV;c)保護(hù)電阻R應(yīng)滿足：且能夠限制高壓源對(duì)地短路電流應(yīng)小于5mA,功率應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。5.2.6距離調(diào)節(jié)裝置距離調(diào)節(jié)裝置用于承載和移動(dòng)被校靜電表或其傳感器。距離調(diào)節(jié)裝置應(yīng)使傳感器前端伸出，支架幾何形狀和材料應(yīng)對(duì)傳感器前端周圍電場分布無影響。移動(dòng)軌跡應(yīng)垂直于標(biāo)準(zhǔn)平板電極，調(diào)節(jié)細(xì)度小于0.1mm。46校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法6.1校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)項(xiàng)目包括靜電電壓基本誤差和靜電電壓短期穩(wěn)定性。6.2校準(zhǔn)前準(zhǔn)備目視檢查被校靜電表，應(yīng)有使用說明書或銘牌。銘牌應(yīng)明確標(biāo)出：產(chǎn)品名稱、制造廠、型號(hào)、出廠編號(hào)、出廠日期、允許誤差、電壓量程、測試距離等。6.3校準(zhǔn)方法6.3.1靜電電壓基本誤差6.3.1.1校準(zhǔn)點(diǎn)選取每個(gè)量程應(yīng)至少選取10%、20%、50%、100%量程在內(nèi)的四個(gè)以上的校準(zhǔn)點(diǎn)，或由校準(zhǔn)用戶指定校準(zhǔn)點(diǎn)，每點(diǎn)測量n次(n≥2),取平均值為結(jié)果。正、負(fù)電壓分別6.3.1.2標(biāo)準(zhǔn)源法標(biāo)準(zhǔn)裝置中高壓電源滿足允許誤差要求，且絕緣支架與保護(hù)電阻之間的關(guān)系滿足要求，則其輸出設(shè)定值可作為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，這種方法中不需要使用直流高壓表。6.3.1.3標(biāo)準(zhǔn)表法如果標(biāo)準(zhǔn)裝置中高壓電源的允許誤差不能滿足要求，或絕緣支架與保護(hù)電阻之間的關(guān)系也不滿足要求，則使用直流高壓表的示值作為標(biāo)準(zhǔn)電壓，但高壓源短期穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)細(xì)度應(yīng)滿足5.2.la)的要求。6.3.1.4校準(zhǔn)步驟校驗(yàn)步驟如下：a)將被校靜電表放在圖1所示的裝置上，需接地的應(yīng)接地，高壓電源輸出零電壓，或?qū)?biāo)準(zhǔn)平板電極接地，被校靜電表調(diào)零。b)調(diào)節(jié)被校靜電表測試距離。先將距離調(diào)節(jié)裝置前移，使被校靜電表的傳感器正面前端平行地接觸到標(biāo)準(zhǔn)平板電極。再將距離調(diào)節(jié)裝置后移，保證被校靜電表傳感器正面前端平行于標(biāo)準(zhǔn)平板電極。如果說明書中規(guī)定固定距離，則校準(zhǔn)測試距離為儀器說明書中定義位置的距離。如果說明書中未規(guī)定距離范圍，則校準(zhǔn)測試距離為儀器說明書中定義的下限距離和上限距離，分別校準(zhǔn)。c)調(diào)節(jié)高壓電源輸出。使標(biāo)準(zhǔn)平板電極達(dá)到校準(zhǔn)點(diǎn)電壓，按6.3.1.2和6.3.1.3選擇標(biāo)準(zhǔn)電壓讀數(shù)，在附錄B中記錄標(biāo)準(zhǔn)值Ux(正電壓)或標(biāo)準(zhǔn)值Ux(負(fù)電壓)。d)讀取被校靜電表的顯示，在附錄B中記錄示值U?(正電壓)或示值U?(負(fù)電壓)。e)靜電電壓示值誤差計(jì)算如式(5),結(jié)果|△Uz|應(yīng)小于4.1中靜電電壓基本誤△U?=Ux-UN△U?——被校靜電表的示值誤差，V;5Ux——按6.3.1.2和6.3.1.3選擇標(biāo)準(zhǔn)電壓讀數(shù)，V;6.3.2靜電電壓短期穩(wěn)定性校驗(yàn)步驟如下：a)將被校靜電表調(diào)零，按規(guī)定的測試距離置于標(biāo)準(zhǔn)平板電極前；b)將標(biāo)準(zhǔn)平板電極電壓設(shè)置到最大量程電壓的50%,分別設(shè)置正、負(fù)電壓，并開始記錄時(shí)間；c)每隔5s觀察被校靜電表示值并記錄，計(jì)時(shí)到15s計(jì)時(shí)結(jié)束，在正、負(fù)電壓下分別進(jìn)行，測量結(jié)果記錄在附錄B中；d)按照式(6)計(jì)算，結(jié)果應(yīng)滿足4.2的要求。S——電壓示值短期穩(wěn)定性；Umx——被校靜電表短時(shí)讀數(shù)最大值，V;U——被校靜電表初始示值，V。7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在校準(zhǔn)證書(報(bào)告)上反映，校準(zhǔn)證書(報(bào)告)應(yīng)至少包括以下信息：a)標(biāo)題，如“校準(zhǔn)證書”;b)實(shí)驗(yàn)室名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果與實(shí)驗(yàn)室的地址不同);d)證書或報(bào)告的唯一性標(biāo)識(shí)(如編號(hào)),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識(shí)；e)客戶的名稱和地址；f)被校對(duì)象的描述和明確標(biāo)識(shí)；g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和有關(guān)時(shí)，應(yīng)說明被校對(duì)象的接收h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說明i)對(duì)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識(shí)，包括名稱及代號(hào)；j)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說明；k)校準(zhǔn)環(huán)境的描述；1)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明；n)校準(zhǔn)證書和校準(zhǔn)報(bào)告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識(shí)o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明；p)未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書或報(bào)告的聲明。6測量不確定度的評(píng)定與表示參見附錄A,校準(zhǔn)原始記錄格式見附錄B,校準(zhǔn)證書(報(bào)告)內(nèi)頁格式見附錄C。建議復(fù)校時(shí)間間隔為1年。由于復(fù)校時(shí)間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。7測量不確定度評(píng)定示例A.1測量方法用滿足本校準(zhǔn)規(guī)范要求的校準(zhǔn)裝置，在規(guī)定的測試距離條件下，以標(biāo)準(zhǔn)平板電極提供的電壓值為標(biāo)準(zhǔn)量，以非接觸式靜電電壓表的讀數(shù)為被測量，調(diào)零操作完成后，測量在30s內(nèi)完成，讀數(shù)6次。A.2測量模型△Ux=U-UNU?——被校靜電表示值，V;A.3測量不確定度主要來源a)平板電極邊界效應(yīng)引入的測量不確定度分量ui;b)測量距離不準(zhǔn)確引入的測量不確定度分量uz;c)絕緣泄漏電阻與保護(hù)電阻的分壓作用引入的測量不確定度分量u?;d)直流高壓表測量誤差或直流高壓電源輸出不準(zhǔn)確引入的測量不確定度分量u?;e)外界電磁場引入的測量不確定度分量us;f)被校靜電表顯示分辨力引入的測量不確定度分量u?;g)被校靜電表前端平面與標(biāo)準(zhǔn)電極平面不平行引入的不確定度分量u?;h)測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量ug。A.3.1平板電極邊界效應(yīng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?根據(jù)附錄D的試驗(yàn)，測得平板電極邊界效應(yīng)產(chǎn)生的相對(duì)示值誤差為Ya,按式(A.2)計(jì)算平板電極邊界效應(yīng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?,假設(shè)均勻分布：采用直徑60cm的平板電極，被校表為FMX-003,標(biāo)準(zhǔn)電壓1000V時(shí)，按附錄D的試驗(yàn)，將被校表向左右各偏移5cm,讀數(shù)未發(fā)生改變，計(jì)算Ya=0,u?=0。A.3.2測量距離不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?需要使用刻度尺測量測試距離或按說明書規(guī)定測試距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，不確定度來源于距離測量的相對(duì)不確定度，符合均勻分布。有距離指示器的被校靜電表，根據(jù)距離指示器的光標(biāo)進(jìn)行目視調(diào)節(jié)，不確定度來源于距離指示器的相對(duì)不確定度，符合均勻分布。在標(biāo)準(zhǔn)平板電極電壓不變的情況下，測量距離與靜電表的讀數(shù)成反比關(guān)系，見式(A.3)。假設(shè)測量距離為D,距離調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的范圍是△D,符合均勻分布，則測量8距離不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?按式(A.3)～式(A.5)計(jì)算：U?——靜電表的讀數(shù)，V;K——當(dāng)被測電壓不變時(shí)，K是與儀表原理有關(guān)的常數(shù)，可用一組距離與電壓讀數(shù)測量點(diǎn)，采用函數(shù)擬合的方法計(jì)算，V·m;γ?——因測試距離不準(zhǔn)確造成的讀數(shù)偏差，相對(duì)值，V/V;Yp——距離測量不確定度，相對(duì)值，m/m;△D——距離調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的范圍，mm。測量距離使用游標(biāo)卡尺，D=25.4mm,△D=0.02mm,γ?=-0.02/25.4≈A.3.3絕緣泄漏電阻與保護(hù)電阻的分壓作用引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?根據(jù)本校準(zhǔn)規(guī)范5.2.5的c)要求，分壓影響應(yīng)小于被校靜電表最大允許誤差限的1/10,符合均勻分布，則絕緣泄漏電阻與保護(hù)電阻的分壓作用引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?按式(A.6)計(jì)算：R——保護(hù)電阻值，Ω;R?——絕緣支架電阻值，Ω。校準(zhǔn)裝置保護(hù)電阻100MΩ,絕緣支架電阻1TΩ,A.3.4直流高壓表測量誤差或高壓電源輸出不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u?根據(jù)直流高壓表或高壓電源說明書或檢定證書，獲得標(biāo)準(zhǔn)電壓的測量不確定度為γ?,符合均勻分布，則直流高壓表或高壓電源輸出不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式中：Y標(biāo)準(zhǔn)電壓測量不確定度。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字高壓表SGB-200B最大允許誤差為±0.5%,γ。=0.5%,u?=0.5%/9A.3.5外界電磁場引入的測量不確定度us根據(jù)本校準(zhǔn)規(guī)范5.1c)的要求，外界電磁場影響而引起的誤差，不應(yīng)超過被校靜電表最大允許誤差限的1/10,符合均勻分布，則外界電磁場引入的測量不確定度us按被校表FMX-003最大允許誤差限γ=10%,us=10%/(10×1.732)=0.58%。A.3.6被校靜電表顯示分辨力引入的測量不確定度分量u?設(shè)被校靜電表的顯示分辨力為e,測量不確定度為半?yún)^(qū)間，均勻分布，則由被校靜電表顯示分辨力引入的測量不確定度分量u?按式(A.9)計(jì)算：U——被校靜電表的n次讀數(shù)的平均值，V;被校表FMX-003在20kV量程分辨力是10V,e=10V,U≈976.8u?=10/(1.732×2×976.8)=0.A.3.7被校靜電表前端平面與標(biāo)準(zhǔn)電極平面不平行引入的不確定度分量uz在6.3.1.4校準(zhǔn)過程中，先將距離調(diào)節(jié)裝置前移，使被校靜電表的傳感器正面前端平行地接觸到標(biāo)準(zhǔn)平板電極。再將距離調(diào)節(jié)裝置后移，因線性移動(dòng)不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了被校靜電表傳感器正面前端平行于標(biāo)準(zhǔn)平板電極。因此該項(xiàng)分量可以忽略不計(jì)，如u?=0A.3.8測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ug根據(jù)n次測量值，測量結(jié)果包含了被校靜電表短期穩(wěn)定性影響量，采用貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s按式(A.11)計(jì)算：s——實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；U;——被校靜電表的第i次讀數(shù)值，V;U——被校靜電表的n次讀數(shù)的平均值，V。測量重復(fù)性引入的平均值測量結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ug按式(A.12)計(jì)算：測量6次，n=6,測量結(jié)果如表A.1:n123456ug=3.92/(2.45×976.8ue=√uì+ui+uì+ui+u;+uiA.5擴(kuò)展不確定度U擴(kuò)展不確定度Um按式(A.14)計(jì)算：k——為常數(shù)，工程應(yīng)用中取2。附錄B校準(zhǔn)原始記錄格式基本信息生產(chǎn)廠家出廠編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)器型號(hào)/規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)證書號(hào)不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最天允許誤差標(biāo)準(zhǔn)測量范圍校準(zhǔn)依據(jù)校準(zhǔn)地點(diǎn)環(huán)境溫度℃校準(zhǔn)日期測試距離靜電電壓測量不確定度(正電壓)(正電壓)(正電壓)(負(fù)電壓)(負(fù)電壓)(負(fù)電壓)時(shí)間/s時(shí)間/s附錄C校準(zhǔn)證書內(nèi)頁格式C.1校準(zhǔn)證書第2頁格式證書編號(hào)××××××-××××校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)授權(quán)說明℃相對(duì)濕度%校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)文件(代號(hào)、名稱)測量范圍準(zhǔn)確度等級(jí)檢定/校準(zhǔn)證書編號(hào)1.×××××僅對(duì)加蓋“×××××校準(zhǔn)專用章”的完整證書負(fù)責(zé)。2.本證書的校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)所校準(zhǔn)的對(duì)象有效。3.未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)印證書。C.2校準(zhǔn)