許興明，尹麗云，高揚(yáng)

(北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

0 引言

近代電子技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了大容量電解電容產(chǎn)量的猛增，各種測(cè)量大容量的電橋和電容計(jì)也相繼問世。為了檢測(cè)這些電容電橋需要大容量的電容標(biāo)準(zhǔn)，而制造實(shí)物的大容量電容標(biāo)準(zhǔn)無論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度上來說都是非常困難的。目前國(guó)內(nèi)外都采用四端網(wǎng)絡(luò)傳輸阻抗的方式來模擬等效大電容，這類模擬大電容與實(shí)物電容相比具有更高的準(zhǔn)確度。

電流比較儀是一種準(zhǔn)確度很高的電流比例標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(yīng)用于校驗(yàn)精密電流互感器。由于它能提供精確的電流比例，還被應(yīng)用在精密的四端交流阻抗測(cè)量中。而模擬大電容就是一種基于四端原理的電容標(biāo)準(zhǔn)，因此可以采用電流比較儀式電橋去測(cè)量大電容。

1 電流比較儀的工作原理

電流比較儀也叫安匝平衡指示器，是上世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)的。與電流互感器相似，比較儀也是由鐵芯和線圈組成，但是在電流比較儀中，除了比例線圈外還有零磁通檢測(cè)線圈。常用比較儀原理圖如圖1所示。

它是將三個(gè)繞組繞在環(huán)形鐵芯上:Nm為一次電流線圈，Ns為二次電流線圈，Nd為零磁通檢測(cè)線圈。

圖1 電流比較儀原理圖

工作時(shí)，一次電流im和二次電流is流入繞組的方向相反，因而它們產(chǎn)生的磁通方向相反。根據(jù)全電流定律∮Hdl=∑iN，若∑iN=0，鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。反之，當(dāng)檢測(cè)線圈Nd上所接指零儀指示為零時(shí)，表明檢測(cè)線圈上無交變磁通，則有Nmim=Nsis，Nm和Ns為線圈的匝數(shù)。由此可見比較儀的平衡狀態(tài)是通過調(diào)節(jié)磁勢(shì)平衡來實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)是鐵芯工作在零磁通狀態(tài)，因而繞組Nm和Ns中均無感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其電壓僅取決于線圈繞組上的電阻，所以誤差很小[1]。

2 電流比較儀式電容電橋

通常對(duì)電容進(jìn)行比較測(cè)量有如下兩種方法:使被測(cè)電容和標(biāo)準(zhǔn)電容流過相同的電流，測(cè)量其電壓比;對(duì)上述兩者施加相同的電壓，測(cè)量其電流比。以感應(yīng)分壓器電橋?qū)崿F(xiàn)的測(cè)量方法屬于前者，主要適用于測(cè)量?jī)啥俗杩?。而以電流比較儀電橋?qū)崿F(xiàn)的測(cè)量方法屬于后者，它更適于四線阻抗的測(cè)量，且電路簡(jiǎn)單，回路電流可監(jiān)測(cè)[2]。

2.1 常見的電流比較儀式電容電橋

圖2就是一種目前常見的電流比較儀式電容電橋。

圖2 電流比較儀式電容電橋

比較儀電橋中Cs和Gs表示標(biāo)準(zhǔn)電容和標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)，Cm和Gm表示被測(cè)電容和被測(cè)電導(dǎo)，在標(biāo)準(zhǔn)阻抗和被測(cè)阻抗上施加相同的電壓，并將產(chǎn)生的電流分別注入電流比較儀的兩端，通過調(diào)節(jié)匝數(shù)Ns達(dá)到比例的平衡。

在分析電容平衡時(shí)暫不考慮電導(dǎo)分量的電流。設(shè)繞組Nm和Ns的線阻與電容器的電抗相比可以忽略，im1和is1按下式計(jì)算

由安匝平衡得

在分析電導(dǎo)分量的電流時(shí)暫不考慮電容分量電流的影響。被測(cè)電容損耗的等值電導(dǎo)Gm的測(cè)量，im2和is2按下式計(jì)算

由式 (3)，(6)可見被測(cè)電容值和損耗值的準(zhǔn)確度僅取決于比較儀的匝數(shù)比。因此該類電橋具有恒定性的特點(diǎn)，不受外界溫、濕度影響。由于電流比較儀的容性誤差是隨著匝數(shù)的平方而變化的，因此限制了單個(gè)比較儀不能做成大于1000∶1的比例，尚不能滿足更大電容值的測(cè)量。

對(duì)更大的電容，通常采用分流器來擴(kuò)展比較儀電橋的比例臂，擴(kuò)大電橋的測(cè)量能力。圖3是一種典型的用分流器來擴(kuò)展量程的比較儀電橋。

圖3 外接分流器擴(kuò)展量程的電流比較儀電橋

與圖2中的電橋相比，此處橋路中增加了精密電流分流器，N1/N2為分流器的變比值。電流比較儀平衡時(shí)，電容平衡式為

電流分流器的比差和角差是測(cè)量電容值及其損耗的附加誤差，因此盡量選用高精度的電流分流器擴(kuò)大測(cè)量范圍。當(dāng)選用1000∶1的電流分流器時(shí)，電容測(cè)量的比值可達(dá)106，最大電流可以達(dá)到1000 A。但是在這樣高的比例時(shí)，電容器Cx的阻抗可能使它的引線壓降不能忽略不計(jì)，因而需要一個(gè)補(bǔ)償回路。線路中引入一個(gè)高輸入阻抗的電壓跟隨器來補(bǔ)償引線電阻的影響，使被測(cè)電容器引線上的壓降轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)電容器的支路內(nèi)。常見的電流比較儀式高壓電容電橋就是基于此原理設(shè)計(jì)的[3]。

以上電流比較儀式電橋雖然增加了精密的分流器來擴(kuò)展測(cè)量范圍，但由于是采用加電壓測(cè)電流的方法，因此這類電橋主要用來測(cè)量能承受高壓或大電流的電解電容。

2.2 模擬大電容的工作原理

標(biāo)準(zhǔn)電容器是用來保存和傳遞電容值的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，具有準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。而大容量電容器是不穩(wěn)定的，且目前大于1μF的電容器還沒有穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)器，用電解電容做標(biāo)準(zhǔn)是不合適的。為了滿足量值傳遞的需要并解決大電容標(biāo)準(zhǔn)器的問題，近年來出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)的等效模擬大電容，這些模擬大電容多是以幾個(gè)元件組成的等效電容網(wǎng)絡(luò)。通過精密設(shè)計(jì)和調(diào)整等效電容網(wǎng)絡(luò)，可以把電容做到法拉量級(jí)。

常見的模擬大電容是根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)傳輸阻抗原理來制作的，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 四端等效大電容結(jié)構(gòu)圖

圖4中，T1，T2分別是電流互感器和電壓互感器;α，β分別是電流和電壓的比例系數(shù);C為標(biāo)準(zhǔn)電容;P1，P2為電壓輸出端。天然云母具有很高的電擊穿強(qiáng)度，相對(duì)介電常數(shù)也比較大，穩(wěn)定性較高，是一種優(yōu)良的介質(zhì)材料，便于制作大容量的標(biāo)準(zhǔn)電容器[4]，常采用1μF的云母電容作為模擬大電容的內(nèi)附標(biāo)準(zhǔn)。

如果T1，T2都是理想的互感器，即它們的輸入阻抗為無窮大而輸出阻抗為零，等效電容值Ce為

這種模擬大電容的準(zhǔn)確度主要由兩個(gè)互感器的比率以及標(biāo)準(zhǔn)電容Cs的準(zhǔn)確度來決定。如果使比例系數(shù)α，β都等于1∶1000，則理想的等效電容Ce為1F。但是理想的互感器是不存在的，其激磁電流和漏阻抗會(huì)引起一定的誤差。如果選用優(yōu)良的高導(dǎo)磁材料以及完善的設(shè)計(jì)和制造工藝，可使互感器盡可能接近理想狀態(tài)。在50～100 Hz的頻率范圍內(nèi)，使模擬大電容準(zhǔn)確度達(dá)到千分之幾的指標(biāo)還是可行的。因此模擬大電容可以作為標(biāo)準(zhǔn)器來校準(zhǔn)一些更低準(zhǔn)確度的電橋。由于模擬大電容的主要組成部分是互感器線圈，因此頻率、電壓特性非常明顯，通常只能在低頻、低壓的技術(shù)條件下使用。

為了測(cè)量模擬大電容，除采用傳統(tǒng)的四線測(cè)量法消除引線電阻外，還應(yīng)特別注意電流回路的耦合影響，因此電壓測(cè)量線與電流測(cè)量線均采用同軸電纜，末端引出頭部分要緊緊咬合，使回路面積盡量小。為此應(yīng)按圖5所示的方法接線[5]。

圖5 大電容測(cè)量接線圖

2.3 測(cè)量模擬大電容的電流比較儀電橋

由結(jié)構(gòu)原理上可知，無法以加電壓測(cè)電流的方法測(cè)量模擬大電容。同時(shí)由于模擬大電容內(nèi)附的云母電容耐壓能力有限，電壓系數(shù)較大，也無法采用加大電流的方法測(cè)量。

通常采用圖6中的電流比較儀式電橋測(cè)量模擬大電容。該電橋主要由同相放大器A、隔離變壓器T1、電流分流器T2和電流比較儀T3、指零儀D、標(biāo)準(zhǔn)阻抗Cs和Rs以及信號(hào)源E構(gòu)成。當(dāng)電橋的三個(gè)比例臂同相放大器、電流分流器、電流比較儀比例同為100∶1時(shí)，可有效擴(kuò)展電橋的測(cè)量比例范圍至106∶1。在內(nèi)附標(biāo)準(zhǔn)電容為1μF的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)1F電容值的測(cè)量。

圖6 測(cè)量模擬大電容的電流比較儀電橋

線路中引入有源的同相放大器主要有兩個(gè)目的:一是利用它高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)，在線路中能夠把被測(cè)阻抗和標(biāo)準(zhǔn)阻抗完全隔離開來;二是利用它放大倍數(shù)準(zhǔn)確、可靠性高的特點(diǎn)，把取樣電壓按不同的比例放大，這樣既擴(kuò)展了量程，又提高了電橋的靈敏度。

給被測(cè)電容上施加電流Im，同時(shí)把電容上的采樣電壓通過同相放大器加到標(biāo)準(zhǔn)阻抗上，產(chǎn)生電流Is。其中Im通過電流分流器變成ImN1/N2，注入電流比較儀的一端，用以擴(kuò)大量程。電流Is注入比較儀的另一端，當(dāng)指零儀指零平衡時(shí)，準(zhǔn)確地反映了比例繞組中的安匝平衡。

當(dāng)忽略了比較器儀的比例繞組的線阻、漏感和放大器的輸入、輸出阻抗的影響后，線路的平衡方程為

被測(cè)電容的電阻為

由上面的平衡式不難看出，該電流比較儀電橋是由電流分流器、電流比較儀、運(yùn)算放大器三個(gè)比例器的乘積組成，具有很寬的測(cè)量范圍。

3 結(jié)論

電流比較儀的發(fā)展，把精密電測(cè)技術(shù)向前大大地推進(jìn)了一步。大電容測(cè)量只是電流比較儀在交流阻抗測(cè)量中的一種典型應(yīng)用。隨著材料制造工藝的不斷發(fā)展、設(shè)計(jì)技術(shù)水平的不斷提高，在精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，電流比較儀將會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

[1]朱輝.基于虛擬儀器的電容參數(shù)檢測(cè)儀的研究 [D].上海:同濟(jì)大學(xué)電子信息與工程學(xué)院，2010.

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[3]宗建華，閆華光，楊林.電流比較儀技術(shù)在精密測(cè)量中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2003，39(5):5－10.

[4]國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.電磁學(xué)計(jì)量 [M].北京:原子能出版社，2002.

[5]李莉.交流電橋檢定裝置量程擴(kuò)展 [J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2003，23(3):44－46.