何 昭， 黃見明， 田 偉

（中國計量科學研究院，北京 100029）

30 kHz～30 MHz電壓基準研究

何 昭， 黃見明， 田 偉

（中國計量科學研究院，北京 100029）

中國計量科學研究院研制了30 kHz～30 MHz頻率范圍內基于同軸熱電轉換器的直流—交流電壓轉換器，并基于該轉換器建立了該頻段的低頻電壓基準裝置。理論分析與實驗驗證結果表明：該基準裝置在30 kHz～30 MHz頻率范圍內，0.1～100 V量程中，不確定度為0.01%～0.1%（k＝2），填補了現有國家電壓計量基準裝置在1～30 MHz頻段范圍內的空白。

計量學；同軸熱電轉換器；電壓基準

1 概 述

在無線電計量領域中，電壓是基本參量之一，在整個計量體系中具有基礎性的重要地位。我國對電壓計量一直非常重視，在無線電計量領域，建立了2個頻段國家電壓基準，即低頻電壓基準和射頻電壓基準。其中，低頻電壓基準頻率范圍為30 kHz～1 MHz，電壓范圍為0.25～100 V，準確度為±（0.004%～0.03%），采用同軸熱電轉換器作為測量元件；射頻電壓基準頻率范圍為30 MHz～3 GHz，電壓范圍為0.1～2 V，準確度為±（0.25%～0.7%），采用薄膜熱變電阻作為測量元件。然而，從上述我國已建立的電壓基準的頻率范圍可以看出，在交流電壓計量領域，我國的基準尚未實現完全的頻率覆蓋，在被RFID等新興信息產品所廣泛使用的1～30 MHz頻率范圍內，國家交流電壓基準仍屬空白。

1995年，國際電磁咨詢委員會（CCEM）組織了交流電壓的國際比對，頻率范圍為1～50 MHz，并在后續(xù)比對過程中拓展到了100 MHz［1］，英、美、德等發(fā)達國家參與了該項比對，形成了世界范圍內交流電壓基準的國際互認。因此，建立和完善我國交流電壓基準對增強國家在計量科學領域的國際競爭力具有重要意義。

2 原理與技術方案

2.1 基本原理

目前，各國計量機構的交流電壓基準主要是通過采用AC-DC電壓轉換裝置，將交流電壓溯源到直流電壓基準的方式予以建立［1～7］。我國建立的低頻電壓基準其核心元件是單腔的同軸熱電轉換器，不僅結構簡單，且在較寬的頻率范圍內準確度高，穩(wěn)定可靠。在30 kHz～30 MHz頻率范圍內建立電壓基準，采用同軸熱電轉換器也是最理想的方案。

根據電磁場理論的分析，對于交變電場，只有橫電磁波（TEM波）測量電壓才有唯一值，在同軸線或同軸腔體中建立的電壓能夠滿足這一條件。同軸熱電轉換器的結構見圖1，外殼為一終端封閉的金屬圓筒腔，沿腔體的軸線串聯放置一高頻或超高頻真空熱偶和一棒狀限流電阻，腔的輸入端為N型陰性精密同軸接頭。圖中T為超高頻真空熱偶，是實現交直流轉換的關鍵元件，它是由一根加熱絲和一對偶絲組成，它們之間的位置由一個玻璃小珠固定，小珠起到傳導熱和電氣絕緣的作用。圖中R為限流電阻，用于擴展量程，限流電阻采用棒狀無感薄膜電阻，以減小分布參數影響并擴大工作頻率范圍。T與R串聯，安裝在同軸腔體的軸心線上，腔體材料選用無磁黃銅，可起到屏蔽作用，防止腔體內溫度的散發(fā)和電磁場的輻射，同時也防止外界溫度和電磁場干擾的影響，使裝置穩(wěn)定、可靠。

圖1 同軸熱電轉換器結構示意圖

式中，Vac為交流電壓；Vdc為能產生與交流電壓相同輸出熱電勢的直流電壓平均值。

2.2 同軸熱電轉換器的設計

作為低頻電壓基準裝置的核心，本文使用一組共7只同軸熱電轉換器來覆蓋所需要的電壓范圍，其中基本量程為0.5～1 V的同軸熱電轉換器。表1為同軸熱電轉換器的量程、限流電阻和熱偶的組合。其中熱偶均采用BEST公司生產的超高頻真空

若在輸入端進行直流電壓和交流電壓切換時，使它的輸出熱電勢保持不變，在同軸熱電轉換器輸入端的已知直流電壓量值就傳遞給了該交流電壓。若同軸熱電轉換器的交直流轉換是理想的，產生相同熱電勢的交流電壓與直流電壓就應當完全相等。實際上，由于元器件、結構和頻率的影響等，用相同效應的直流電壓替代交流電壓時，將會產生轉換誤差。通常用交直流轉換誤差S來表征轉換器的工作性能，其定義式為熱偶，加熱絲電阻為90Ω或40Ω，限流電阻選用的是Vishay公司生產的高頻棒狀無感電阻，根據不同量程的需要，采用不同阻值的限流電阻。

表1 量程、限流電阻和熱偶的組合

由于熱偶加熱絲段的分布電感和電容可以忽略，可以在結構尺寸上盡可能減小直流轉換差。根據限流電阻的阻值及內徑的實測數據和熱偶加熱絲電阻的測量數據計算同軸熱電轉換器的腔體內徑，并考慮安裝的要求，得到的同軸熱電轉換器的腔體尺寸見表2。

表2 同軸熱電轉換器內的腔體尺寸

考慮到安裝熱偶的要求，同軸熱電轉換器的內徑尺寸不能小于30 mm，所以根據理論計算的尺寸可能無法實現。目前設計完成的同軸熱電轉換器中，量程在10 V以內的是按表2所示內徑尺寸制作，量程超過10 V則由于計算得到尺寸無法實現而使用與量程為1～3 V的同軸熱電轉換器同樣的尺寸。圖2為設計完成的一組7只同軸熱電轉換器，金屬腔體采用無磁黃銅材料，腔體外部鍍鎳處理。

2.3 低頻電壓基準裝置

基于同軸熱電轉換器的基本原理，低頻電壓基準裝置系統(tǒng)框圖見圖3。

圖2 同軸熱電轉換器成品圖

圖3 低頻電壓基準裝置系統(tǒng)框圖

原低頻電壓基準使用的直流電壓源為Fluke公司生產的5720A校準源，該校準源是目前準確度最高的電壓源，其寬帶選件可提供頻率達30 MHz的電壓輸出；熱偶電勢測量使用2臺34420A納伏表進行測量；射頻信號源用于提供電壓信號，要求輸出大，穩(wěn)定性好及波形失真小，考慮到低頻電壓基準裝置和射頻電壓基準裝置可同時使用該儀器，選擇了SMF100A信號發(fā)生器。

低頻電壓基準裝置可通過GPIB總線實現自動測量，測量軟件設計上主要包括測量儀器控制程序、根據不同被測對象實現的測量方法控制程序和數據計算與處理程序。

圖4 低頻電壓定度裝置

為了更好地進行低頻電壓的量值傳遞，設計制作了低頻電壓定度裝置，見圖4。低頻電壓定度裝置通過程控開關可以方便地切換交流電壓和直流電壓，為了進一步減少交直流電壓的相互影響，在設計中使用了2個開關，一個帶有吸收負載，在功率允許的情況下，使用這個開關能提高交直流電壓之間的隔離度。兩個同軸熱電轉換器使用扁三通連接，扁三通是為了盡可能減少電壓參考面的距離，保證電壓測量的準確度。定度裝置上面設計了一個有機玻璃罩子，用于隔絕空氣流通，保證測量時的穩(wěn)定性。

同軸熱電轉換器是通過逐級傳遞實現量值傳遞和溯源的，在一組同軸熱電轉換器中，準確度最高的一般是1 V量程的同軸熱電轉換器，再通過它向更高量程或更低量程進行傳遞。

3 測量不確定度評定

低頻電壓基準裝置不確定度主要由兩部分組成：一是基本誤差引入的不確定度分量；二是頻率附加誤差引入的不確定度分量。

3.1 基本誤差引入的不確定度

基本誤差引入的不確定度來源主要包括：熱偶的AC／DC轉換誤差、系統(tǒng)的噪聲和漂移引入的誤差、直流電壓測量不準引入的誤差、熱電動勢測量不準引入的誤差和熱偶絕緣珠引入的誤差。

（1）熱偶AC／DC轉換誤差引入的不確定度分量

熱偶加熱絲上由于湯姆遜效應和帕爾帖效應以及制造工藝、材料等的影響將產生交直流轉換誤差，這個誤差理論上可根據Widdis FC給出的公式估算。另外根據熱偶給出的正反向差也可估計出AC／DC轉換差。通常會比正反向差小一個數量級。實際選用的真空熱偶其正反向差為4×10－5，因此可以認為該誤差為±1×10－5并服從均勻分布，k＝1.73，可得標準不確定度分量ua＝6×10－6。

（2）系統(tǒng)的噪聲和漂移引入的不確定度分量

同軸熱電轉換器的噪聲和漂移主要來源于限流電阻，熱偶和環(huán)境溫度變化和其他變化。

在設計過程中，對限流電阻R已采取措施，R的額定功率為1 W，實際使用時，功率在100 V時，僅為0.5 W，對于1 V標準量程的同軸熱電轉換器，額定功率是實際功率的300倍以上，功率余量較大，因此由R引起的漂移可以忽略不計。

熱偶指示采用34420A納伏表，該儀表自身的漂移和噪聲均非常小，分辨力為0.1 nV。熱電轉換器內的熱偶使用的是真空熱偶，測量時整個系統(tǒng)保持溫度恒定并且盡量隔絕空氣流通，但由于熱偶的溫度系數較大，漂移仍然是不能忽略的。根據分析和實驗測量，一般在1次測試周期內（以5 min計算），34420A納伏表無測試信號輸入時，系統(tǒng)零位變化在±30 nV范圍內。對于同軸熱電轉換器工作量程的下限，即1 mV以上的熱電勢輸出，相對變化為30×10－6，則相當轉換器輸入端電壓變化小于15×10－6。按正態(tài)分布計算，k＝2，可得標準不確定度分量ub＝10×10－6。

（3）直流電壓測量不準引入的不確定度分量

式中，ΔV／V為同軸熱電轉換器輸入端電壓變化；ΔE／E為同軸熱電轉換器輸出端熱電勢變化。

由式中看出，熱偶輸出變化是輸入變化的2倍。根據本文使用的量程范圍和34 420 A的分辨力，其誤差限約為±15×10－6，按均勻分布，k＝1.73，標準不確定度分量ud＝9×10－6。

（5）熱偶絕緣珠引入的誤差

熱偶的加熱絲與偶絲是通過玻璃小珠固定的，并起著熱傳導和電絕緣的作用。但它的絕緣電阻不可能為無限大，因此會產生泄漏電流，這個電流對珠子會產生一個附加熱效應，此熱效應使熱偶溫升的效率比加熱絲產生的高，而且泄漏電流還使加熱絲兩端的電流不等。要減小這項誤差，通常都是選用絕緣電阻盡可能高的玻璃小珠，降低熱偶對地的電位等措施，誤差一般小于10×10－6，按正態(tài)分布，取k＝2，可得標準不確定度分量ue＝5×10－6。

根據不確定度傳播定律，可得基本誤差引入的標準不確定度分量［8］為

替代交流電壓的直流電壓使用Fluke 5790A測量，其最大允許誤差小于15×10－6，按均勻分布，k＝1.73，可得標準不確定度分量uc＝9×10－6。

（4）熱電動勢測量不準引入的不確定度分量

對于輸出熱電勢為7 mV的熱偶，滿量程時7 mV，半量程為1.25 mV。同軸熱電轉換器的熱電勢輸出由納伏表34 420 A進行測量，熱偶輸出變化與輸入變化有如下近似關系

3.2 頻率附加誤差引入的不確定度

頻率附加誤差各分量的評定依據如下：

（1）輸入接頭引入的不確定度分量

實際使用N型陰性接頭為輸入接頭，從輸入接頭內導體端點到限流電阻R的距離為10 mm左右，這樣一根內導體在1～30 MHz時的引線電感量約為10 nH，此外N型接頭內導體與外導體之間還有分布電容存在，這些分布參數均將引入誤差。在1 MHz時，引入的誤差約4×10－6；10 MHz時，引入的誤差約40×10－6；30 MHz時，引入的誤差約220×10－6。按均勻分布計算該標準不確定度分量

u1。

（2）趨膚效應引入的不確定度分量

當工作頻率升高時，AC電流在導體中流動會發(fā)生趨膚效應。發(fā)生趨膚效應時，電流不再流過整個導體。這時，導體的電阻將隨著頻率的平方根而增加。對于低電壓量程的轉換器，由于串聯電阻變小，到1 MHz以上趨膚效應的影響變顯著了，它與電壓量程有關。

轉換器額定電壓在3 V以下，按均勻分布計算，標準不確定度分量為：在1 MHz時，誤差約50×10－6；在10 MHz時，誤差約100×10－6；在30 MHz時，誤差約200×10－6，隨著電壓的升高，趨膚效應的影響減小。按均勻分布計算該標準不確定度分量u2。

（3）熱偶高頻誤差引入的不確定度分量

由于熱偶存在著引線電感和分布電容及加熱絲趨膚效應等影響，在交直流替代測量時，會產生附加的頻率誤差。本文在設計同軸熱電轉換器時，做出了一些假設，而在實際中，熱偶的分布參數會引入測量誤差，對于本文選用的真空熱偶，其Rh＝90Ω，Ch＜0.3 pF，Lh＜10 nH。根據傳輸線理論，按照實際元件的參數對誤差進行估計，按均勻分布計算該標準不確定度分量u3。

（4）限流電阻引入的不確定度分量

同軸熱電轉換器高頻誤差主要來源于限流電阻R部分，其誤差與RC時間常數有關，RC時間常數越大，引入的誤差也越大，本文使用的電阻R是棒狀金屬膜電阻，因此電阻R部分可近似于無損耗均勻傳輸線。

對高壓量程可以把R部分近似地看成短路同軸傳輸線；對低壓量程，可以把R部分看成有集中電阻負載的同軸線。按均勻分布計算該標準不確定度分量u4。

（5）其它不確定度分量

除上述分析的不確定度分量外，還有一些影響也不能忽略，它們?yōu)椋海╝）限流電阻到真空熱偶連接引線的影響引入的不確定度分量；（b）真空熱偶到腔體連接引線引入的不確定度分量。

由于這些不確定度分量難以準確分析，對這些不確定度分量的總體大小，參考第（1）項輸入接頭引入的不確定度分量進行估計，考慮到兩段引線，按第（1）項誤差大小放大2倍進行估計，在1 MHz時，引入的誤差約8×10－6；10MHz時，引入的誤差約80×10－6；30 MHz時，引入的誤差約440× 10－6。按均勻分布計算該標準不確定度分量u5。

頻率附加誤差各分量的評定結果見表3［3］。

根據不確定度傳播定律，可得頻率附加誤差引入的不確定度為

3.3 合成不確定度

合成標準不確定度為取k＝2，計算的合成標準不確定度與擴展不確定度見表4。

表3 頻率附加誤差引入的不確定度×10－6

表4 標準不確定度與擴展不確定度

4 實驗驗證

使用2種不同的實驗方案對同軸熱電轉換器的理論分析結果進行實驗驗證：一種方案為使用研制的同軸熱電轉換器與高準確度的交流測量標準和同軸熱電轉換器進行比對測量，驗證基準裝置的不確定度；另一種方案為與PTB／IPHT研制的頻率范圍為1 kHz～1 MHz的同軸熱電轉換器（交直流轉換差＜20×10－6）進行比對測量，同時使用阻抗分析儀對同軸熱電轉換器在不同頻率時的阻抗變化測量，以達到間接驗證的效果。

4.1 直接驗證

在30 kHz～1 MHz頻率范圍內選取了1 kHz、30 kHz、100 kHz和1 MHz共4個頻率點，分別使用0.1 V，1 V，10 V和100 V共4個量程的同軸熱電轉換器，在0.08 V，0.8 V，8 V和80 V電壓處進行比對測量。測量時使用FLUKE公司的5720A校準源提供電壓，同軸熱電轉換器測量值uco與FLUKE公司的5790A交流測量標準的低頻電壓測量值us的比對結果見表5。在4個頻率點處的最大偏差分別為0.0042%、0.01%、0.016%和0.04%。

Ballantine公司生產的同軸熱電轉換器準確度為±（0.1%～1%），在1～30 MHz頻率范圍內，分別選取了1 MHz、10 MHz和30 MHz共3個頻率點與Ballantine公司生產的同軸熱電轉換器進行了比對測量，測試點選擇100 mV、0.8 V和3.2 V，測量結果見表6。在3個頻率點處的最大偏差分別為0.019%、0.16%和0.28%。

表5 1 kHz～1 MHz電壓比對測量

表6 1～30 MHz電壓比對測試

4.2 間接驗證

由理論分析可知，基準裝置的不確定度主要由交直流轉換差決定。因此，在1 kHz～1 MHz與PTB／IPHT研制的同軸熱電轉換器進行交直流轉換差比對測量，結果見圖5。在4個頻率點處的交直流轉換差的偏差分別為25×10－6、61×10－6、72 ×10－6和87×10－6。

圖5 與PTB／IPHT同軸熱電轉換器比對測試

此外，作為重要（在較高頻率時為主要）的誤差分量，頻率附加誤差分量主要由不同頻率時同軸熱電轉換器的阻抗變化所決定。因此，在1～30 MHz使用射頻阻抗分析儀E4991A對同軸熱電轉換器的阻抗變化進行測量，以1 MHz的阻抗值為參考點，測量結果見圖6。1～30 MHz頻率范圍內的阻抗波動隨頻率的增加總體呈現上升的趨勢，最大偏差為0.06%。

圖6 同軸熱電轉換器的阻抗變化測試

間接驗證的結果表明，同軸熱電轉換器的交直流轉換差和頻率附加誤差的測量結果，與對基準裝置不確定度的理論分析結果保持較好的一致性。

綜合以上理論分析與試驗驗證結果，低頻電壓基準裝置指標見表7。

表7 低頻電壓基準裝置不確定度指標

5 結 論

中國計量科學研究院基于同軸熱電轉換器建立的30 kHz～30 MHz電壓基準裝置，在0.1～100 V量程中，不確定度為0.01%～0.1%（k＝2）。該基準填補了1～30 MHz頻段范圍內國家電壓計量基準的空白，進一步完善了國家電壓量值傳遞體系。

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Research on the National Voltage Standard for 30 kHz～30 MHz

HE Zhao， HUANG Jian-ming， TIANWei
（National Institute of Metrology，Beijing100029，China）

Based on coaxial thermal voltage converters，the national voltage standard for 30 kHz～30 MHz has been established by National Institute of Metrology（NIM）.The results of theoretical analysis and experiments indicate that in the frequency band of30 kHz to 30 MHz and voltage range 0.1 V to100 V，the uncertainty is0.01%to0.1%（k＝2）. This accomplishment has filled the gap of the national voltage standard in 1～30 MHz.

Metrology；Coaxial thermal voltage converter；Voltage standard

TB973

A

1000-1158（2014）06-0528-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．02

2014-06-28；

2014-08-27

何昭（1968－），男，內蒙古呼和浩特人，中國計量科學研究院副研究員，碩士，研究方向為無線電計量、射頻信號測量。hezhao＠nim.ac.cn