章曉明

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214101)

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精密焊接電流測量儀的校準方法研究和測量結(jié)果不確定度分析

章曉明

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214101)

本文介紹了精密焊接電流測量儀脈沖式大電流測量值的校準方法，設(shè)計了對稱軸固定邊沿脈寬可調(diào)的脈沖產(chǎn)生電路及校準精密焊接電流測量儀通電角的方法，并將電流的校準不確定度和通電角的校準不確定度進行了分析計算。

精密焊接；脈沖大電流；通電角

0 引言

精密焊接電流測量儀是一種瞬態(tài)大電流計量儀器，它能對焊接電流的峰值、有效值、通電角和通電周期數(shù)等進行測量。精密焊接的特點是電流強度控制要求高，焊接電流高達幾千安且持續(xù)時間僅1000ms左右，電流在10ms時間內(nèi)就要達到極值。為了控制焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率，需要用精密焊接電流測量儀對焊接電流的特性進行精確測量。對于這種特殊電流測量儀器的校準，現(xiàn)有的技術(shù)法規(guī)不適用，需要研究一種新的校準方法。

1 精密焊接電流測量儀原理

精密焊接電流測量儀是基于羅科夫斯基線圈，簡稱羅氏線圈(見圖1)脈沖電流測量原理的電流測量儀器，它的基本工作原理如下：

圖1 羅氏線圈示意圖

根據(jù)安培環(huán)路定律：

∮lHdl=i(t)

即：2prH=i(t)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律：

式中，N為線圈匝數(shù)，匝；S為線圈截面積，m2；μ為導磁率，H/m；r為線圈半徑，m；H為磁場強度，A/m；Φ為磁通量，Wb；i(t)為所要測量的電流，A；e(t)為線圈中感應(yīng)的電動勢，V；M為互感值，H。

所以，只要對e(t)積分，即能得到與被測電流成比例的電壓：

羅氏線圈的特點是不含鐵磁性材料，因此，無磁滯效應(yīng)，無磁飽和現(xiàn)象，相位誤差小，結(jié)構(gòu)簡單，與被測電流回路沒有直接的電路聯(lián)系；具有測量范圍寬、響應(yīng)頻帶寬、體積小、重量輕和安全等特點。

2 通電角測量值校準

2.1 通電角校準方法

精密焊接電流的典型波形是一串持續(xù)時間1000ms左右、頻率為50Hz的鐘形電流脈沖序列，對于不同被焊接器件，脈沖形狀會有所變化。典型波形如圖2所示：

圖2為一個周期的焊接電流波形，由于焊接材料間壓力情況的不同，導致焊接材料間接觸電阻的不同，從而影響電流的通電角度，而通電角度是影響焊點質(zhì)量的重要因素。

圖2 有效值相同的A、B兩組焊接波形

電流一個周期內(nèi)的數(shù)學解析式如下：

當相位角β=0→(p /2-θ/2);β=(p /2+θ/2)→(3p /2-θ/2);β=(3p /2+θ/2)→2p 時，電流i(t)=0；

其中θ為通電角,T為電流周期。

為了校準精密焊接測量儀的通電角，就要有通電角可調(diào)且角度已知的標準電流脈沖。圖3是對稱軸不變，通電角可調(diào)的標準通電角電流發(fā)生器方框圖：

圖3 通電角可調(diào)的標準通電角電流發(fā)生器方框圖

圖3中脈沖寬度電路事實上是一個對稱軸不變，通電角可調(diào)的標準通電角電流產(chǎn)生電路，電路圖如圖4所示：

圖4 對稱軸固定邊沿脈寬可調(diào)的脈沖產(chǎn)生電路

圖4中左邊是通電時間選擇電路，中間是波形切割電路，右邊是功率放大器。

設(shè)TC1輸出電壓為幅度為10V的正弦波，當導通角是30°時，即θ等于30°，波形轉(zhuǎn)折點是p /2-θ/2=75°，此時TC1的輸出電壓：u1=10Vsin75°=9.66V。

當導通角是60°時，波形轉(zhuǎn)折點是p /2-θ/2=60°，此時u1=10Vsin60°=8.66V。

當導通角是90°時，波形轉(zhuǎn)折點是p /2-θ/2=45°，此時u1=10Vsin45°=7.07V。

當導通角是120°時，波形轉(zhuǎn)折點是p /2-θ/2=30°，此時u1=10Vsin30°=5V。

當導通角是150°時，波形轉(zhuǎn)折點是p /2-θ/2=15°，此時u1=10Vsin15°=2.59V。

適當選擇穩(wěn)壓管就能選擇通電時間。

通過過零比較和電子開關(guān)來實現(xiàn)正弦波的切割。切割后的波形通過功率放大，就能直接使用了。

上述波形也可以用任意波形函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)生，輸入數(shù)學解析式，信號發(fā)生器就能獲得實際的電壓輸出波形，再接入功率放大器，信號就能使用了。

功率放大器輸出的信號可以達到10A，那么100匝的空心線圈就達到1000A，已經(jīng)可以模擬焊接電流。不過這個模擬焊接電流的通電時間并不用作標準，標準時間是用示波器來溯源的。

用tektronix公司生產(chǎn)的示波器電流探頭TCP202A測量電流脈沖寬度，該探頭最高頻率達50MHz，時間測量精度優(yōu)于1.0%，調(diào)節(jié)電流脈沖的不同通電角度，讀出焊接電流測量儀的通電角測量示值，通過以下計算就能得到焊接電流測量儀的通電角測量誤差。

設(shè)脈寬調(diào)整電路電流通電角為120°，輸入電源50Hz，T=20ms。曲線如圖(5)所示：

即θ=120°=(2/3)p

圖5 1周期內(nèi)的焊接電流波形圖

當相位2p (1/T)t=p /2-θ/2時，開始通電，此時t=(p /2-p /3)T/(2p )=T/12=1.67ms

當相位2p (1/T)t=p /2+θ/2時，開始斷電，此時t=(p /2+p /3)T/(2p )=5T/12=8.33ms

即通電角設(shè)定為120°，正半周焊接時間為:8.33-1.67=6.67ms。

負半周同理。

2.2 通電角測量的不確定度分析

將精密焊接電流測量儀的通電角測得值與作為標準器的示波器通電角測得值進行比較即可得到通電角的測量誤差：

y=θ-θ0

(1)

式中，θ為精密焊接電流測量儀測得的通電角；θ0為示波器測得的通電角。

方差和傳播系數(shù)，依照公式：

由式(1)得方差：

因傳播系數(shù)：c(θ)=?y/?θ=1；c(θ0)=?y/?θ0=-1，故：

2.2.1 測量重復性引入的不確定度u(θ)

焊接電流測量儀測得的通電角引起的不確定度，在測量過程中，只有重復性誤差才是它的表現(xiàn)形式。測量重復性可以發(fā)現(xiàn)測量過程中環(huán)境因素、人為操作所引起的誤差分量。用焊接電流測量儀的每次測得值減去示波器的測得值，用10次差值計算標準偏差就可得焊接電流測量儀的通電角測量重復性，測得數(shù)據(jù)如表1所示：

表1

次數(shù)12345678910示波器測量值(°)120128121127127119122122124130監(jiān)測儀測量值(°)123124125124122122118119119125差值(°)3-44-3-53-4-3-5-5

表1中，示波器測得值(°)=[示波器示值(ms)/10ms]×180°。從表1可以看出焊接電流測量儀的最大誤差為-5°，差值的標準偏差為：

焊接電流測量儀通電角測量重復性帶來的不確定度就是差值的標準偏差：

u(θ)=s=3.70°

自由度為ν(θ)=10-1=9

2.2.2 示波器時間測量標準不確定度u(θ0)

示波器時間測量誤差為1.0%，則在10ms即120°時的誤差為：

(120/180)×10×0.01/10×180=1.2°

自由度為：ν(θ0)=∞

忽略其它因數(shù)的影響，以上二項相互獨立，合成得：

uc(y)=3.76°

自由度為：

=3.704/{3.704/9+0.044/∞}=9

取置信水準p=95%，在自由度νeff=9情況下，查得t分布臨界值t0.95(9)=2.26，由此得覆蓋因子k=2.26。而擴展不確定度為：

U0.95=2.26×3.76°=8.50°

從上式可知在120°時校準精密焊接電流測量儀的通電角，其校準的測量擴展不確定度為8.50°。

3 電流測量值校準

3.1 焊接電流測量值校準方法

用FLUKE公司生產(chǎn)的5520A多功能校準器輸出的50Hz標準電流作為電流源，將標準電流輸出至電流擴大線圈附件中，當5520A輸出10A交流電流時，1000匝的線圈將等效10kA的電流，變換線圈匝數(shù)或5520A的輸出電流，就能得到不同的標準電流值。將精密焊接電流測量儀的測量線圈套入電流擴大線圈附件中，就能在不同的電流點對精密焊接電流測量儀的測量值進行校準。

3.2 電流測量的不確定度分析

設(shè)5520A輸出1000A電流值，交流電流精度為0.08%。將精密焊接電流測量儀的測得值與5520A輸出的標準電流值比較即可得到電流的測量誤差：

y=I-I0

(2)

式中，I為精密焊接電流測量儀測得的電流；I0為5520A的輸出電流。

方差和傳播系數(shù)，依照公式：

由式(2)得方差：

傳播系數(shù)：c(I)=?y/?I=1；c(I0)=?y/?I0=-1，故：

3.2.1 重復性誤差引入的不確定度u(I)

5520A多功能功能校準源輸出10A電流至鉗形表檢定附件，得到1000A的50Hz交流電流，精密焊接電流測量儀對電流進行測量，重復進行10次，計算標準偏差就可得焊接測量儀的電流測量重復性，測得數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

次數(shù)12345678910監(jiān)測儀測量值/A1006100310041001100310051002100310051002

監(jiān)測儀測量值的標準偏差為：

精密焊接電流測量儀重復性誤差帶來的不確定度就是測量值的標準偏差：

u(I)=s=1.58A

自由度為ν(I)=10-1=9

3.2.2 電流輸出誤差引入不確定度u(I0)

自由度為ν(T0)=∞

忽略其它因數(shù)的影響，以上二項相互獨立，合成得：

uc(y)=1.65A

自由度為：

=1.654/{1.584/9+0.464/∞}=10.7≈10

取置信水準p=95%，在自由度νeff=10情況下，查得t分布臨界值t0.95(10)=2.23由此得覆蓋因子k=2.23。而擴展不確定度為：

U0.95=1.65×2.23=3.68A

上式表示精密焊接電流測量儀在1000A進行校準的測量擴展不確定度為3.68A。

4 結(jié)束語

本測量方法的關(guān)鍵是構(gòu)建對稱軸不變，通電角可調(diào)的標準通電角電流產(chǎn)生電路，此電路實現(xiàn)方法簡單可靠，價格低廉。另外，由于精密焊接電流測量儀是一種非常專業(yè)的電流測量儀器，它的測量過程很特殊，工作狀態(tài)設(shè)置要求也比較復雜，因脈沖電流是從0.1～10kA的大電流，測量過程要集中注意力，避免儀器和人員的不安全風險。

[1] 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1999

[2] 邱關(guān)源.現(xiàn)代電路理論.北京：高等教育出版社，2001

[3] 5520A多功能源技術(shù)說明書.美國FLUKE公司，1990

[4] 施昌彥，劉風.測量不確定度評定與表示指南.北京：中國計量出版社，2000

[5] MM-122A精密焊接電流測量儀技術(shù)說明書.MIYACHI公司，2005

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.14