周力任 潘洋 朱力

摘要：為提升磁調(diào)制式直流電流比較儀的性能，探索低磁勢(shì)至額定磁勢(shì)下的比例準(zhǔn)確度，提出基于參考繞組法的自校準(zhǔn)方法。分析含有參考繞組的DCC結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量獨(dú)立的10組一次繞組與參考繞組和10組一次繞組串聯(lián)后與二次繞組的差值電流，結(jié)合公式推導(dǎo)計(jì)算，得到一次繞組相對(duì)于參考繞組以及二次繞組的比例實(shí)際值和相應(yīng)誤差。測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差和不確定度都達(dá)到10^-8量級(jí)。采用具有溯源性的傳遞比較法對(duì)自校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過與上一級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果和不確定度比較，滿足JJF 1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》對(duì)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證的要求?；趨⒖祭@組的DCC自校準(zhǔn)方法具有測(cè)量結(jié)果不確定度小和測(cè)量過程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，滿足直流電流比例溯源的要求。

關(guān)鍵詞：直流電流比較儀;傳遞比較法;參考繞組法;自校準(zhǔn);不確定度

中圖分類號(hào)：TM276文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0043-04

0引言

直流電流的計(jì)量是電磁計(jì)量的重要組成部分，涉及工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的諸多領(lǐng)域。磁調(diào)制式直流電流比較儀（DCC）是基于磁調(diào)制原理的一種閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電流比例的變換。由于直流條件下無(wú)法直接進(jìn)行磁感應(yīng)耦合，因此需要借助磁調(diào)制器的調(diào)制、解調(diào)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安匝平衡，即工作在零磁通狀態(tài)。DCC以其高準(zhǔn)確度、低漂移、高線性度等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于直流電流的量值傳遞與溯源。

為確保DCC的性能可靠，必須對(duì)其準(zhǔn)確度進(jìn)行校準(zhǔn)。邵海明提出了一種在實(shí)際工作狀態(tài)下的DCC高準(zhǔn)確度自校準(zhǔn)新方法——串并聯(lián)法，主要通過固定一次母線、控制并聯(lián)時(shí)流過繞組電流的均勻性，由1A：1A自校準(zhǔn)開始，4次測(cè)量后電流比例快速擴(kuò)展到5kA：5A，測(cè)量結(jié)果的不確定度為1.0×10^-8-2.6×10^-7。曹燕飛等提出一種電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置自校準(zhǔn)方法，經(jīng)自校、加法、比較、測(cè)β及乘法步驟，完成絕對(duì)校準(zhǔn)。加法需要由2臺(tái)DCC完成，其測(cè)量步驟較多，不確定度較小，適合電流比例不太大的情況;而乘法則需要3臺(tái)DCC共同完成，在非額定磁勢(shì)下進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電流比例的快速擴(kuò)展。Rietveld等H在一次電流超過100A時(shí)采用等安匝方法進(jìn)行校準(zhǔn)，最大電流為600A，測(cè)量結(jié)果的不確定度優(yōu)于5×10^-6。

為了探索DCC在低磁勢(shì)至額定磁勢(shì)下的比例線性度，本文提出一種基于參考繞組法的自校準(zhǔn)方法，將測(cè)量結(jié)果與上一級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的量值溯源結(jié)果采用傳遞比較法進(jìn)行驗(yàn)證，為DCC產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能提升提供參考。

1參考繞組法的測(cè)量原理

DCC由1對(duì)高磁導(dǎo)率的主鐵芯、屏蔽鐵芯、激勵(lì)繞組、比例繞組和調(diào)制解調(diào)電路等構(gòu)成。反向串聯(lián)兩個(gè)鐵芯的激勵(lì)繞組，從而構(gòu)成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測(cè)直流電流為零時(shí)，兩個(gè)鐵芯中只有激勵(lì)電壓所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)，由于是反向串聯(lián)，因此檢測(cè)繞組感應(yīng)的電壓大小相等、方向相反，互相抵消。當(dāng)被測(cè)直流電流不為零時(shí)，直流偏置磁場(chǎng)使得鐵芯在一個(gè)方向上較另一個(gè)方向更易飽和，對(duì)稱性被破壞。通過解調(diào)電路將表征被測(cè)電流大小和方向的偶次諧波的峰差值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，再經(jīng)功率放大后輸送至二次繞組，形成一個(gè)閉環(huán)控制的反饋隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟隨待測(cè)直流電流信號(hào)。

當(dāng)二次繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)I2×N2（二次電流乘以二次繞組匝數(shù)）抵消被測(cè)電流產(chǎn)生的磁勢(shì)I2×N1（一次電流乘以一次繞組匝數(shù)）時(shí)，DCC進(jìn)入“零磁通”狀態(tài)，一次與二次的電流比例反比于其繞組的匝數(shù)比，從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確的直流比例。

本文研制了1臺(tái)高性能的DCC，加入?yún)⒖祭@組，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，W2（i=1，2，…，10）表示10組以100T為步進(jìn)的一次繞組，由撥盤控制任意可調(diào);Wr表示與一次繞組步進(jìn)相同的即匝數(shù)為100T的參考繞組;Ws表示二次繞組，其匝數(shù)為固定的1000T;DCI表示直流電流源，自校準(zhǔn)時(shí)提供一次電流;nA表示小電流表，用于測(cè)量差值電流。各繞組在主鐵芯上均勻密繞，然后將端子引出到DCC的前面板，便于接線。

參考繞組法的自校準(zhǔn)步驟分為2步。1）測(cè)量每組一次繞組相對(duì)于參考繞組的差值。將獨(dú)立的10組一次繞組逐個(gè)與參考繞組反向串聯(lián)，形成100T與100T的比較，接線如圖l所示。直流電流源輸出1A的額定電流Ii，磁勢(shì)平衡后，記錄小電流表測(cè)得的差值電流△Ii，可得：

2）測(cè)量串聯(lián)后的一次繞組相對(duì)于二次繞組的差值。參考電流比例的自校準(zhǔn)方法，將獨(dú)立的10組一次繞組同向串聯(lián)，與二次繞組形成1000T與1000T的比較，如圖2所示。

直流電流源同樣輸出1A的額定電流I，磁勢(shì)平衡后，記錄小電流表測(cè)得的差值電流△I，可得：

2自校準(zhǔn)的結(jié)果與驗(yàn)證

圖3為DCC自校準(zhǔn)試驗(yàn)所需儀器的照片，包括一臺(tái)含參考繞組的高準(zhǔn)確度DCC、能夠提供穩(wěn)定直流的電流源和分辨率達(dá)到pA級(jí)的小電流表。

按上文所述步驟進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1和表2所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，結(jié)合式（5）和式（6）的計(jì)算，可最終得到一次繞組與參考繞組和二次繞組的比例實(shí)際值，分別如表3和表4所示。需要說(shuō)明的是式（5）和式（6）的計(jì)算結(jié)果為繞組匝數(shù)比，由上文闡述可知DCC的電流比例與其匝數(shù)比成反比，因此還需進(jìn)行一步求倒數(shù)的計(jì)算。

從測(cè)量結(jié)果可知，無(wú)論是一次繞組相對(duì)于參考繞組，還是相對(duì)于二次繞組，電流比例的相對(duì)誤差都為10^-8量級(jí)?？梢奃CC電流比例的線性度和準(zhǔn)確度都非常高。

將此臺(tái)DCC送至上一級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值溯源，對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證自校準(zhǔn)的結(jié)果。下文以（w1/ws）為例。

根據(jù)JJF 1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》，選擇傳遞比較法進(jìn)行驗(yàn)證，具體過程為：用被考核的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量一穩(wěn)定的被測(cè)對(duì)象，然后將該被測(cè)對(duì)象用高等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。若用被考核計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和高等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的擴(kuò)展不確定度分別為U_Iab和U_ref，它們的校準(zhǔn)結(jié)果分別為‰和y_ref，在兩者的包含因子近似相等的前提下應(yīng)當(dāng)滿足：

自校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于：測(cè)量重復(fù)性、DCC零點(diǎn)的漂移、差值電流的測(cè)量、二次電流的測(cè)量和磁勢(shì)不平衡。表5提供了自校準(zhǔn)的結(jié)果和絕對(duì)不確定度以及上一級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)結(jié)果和絕對(duì)不確定度，相對(duì)不確定度也都達(dá)到了10^-8量級(jí)，可以看出，滿足式（7）的要求，因此驗(yàn)證結(jié)果滿意。

3結(jié)束語(yǔ)

本文從參考繞組法的測(cè)量原理人手，分析了1種含有參考繞組的DCC結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了自校準(zhǔn)的2個(gè)步驟，列出了獨(dú)立的10組一次繞組與參考繞組和10組一次繞組串聯(lián)后與二次繞組的差值電流。根據(jù)測(cè)量原理進(jìn)行了公式推導(dǎo)，最終得到一次繞組相對(duì)于參考繞組和一次繞組相對(duì)于二次繞組的比例實(shí)際值。結(jié)果顯示，相對(duì)誤差和相對(duì)不確定度都達(dá)到了10^-8量級(jí)。

采用具有溯源性的傳遞比較法對(duì)自校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室和上一級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果與不確定度，滿足JJF 1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》對(duì)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證的要求?；趨⒖祭@組法的直流電流比較儀自校準(zhǔn)方法具有測(cè)量結(jié)果不確定度小和測(cè)量過程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，能快速實(shí)現(xiàn)誤差的測(cè)量，滿足DCC電流比例溯源的要求。