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        高精度直流大電流源校準(zhǔn)方法的研究

        2020-07-28 13:10:08何修剛
        商品與質(zhì)量 2020年20期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法

        何修剛

        煙臺(tái)市計(jì)量所 山東煙臺(tái) 264003

        近年來(lái),高精度直流大電流源應(yīng)用越來(lái)越廣泛 ,有一些大電流源被用作量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn),例如被用作鉗形電流表、直流大電流表、電流傳感器等儀器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器等。這類(lèi)直流電流源有自己的特點(diǎn),一是準(zhǔn)確度等級(jí)比較高,一般在0.05級(jí)以下,二是最大輸出電流比較大,一般能達(dá)到1000A甚至2000A,對(duì)于這類(lèi)直流標(biāo)準(zhǔn)源如何進(jìn)行量值溯源,是一個(gè)一直困擾我們的難題[1]。一般直流標(biāo)準(zhǔn)源我們可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJF1638-2017多功能標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn),該規(guī)范提供了標(biāo)準(zhǔn)表法、電流電壓轉(zhuǎn)換法兩種方法進(jìn)行電流校準(zhǔn)。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)表法時(shí),目前高精度數(shù)字多用表例如8558A,最大測(cè)量電流為30A,不能采用此方法測(cè)量30A以上的電流, 有些廠家可以提供1000A以上的直流電流表,但是這類(lèi)電流表一般情況下準(zhǔn)確度不高,或者本身也很難進(jìn)行量值溯源。如果采用電流電壓轉(zhuǎn)換法,由于標(biāo)準(zhǔn)電阻或電流轉(zhuǎn)換器的最大電流限制,一般只能測(cè)量到100A以下電流,如果采用分流器來(lái)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換,分流器的準(zhǔn)確度很難達(dá)到要求,所以電流電壓轉(zhuǎn)換法對(duì)于100A以上的高精度電流源不容易實(shí)現(xiàn)。因此,為了校準(zhǔn)高精度直流大電流,我們需要找到一種容易實(shí)現(xiàn)并且能夠溯源的方法,通過(guò)與高精度直流源生產(chǎn)廠家以及一些計(jì)量同仁的探討,本文希望找出一種切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法,并通過(guò)不確定分析來(lái)驗(yàn)證這種方法的符合性。

        1 校準(zhǔn)方法

        本文以校準(zhǔn)長(zhǎng)沙天恒生產(chǎn)的TD8650鉗形電流綜合裝置為例,其電流準(zhǔn)確度為0.01級(jí),測(cè)量范圍為(0-1000)A。對(duì)于100A以下的測(cè)量電流,我們可以采用JJF1638-2017《多功能標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)規(guī)范》提供的方法進(jìn)行校準(zhǔn),本文不再做論述。本文重點(diǎn)討論100A以上電流的校準(zhǔn)方法。

        本次校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)器:

        表1

        本次校準(zhǔn)采用的方法,直流標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出電流I通過(guò)直流比例標(biāo)準(zhǔn)(變比比例k)變成二次電流I1,二次電流通過(guò)串聯(lián)的二等標(biāo)準(zhǔn)電阻R,在標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端并聯(lián)數(shù)字多用表,測(cè)得電阻兩端的電壓U,因此實(shí)際電流值

        圖1

        2 不確定度驗(yàn)證

        驗(yàn)證這種校準(zhǔn)方法是否合理有效,我們必須確保整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程引入的不確定度不大于被校設(shè)備的最大允許誤差的1/3。我們對(duì)此次校準(zhǔn)過(guò)程進(jìn)行不確定分析。

        2.1 測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

        式中:

        △I-被檢大電流源示值誤差;

        Ix-被檢電流源輸出顯示值;

        IN-直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)、直流標(biāo)準(zhǔn)電阻、數(shù)字多用表組合得到的直流電流標(biāo)準(zhǔn)值;k-直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)的變比;

        R-二等標(biāo)準(zhǔn)電阻的電阻值;

        U-數(shù)字多用表的實(shí)際電壓值。

        標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來(lái)源主要有以下幾方面:

        (1)在重復(fù)性條件下,由對(duì)被測(cè)大電流源的測(cè)量不重復(fù)引起的不確定度分項(xiàng)采用A類(lèi)評(píng)定。

        (5)校準(zhǔn)過(guò)程中由讀數(shù)分辨力引起的不確定度分量很小,因此可忽略不計(jì)。

        2.2 A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

        對(duì)此次校準(zhǔn)的直流標(biāo)準(zhǔn)電流源我們選取500A點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量,得到數(shù)據(jù)如下:

        表2

        2.3 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

        2.3.1 直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)引入的不確定度分量

        直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)的變比為(1000:5),最大允許誤差為±0.002%,在測(cè)量500A時(shí)帶來(lái)的電流最大允許誤差±0.002%×500A=±0.01A,在半寬區(qū)間里我們認(rèn)為服從均勻分布,其包含因子?u(kN)/(kN)=0.0058A/500A=1.16×10-5

        2.3.2直流標(biāo)準(zhǔn)電阻不準(zhǔn)引入的不確定度分量

        直流標(biāo)準(zhǔn)電阻經(jīng)檢定合格,準(zhǔn)確度等級(jí)為二等,年穩(wěn)定性為±0.001%,半寬區(qū)間里我們認(rèn)為服從均勻分布,其包含因子因此0.58×10-6Ω/0.1Ω=0.58×10-5

        2.3.3數(shù)字多用表不準(zhǔn)引入的不確定度分量

        由于采用的0.1Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻,數(shù)字多用表的電壓為0.1×(1000/5)×500=0.25V,通過(guò)查詢我們得到數(shù)字多用表在此量程的最大的允許誤差為±(3.0×0.25+0.2×2)×10-6=±1.15×10-6V,半寬區(qū)間里我們認(rèn)為服從均勻分布,其包含因子因此u(VN)==0.66×10-6V,u(VN)/(VN)=0.66×10-6V/0.25V=2.7×10-6

        2.3.4輸入量IN的不確定度

        由(3)式得

        當(dāng) IN=500A 時(shí),u(IN)=1.4×10-5×IN=1.4×10-5×500A=7×10-3A

        2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

        2.4.1靈敏度系數(shù)ci

        由(1)式得到靈敏度系數(shù)

        2.4.2測(cè)量不確定度匯總

        2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

        輸入量Ix和IN彼此相互獨(dú)立和互不相關(guān),合成不確定度按(4)

        表3

        式計(jì)算:

        因此合成不確定度:

        2.6 擴(kuò)展不確定度

        擴(kuò)展不確定度包含因子k=2。

        相對(duì)擴(kuò)展不確定度為:

        3 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)直流大電流標(biāo)準(zhǔn)源的不確定結(jié)果評(píng)定,我們可以得到校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為:3×10-5,符合不確定度不大于被測(cè)設(shè)備最大允許誤差1/3的原則。因此我們采用直流標(biāo)準(zhǔn)比例、直流標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字多用表組合來(lái)校準(zhǔn)0.01級(jí)及以下的直流大電流標(biāo)準(zhǔn)源是完全可行的,此方法極大的提高了我們的校準(zhǔn)能力[2-3]。

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