CN101398473A

CN101398473A - 一种溯源校正中的量值传递方法

Info

Publication number: CN101398473A
Application number: CNA2008101991951A
Authority: CN
Inventors: 赵祥林; 贺艳平; 骆雪; 叶小雪
Original assignee: Yangcheng Science & Technology Industry Co Ltd Guangzhou City
Current assignee: Guangzhou Geny Electric Co ltd
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: CN101398473B

Abstract

本发明公开了一种溯源校正中的量值传递方法，按大小依次呈相同倍数设置双级互感器的一次绕组匝数，对应设定每个匝数的输入交流电流量程，使其磁通量的安匝数相同；对应每个输入电流量程设定从满量程开始依次按相同百分倍数递减，形成一个电流输入量限矩阵，将量限矩阵中相同大小的数值组成等流线；将上述电流输入量限矩阵中各输入量限值与对应的一次绕组匝数获得相同安匝数的组成等阻抗线，等阻抗线与等流线形成交叉点；每条等阻抗线等效对应互感器的二次绕组在各百分倍数递减量输入情况下的有源阻抗；溯源校正中沿等电流线传递，再沿等阻抗线扩展传递。本发明测量精度高、输入量限范围大。

Description

一种溯源校正中的量值传递方法

技术领域

本发明涉及一种溯源校正中的交流电流的测量量值传递的方法。

背景技术

在交流电流的精密测量和量值传递中，需要实现在较宽的量程对交流电流的幅值和相位进行准确测量；测量的量值能够记录、储存和重现。并由于精度的要求，测量的量值能够统一的从高精度往低精度传递。

最高的交流电流基准是由中国国家计量院建立。基准通常是由精密的直流参考电压、标准电阻以及交直流比较仪等标准件组成，这些标准件都是能够溯源到更高的标准或通过不定期的国际比对予以确认。目前国家工频电流、电压和功率基准的不确定度在15PPm。

国家计量院日常的传递是使用定期标定的工作标准来完成。这些仪器是长期稳定性较好的单量限仪表和大型的精密互感器组成。单量限仪表是工作在100V、5A，互感器是用来将数十毫安至数百安电流变换为标准的5A，将数十伏至上千伏电压变换为标准的100V。工作标准的不确定度在50-100PPm。

传递的大量工作是在各省和各专业部门的计量单位。其使用定期送国家计量院检测的合格仪器，这些仪器通常是多量限的标准，将数十毫安至数百安电流和数十伏至上千伏电压量值传递工作予以延伸至各地和各行业。地区和专业部门标准的不确定度在100-200PPm。

目前存在的主要问题：

a，计量传递的规程要求，标准仪器需要高于被检仪器二个精度等级，而现实是一般的用于检定的交流电流工作标准，无论是国家还是省、市一级都是0.01级或0.02级的，因此产生“传递精度问题”。并由于精度问题，在传递过程要对大量的数据不断使用上级单位检验的每一点的数据用于修正，传递出错的可能性增加。

b，计量传递的要求，作为计量传递单位必须对其量值传递的标准和范围进行测量和认定，通常由级别更高的单位来进行。换句话说，如果上级单位没有开展该项，下级单位就不能开展该项。

举例说明：目前，国家计量院没有开展工频小电流(10mA及以下)的量值传递，导致现在生产和科研大量的工频小电流和小功率的计量受到限制，因此产生“传递死区问题”。

c，计量传递的要求是逐级层层传递。对一个多量限的标准量传，其工作量是很大的。因为其电流档会有十几个，电压档几个，交叉点就是几十个，如果是三相标准则工作量大几倍。又因为是层层传递，如此国家每年耗费在计量传递的人力、物力和财力是巨大的。因此产生“传递工作量问题”。

上述“传递精度问题”、“传递死区问题”和“传递工作量问题”，其最核心的技术难点就是精确的电流阻抗线性变换问题。

现有电流阻抗线性变换测量电流用互感器的方法而不能简单用电阻的方法，是因为电阻要消耗大的功率和电阻的温度系数难符合要求，如测量100A用0.03欧电阻以满足AD转换的3V需要，消耗达300W。

测量用的精密大型电流互感器(误差小于5PPm)是无源互感器，其特点是电流—电流变换(通常二次标准电流为5A，测量时二次电流再作为单量限标准的输入，单量限标准内精密小型仪用电流互感器是有源补偿互感器)。由于每个量程的线性范围窄，在0.05—100A范围内要设计30个以上的量程，给制造需要的接地、屏蔽和校验的自动化带来了麻烦。不能直接测量小于10mA及以下的电流(因为与互感器一次匝数设计有关，假如100A为1匝，1mA就要设计10万匝)。互感器的匝数增多会受到互感器的分布电容影响而使误差增大。此外，由于体积大重量大，不方便在现场使用。

测量用互感器有精密小型仪用电流互感器(误差小于20PPm)是有源互感器，其特点是电流—电压变换以供AD转换器用。通常一次匝数设计为1匝、10匝和100匝，对应电流输入为100A、10A和1A，对应的输入阻抗约0.001欧、0.02欧和0.6欧(已含二次阻抗折算)，对应AD转换的3V电压，理论的传递函数分别是0.03、0.3和3，量纲为欧姆。实际上阻抗变换是有误差的，必须用计算机对转换引起的比例误差和相位误差进行修正。由于每个量程的线性范围窄，把运算放大器的增益设定为100％、50％、25％等，再用数字的办法逐点修正。以上例子得到了100A、50A、25A、10A、5A、2.5A、1A、0.5A、0.25A共九个量程。为了测量0.1A及以下的电流，也有增加一个1000匝的输入的。但在有些场合并不适用(如变电站的计量用互感器，二次负载只允许0.2欧)，因为1000匝的输入阻抗有几十欧。为了测量0.1A及以下的电流，则要增加一个1000匝的输入，但在有些场合并不适用(如变电站的计量用互感器，二次负载只允许0.2欧)，因为1000匝的输入阻抗有几十欧。

上述线性范围不够，100A、50A、25A、10A、5A、2.5A、1A、0.5A、0.25A共九个量程不能满足需求；同时线性度不够，在10倍的量程要做三次数字修正，甚至由于等安匝不等误差，要修正9次。

另外没有0.1A及以下小电流档或小电流不够稳定，导致电流溯源于标准电压和标准电阻不可能。因为溯源电压一般为100V，溯源电阻一般为10K，这决定了溯源起点是10mA。这时，小电流的测量稳定性要达到10nA的水平。溯源起点选择与电阻的功耗(功耗大会产生温升)和电流流过的导线压降有密切关系，换句话说，电流大就溯源误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溯源校正中测量精度高、输入量限范围大的量值传递方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：一种溯源校正中的量值传递方法，包括：

1、按大小依次呈相同倍数设置双级互感器的一次绕组匝数，对应设定每个匝数的输入交流电流量程，使其磁通量的安匝数相同；

2、对应每个输入电流量程设定从满量程开始依次按相同百分倍数递减，形成一个电流输入量限矩阵，将量限矩阵中相同大小的数值组成等流线，

3、将上述电流输入量限矩阵中各输入量限值与对应的一次绕组匝数获得相同安匝数的组成等阻抗线，等阻抗线与等流线形成交叉点；

4、每条等阻抗线等效对应互感器的二次绕组在各百分倍数递减量输入情况下的有源阻抗；

5、溯源校正中沿等电流线传递，再沿等阻抗线扩展传递。

本发明具有以下的主要优点：

① 输入量限范围比原有的技术提高了一至二个量级。

② 测量精度在交流小电流测量中提高了一个量级。

③ 强信号的测量精度既可向下传递至最弱信号量限的测量，又可由弱信号用转移精度的办法向强信号量限传递。

④测量精度既可由外面同类仪器比较或传递，又可用已经标定的其它标准器件(各地区、专业部门通用的数字电压表直流电压档、交流标准电阻等，通常精度优于10PPm，比现有精度为100--200PPm的交流工作标准高几个等级)来传递。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明具体实施例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明以i＝3，_j＝3说明，图中虚线称为等阻抗线，即互感器有相同安匝，二次绕组带相同的负载，等阻抗线下的一点阻抗误差可以代表等阻抗线上其它点的误差；斜线a，b，c，d称为等电流线。N，I，Z共12个交叉点，构成一个3×4的矩阵，等阻抗线与等电流线包含了3×4矩阵的所有点。矩阵式设计方案支持从矩阵中任意一点的已知传递函数扩展到全矩阵，该点传递函数既可由外面同类仪器比较或传递，又可用已经标定的其它标准器件(如常用的数字电压表、标准电阻等)来传递。

等电流线使过渡标准量具沿等电流线传递时，始终工作在一个固定的电流量限，因而被测仪器由于变换阻抗产生的误差得以记录并储存。

互感器一次绕组的匝数N1、N2、N3可分别设计为1匝、10匝和100匝，对应电流I1、I2、I3输入为100A、10A和1A，对应的最大等效输入阻抗约0.001欧、0.1欧和10欧(已含最大的二次阻抗折算)。图中Z0、Z1、Z2、Z3是包括双级互感器二次绕组的二次负载(对应是R0、10*R0、100*R0、1000*R0)、双级互感器的检测绕组和与之关联的电子补偿电路共同组成的有源阻抗。Z0、Z1、Z2、Z3的变换都会折算到互感器的一次输入阻抗，会使互感器的磁通产生变化。

如图2所示，100A、10A和1A端子每个输入都可通过增益控制得到100％、10％、1％、0.1％的电流输入量限，形成了一个电流输入量限的矩阵。由于100A的10％与10A的100％的电流相同，10A的10％与1A的100％电流相同，如此类推获得了等电流线。将上述电流输入量限矩阵中各输入量限值与对应的一次绕组匝数获得相同安匝数的组成等阻抗线，等阻抗线与等流线形成交叉点；每条等阻抗线等效对应互感器的二次绕组在各百分倍数递减量输入情况下的有源阻抗，即100％、10％、1％、0.1％分别对应Z0、Z1、Z2、Z3。溯源校正中沿等电流线传递，再沿等阻抗线扩展传递。

本发明可以设置有100A、10A、1A、0.1A、0.01A、0.001A共六个基本档，线性范围是原来的100倍。线性度良好使得在1000倍的量限范围仅需在100％、10％、1％、0.1％作四次数字修正；可以灵活的根据允许的输入阻抗条件选择合适的输入端子。

按图2所示的方法，具体溯源过程与误差试验过程如下：

试验条件：

a)试验仪器三台试验样机#1、#2、#3

一台送检标准

b)送检标准1A点误差：200V 1A 50Hz

功率因素1.0时误差 20.5ppm；

功率因素0.5L时误差 33.9ppm。

c)稳定的功率电源。将送检仪器与试验样机接上电源，其中电压并联，电流串联。由于溯源要求在100V、1A与计量院的量传点有小区别(计量院仅有200V、1A点测量，对于100V、1A会有微小差别)。

试验步骤

a)在充分预热情况下，以送检仪器作为被试，试验样机作为标准进行测量。

b)调节试验样机的修正数，使其在200V、100V进行电压校准。

c)在200V，1A、100％档、功率因素1.0工况下，调节样机(Z₀)电流幅值修正数，使电能误差示值达到国家计量院20.5ppm±5ppm。此时电流幅值已按计量院报告校准。

d)功率因数0.5L工况下，调节样机相位(Z₀)修正数，使电能误差示值为33.9ppm±5ppm。

e)回到100V的工况下，检查三台样机的相互差值≤10ppm，此时a、b、c、d项后国家计量在1A点的量值传递通过送检仪器及电源已传递给样机。

f)脱开送检仪器。将#2、#3换到10A的输入端，#1表仍留在1A端子。输入1A电流，此时#2、#3表工作在10A端的10％(Z₁)，#1表工作在1A端的100％(Z₀)。

g)调节#2、#3表的Z₁幅值及相位修正数。调整后再将#1表与#2表位置互换，将#1表的Z₁进行调节。以上，国家计量院在1A测点的量值已全部传递到样机的100％和10％，对应复数阻抗为Z₀、Z₁。并由于等阻抗线上所输入量限矩阵点等误差，等同地量传已经由1A起扩展传递到所有100A、10A、1A及0.1A的所有关联点。如果将100％、10％划为强信号区，即矩阵左半区共六个点已量传扩展完毕。

h)将已校准的100V电压(计量院量传)和10K的标准电阻，校准10mA，1A的1％(Z2)点，用100K电阻校准1mA，1A的0.1％(Z3)点。连接方式是，电压的高端连接电阻一端，电阻另一端连1A端子与电流高端连接，电压的低端与电流的低端连接。校准电流的换算由式：I＝U/(R+R0)，其中U为样机电压示值，R为10K或100K标准电阻，R0为互感器一次输入实测的微小阻抗。调整电流Z2的幅值修正数，使样机电流示值等于上式。调整Z2的相位修正数，使此时相位示值为0.0000°±0.0003°。用100K电阻对Z3重复以上操作。

以上，已经用计量院量传的电压标准及标准电阻校正了阻抗矩阵的右半区共六个点。

i)两种溯源方式比较：

#2表接于10A端，#1、#3表接1A端，输入0.1A电流，此时#1、#3表工作在1A端10％(代表左半区国家计量院量传)，而#2表工作在10A端1％(代表电压电阻量传)，误差功率因数1.0为7ppm，

0.5L为—15ppm

j)将#2表接100A端，#1、#3表接1A端，输入1A电流，此时#2表工作在1％，#1、#3表在100％，

误差 1.0 +3 ppm

0.5L —22ppm

k)以三台表的平均电能作基准测量每个表，将#1、#2、#3表电压并联，电流串联，在100V 50Hz工况下，以0.005A、0.01A、0.02A、0.05A、0.1A、0.2A、0.5A、1A、2A、5A、10A、20A、50A、100A、160A、共15个测点，测得电能误差的统计值：(ppm)

#1 #2 #3

比例误差平均值 0.9 1.3 0.6

比例误差方差值 7.4 7.2 3.2

相位误差平均值 2.9 —3.2 0.5

相位误差方差值 4.9 3.7 3.2

还进行双级电流互感器与有源阻抗的转移精度试验：

试验目的是做出双级电流互感器及有源阻抗的最小安匝(0.1安匝)工况下的短期稳定度估计。

a，八小时的稳定度试验：每半小时记录一次共17组记录.试验电源的交流电压八小时稳定度6PPm，试验用的精密标准电阻温度系数0.05PPm。通过标准电压与标准电阻产生标准的1mA电流以考察最小安匝工况下的等效交流阻抗的八小时稳定性，结果是9.8PPm。

b，24小时开机重复性试验：通过标准电压与标准电阻产生标准的1mA电流在最小安匝工况下的等效交流阻抗的24小时重复性，结果是7PPm。

还进行等安匝等误差的统计试验，试验目的是做出双级电流互感器及有源阻抗的等安匝工况下的误差估计。

a，用电流比较仪对八只双级电流互感器在100％(100安匝)测量如下：

10A档(10匝) 比差平均值＝-0.0003％角差平均值＝0.0130分；

1A档(100匝) 比差平均值＝-0.0003％角差平均值＝0.0133分；

等安匝相对误差的标准偏差比差＝0.0003％角差＝0.0056分。

b，用相同的有源阻抗对以上电流互感器在0.1％(0.1安匝)测量等安匝相对误差的标准偏差比差＝0.0028％角差＝0.042分。

本发明方法解决了量大面广的交流电流量值传递的问题，同时也将会在电力、计量、航空航天、军事、医疗仪器、电化学和生物电等方面得到广泛应用。

Claims

1、一种溯源校正中的量值传递方法，其特征在于包括：

(a)、按大小依次呈相同倍数设置双级互感器的一次绕组匝数，对应设定每个匝数的输入交流电流量程，使其磁通量的安匝数相同；

(b)、对应每个输入电流量程设定从满量程开始依次按相同百分倍数递减，形成一个电流输入量限矩阵，将量限矩阵中相同大小的数值组成等流线，

(c)、将上述电流输入量限矩阵中各输入量限值与对应的一次绕组匝数获得相同安匝数的组成等阻抗线，等阻抗线与等流线形成交叉点；

(d)、每条等阻抗线等效对应互感器的二次绕组在各百分倍数递减量输入情况下的有源阻抗；

(e)、溯源校正中沿等电流线传递，再沿等阻抗线扩展传递。

2、根据权利要求1所述的一种溯源校正中的量值传递方法，其特征在于所述电流量程为100A、10A、1A、0.1A、0.01A、0.001A六个基本档。

3、根据权利要求1所述的一种溯源校正中的量值传递方法，其特征在于所述量限递减百分倍数为100％、10％、1％、0.1％。