CN109541513B - 一种交流微电流溯源装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种交流微电流的溯源装置和方法，解决了交流微电流1mA至10μA(50Hz至10kHz)的溯源问题，测量不确定度达到10‑5至10‑4量级。本发明的装置包括带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，向所述交流微电流校准器通入被测交流微电流，通过高准确度交流电压表测量所述交流微电流校准器的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值；所述交流电阻分流器通过交直流差可计算电阻进行校准，所述低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，所述交流电压表由交流标准电压源进行校准。

Description

一种交流微电流溯源装置和方法
技术领域
本发明涉及电学计量技术领域，特别是涉及一种交流微电流溯源装置和方法。
背景技术
现有高准确度数字多用表测量交流电流的最小量程为100μA，需要从10μA开始校准；高准确度多功能标准源能够输出10μA交流微电流，也需要通过校准确定输出的标准量值；但是当前没有校准1mA以下的交流微电流的标准器，也没有准确可靠的溯源方法。
目前交流电流的溯源方法有两种途径：
一是热电转换法，即通过交流电流的有效值与标准直流电流进行比较，用直流电流的量值确定交流电流的量值。在现有技术中，实现交流电流和直流电流比较的关键仪器是以热电偶为核心的热电变换器。热电偶的工作原理是基于赛贝克效应,即将两种不同的导体两端连接起来形成回路，如果两连接点温度不同，则在回路中形成热电效应产生的电动势，也称为塞贝克电动势，应用这个原理可以制成热电变换器。热电变换器由加热丝和热电偶组成，将电流通过加热丝，可以在加热丝上产生焦耳热给热电偶加热，使热电偶产生热电势，热电势大小取决于热偶材料和通过加热丝的电流，热电变换器即可由直流电流产生热电势，也可由交流电流产生热电势，在加热丝频响很好的情况下，直流电流与等量的交流电流有效值具有相同的热电效应，输出相同的热电势，由此可实现交流电流与直流电流的比较，从而实现用直流电流的量值来确定交流电流的量值。现有技术中，以热电变换器作为交直流电流转换测量器件，实现了模拟式交直流电流转换测量的标准装置，但模拟式交直流电流转换测量存在的问题是输入电流要在10mA以上，小于10mA电流产生的热电效应的输出电压过小，信噪比差，达不到所需的准确度，因此热电转换法不能解决1mA以下交流微电流的溯源问题。
二是电流电压转换法：电流的测量通常是采用电阻分流器将被测电流信号转换为电压信号来测量，即电阻分流器的量值已知，测量电压的仪器准确度已知，可通过电阻分流器上的电压降与电阻的比值换算得到被测电流的量值，因此交流电流的测量就需要交流电阻分流器和交流电压表。交流电阻分流器是频率误差小、能通过额定电流的电阻器，其中确定其频率误差是当前的技术难题，在国内一直没有有效的解决，国际上仅有英国NPL和德国PTB能够提供交流电阻的校准服务。而交流电压表的输入阻抗通常在1MΩ，当要测量10μA的交流微电流时，需要100kΩ的电阻分流器，这时由于交流电压表的输入阻抗的分流作用，使测量误差达到10％,与10-5至10-4量级的溯源需求相差甚远。
通过以上分析可知，交流微电流的溯源是国际电学计量领域的难题，目前国际上尚无高准确度交流微电流校准器产品。
发明内容
本发明根据现有技术存在的缺陷，提出一种交流微电流的溯源方法和装置，采用低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，通过交直流差可计算电阻确定交流电阻分流器的频率误差，通过低噪声宽频放大器实现信号放大和阻抗转换，克服了分流器电阻转换出的电压小和交流电压表输入阻抗低造成的测量不确定度大的问题,解决了交流微电流1mA至10μA(50Hz至10kHz)的溯源问题，测量不确定度达到10-5至10-4量级。
本发明的技术方案是：
1.一种交流微电流的溯源装置，其特征在于，包括带有由交流电阻分流器和低噪声宽频放大器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，向所述交流微电流校准器输入被测交流微电流，通过高准确度交流电压表测量所述交流微电流校准器的输出电压，由测得的交流电压量值和等效交流电阻量值的比值可换算得到被测交流微电流的量值；所述交流电阻分流器通过交直流差可计算电阻进行校准，所述低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，所述交流电压表由交流标准电压源进行校准。
2.将交直流差可计算电阻通过交流电阻传递装置校准交流电阻分流器，所述交流电阻传递装置为灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，通过交流电桥将交直流差可计算电阻与交流电阻分流器在不同频率下进行比较，得到交流电阻分流器的频率误差。
3.所述交直流差可计算电阻为同轴型交直流差可计算电阻，包括同轴的内金属套筒和外金属套筒，所述内金属套筒的中心轴线上具有单根直线形电阻丝，从所述电阻丝上引出电流正极端引出线和电压正极端引出线，从所述内金属套筒前端面上引出电流负极端引出线，从所述外金属套筒前端面上引出电压负极端引出线。
4.所述低噪声宽频放大器采用低噪声宽频运算放大器和无感电阻等器件制成，频率范围在50Hz至10kHz,放大倍数的准确度达到10-5量级。
5.所述低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，其输出阻抗趋于零。
6.所述放大倍数验证装置通过给低噪声宽频放大器输入已知标准电压信号，测量其输出电压信号，用输入电压与输出电压的比得到的放大倍数随频率变化的误差，以验证放大器的频响。
7.一种交流微电流校准器，其特征在于，包括交流电阻分流器，所述交流电阻分流器与低噪声宽频放大器组合形成等效交流电阻；所述低噪声宽频放大器采用低噪声宽频运算放大器和无感电阻等器件制成，频率范围在50Hz至10kHz,放大倍数的准确度达到10-5量级；所述低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻，其输出阻抗趋于零。
8.一种交流微电流的溯源方法，其特征在于，采用低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成等效交流电阻，将被测电流信号转换为电压信号，通过高准确度交流电压表测量等效交流电阻的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值。
9.所述方法包括以下步骤：
1)校准交流电阻分流器：通过灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，用交直流差可计算电阻校准交流电阻分流器，得到交流电阻分流器的频率误差。
2)研制宽频交流放大器：所述低噪声宽频放大器采用低噪声运算放大器和无感电阻等精密器件制成，放大倍数的准确度得达到10-5量级。
3)验证低噪声宽频放大器的频响：给低噪声宽频放大器的输入不同频率的标准电压，测量其输出电压，用输入电压与输出电压的比值，得到放大器的频率误差。
5)向带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻输入被测交流微电流，并接入高准确度交流电压表测量等效交流电阻的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值。
10.所述步骤1)中，校准交流电阻分流器的步骤是：首先通过测量和计算交直流差可计算电阻的分布参数，得到不同频率下交直流差可计算电阻的量值；通过交流电桥实现被测交流电阻分流器与交直流差可计算电阻的比较，确定交流电阻分流器在不同频率下的电阻值，得到交流电阻分流器的频率误差。
本发明的技术效果：
本发明提出的一种交流微电流的溯源装置和方法，采用由交流电阻分流器和低噪声宽频放大器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，向交流微电流校准器输入被测交流微电流，通过高准确度交流电压表测量其输出电压，由测得的交流电压量值和等效交流电阻量值可换算得到被测交流微电流的量值。通过交直流差可计算电阻确定交流电阻分流器的频率误差，通过低噪声宽频放大器实现信号放大和阻抗转换，并且低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，交流电压表由交流标准电压源进行校准，克服了分流器电阻转换出的电压小和交流电压表输入阻抗低造成的测量不确定度大的问题,解决了交流微电流1mA至10μA(50Hz至10kHz)的溯源问题，测量不确定度达到10-5至10-4量级。
附图说明
图1是本发明的交流微电流的溯源装置的原理示意图。
图2是图1中的可计算交直流差电阻的结构示意图。
附图标记列示如下：1-电阻丝，2-内金属套筒，3-外套金属筒。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1所示，是本发明的交流微电流的溯源装置的原理示意图。一种交流微电流的溯源装置，包括带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻——交流微电流校准器，向所述交流微电流校准器输入被测交流微电流，通过高准确度交流电压表测量所述交流微电流校准器的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值；其中，交流电阻分流器通过交直流差可计算电阻进行校准，低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，交流电压表由交流标准电压源进行校准。
首先研制交直流差可计算电阻，得到交直流差可计算电阻的电阻频率误差。其原理是：在交流状态下，交流电阻器件中存在的寄生电感和寄生电容以及各种附加损耗主要与电阻器件的形状、位置和周围的电磁环境有关，因此，研制几何形状规则的电阻器，就可计算出其寄生电感和寄生电容以及各种附加损耗，从而得到交流电阻量值与直流电阻的实部差及虚部误差(时间常数)，这样就能从可溯源的直流电阻量值导出其交流电阻量值，使交流电阻也具有了溯源性。这种特殊研制的电阻器称为“交直流差可计算电阻”。由于交直流差可计算电阻研制的关键是通过理论分析和实际测量得到确定分布参数量值、进而确定频率变化的电阻量值的影响，计算模型直接关系到测量结果的准确。为了便于计算和分析，通过对寄生电感、寄生电容和趋肤效应的分析，本发明采用同轴型交直流差可计算电阻的模型，如图2所示。所述同轴型交直流差可计算电阻，包括同轴的内金属套筒2和外金属套筒3，内金属套筒2的中心轴线上具有单根直线形电阻丝1，从电阻丝1上引出电流正极端引出线I+和电压正极端引出线V+，从内金属套筒2前端面上引出电流负极端引出线I-，从外金属套筒3前端面上引出电压负极端引出线V-。将同轴型结构的电阻分成三个部分：电阻丝内部、电阻丝和金属圆筒之间的部分以及金属圆筒内部分别进行推导。计算得到电阻丝内电感、电阻丝和金属圆筒之间外电感、金属圆筒的内自感，进而得到总的寄生电感；计算得到电阻丝和金属圆筒表面间的电容C；计算得到趋肤效应产生的频率变差；进而根据不同的频率计算得到同轴型交直流差可计算电阻随频率变化产生的实部误差和虚部误差。
其次，将交直流差可计算电阻通过交流电阻传递装置校准交流电阻分流器，所述交流电阻传递装置为灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，通过交流电桥将交直流差可计算电阻与交流电阻分流器在不同频率下进行比较，得到交流电阻分流器在不同频率下的电阻值，即交流电阻分流器的频率误差。
为减小交流电阻分流器接入交流电压表时输入阻抗的影响，本发明将宽频交流放大器与交流电阻分流器结合，实现的等效电阻具有低输出阻抗，本装置实施例的输出阻抗趋于零。
所述低噪声宽频放大器，采用低噪声宽频运算放大器和无感电阻制成，制成的低噪声宽频放大器放大倍数的准确度达到10-5量级；频率范围在50Hz至10kHz。
为验证低噪声宽频放大器的放大倍数随频率变化的频率误差，采用放大倍数验证装置，通过给低噪声宽频放大器输入已知标准电压信号，测量其输出电压信号，用输入电压与输出电压的比得到的放大倍数随频率变化的误差，以验证放大器的频响。
本发明将低噪声宽频放大器与交流电阻分流器结合制成一种交流微电流校准器，包括交流电阻分流器，所述交流电阻分流器与低噪声宽频放大器组合形成等效交流电阻；其中，低噪声宽频放大器采用低噪声宽频运算放大器和无感电阻等器件制成，频率范围在50Hz至10kHz,放大倍数的准确度达到10-5量级；低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻，其输出阻抗趋于零。
一种交流微电流的溯源方法是，采用低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成等效交流电阻——交流微电流校准器，所述交流微电流校准器通入被测交流微电流后，将被测电流信号转换为电压信号，通过高准确度交流电压表测量等效交流电阻的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值。
包括以下步骤：
1)校准交流电阻分流器：通过灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，用交直流差可计算电阻校准交流电阻分流器，得到交流电阻分流器的频率误差。
2)研制宽频交流放大器：所述低噪声宽频放大器采用低噪声运算放大器和无感电阻等精密器件制成，放大倍数的准确度得达到10-5量级。
3)验证低噪声宽频放大器的频响：给低噪声宽频放大器的输入不同频率的标准电压，测量其输出电压，用输入电压与输出电压的比值，得到放大器的频率误差。
5)向带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻输入被测交流微电流，并接入高准确度交流电压表测量等效交流电阻的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值。
其中，步骤1)中，校准交流电阻分流器的步骤是：首先通过测量和计算交直流差可计算电阻的分布参数，得到不同频率下交直流差可计算电阻的量值；通过交流电桥实现被测交流电阻分流器与交直流差可计算电阻的比较，确定交流电阻分流器在不同频率下的电阻值，得到交流电阻分流器的频率误差。

Claims (9)

1.一种交流微电流的溯源装置，其特征在于，包括带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻，即交流微电流校准器，向所述交流微电流校准器通入被测交流微电流，通过高准确度交流电压表测量所述交流微电流校准器的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值；所述交流电阻分流器通过交直流差可计算电阻进行校准，所述低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，所述交流电压表由交流标准电压源进行校准。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将交直流差可计算电阻通过交流电阻传递装置校准交流电阻分流器，所述交流电阻传递装置为灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，通过交流电桥将交直流差可计算电阻与交流电阻分流器在不同频率下进行比较，得到交流电阻分流器的频率变差。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述交直流差可计算电阻为同轴型交直流差可计算电阻，包括同轴的内金属套筒和外金属套筒，所述内金属套筒的中心轴线上具有单根直线形电阻丝，从所述电阻丝上引出电流正极端引出线和电压正极端引出线，从所述内金属套筒前端面上引出电流负极端引出线，从所述外金属套筒前端面上引出电压负极端引出线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低噪声宽频放大器包括低噪声宽频运算放大器和无感电阻器件，频率范围在50Hz至10kHz, 放大倍数的不确定度达到10-5量级。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻，其输出阻抗趋于零。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大倍数验证装置通过给低噪声宽频放大器输入已知标准电压信号，测量其输出电压信号，用输入电压与输出电压的比得到的放大倍数随频率变化的误差，以验证放大器的频响。
7.一种交流微电流的溯源方法，其特征在于，采用低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成等效交流电阻，将被测电流信号转换为电压信号，通过高准确度交流电压表测量等效交流电阻的输出电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值；其中，所述交流电阻分流器通过交直流差可计算电阻进行校准，所述低噪声宽频放大器通过放大倍数验证装置进行验证，所述交流电压表由交流标准电压源进行校准。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）校准交流电阻分流器：通过灵敏度和分辨力不低于10-6量级的交流电桥，用交直流差可计算电阻校准交流电阻分流器，得到交流电阻分流器的频率误差；
2）研制低噪声宽频放大器：所述低噪声宽频放大器包括低噪声运算放大器和无感电阻，组成低噪声宽频放大器的器件均为精密器件，放大倍数的准确度得达到10-5量级；
3）验证低噪声宽频放大器的频响：给低噪声宽频放大器的输入不同频率的标准电压，测量其输出电压，用输入电压与输出电压的比值，得到放大器的频率误差；
4）向带有低噪声宽频放大器与交流电阻分流器组合形成的等效交流电阻输入被测交流微电流，并接入高准确度交流电压表测量等效交流电阻的电压，由测得的电压值与等效交流电阻的比值换算得到被测交流微电流的量值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，校准交流电阻分流器的步骤是：首先通过测量和计算交直流差可计算电阻的分布参数，得到不同频率下交直流差可计算电阻的量值；通过交流电桥实现被测交流电阻分流器与交直流差可计算电阻的比较，确定交流电阻分流器在不同频率下的电阻值，得到交流电阻分流器的频率误差。
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