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探索宽频电流测量中的难点

 

一、 导言

在宽频电流测量场景如电能标准源、谐波源和电能质量标准源的校准中,经常需要对100 a、100 khz以下的宽频电流进行测量,如直接使用数字多用表,常存在如下几个方面的问题:

1) 范围受限:一般数字多用表最大能够测量20 a电流,部分型号甚至仅为2 a;

2) 交流精度较低:以3458a为例,被测交流电流为1 a时,最佳精度仅为0.1%左右;

3) 可靠性:通常高精度数表电流测量的抗冲击性和耐久性远低于其电压测量。

 

因此,需要使用转换法即先将大电流转换为小电流或者小电压信号再进行测量。目前常用的方法包括电阻法、互感器法、比较仪法等。

本文主要针对电阻法进行讨论。

 

 

二、 常规标准电阻测量高频电流存在的问题

电阻法工作原理为欧姆定律(见图1),电阻通过被测电流后转换为电压,并接入数字多用表的电压端进行测量,此时被测电流按式(1)计算。

 

电阻的阻值通常使用标准直流电桥进行标定,但是在测量交流电流时,由于电阻本身具有一定的分布电感和电容(见图2),电阻在交流测量下的等效阻抗:

 

由式(2)可知,电阻阻抗值会随频率发生变化,同时电阻两端的电压相对于电流存在相位移,这对交流电流和功率的精密测量是非常不利的。

 

首先,电阻的阻抗值随频率发生变化,因此被测电流在不同频率下的测量幅值也会有一定不同,通常用交直流差表示电阻在不同频率下的阻抗和直流电阻的差值。

其次,电阻两端电压相对电流存在相位移,由交流功率p=u×i×cosφ可知,如被测电流相位测量存在偏移,对功率测量会造成较大的干扰。不同相位差△φ下因相位引入的功率误差见表1,由表可知,在相位差较大即功率因数非常低的情况下,即便是很小的相位误差也能带来非常大的功率误差。

 

表1. 不同相位差下相位引入的功率误差

 

 

三、 鼠笼式同轴结构及优势

天恒测控深度分析标准电阻使用中存在的上述问题,通过鼠笼式同轴结构设计,选择高品质电阻元件等方式有效降低交直流差和相位差对精密测量的影响。

同轴分流器结构与外观见图3,由高精度电阻元件和 pcb 印刷电路板构建而成。圆盘 a 上安装有 n 型同轴连接器,电流从 a 板的同轴连接器的中心点输入,然后从 a 板一侧的中心放射地流向每一条形 pcb 的高电位侧,流经电阻元件后,由条形 pcb 的另外一侧返回 a 板的低电位端面,最后通过同轴连接器的低端返回电流源。分流器的输出电位由安装有同轴连接器的 c 板引出。

  

由于电流在相互平行的pcb的两侧大小相等方向相反地流动,回路的电感大幅度降低。另外,电压回路和电流回路接近相互垂直,相互间的互感几乎为零,因此在高频测量时可获得较小的交直流差和相位移。

  

 

 

四、 同轴分流器典型应用和注意事项

 

· 使用注意事项

实际测量中,交流电流的测量值按式(4)计算。

 

 

 

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