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一、?導言
在寬頻電流測量場景如電能標準源、諧波源和電能質量標準源的校準中,經常需要對100 A、100 kHz以下的寬頻電流進行測量,如直接使用數字多用表,常存在如下幾個方面的問題:
1)?范圍受限:一般數字多用表最大能夠測量20 A電流,部分型號甚至僅為2 A;
2)?交流精度較低:以3458A為例,被測交流電流為1 A時,最佳精度僅為0.1%左右;
3)?可靠性:通常高精度數表電流測量的抗沖擊性和耐久性遠低于其電壓測量。
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因此,需要使用轉換法即先將大電流轉換為小電流或者小電壓信號再進行測量。目前常用的方法包括電阻法、互感器法、比較儀法等。
本文主要針對電阻法進行討論。
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二、?常規標準電阻測量高頻電流存在的問題
電阻法工作原理為歐姆定律(見圖1),電阻通過被測電流后轉換為電壓,并接入數字多用表的電壓端進行測量,此時被測電流按式(1)計算。
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電阻的阻值通常使用標準直流電橋進行標定,但是在測量交流電流時,由于電阻本身具有一定的分布電感和電容(見圖2),電阻在交流測量下的等效阻抗:
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由式(2)可知,電阻阻抗值會隨頻率發生變化,同時電阻兩端的電壓相對于電流存在相位移,這對交流電流和功率的精密測量是非常不利的。
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首先,電阻的阻抗值隨頻率發生變化,因此被測電流在不同頻率下的測量幅值也會有一定不同,通常用交直流差表示電阻在不同頻率下的阻抗和直流電阻的差值。
其次,電阻兩端電壓相對電流存在相位移,由交流功率P=U×I×cosφ可知,如被測電流相位測量存在偏移,對功率測量會造成較大的干擾。不同相位差△φ下因相位引入的功率誤差見表1,由表可知,在相位差較大即功率因數非常低的情況下,即便是很小的相位誤差也能帶來非常大的功率誤差。
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表1. 不同相位差下相位引入的功率誤差
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三、?鼠籠式同軸結構及優勢
天恒測控深度分析標準電阻使用中存在的上述問題,通過鼠籠式同軸結構設計,選擇高品質電阻元件等方式有效降低交直流差和相位差對精密測量的影響。
同軸分流器結構與外觀見圖3,由高精度電阻元件和 PCB 印刷電路板構建而成。圓盤 A 上安裝有 N 型同軸連接器,電流從 A 板的同軸連接器的中心點輸入,然后從 A 板一側的中心放射地流向每一條形 PCB 的高電位側,流經電阻元件后,由條形 PCB 的另外一側返回 A 板的低電位端面,最后通過同軸連接器的低端返回電流源。分流器的輸出電位由安裝有同軸連接器的 C 板引出。
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由于電流在相互平行的PCB的兩側大小相等方向相反地流動,回路的電感大幅度降低。另外,電壓回路和電流回路接近相互垂直,相互間的互感幾乎為零,因此在高頻測量時可獲得較小的交直流差和相位移。
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四、?同軸分流器典型應用和注意事項
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·?使用注意事項
實際測量中,交流電流的測量值按式(4)計算。
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