電流比較儀在大電容測量中的應用

許興明，尹麗云，高揚

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

0 引言

近代電子技術的發展導致了大容量電解電容產量的猛增，各種測量大容量的電橋和電容計也相繼問世。為了檢測這些電容電橋需要大容量的電容標準，而制造實物的大容量電容標準無論從技術角度還是經濟角度上來說都是非常困難的。目前國內外都采用四端網絡傳輸阻抗的方式來模擬等效大電容，這類模擬大電容與實物電容相比具有更高的準確度。

電流比較儀是一種準確度很高的電流比例標準，被廣泛地應用于校驗精密電流互感器。由于它能提供精確的電流比例，還被應用在精密的四端交流阻抗測量中。而模擬大電容就是一種基于四端原理的電容標準，因此可以采用電流比較儀式電橋去測量大電容。

1 電流比較儀的工作原理

電流比較儀也叫安匝平衡指示器，是上世紀50年代開始出現的。與電流互感器相似，比較儀也是由鐵芯和線圈組成，但是在電流比較儀中，除了比例線圈外還有零磁通檢測線圈。常用比較儀原理圖如圖1所示。

它是將三個繞組繞在環形鐵芯上:Nm為一次電流線圈，Ns為二次電流線圈，Nd為零磁通檢測線圈。

圖1 電流比較儀原理圖

工作時，一次電流im和二次電流is流入繞組的方向相反，因而它們產生的磁通方向相反。根據全電流定律∮Hdl=∑iN，若∑iN=0，鐵芯中磁場強度為零。反之，當檢測線圈Nd上所接指零儀指示為零時，表明檢測線圈上無交變磁通，則有Nmim=Nsis，Nm和Ns為線圈的匝數。由此可見比較儀的平衡狀態是通過調節磁勢平衡來實現的，其特點是鐵芯工作在零磁通狀態，因而繞組Nm和Ns中均無感應電動勢，其電壓僅取決于線圈繞組上的電阻，所以誤差很小[1]。

2 電流比較儀式電容電橋

通常對電容進行比較測量有如下兩種方法:使被測電容和標準電容流過相同的電流，測量其電壓比;對上述兩者施加相同的電壓，測量其電流比。以感應分壓器電橋實現的測量方法屬于前者，主要適用于測量兩端阻抗。而以電流比較儀電橋實現的測量方法屬于后者，它更適于四線阻抗的測量，且電路簡單，回路電流可監測[2]。

2.1 常見的電流比較儀式電容電橋

圖2就是一種目前常見的電流比較儀式電容電橋。

圖2 電流比較儀式電容電橋

比較儀電橋中Cs和Gs表示標準電容和標準電導，Cm和Gm表示被測電容和被測電導，在標準阻抗和被測阻抗上施加相同的電壓，并將產生的電流分別注入電流比較儀的兩端，通過調節匝數Ns達到比例的平衡。

在分析電容平衡時暫不考慮電導分量的電流。設繞組Nm和Ns的線阻與電容器的電抗相比可以忽略，im1和is1按下式計算

由安匝平衡得

在分析電導分量的電流時暫不考慮電容分量電流的影響。被測電容損耗的等值電導Gm的測量，im2和is2按下式計算

由式 (3)，(6)可見被測電容值和損耗值的準確度僅取決于比較儀的匝數比。因此該類電橋具有恒定性的特點，不受外界溫、濕度影響。由于電流比較儀的容性誤差是隨著匝數的平方而變化的，因此限制了單個比較儀不能做成大于1000∶1的比例，尚不能滿足更大電容值的測量。

對更大的電容，通常采用分流器來擴展比較儀電橋的比例臂，擴大電橋的測量能力。圖3是一種典型的用分流器來擴展量程的比較儀電橋。

圖3 外接分流器擴展量程的電流比較儀電橋

與圖2中的電橋相比，此處橋路中增加了精密電流分流器，N1/N2為分流器的變比值。電流比較儀平衡時，電容平衡式為

電流分流器的比差和角差是測量電容值及其損耗的附加誤差，因此盡量選用高精度的電流分流器擴大測量范圍。當選用1000∶1的電流分流器時，電容測量的比值可達106，最大電流可以達到1000 A。但是在這樣高的比例時，電容器Cx的阻抗可能使它的引線壓降不能忽略不計，因而需要一個補償回路。線路中引入一個高輸入阻抗的電壓跟隨器來補償引線電阻的影響，使被測電容器引線上的壓降轉移到標準電容器的支路內。常見的電流比較儀式高壓電容電橋就是基于此原理設計的[3]。

以上電流比較儀式電橋雖然增加了精密的分流器來擴展測量范圍，但由于是采用加電壓測電流的方法，因此這類電橋主要用來測量能承受高壓或大電流的電解電容。

2.2 模擬大電容的工作原理

標準電容器是用來保存和傳遞電容值的實物標準，具有準確性高、穩定性好的特點。而大容量電容器是不穩定的，且目前大于1μF的電容器還沒有穩定的標準器，用電解電容做標準是不合適的。為了滿足量值傳遞的需要并解決大電容標準器的問題，近年來出現了多種結構的等效模擬大電容，這些模擬大電容多是以幾個元件組成的等效電容網絡。通過精密設計和調整等效電容網絡，可以把電容做到法拉量級。

常見的模擬大電容是根據四端網絡傳輸阻抗原理來制作的，其結構如圖4所示。

圖4 四端等效大電容結構圖

圖4中，T1，T2分別是電流互感器和電壓互感器;α，β分別是電流和電壓的比例系數;C為標準電容;P1，P2為電壓輸出端。天然云母具有很高的電擊穿強度，相對介電常數也比較大，穩定性較高，是一種優良的介質材料，便于制作大容量的標準電容器[4]，常采用1μF的云母電容作為模擬大電容的內附標準。

如果T1，T2都是理想的互感器，即它們的輸入阻抗為無窮大而輸出阻抗為零，等效電容值Ce為

這種模擬大電容的準確度主要由兩個互感器的比率以及標準電容Cs的準確度來決定。如果使比例系數α，β都等于1∶1000，則理想的等效電容Ce為1F。但是理想的互感器是不存在的，其激磁電流和漏阻抗會引起一定的誤差。如果選用優良的高導磁材料以及完善的設計和制造工藝，可使互感器盡可能接近理想狀態。在50～100 Hz的頻率范圍內，使模擬大電容準確度達到千分之幾的指標還是可行的。因此模擬大電容可以作為標準器來校準一些更低準確度的電橋。由于模擬大電容的主要組成部分是互感器線圈，因此頻率、電壓特性非常明顯，通常只能在低頻、低壓的技術條件下使用。

為了測量模擬大電容，除采用傳統的四線測量法消除引線電阻外，還應特別注意電流回路的耦合影響，因此電壓測量線與電流測量線均采用同軸電纜，末端引出頭部分要緊緊咬合，使回路面積盡量小。為此應按圖5所示的方法接線[5]。

圖5 大電容測量接線圖

2.3 測量模擬大電容的電流比較儀電橋

由結構原理上可知，無法以加電壓測電流的方法測量模擬大電容。同時由于模擬大電容內附的云母電容耐壓能力有限，電壓系數較大，也無法采用加大電流的方法測量。

通常采用圖6中的電流比較儀式電橋測量模擬大電容。該電橋主要由同相放大器A、隔離變壓器T1、電流分流器T2和電流比較儀T3、指零儀D、標準阻抗Cs和Rs以及信號源E構成。當電橋的三個比例臂同相放大器、電流分流器、電流比較儀比例同為100∶1時，可有效擴展電橋的測量比例范圍至106∶1。在內附標準電容為1μF的情況下，能夠實現1F電容值的測量。

圖6 測量模擬大電容的電流比較儀電橋

線路中引入有源的同相放大器主要有兩個目的:一是利用它高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，在線路中能夠把被測阻抗和標準阻抗完全隔離開來;二是利用它放大倍數準確、可靠性高的特點，把取樣電壓按不同的比例放大，這樣既擴展了量程，又提高了電橋的靈敏度。

給被測電容上施加電流Im，同時把電容上的采樣電壓通過同相放大器加到標準阻抗上，產生電流Is。其中Im通過電流分流器變成ImN1/N2，注入電流比較儀的一端，用以擴大量程。電流Is注入比較儀的另一端，當指零儀指零平衡時，準確地反映了比例繞組中的安匝平衡。

當忽略了比較器儀的比例繞組的線阻、漏感和放大器的輸入、輸出阻抗的影響后，線路的平衡方程為

被測電容的電阻為

由上面的平衡式不難看出，該電流比較儀電橋是由電流分流器、電流比較儀、運算放大器三個比例器的乘積組成，具有很寬的測量范圍。

3 結論

電流比較儀的發展，把精密電測技術向前大大地推進了一步。大電容測量只是電流比較儀在交流阻抗測量中的一種典型應用。隨著材料制造工藝的不斷發展、設計技術水平的不斷提高，在精密測量技術領域，電流比較儀將會發揮出更大的作用。

[1]朱輝.基于虛擬儀器的電容參數檢測儀的研究 [D].上海:同濟大學電子信息與工程學院，2010.

[2]曲正偉，趙偉，李正坤.交流電流比較儀在四端鈕阻抗測量中的應用[J].電測與儀表，2009，46(12):1－5.

[3]宗建華，閆華光，楊林.電流比較儀技術在精密測量中的應用[J].電測與儀表，2003，39(5):5－10.

[4]國防科工委科技與質量司.電磁學計量 [M].北京:原子能出版社，2002.

[5]李莉.交流電橋檢定裝置量程擴展 [J].宇航計測技術，2003，23(3):44－46.