高精度直流大電流源校準方法的研究

何修剛

煙臺市計量所 山東煙臺 264003

近年來，高精度直流大電流源應用越來越廣泛 ，有一些大電流源被用作量值傳遞的標準，例如被用作鉗形電流表、直流大電流表、電流傳感器等儀器校準的標準器等。這類直流電流源有自己的特點，一是準確度等級比較高，一般在0.05級以下，二是最大輸出電流比較大，一般能達到1000A甚至2000A，對于這類直流標準源如何進行量值溯源，是一個一直困擾我們的難題[1]。一般直流標準源我們可以依據(jù)標準JJF1638-2017多功能標準源校準規(guī)范進行校準，該規(guī)范提供了標準表法、電流電壓轉(zhuǎn)換法兩種方法進行電流校準。當采用標準表法時，目前高精度數(shù)字多用表例如8558A，最大測量電流為30A，不能采用此方法測量30A以上的電流， 有些廠家可以提供1000A以上的直流電流表，但是這類電流表一般情況下準確度不高，或者本身也很難進行量值溯源。如果采用電流電壓轉(zhuǎn)換法，由于標準電阻或電流轉(zhuǎn)換器的最大電流限制，一般只能測量到100A以下電流，如果采用分流器來進行電流轉(zhuǎn)換，分流器的準確度很難達到要求，所以電流電壓轉(zhuǎn)換法對于100A以上的高精度電流源不容易實現(xiàn)。因此，為了校準高精度直流大電流，我們需要找到一種容易實現(xiàn)并且能夠溯源的方法，通過與高精度直流源生產(chǎn)廠家以及一些計量同仁的探討，本文希望找出一種切實可行的校準方法，并通過不確定分析來驗證這種方法的符合性。

1 校準方法

本文以校準長沙天恒生產(chǎn)的TD8650鉗形電流綜合裝置為例，其電流準確度為0.01級，測量范圍為（0-1000）A。對于100A以下的測量電流，我們可以采用JJF1638-2017《多功能標準源校準規(guī)范》提供的方法進行校準，本文不再做論述。本文重點討論100A以上電流的校準方法。

本次校準使用的標準器：

表1

本次校準采用的方法，直流標準電流源輸出電流I通過直流比例標準（變比比例k）變成二次電流I1，二次電流通過串聯(lián)的二等標準電阻R，在標準電阻兩端并聯(lián)數(shù)字多用表，測得電阻兩端的電壓U，因此實際電流值

圖1

2 不確定度驗證

驗證這種校準方法是否合理有效，我們必須確保整個校準過程引入的不確定度不大于被校設(shè)備的最大允許誤差的1/3。我們對此次校準過程進行不確定分析。

2.1 測量的數(shù)學模型

式中：

△I-被檢大電流源示值誤差；

Ix-被檢電流源輸出顯示值；

IN-直流電流比例標準、直流標準電阻、數(shù)字多用表組合得到的直流電流標準值；k-直流電流比例標準的變比；

R-二等標準電阻的電阻值；

U-數(shù)字多用表的實際電壓值。

標準不確定度的來源主要有以下幾方面：

（1）在重復性條件下，由對被測大電流源的測量不重復引起的不確定度分項采用A類評定。

（5）校準過程中由讀數(shù)分辨力引起的不確定度分量很小，因此可忽略不計。

2.2 A類標準不確定度分量的評定

對此次校準的直流標準電流源我們選取500A點獨立進行10次重復測量，得到數(shù)據(jù)如下：

表2

2.3 B類標準不確定度分量的評定

2.3.1 直流電流比例標準不準引入的不確定度分量

直流電流比例標準的變比為（1000：5），最大允許誤差為±0.002%，在測量500A時帶來的電流最大允許誤差±0.002%×500A=±0.01A，在半寬區(qū)間里我們認為服從均勻分布，其包含因子?u(kN)/(kN)=0.0058A/500A=1.16×10-5

2.3.2直流標準電阻不準引入的不確定度分量

直流標準電阻經(jīng)檢定合格，準確度等級為二等，年穩(wěn)定性為±0.001%，半寬區(qū)間里我們認為服從均勻分布，其包含因子因此0.58×10-6Ω/0.1Ω=0.58×10-5

2.3.3數(shù)字多用表不準引入的不確定度分量

由于采用的0.1Ω的標準電阻，數(shù)字多用表的電壓為0.1×（1000/5）×500=0.25V，通過查詢我們得到數(shù)字多用表在此量程的最大的允許誤差為±（3.0×0.25+0.2×2）×10-6=±1.15×10-6V，半寬區(qū)間里我們認為服從均勻分布，其包含因子因此u(VN)==0.66×10-6V，u(VN)/(VN)=0.66×10-6V/0.25V=2.7×10-6

2.3.4輸入量IN的不確定度

由（3）式得

當 IN=500A 時，u（IN）=1.4×10-5×IN=1.4×10-5×500A=7×10-3A

2.4 合成標準不確定度的評定

2.4.1靈敏度系數(shù)ci

由（1）式得到靈敏度系數(shù)

2.4.2測量不確定度匯總

2.5 合成標準不確定度的評定

輸入量Ix和IN彼此相互獨立和互不相關(guān)，合成不確定度按（4）

表3

式計算：

因此合成不確定度：

2.6 擴展不確定度

擴展不確定度包含因子k=2。

相對擴展不確定度為：

3 結(jié)語

通過對直流大電流標準源的不確定結(jié)果評定，我們可以得到校準結(jié)果的相對擴展不確定度為：3×10-5，符合不確定度不大于被測設(shè)備最大允許誤差1/3的原則。因此我們采用直流標準比例、直流標準電阻和數(shù)字多用表組合來校準0.01級及以下的直流大電流標準源是完全可行的，此方法極大的提高了我們的校準能力[2-3]。