鉗形電流表示值誤差測量結果不確定度評定

張振國

（河北前進機械廠，河北 石家莊 050035）

鉗形電流表是一種將開合的磁路套在載流導體上測量其電流值的儀表。它的特點是無需斷開回路，即可測量被測電路的電流，操作簡單，大量應用于科研生產和檢修測試當中。按照測量原理鉗形電流表又可分為互感器式、霍爾效應式以及磁平衡式等。互感器原理的鉗形電流表僅能測量交流電流，霍爾效應原理和磁平衡原理的鉗形電流表可測量交直流電流。

鉗形電流表的校準方法一般采用單匝法或等效安匝法。單匝法能對測量數據進行有效溯源，適用于高、低準確度鉗形電流表的校準；等效安匝法難以進行測量數據的直接溯源，僅適用于低準確度鉗形電流表的校準。 可根據被校鉗形表的電流測量范圍及準確度等選擇合適的測量方法。

本文以常用的FLUKE 319 鉗形電流表為例，采用等效安匝法，對校準過程中的主要不確定度因素進行分析、評價，希望對相關工作者能起到幫助作用。

1 概述

1.1 校準依據

JJF 1075-2015《鉗形電流表校準規范》。

1.2 環境條件

1.3 測量標準

（1）多功能校準器，型號：5500A，量程：DCI（0～10）A。

（2）100 匝鉗形電流表校準線圈，型號：HG1000A，量程：DCI（0～1000）A。

1.4 被校對象

數字式鉗形電流表，型號：FLUKE 319，量程：DCI（0～600）A，準確度：±（1.5%+5）。

1.5 校準方法

采用等效安匝法，100 匝鉗形電流表校準線圈在結構上把多功能校準器輸出的電流以100 匝形式沿同一方向多次穿過鐵芯，因此在100 匝線圈導線匯聚的一側中產生的等效安匝電流是多功能校準器輸出電流的100倍。

將多功能校準器5500A 預熱30min 后，輸出直流電流（0～10）A 給 100 匝鉗形電流表校準線圈，將該線圈放置于鉗形電流表鉗口幾何中心位置，在鉗形電流表上讀取相應的電流示值，并將此示值與實際值相減，其差值即為鉗形電流表示值誤差，原理如圖1 所示。

圖1 鉗形電流表校準原理

1.6 評定結果的應用

在符合上述條件下的測得值，一般可直接使用本評定結果。

2 測量模型

式（1）中，ΔI-被校鉗形電流表示值誤差（A）；IX-被校鉗形電流表的示值（A）；IB-匝線圈輸出的等安匝電流值，即多功能校準器5500A 輸出的直流電流值乘以線圈匝數 100（A）。

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2.1 靈敏系數

對式（1）中各參量求偏導，得到靈敏系數如下：

2.2 不確定度傳播率

因為各輸入量之間彼此獨立不相關，所以傳播率公式為：

3 輸入量的標準不確定度評定

3.1 輸入量 IX 的標準不確定度 u（IX）

（1）被校鉗形電流表測量重復性引入的標準不確定度分量 u（IX1）

任選4 臺FLUKE 319 數字式鉗形電流表，對其直流100 A 處進行10 次測量，得到4 組測量結果，利用貝塞爾公式分別計算出每組測量結果的實驗標準偏差Sj，如表1 所示。

合并樣本標準偏差SP：

由于實際測量時，取兩次測量值的平均值作為測量結果，故：

（2）被校鉗形表分辨力引入的標準不確定度分量u（IX2）

該鉗形電流表在直流100 A 時，分辨力為0.1 A，半寬度α=0.05A，設在該區間內服從均勻分布，取置信因子，則

重復性條件下，示值的分散性既取決于儀器結構和原理上的隨機效應影響，也取決于分辨力。在測量不確定度評定中，當重復性引入的標準不確定度分量大于被測儀器分辨力所引入的不確定度分量，可以不考慮分辨力所引入的不確定度分量。在本次測量不確定度評定中，分辨力引入的不確定度分量為0.029A，小于重復性引入的標準不確定度分量，因此舍去。

3.2 輸入量 IB 的標準不確定度 u（IB）

（1）多功能校準器5500A 不準引入的標準不確定度分量 u（IB1）

由說明書知，多功能校準器5500A 在直流1A 處最大允許誤差為：±（0.03%×1A＋44μA）=±0.000344A，半寬度α=0.000344A，設在該區間內服從均勻分布，取置信因子k=則

（2）HG1000A 校準線圈不準引入的標準不確定度分量 u（IB2）

由說明書知，HG1000A 校準線圈在直流100A 處最大允許誤差為：±（0.3%×100A）=±0.3A，半寬度 α=0.3A，設在該區間內服從均勻分布，取置信因子，則：u

4 合成標準不確定度

4.1 標準不確定度一覽表（見表2）

4.2 合成標準不確定度

表1

表2

以上各項標準不確定度分量互不相關，因此：

5 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度為：

U=kuc（ΔI）=2×0.18A≈0.4A

6 測量不確定度報告

數字式鉗形電流表直流100A 示值誤差測量結果不確定度：

U=0.4A（k=2）

7 結束語

本標準裝置引入的標準不確定度：U=0.34A（k=2），被校數字鉗形電流表在直流100A 處允許誤差為±（100×1.5%+0.5A）=±2.0A，約占被校鉗形電流表1/5，符合JJF 1075-2015《鉗形電流表校準規范》技術要求。對于其它各點的測量結果擴展不確定度均可以按上述方法進行評定。