參考繞組法直流電流比較儀自校準

周力任 潘洋 朱力

摘要：為提升磁調制式直流電流比較儀的性能，探索低磁勢至額定磁勢下的比例準確度，提出基于參考繞組法的自校準方法。分析含有參考繞組的DCC結構，通過測量獨立的10組一次繞組與參考繞組和10組一次繞組串聯后與二次繞組的差值電流，結合公式推導計算，得到一次繞組相對于參考繞組以及二次繞組的比例實際值和相應誤差。測量結果的相對誤差和不確定度都達到10^-8量級。采用具有溯源性的傳遞比較法對自校準結果進行驗證，經過與上一級計量機構的測量結果和不確定度比較，滿足JJF 1033-2016《計量標準考核規范》對測量結果驗證的要求?；趨⒖祭@組的DCC自校準方法具有測量結果不確定度小和測量過程簡單的優點，滿足直流電流比例溯源的要求。

關鍵詞：直流電流比較儀;傳遞比較法;參考繞組法;自校準;不確定度

中圖分類號：TM276文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0043-04

0引言

直流電流的計量是電磁計量的重要組成部分，涉及工業生產和科學研究中的諸多領域。磁調制式直流電流比較儀（DCC）是基于磁調制原理的一種閉環控制結構，以實現電流比例的變換。由于直流條件下無法直接進行磁感應耦合，因此需要借助磁調制器的調制、解調技術來實現安匝平衡，即工作在零磁通狀態。DCC以其高準確度、低漂移、高線性度等突出優點，被廣泛用于直流電流的量值傳遞與溯源。

為確保DCC的性能可靠，必須對其準確度進行校準。邵海明提出了一種在實際工作狀態下的DCC高準確度自校準新方法——串并聯法，主要通過固定一次母線、控制并聯時流過繞組電流的均勻性，由1A：1A自校準開始，4次測量后電流比例快速擴展到5kA：5A，測量結果的不確定度為1.0×10^-8-2.6×10^-7。曹燕飛等提出一種電流比例標準裝置自校準方法，經自校、加法、比較、測β及乘法步驟，完成絕對校準。加法需要由2臺DCC完成，其測量步驟較多，不確定度較小，適合電流比例不太大的情況;而乘法則需要3臺DCC共同完成，在非額定磁勢下進行校準，實現電流比例的快速擴展。Rietveld等H在一次電流超過100A時采用等安匝方法進行校準，最大電流為600A，測量結果的不確定度優于5×10^-6。

為了探索DCC在低磁勢至額定磁勢下的比例線性度，本文提出一種基于參考繞組法的自校準方法，將測量結果與上一級計量機構的量值溯源結果采用傳遞比較法進行驗證，為DCC產品設計及性能提升提供參考。

1參考繞組法的測量原理

DCC由1對高磁導率的主鐵芯、屏蔽鐵芯、激勵繞組、比例繞組和調制解調電路等構成。反向串聯兩個鐵芯的激勵繞組，從而構成差動式結構。當被測直流電流為零時，兩個鐵芯中只有激勵電壓所產生的交流磁場，由于是反向串聯，因此檢測繞組感應的電壓大小相等、方向相反，互相抵消。當被測直流電流不為零時，直流偏置磁場使得鐵芯在一個方向上較另一個方向更易飽和，對稱性被破壞。通過解調電路將表征被測電流大小和方向的偶次諧波的峰差值轉換為直流電壓信號，再經功率放大后輸送至二次繞組，形成一個閉環控制的反饋隨動系統，實時跟隨待測直流電流信號。

當二次繞組產生的磁勢I2×N2（二次電流乘以二次繞組匝數）抵消被測電流產生的磁勢I2×N1（一次電流乘以一次繞組匝數）時，DCC進入“零磁通”狀態，一次與二次的電流比例反比于其繞組的匝數比，從而實現高準確的直流比例。

本文研制了1臺高性能的DCC，加入參考繞組，其結構如圖1所示。圖中，W2（i=1，2，…，10）表示10組以100T為步進的一次繞組，由撥盤控制任意可調;Wr表示與一次繞組步進相同的即匝數為100T的參考繞組;Ws表示二次繞組，其匝數為固定的1000T;DCI表示直流電流源，自校準時提供一次電流;nA表示小電流表，用于測量差值電流。各繞組在主鐵芯上均勻密繞，然后將端子引出到DCC的前面板，便于接線。

參考繞組法的自校準步驟分為2步。1）測量每組一次繞組相對于參考繞組的差值。將獨立的10組一次繞組逐個與參考繞組反向串聯，形成100T與100T的比較，接線如圖l所示。直流電流源輸出1A的額定電流Ii，磁勢平衡后，記錄小電流表測得的差值電流△Ii，可得：

2）測量串聯后的一次繞組相對于二次繞組的差值。參考電流比例的自校準方法，將獨立的10組一次繞組同向串聯，與二次繞組形成1000T與1000T的比較，如圖2所示。

直流電流源同樣輸出1A的額定電流I，磁勢平衡后，記錄小電流表測得的差值電流△I，可得：

2自校準的結果與驗證

圖3為DCC自校準試驗所需儀器的照片，包括一臺含參考繞組的高準確度DCC、能夠提供穩定直流的電流源和分辨率達到pA級的小電流表。

按上文所述步驟進行測量，結果如表1和表2所示。根據表中數據，結合式（5）和式（6）的計算，可最終得到一次繞組與參考繞組和二次繞組的比例實際值，分別如表3和表4所示。需要說明的是式（5）和式（6）的計算結果為繞組匝數比，由上文闡述可知DCC的電流比例與其匝數比成反比，因此還需進行一步求倒數的計算。

從測量結果可知，無論是一次繞組相對于參考繞組，還是相對于二次繞組，電流比例的相對誤差都為10^-8量級?？梢奃CC電流比例的線性度和準確度都非常高。

將此臺DCC送至上一級計量機構進行量值溯源，對各個測量點進行校準，驗證自校準的結果。下文以（w1/ws）為例。

根據JJF 1033-2016《計量標準考核規范》，選擇傳遞比較法進行驗證，具體過程為：用被考核的計量標準測量一穩定的被測對象，然后將該被測對象用高等級的計量標準進行測量。若用被考核計量標準和高等級的計量標準進行測量時的擴展不確定度分別為U_Iab和U_ref，它們的校準結果分別為‰和y_ref，在兩者的包含因子近似相等的前提下應當滿足：

自校準測量結果的不確定度主要來源于：測量重復性、DCC零點的漂移、差值電流的測量、二次電流的測量和磁勢不平衡。表5提供了自校準的結果和絕對不確定度以及上一級計量機構的校準結果和絕對不確定度，相對不確定度也都達到了10^-8量級，可以看出，滿足式（7）的要求，因此驗證結果滿意。

3結束語

本文從參考繞組法的測量原理人手，分析了1種含有參考繞組的DCC結構，詳細闡述了自校準的2個步驟，列出了獨立的10組一次繞組與參考繞組和10組一次繞組串聯后與二次繞組的差值電流。根據測量原理進行了公式推導，最終得到一次繞組相對于參考繞組和一次繞組相對于二次繞組的比例實際值。結果顯示，相對誤差和相對不確定度都達到了10^-8量級。

采用具有溯源性的傳遞比較法對自校準結果進行了驗證，結合本實驗室和上一級計量機構的測量結果與不確定度，滿足JJF 1033-2016《計量標準考核規范》對測量結果驗證的要求?；趨⒖祭@組法的直流電流比較儀自校準方法具有測量結果不確定度小和測量過程簡單的優點，能快速實現誤差的測量，滿足DCC電流比例溯源的要求。