淺析大功率實(shí)物校準(zhǔn)的方法及其原理

羅文秋

廣東省佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心 廣東佛山 528000

大功率實(shí)物電阻具備額定電流大、功率大的特點(diǎn)，這也是它和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電阻最為顯著的差異。從大功率實(shí)物電阻角度分析，其電阻精準(zhǔn)度極易受到熱穩(wěn)定性的影響，而額定電流大勢(shì)必會(huì)引起物理效應(yīng)即熱效應(yīng)。所以，進(jìn)行大功率實(shí)物電阻校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)重點(diǎn)既是在額定電流的基礎(chǔ)下，對(duì)于電阻精準(zhǔn)度誤差進(jìn)行檢定。

1 校準(zhǔn)方法及其原理

檢定大功率實(shí)物電阻的重點(diǎn)所在為：在額定電流基礎(chǔ)下，對(duì)電阻真實(shí)電阻值進(jìn)行檢定，對(duì)其示值誤差加以明確，在該原則的基礎(chǔ)上，總結(jié)出4種大功率實(shí)物電阻校準(zhǔn)方法，以下對(duì)4種校準(zhǔn)方法詳細(xì)說明。

1.1 大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻替代法

該校準(zhǔn)方法工作原理為，分別測(cè)取檢測(cè)的大功率電阻及標(biāo)準(zhǔn)電阻二者的電壓值，檢測(cè)材料為數(shù)字電壓表、恒流源、大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)電阻實(shí)際電阻值加以明確。公式表示為：Ux=IRx、Us=IRs，因此：Rx=Ux·Rs/Us。該公式中：大功率電阻兩側(cè)電壓值為Ux、標(biāo)準(zhǔn)電阻兩側(cè)電壓值為Us、大功率電阻為Rx、標(biāo)準(zhǔn)電阻為Rs。此方法適用于，標(biāo)準(zhǔn)電阻中額定電流過大也就是大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻，數(shù)字電壓表或恒流源，精準(zhǔn)度等級(jí)僅比檢測(cè)電阻高出一級(jí)，或是標(biāo)準(zhǔn)電阻精準(zhǔn)度等級(jí)比檢測(cè)電阻低于二級(jí)時(shí)，由于數(shù)字萬用表或恒流源無法對(duì)其有效測(cè)取。利用此方法可對(duì)裝置測(cè)量精準(zhǔn)度進(jìn)行提升[1]。其中，大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻精準(zhǔn)度等級(jí)及額定電流值是方法中的重點(diǎn)指標(biāo)。

1.2 直流比較儀式電橋法

該校準(zhǔn)方法工作原理為，選取不同電流源分別對(duì)比較電阻Rx、Rs進(jìn)行供電，當(dāng)二者電阻壓降方向相反且數(shù)值相同時(shí)，對(duì)二者電流比進(jìn)行測(cè)取，IXRX=ISRS。當(dāng)二者處于電壓平衡時(shí)也就是Ux=US，此時(shí)檢流計(jì)G為零。讓鐵芯內(nèi)直流磁通值為零，經(jīng)由對(duì)可變?cè)裍WX進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，隨后用安匝平衡指示器D對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，使得安匝達(dá)至平衡狀態(tài)。當(dāng)鐵芯內(nèi)直流磁通為零時(shí)，IXWX=ISWS，因此Rx=(Wx/Ws)Rs。此方法對(duì)大功率電阻及標(biāo)準(zhǔn)電阻二者電阻值比較過程中，由于匝數(shù)比精準(zhǔn)度處于10-7甚至更高程度，同時(shí)匝數(shù)線性度也處于10-7這一程度，因此精準(zhǔn)度極高[2]。此外，未處于平衡狀態(tài)前，無電流經(jīng)過電位引線。因?yàn)榘苍咽亲詣?dòng)平衡，因此不會(huì)對(duì)電流提出穩(wěn)定性需求，所以此方法適用于檢定高精度大功率電阻。

1.3 電壓電流法

最傳統(tǒng)的電阻校準(zhǔn)方法即是電壓電流法，圖一為電壓電流校準(zhǔn)電阻原理圖。該校準(zhǔn)方法工作原理為，通過恒流源在檢測(cè)大功率電阻上設(shè)定額定電流值，在電阻兩側(cè)選取電壓表對(duì)電壓值進(jìn)行測(cè)取，依據(jù)歐姆定律獲取實(shí)際電阻值。此方法極為簡(jiǎn)單，但測(cè)取精準(zhǔn)度較低，具體體現(xiàn)為，電壓表測(cè)取精準(zhǔn)度無法達(dá)到使用要求。普遍恒流源精準(zhǔn)度通常在0.02級(jí)之下，其精準(zhǔn)度也未達(dá)到使用要求。大功率電阻普遍為小電阻，大多數(shù)萬用表電壓量程最小值為2V,而所測(cè)電壓值通常為幾十毫伏，在測(cè)取幾十毫伏電壓時(shí)，萬用表測(cè)取精準(zhǔn)度極度下降。

圖1 電壓電流校準(zhǔn)電阻原理圖

1.4 標(biāo)準(zhǔn)電阻替代法（直流電阻比較儀）

該校準(zhǔn)方法工作原理為，將直流電流比較儀采取串聯(lián)的形式，放置于主回路上，標(biāo)準(zhǔn)電阻接于二次輸出端，依據(jù)直流電流比較儀匝比差別，匝比需和二次輸出端電流成反比關(guān)系，電流施加在標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，需確保等于或小于標(biāo)準(zhǔn)電阻額定電流值，對(duì)于檢測(cè)大功率電阻及標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓值進(jìn)行測(cè)取，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)大功率電阻實(shí)際電阻值加以明確，因?yàn)橹绷麟娏鞅容^儀，其匝數(shù)比精準(zhǔn)度通常是多個(gè)ppm，因此測(cè)取結(jié)果可對(duì)電流造成的影響不予考慮。UX=IRX、US=IRS。因此，Rx=Ux·Rs)/KUs。公式內(nèi)，直流電流比較儀匝數(shù)比為K。此方法選取的標(biāo)準(zhǔn)器十分普遍，經(jīng)由合理搭配進(jìn)行使用，對(duì)于裝置測(cè)取精準(zhǔn)度進(jìn)行提升，此外，還可對(duì)精準(zhǔn)度及測(cè)取范圍加以延展，具備極好的使用性能。

1.5 實(shí)際案例分析研究

案例校準(zhǔn)方法：標(biāo)準(zhǔn)電阻替代法（直流電阻比較儀）。

電流源標(biāo)準(zhǔn)為交直流，電流穩(wěn)定度為0.005/2min、額定輸出電流范圍為0.1-100A、精準(zhǔn)度等級(jí)為0.02%量程為+0.01%、驅(qū)動(dòng)電壓為8V,型號(hào)為XF30GI[3]。選取的檢測(cè)大功率電阻，該電阻阻值為1mΩ、額定電流為40A、精準(zhǔn)度等級(jí)為0.05、型號(hào)為BR-1。

表1 不確定度分量表

直流電流比較儀：額定輸出電流范圍為0-200A、匝數(shù)比精準(zhǔn)度為1×10-6、選取匝數(shù)比為1:1000、型號(hào)為RT200。選取的標(biāo)準(zhǔn)電阻，該電阻阻值為100mΩ、額定電流為300mA、精準(zhǔn)度等級(jí)為0.01、規(guī)格型號(hào)為BZ3。

數(shù)字萬用表，對(duì)檢測(cè)大功率電阻測(cè)取電壓值時(shí)，數(shù)字萬用表量程檔需處于100mV，讀數(shù)量程為+0.0004%，測(cè)取精準(zhǔn)度為0.003%。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)取電壓值時(shí)，數(shù)字萬用表量程檔需處于10mV，讀數(shù)量程為+0.0004%，測(cè)取精準(zhǔn)度為0.005%。規(guī)格為Agilen2182。

主回路接收恒流源所輸送的40A直流電流，電流經(jīng)過電阻值1mΩ所生成的電壓約為40mV，砸數(shù)比為1:1000的直流電流比較儀，在40A電流通過時(shí)，電流在二次端輸出值為40 mA，電流經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻電阻值100mΩ所生成的電壓約為4mV。

最終測(cè)取結(jié)果為Ux=39.993、Us=4.00189，經(jīng)由校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)電阻實(shí)際值是100.0036mΩ，因此Rx=Ux·Rs/K·Us=0.99971。

2 結(jié)果不確定度分析

選取數(shù)學(xué)計(jì)算方式為：Rx=Ux·Rs/KUs+δ，該公式中不確定度分量為δ。由該公式可推算出靈敏度系數(shù)分別為：c（δ）=1、c（Us）=UxRs/KUs2、c（Ux）=Rs/KUs、c（Rs）=Ux/KUs。 選 取的不確定度分別為，大功率電阻不確定度、標(biāo)準(zhǔn)電阻不確定度、數(shù)字萬用表不確定度、恒流源不確定度。

2.1 大功率電阻不確定度

選取1mΩ電阻對(duì)其進(jìn)行10次測(cè)取，10次測(cè)取結(jié)果分別如下：0.99968、0.99977、0.99970、0.99978、0.99975、0.99976、0.99972、0.99977、0.99978、0.99971mΩ。經(jīng)由計(jì)算得出u1=0.0000644、s=6.44×10-5，其中u1為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、s為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)電阻不確定度

標(biāo)準(zhǔn)電阻經(jīng)由上述步驟檢定確認(rèn)為合格，該電阻最大允許誤差為0.01%，采取均勻布置的形式，標(biāo)準(zhǔn)電阻不確定度分量是u2=0.0000577。

2.3 數(shù)字萬用表不確定度

選取2182A數(shù)字萬用表，經(jīng)由上述步驟檢定確認(rèn)為合格，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)取時(shí)，該數(shù)字萬用表最大允許誤差0.006%，采取均勻布置的形式，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是u3=0.000032[4]。在對(duì)檢測(cè)電阻進(jìn)行測(cè)取時(shí)，該數(shù)字萬用表最大允許誤差0.004%，采取均勻布置的形式，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是u4=0.000023。

2.4 恒流源不確定度

由于恒流源直流穩(wěn)定度不可大于0.002%/5min，按照最大誤差原則進(jìn)行計(jì)算，采取均勻布置的形式，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是u3=0.0000115。表1為不確定度分量表。

2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

上述所說各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，各分量彼此間不具備相互關(guān)系，因此選取合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.00065%、veff=∞。

2.6 擴(kuò)展不確定度

若p為95%，可在自由度調(diào)查表中查取到k近似值為2，所以k=2,因此，U=kuc=0.013%。根據(jù)上述計(jì)算可以得出標(biāo)準(zhǔn)裝置所測(cè)取結(jié)果，不確定度應(yīng)小于檢測(cè)大電阻功率所包含的1/3允許誤差最大值，進(jìn)而得出結(jié)論此方法具備使用性。

3 結(jié)語

綜上所述，由于大功率實(shí)物電阻使用時(shí)間不長(zhǎng)，因此我國并未對(duì)其編制有關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范，本文基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電阻校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出四種校準(zhǔn)方法，對(duì)于其工作原理分別加以說明，并選取標(biāo)準(zhǔn)電阻替代法（直流電阻比較儀），對(duì)大功率實(shí)物電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后對(duì)方法使用性進(jìn)行驗(yàn)證。