72套羅氏線圈測量系統同時校準的方法研究

李亞 李慶媛 王林森 武旭

摘 要：傳統的羅氏線圈校準工作大多在實驗室里完成，沒有考慮到測量用的附屬設施設備，而將羅氏線圈獨立地進行校準，且72套羅氏線圈校準工作量比較大，效率比較低，測量不同步。鑒于此，設計了一種新型的72套羅氏線圈同時校準的方法，附屬設施同時參與測量，提高了現場實際使用測量的準確性和可靠性，測量結果能夠實時顯示、存儲并進行數據分析。測試表明，該方法可以對72套羅氏線圈及配套設施進行校準。

關鍵詞：羅氏線圈;校準;同步

0 引言

隨著城市發展，人們的用電需求量越來越大，而煤炭、石油等能源是不可再生的，還會對環境造成污染，所以人們亟需尋求一種新型的可再生的清潔能源。EAST是我國自主設計、研制的世界上第一個大型非圓截面、全超導托卡馬克磁約束核聚變裝置，它的最終目的是實現可控的核聚變反應并用于發電。大功率晶閘管變流器系統是核聚變裝置的重要組成部分，向超導線圈供電，實現各種不同要求的等離子體位形和不同運行模式下等離子體的產生、加熱平衡及控制。每套變流器系統有6個橋臂，每個橋臂由12支大功率晶閘管并聯構成，共有72支大功率晶閘管。大功率晶閘管變流器出廠時，根據標準《半導體變流器 通用要求和電網換相變流器 第1-1部分：基本要求規范》（GB/T 3859.1—2013），需對變流器均流系數進行計算與分析，若均流系數不滿足要求，會影響變流器的安全運行、損耗和整機效率。根據大功率變流器均流的測試經驗，得出用羅氏線圈測量是最經濟、有效、簡單、安全、可靠的方法。為了保證每套羅氏線圈測量數據的準確性，需對每套羅氏線圈測量系統進行校準，保證均流系數的計算結果準確。

1 羅氏線圈傳統的校準方法

1.1? ? 校準方法

羅氏線圈傳統的校準方法需要的設備儀器有：零磁通霍爾電流傳感器、羅氏線圈及配套積分器、數字多用表、電流源。傳統羅氏線圈校準的連接線路如圖1所示，其中零磁通霍爾電流傳感器和數字多用表是標準器具，經外部校準并確認合格，零磁通霍爾電流傳感器準確度等級為0.3級，比例系數為K1（單位：A/V），電源是交流電源或脈沖直流電源，羅氏線圈及配套積分器準確度等級為2.0級，比例系數為K2（單位：A/V）。數字多用表1測量零磁通霍爾電流傳感器輸出電壓V1，數字多用表2測量被校準羅氏線圈及配套積分器輸出電壓V2，根據公式（1）可計算回路電流I：

I=K1V1=K2V2（1）

1.2? ? 校準程序

（1）通電前，檢測人員檢查校準時需要用到的儀器設備、現場溫濕度環境。

（2）按照校準線路進行回路連接，安裝零磁通霍爾電流傳感器及被校準羅氏線圈。

（3）啟動電源和儀器設備。

（4）一人操作電源輸出電流進行測試，另一人拍照記錄兩個數字多用表同時測得的電壓，根據公式（1）可以求得零磁通霍爾電流傳感器測量的回路電流I1和羅氏線圈測量的回路電流I2，若I2誤差在允許范圍內，則按照約定的電流值進行校準。

假設每套羅氏線圈及配套積分器校準3個點（1 000 A、2 000 A、3 000 A），則72套羅氏線圈需要調試電流源216次，拍照216次，并記錄和及時計算出電流，查看羅氏線圈測量結果是否準確，對于不準確的羅氏線圈，最后統一進行調試。傳統的羅氏線圈校準方法十分煩瑣，工作量非常大，檢測人員易疲勞，計算出錯。

2 羅氏線圈新型的校準方法

2.1? ? 校準方法

羅氏線圈新型的校準方法是72套羅氏線圈同時校準，附屬設施（模擬量隔離機箱、航空插頭接口、數據采集系統信號轉換機箱）及傳輸信號線同時參與測量，校準實際使用時測量的準確性和可靠性，實時顯示并存儲校準結果，自動進行數據計算。需要用到的儀器設備有：零磁通霍爾電流傳感器、羅氏線圈測量系統、電源、多通道高精度數據采集系統，其中零磁通霍爾電流傳感器和多通道高精度數據采集系統經外部校準并確認合格，作為標準器具使用。零磁通霍爾電流傳感器準確度等級為0.3級，比例系數為K1（單位：A/V）;羅氏線圈測量系統準確度等級為2.0級，比例系數為K2，…，Kn（單位：A/V），電源是交流電源或脈沖直流電源;多通道高精度數據采集系統有96個采集通道，且每個通道相互獨立，準確度等級為0.2級。把零磁通霍爾電流傳感器和72套羅氏線圈測量系統的比例系數分別設置于不同的通道，通電結束可以直接讀取每個通道測量的電流值I。新型羅氏線圈校準的連接線路如圖2所示。

2.2? ? 校準程序

（1）通電前，檢查需要用到的儀器設備狀態、現場溫濕度環境。

（2）檢測人員按照校準線路圖連接主回路，安裝零磁通霍爾電流傳感器以及72套被校準羅氏線圈，并連接測量回路。

（3）啟動儀器設備及附屬設備，設置數據采集系統，根據校準要求設置通道的名稱、采集模式（單端或者差分）、采集范圍、比例系數（傳感器的變比）、采樣率等。

（4）點擊數據采集系統開始采集，檢查零點是否有故障羅氏線圈或線路，無故障點擊結束。

（5）啟動電源，按照約定的電流值輸出電流，一人操作電源，另一人點擊數據采集系統開始采集。羅氏線圈及配套積分器校準3個點，交流有效值（1 000 A、2 000 A、3 000 A），則需要調節電源3次，數據采集系統點擊采集3次，自動記錄每次采集的波形并計算測量結果。

（6）最后對不準確的羅氏線圈測量系統統一進行調試，校準完成。

2.3? ? 校準波形及計算

因波形比較多，現提供1～12羅氏線圈測量系統3 000 A測量波形和計算結果，分別如圖3、圖4所示。

2.4? ? 新型校準方法的優點

（1）該方法實現了72套羅氏線圈測量系統校準和信號采集的同步，提高了校準效率，縮短了校準時間。

（2）該方法校準時自動記錄波形，波形保存在數據采集系統的硬盤里，可以隨時調取查看，存儲、溯源方便，且自動計算測量結果，減少了人為誤差，保證了準確度。

（3）該方法實現了羅氏線圈積分器及配套隔離電路轉換接口一起校準，減少了對隔離電路、轉換接口機箱的單獨校準，降低了校準成本，符合現場實際使用情況，提高了羅氏線圈實際使用的準確性和可靠性。

3 結語

綜上所述，利用多通道高精度數據采集系統可以實現對72套羅氏線圈同時校準，校準成本低，效率高，同步性好，準確度高，存儲溯源方便。

[參考文獻]

[1] 李亞，李慶媛，王林森.PF變流器均流系數不確定度的評定[J].計量與測試技術，2019，46（12）：103-105.

[2] 李亞，王林森，李慶媛.電流傳感器在直流測試平臺的應用[J].儀表技術，2019（5）：45-48.

收稿日期：2021-04-21

作者簡介：李亞（1989—），男，安徽渦陽人，工程師，研究方向：儀器儀表及傳感器使用開發。