淺談電學計量

馬建龍

江蘇省計量科學研究院 江蘇南京 210023

自從上世紀以來，人們便對電學開展了相關研究工作，并取得了十分顯著的研究成果。目前，在社會發展過程當中，科學技術活動、物質生產活動等，都與電有著十分緊密地聯系，通過開展電學計量工作，可以有效統一單位制，并保證量值的準確可靠。電學計量主要結合了電學工作當中的技術和管理，并能夠統一計量單位，促進我國科技的現代化發展。在電學計量過程中，交直流參數測量技術以及虛擬表測量技術等得到有效應用，這全面提高了我國計量技術的快速發展。

1 電學計量概述

目前，我國和世界上的部分國家，針對電學當中的統一量賦予了最高測量標準，其專有名稱為電學計量基準。在經過長期發展以后，電氣測量也取得了十分顯著的突破，在現代物理學電氣測量的基礎上，有效實現基線到基線物理的自然過渡，相關技術指標也增加了2～3個數量級，而參考電壓具體包括自然地量子霍爾效應、代表性的約瑟夫森效應，通過電阻自然基準的實現，使電氣測量技術得到了快速發展。通過對現代計算機技術進行應用，可以使電平的交流阻抗計算基礎得到明顯增加。對比擴大電力傳輸，繞組匝數技術實現了質的飛躍，并達到了更高地的數量級水平。通過對交流電源數字化采集技術進行應用，可以使傳統熱電轉換得到擺脫，并取得良好的經濟性和實用性效果。而對等效模擬技術進行應用，則可以使用標準的真實規模得以實現。除此之外，在模型開發過程中，通過應用虛擬電流測量儀器，可以對生產和測試使用的模型進行建立。

2 電學計量應用的現狀分析

目前，我國以及世界上的部分國家，對電學當中的計量參數的單位制進行了統一主要使用國際單位制其中電學的基本單位為安培。在實際應用電力設備時，想要使設備長時間處于高度穩定電流標準表狀態，難度往往相對較大。但在應用電學設備當中的電阻、電壓單位時，則可以更為容易地保持穩定，所以，各國在應用電學計量時，主要將電阻和電壓單位作為具體對電磁單位進行保存的手段。與此同時，在電學單位當中，電壓和電阻單位也是十分重要的組成部分，具有相應的計量標準單位[1]。而根據現階段電學計量當中的計算標準進行分析，具體包括以下幾個方面。

首先，電容。在電學計量基準當中，電容值具體是指電路在給定電位差下儲備的電荷量。一般來說，電荷在電場當中會隨著電流的運動而保持運動狀態，這也使得各導體之間有電荷這一介質存在，但在電容的具體移動過程當中，導體自身材料性質往往會影響到電荷移動。在此過程當中，電荷會在導體當中逐漸積累和儲存，而針對其儲存量則稱之為電容。在電力學當中，電容指對電場的容納能力，相關專家學者在開展研究工作時，會采用四個柱形電極，從而形成相對電容器，有效儲存電荷。在具體實驗過程當中，其發現磁電容器電容量和其軸向長度之間具有明顯的正比關系，但和電容器自身形狀無關。所以，在測量電容器軸向長度時，需要對干涉法進行采用，這樣可以使電容器測量量級得到提高，并有效提升交流阻抗的復現水平[2]。

其次，電感。電感也同樣是電學計量當中的重要計算基準之一，其具體是指在閉合回路下，電路附帶屬性中的一種，屬于物理量值。當電路線圈中有電流通入后，在電流作用下，線圈會產生磁場效應。感應磁場可在線圈組成的磁場效應中，進一步產生感應電流，進而抵制線圈中的現有電流。對于感應磁場當中，電流和線圈電流的相互作用，可以將其稱之為電的感抗，即電感。此物理量可對線圈內部的電容變化進行描述，同時還可用來表現該線圈在另一線圈的當中所引起的感應電動勢電路參數。

再次，電阻頻率特性。電阻頻率特性是指在電學測量時應用交流電阻、交流電流以及高頻電路所產生的電路介質損耗。當電阻保持交流高頻狀態時，電阻元件的相關因素會導致其在交流狀態下具有的阻抗實物和直流之間不等，相關因素具體包括周圍介質損耗、接線面趨膚效應、寄生電感以及電容鄰近效應等。與此同時，高頻電路當中的寄生電容和電感與電阻器位置排列、導線形狀、電磁環境等具有緊密聯系，所以在計算幾何形狀規則的電阻器電阻頻率特性時，需要對高頻電路當中寄生電容、電感等實際附加損耗因素進行充分考慮。這樣一來，可對電阻在直流和交流狀態下的區別進行準確計算[3]。

第四，電壓。在電學計量當中，電壓也是十分重要的一類計量基準值。在絕對測量電路當中的電壓量值時，可對電壓天平進行采用，還可以結合安培定律有效導出電流和電阻間的關系。目前，世界上許多國家都通過直流電壓與頻率間的關系，對電壓商值進行推導，而該值也被稱之為約瑟夫森常數。

最后，交直流轉換標準。針對交直流轉換標準進行分析，其具體是基于交流電壓、功率與電流計量開展測定工作。在實際測定時，需要對電流熱效應比較技術進行應用，并判斷未知的電流熱效應或交流電壓，可以將此數值匹配已知的電流熱效應和直流電壓。目前，我國可對一種真有效值固態傳感器進行采用，在傳感器上的擴散電阻以及硅片進氣管能夠有效檢測電路當中的電阻消耗功率，并在實際檢測時利用發射極溫度、電壓以及基極等因素之間的關系，對檢測數值進行獲取[4]。

3 電學計量標準的發展研究

3.1 數字化測量技術的應用

在電學計量基準的實際發展過程當中，通過對數字化測量技術進行應用，可以更為直接地使用儀器，實現被測量的量化采樣、編碼以及轉換，與此同時，在實際轉換和編碼時還能夠在測量儀表當中顯示出實際數字，從而對數字結果進行直接顯示。在對數字化測量技術進行應用時，電壓是基本模數轉化因子，而在數字儀表當中，數字電壓表也是十分重要的組成部分。針對電學中的物理量進行分析，其中多數物理量可通過變換器向電壓進行轉化，再利用電壓表，使實際電壓值能夠轉變成相應的數字量，從而數字化地開展電學測量工作。通過采用此種方式，可使數字化測量向用電測量儀器以及非用電測量儀器等相關領域進行擴展，對我國的地區計量測量具有重要意義。數字測量儀可以對簡單變換壓力表進行模擬，從而顯示數字結果，同時還可以實現十進制數字顯示測量儀器的有效測量。針對數字采集技術應用進行分析，其在交流電量測量方面取得了十分顯著的應用效果。數字采集技術的原理在于對高準確度直流電壓測量功能進行利用，可以通過鈣素采樣的方式，對足夠密度的直流電壓量值進行獲取。通過運算可以對被測交流電壓的有效值進行獲取，對比傳統熱點轉換方式，要具有耐沖擊性、低頻特性、經濟性以及便攜性等方面的優勢，而且還可以將其在交流電壓測量、超低頻測量以及功率電能測量當中進行應用，從而取得良好的使用效果[5]。

3.2 模擬電子技術應用

在電學計量過程當中，對模擬電子技術進行應用，可通過模擬電子技術有效測算不同條件下的電子元件計量數值。而在具體測算電學計量數據時，可對等效電路進行利用，從而使主要與次要矛盾得到忽略。例如，在工程計算過程當中，可對模擬電子技術進行應用，具體需要通過等效電路法使工程中的瑣碎電學問題得到有效解決。在對模擬電子技術進行應用時，還可在交直流轉換標準的基礎上，對電路中直流電流、電壓以及功率大小進行判斷。而想要對該種技術進行應用，可通過固態傳感器的擴散電阻以及晶體管，從而有效開展電學計量檢測工作。總的來說，虛擬儀表的使用有效打破了傳統儀器形式的束縛，并對現代計算機技術進行了充分利用，同時還改進了測量方式，可以有效提升測量效率。現如今，相關型號的虛擬儀表已在大量研制和使用當中，這為網絡化測量提供了有力支持，而且發展空間巨大。

3.3 虛擬表技術應用

在電學計量過程當中，還可對虛擬表技術進行應用。具體來說，相關工作人員應對虛擬表技術中PXI、VXI板卡儀器等進行使用，從而使傳統儀器測量的局限得到有效突破，使現代計算機技術具有的測算量得到充分利用。與此同時，還可將普朗克常數、光速以及電子電荷等新單位值進行引入，從而使光學計量測量的準確性得到有效提高。除此之外，此項技術對未來電學計量測試的發展也具有重要作用，可利用虛擬表技術快速進行電路采樣，并自動控制和修正各種環境因素與條件，從而自動處理相關電學計量數據，使計量測量的精準度與速度得到有效提高。

3.4 動態計量的應用

針對我國國防尖端領域與科研生產領域的研究工作進行分析，其具體需要涉及到相關電子元器件的動態計量測量工作。其中動態測量是指在實際測量過程當中，相關被測量往往會隨著時間流逝而產生相應變化，此時應對測量過程中的信號值快速響應與不失真復現加大重視。動態測量技術對比靜態測量，在技術層面上要更加復雜，而在電子元器件的響應時間內，對二次儀表和傳感器進行使用是一項難點，同時還需要在具體測量過程當中有效轉換原測量結果，從而得到最終的測量結果，使電學計量信號得到恢復。為了使電子元器件的信號恢復概率得到提高，相關工作人員需要對所用測量儀器的動態響應特征進行了解。目前，動態校準是電學計量學當中的一項重要內容，但與常規電學計量還有著明顯區別，因此具有一定特殊性。在動態計量測量過程當中，除了需要對測量理論進行充分研究之外，還需要對測量方法加大研究力度，從而更為準確地識別動態計量測量過程中的特低頻微弱小信號[6]。

在未來發展過程當中，電學計量的整體發展趨勢主要是基于普朗克常數、光速以及電子電荷等基本常數的全新單位制，因此，在發展電學基準時，需要對物理學的最新成就進行充分利用，并要合理創新測量原理和方法，從而使測量準確度得到提高。而通過對交流約瑟夫森效應，可以進一步實現交流電阻的自然基準，目前相關工作已經得到了開展。除此之外，一些發達國家還采用電子隧道效應實現電流自然基準，如今已經進入到試驗階段，可以通過量子三角形互證i個量子基準。數字化測量技術的應用范圍也變得更加廣泛，可以以此為基礎全面促進電子計量的智能化、自動化以及網絡化發展。

4 結語

綜上所述，隨著計算機軟硬件以及信號處理等技術的持續發展，電學計量標準裝置對數據的分辨率、采集速度以及儲存率都得到了明顯提升，這使其在精度校準過程當中，可以采集頻率變化超過MHz級地電信號。除此之外，計算機的運行速度也在不斷加快，可對電學計量標準采集當中的數學解算以及數據分析處理等任務進行完成。在計量測量過程當中，對現代物理效應進行利用，還可以使計量基準復現量值的一致性得到明顯提高。除此之外，通過對計算機、數字等技術進行應用，可使電學計量測量效率得到明顯提升，并進一步促進計量測量的網絡化、智能化以及自動化發展。