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精密大电流测量技术探讨

王景技术支持

福禄克公司计量校准部（中国）

2013.1

©2010 Fluke Corporation Presentation Title 2

•精密大电流源精密电流放大器/跨导放大器工作原理

解决的问题

•精密大电流的测量精密电流测量难点和现状

为什么要用好的分流器

福禄克的技术方案

内容简介


•例如：电能表电流容量正在向大电流需求方向发展

家用电能表的电流检测范围从几个 mA 到100A

电力系统大电流继电器出厂测试，入网鉴定

电流互感器的测量

模拟指针式大电流表的校准

。。。。。。

大电流测量场合


•电能测量标准

•电能质量分析仪•大电流分流器和探头

•钳形表

•模拟指针表

•大电流螺旋管线圈

•继电器 / 断路保护器测试装置

•电流互感器

•数字多用表

大电流测量常见设备


•恒流源：直接输出电流范围小

•内置电流互感器，范围增加电流稳定性和准确度难保证

•精密恒流源或恒压源加放大器使用灵活，既可以电压也可以电流驱动

准确度高

大电流源实现方法


52120A 电流放大器/跨导放大器

• 用120A的标准电流放大器可满足大电流校准负荷的需求

从DC 至10 kHz

可并联使用，产生更大电流

驱动线圈，产生3000A 或 6000A等效大电流

三个输出量程;

2 A

20 A

120 A

用来驱动放大器的200/120 mA

或 2V/1.2 信号

输出达 120A 的6 mm 端子

输出达 20A 的4 mm 端子

电感补偿模式用于大电感负

载

线圈风扇12V 电源

与6105A共用的状态指示

顺从电压柱图


52120A/COIL 3KA 线圈附件

25 匝线圈•把 52120A 的 120A 输出提升到 3000A•校准大电流钳形表


52120A/COIL 6KA 线圈附件

50 匝线圈• 把 52120A 的 120A 输出提升到 6000A

• 校准大电流螺旋线圈钳形表，例如：i2500-10 或 i2500-18 柔性电流探头

I6000S FLEX-24 或 -36 交流电流探头


•以下校准器均可推动 52120A

6105A、6100B 或 6100A电能功率标准源5720A/5700A高精度校准器5522A/5520A/5502A /5500A多产品校准器5080A多产品校准器9100校准器

•可输出以下信号的任意校准器、信号源或电源

2V以内直流或交流电压200mA以内直流或交流电流

52120A 和众多校准器配合使用


•市场上最好的交流120A准确度

•与6105A/6100B电能功率标准源配合，实现闭环控制：AC 120A ：140ppm

•与各类校准器配合使用：DC 160ppm

AC 356ppm

52120A具有最出色的性能


52120A配合校准器达到的指标


案例：52120A用于继电器测试

• 大电流继电器生产的质量检验，产品开发，质量控制

• 大电流继电器需要在一定时间内通大电流条件下可靠工作

• 根据国家标准规定和继电器的参数，实验要求：大电流，例如50A，100A 供给继电器

高准确度大电流，且能连续输出，例如2小时

检验继电器的阻值变化

检验继电器的过载能力


大电流测量的问题及难点

•电流测量通常想到数字多用表

•数字多用表测量电流的范围不宽有些数字表测量范围：3A

Fluke 8846A/8845A： 10A

Fluke 8508A最宽：只到 20A

•数字表电流测量准确度不高，尤其是交流电流：八位半数字表交流电流最优不确定度为0.1%， 20A: ~0.3%

•指标不高——受限于分流器性能


数字多用表测量电流为何准确度不高

•数字多用表测量电流的问题内部分流器准确度不够高

内部分流器自加热系数比较大

内部分流器不能承受大功率，电流测量范围有限

内部分流器测量交流电流时，相移较大，准确度更差

•专门的电阻用作分流器测电流直流电流测量用标准电阻，准确度足够

交流电流测量时，阻抗特性决定性能严重下降


电流测量主要问题

•测量大电流时，电阻本身发热，要求电阻自加热功率系数低

•测量交流电流时，要求电压和电流具备小的相位偏移


精密电流测量方法—分流器方法

I

R

V

电流源

电压表

• A40B系列分流器


• A40B 提供了最优的电流测量准确度直流电流测量不确定度：20ppm

交流电流直接测量不确定度：23ppm

采用交直流转换测量技术：交流电流测量准确度更好：最优13ppm

•最优相位偏移：＜0.001°

•测量范围：1 mA量程至 100 A量程

•测量带宽：DC 至 100 kHz

A40B 系列精密分流器


鼠笼式分流器结构设计

• 起源：门捷列夫计量科学研究院

• 鼠笼式结构——最大限度实现空气对流，散热好，温度系数小，很宽电流范围内实现稳定的电阻特性。

• PCB导流片消除引线电感

• 多个金属箔电阻并联，标称输出电压均为0.8V

• 电压输出采用标准N型接口


A40B 1 mA 分流器 –优异的设计，负载效应最小化

• 1 mA分流器阻值：800 ，标准电压输出：0.8V

• 1mA分流器电流测量难点分流器电阻与数字多用表输入阻抗不匹配，负载效应

连接电缆，具有一定的容性阻抗和感性阻抗

• A40B 1 mA 分流器内置缓冲放大器输出阻抗从800 减小到8 m

充电电池操作，降低功耗，消除功率保持带来的测量误差


A40B 精密分流器输出电压

•标称输出电压：0.8V

•测量过程简单，可跟电压测量标准装置配合使用，例如：

高精度数字多用表(Fluke 8508A)

交流电压测量标准 (Fluke 5790A)

交直流转换电压测量标准(Fluke 792A)

采样数字多用表（3458A）


• A40B 系列： 14只独立分流器

• 1mA-20A量程分流器

输入输出端子均为 N型同轴端子，

分流器受外部磁场影响小，抗扰能力强

A40B的接线端子


A40B的接线端子

• 50A和100A 分流器

电压输出仍为N型端子，抗电磁干扰能力强

电流输入端子为LC型同轴端子，耐受大电流，接触好，抗扰能力强

被测大电流

大电流适配器


标称电阻

Ω DC 1kHz 10kHz 30kHz 100kHz

1 mA 800 20 55 75 75 150

10mA 80 20 26 26 26 26

20mA 40 20 26 26 26 26

50mA 16 20 23 23 23 23

100mA 8 20 24 24 24 24

200mA 4 20 26 26 26 26

500mA 1.6 21 27 27 27 28

1A 0.8 21 27 28 28 31

2A 0.4 21 27 30 30 48

5A 0.16 21 31 32 40 71

10A 0.08 26 37 60 61 92

20A 0.04 26 43 52 70 113

50A 0.016 32 55 80 81 144

100A 0.008 35 65 90 98 174

标称电流指标±uA/A（ppm）

A40B直接测电流性能


A40B 交直流转换方式测量电流

1kHz 10kHz

1mA 53 72

10mA 20 20

20mA 18 18

50mA 13 13

100mA 14 15

200mA 17 17

500mA 17 17

1A 17 19

2A 17 22

5A 23 24

10A 28 55

20A 37 51

50A 47 75

100A 60 90

分流器标称电流交直流转换误差(ppm)


A40B分流器在计量校准中的应用

•校准器：5720A/5700A/5522A/5520A/5502A/5500A

•电能质量标准源

•功率源

•电流标准源

•互感放大器

•大电流跨导放大器

•。。。。。。


例一：校准5520A的交流电流

• 直接用数字表测量准确度不能满足

• 利用高精度数字多用表8508A中 Math ÷Z功能→ Config Z 将分流器电阻值输入8508A并存储。

• 连接：电流源→ A40B分流器→8508A电压输入端。

• 电流源输出电流，8508A上直接测量A40B输出电压，并计算显示电流值。


例一：校准5520A的交流电流

•用A40B+电压标准校准5520A比较

300uA 1583 1170 158 64

3mA 1050 1170 151 42

30mA 467 1160 124 41

300mA 467 1525 125 43

2.9A 1290 1748 112 45

20A 1750 1040 100 49

5520A电流指标

ppm

8508A测电流指标

ppm

A40B+8508A

ppm

A40B+5790A

ppm

5520A电流测试点（1kHz）

总结：A40B+电压标准装置满足溯源要求


8508A直接测量5520A的交流电流


A40B+8508A测量结果


方法比较

指标上限

指标下限

标称值

A40B+电压测量标准，不确定度改善数倍


例二：A40B和5790A校准5720A输出电流

•直流电流A40B + 5790A

A40B + 8508A

替代方法：742A代替A40B，可校准5720A的直流电流至2A，准确度更高。

•交流电流A40B + 5790A

DMM 作为直流监测标准表5790A用作交流监测标准表

A40B 分流器用于AC & DC 电流测试


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