潘仙林， 張江濤， 石照民， 宋 瑩， 賈正森， 王嶸瑜， 丁 香

(1. 中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029； 2. 貴州省計(jì)量測試院，貴州 貴陽 550003；3. 北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

熱電變換器(thermal voltage converter,TVC)是目前將交流電流/電壓轉(zhuǎn)換為等效直流電流/電壓量的最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)器[1～3]。普遍采用薄膜結(jié)構(gòu)平面多元熱電轉(zhuǎn)換器[4，5]，并結(jié)合精密分流器，基于step-up爬臺階法建立各國交流電流國家基準(zhǔn)[6，7]。

熱電變換器往往通過并聯(lián)的連接方式，與高精密同軸分流器構(gòu)成不同電流量程標(biāo)準(zhǔn)，采用串聯(lián)連接方式進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換測量實(shí)現(xiàn)交流電流量程擴(kuò)展。熱電變換器和分流器組合在串聯(lián)模式下，影響轉(zhuǎn)換誤差的一項(xiàng)主要因素是來自于熱電變換器輸入端與輸出熱電勢端之間的容性泄露電流影響，這種影響在較高頻率時(shí)更為明顯[8]；另一項(xiàng)影響因素來自于串聯(lián)模式下電流三通所引起的泄露影響[9]。瑞典國家計(jì)量院Rydler提出了一種高精度交直流電流轉(zhuǎn)換自動測量系統(tǒng)，使得熱電變換器工作在對稱狀態(tài)從而減少泄露電流的影響[10]。

中國計(jì)量科學(xué)研究院采用二進(jìn)制電抗分流器(binary inductive current divider,BICD)的方法建立了熱電變換器和分流器組合之間共地比較測量裝置。該裝置通過二進(jìn)制電抗分流器實(shí)現(xiàn)兩路共地電流輸出，將被比較的熱電變換器和分流器組合分別連接在2支路電流中，實(shí)現(xiàn)共地測量，從而消除串聯(lián)模式下泄露電流所引起的測量誤差。

2 串聯(lián)連接測量模式

各國普遍采用熱電變換器結(jié)合分流器作為交流電流量程擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)器，采用不同電流量程的分流器和熱電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行組合，并通過step-up爬臺階法將被比較的兩套熱電轉(zhuǎn)換器和分流器的組合進(jìn)行相互串聯(lián)，基于交直流轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)兩者之間相互比較，從而實(shí)現(xiàn)交流電流量程擴(kuò)展。熱電流轉(zhuǎn)換器在串聯(lián)連接測量模式下，受容性泄露電流和三通連接器導(dǎo)納等影響，將引起較明顯的測量誤差。

2.1 串聯(lián)連接容性泄露

2套熱電轉(zhuǎn)換器和分流器的組合采用串聯(lián)連接方式，圖1中所示的簡單等效電路模型是評估熱電轉(zhuǎn)換器寄生導(dǎo)納所引起的泄漏電流誤差。熱電轉(zhuǎn)換器的寄生導(dǎo)納分別連接在高端和低端的熱電偶和加熱絲電阻之間，由2個(gè)具有相等值的集總泄漏導(dǎo)納表示。圖中，標(biāo)記為YS2和YT2的熱電偶和輸入低端之間的漏電導(dǎo)納要么被短路，要么與電流輸入端子并聯(lián)連接而忽略不計(jì)。那么當(dāng)高端點(diǎn)位的熱電轉(zhuǎn)換器輸出接地時(shí)，熱電偶和輸入高端之間的泄漏導(dǎo)納(標(biāo)記為YS1和YT1)將分別引起漏電流IS1和IT1。在串聯(lián)模式下，被比較熱電轉(zhuǎn)換器交直流差受容性泄露電流所引起測量誤差δleak可表示為：

δleak=RHS×(YS1+YT1)

(1)

式中：RHS為標(biāo)準(zhǔn)熱電變換器自身阻值。

圖1 串聯(lián)模式下容性泄露影響Fig.1 Capacitive leakage influence at in-series connection mode

2.2 串聯(lián)時(shí)電流三通影響

在串聯(lián)比較模式下，通常采用電流三通來串聯(lián)兩套熱電變換器和分流器的組合，如圖2所示。由圖2可知，三通連接器中各個(gè)端子間寄生導(dǎo)納將導(dǎo)致產(chǎn)生泄露電流，從而引起交直流差的測量誤差，尤其是在高阻值和高頻率下越為明顯。電流三通輸入端的高端和低端之間的導(dǎo)納與電流源的輸入端相連，其影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)流經(jīng)三通連接器端子所產(chǎn)生的泄露電流IC1和IC2相等時(shí)，才能保證流經(jīng)R1-TVC1和R2-TVC2的電流一致。那么受電流三通連接器導(dǎo)納和寄生電容影響，所引起測量的交直流差測量誤差δtee可以表示為：

δtee=RT2G2-RS1G1+ω2[RT2C2]2

(2)

式中：RT2和RS1是R2-TVC2和R1-TVC1的等效阻抗;C1和C2是等效電容;G1和G2是T型三通連接器的電導(dǎo)。如果RT2=RS1，即兩套熱電轉(zhuǎn)換器和分流器組合的等效阻抗相同時(shí)，那么三通連接器所引起的測量誤差主要來自于連接器自身導(dǎo)納不一致。

圖2 串聯(lián)連接模式下電流三通結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Leakage influence from current tee connector at in-series connection mode

3 二進(jìn)制電抗分流器

二進(jìn)制電抗分流器主要將輸入電流均勻等分為2路輸出電流，2路電流低端共地且比例關(guān)系可自校[11]。二進(jìn)制電抗分流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。將雙股絞合線均勻繞制在高磁導(dǎo)率磁芯上，將繞組的同名端和非同名端進(jìn)行首尾相連，連接點(diǎn)作為電流輸入端，兩路電流將分別接至被比較的熱電變換器和分流器組合，電流輸入端的低端和被測兩路電流低端相連。為了消除磁芯繞組和銅外殼之間的容性泄漏影響[12]，往往采用銅屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并連接到電流輸入高端。Z1S和Z2S是繞組的阻抗，包括導(dǎo)線電阻和漏電感。

圖3 二進(jìn)制電抗分流器Fig.3 Inner structure of the binary inductive current divider

二進(jìn)制電抗分流器兩路電流比例關(guān)系的校驗(yàn)方法在文獻(xiàn)[13]中已經(jīng)詳細(xì)介紹，為了研究兩路輸出電流在不同負(fù)載下的影響，文中選用了1 Ω，10 Ω和90 Ω 3種不同阻值的分流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，測量結(jié)果見表1所示。

表1 兩路電流在不同負(fù)載下比例誤差自校驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results of self-calibration at different shunts μA·A-1

由表1可以看出：二進(jìn)制電抗分流器兩路電流之間的相對誤差在100 kHz的頻率范圍內(nèi)優(yōu)于 5 μA/A 的范圍，在200 kHz的頻率下優(yōu)于20 μA/A，同時(shí)在不同負(fù)載下電流比例變化優(yōu)于2 μA/A。

4 測量系統(tǒng)

為了減少串聯(lián)連接方式下容性泄露和三通連接器導(dǎo)納影響，文中提出了基于二進(jìn)制電抗分流器實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行共地比較測量的方法，測量原理如圖4所示。

圖4 基于BICD熱電變換器比較測量裝置Fig.4 Measurement setup for comparing based on the BICD

該裝置采用2臺交流電壓源通過切換開關(guān)作為兩路交流電壓信號輸出，驅(qū)動跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)交流電流輸出。將交流電流輸出接入二進(jìn)制電抗分流器的輸入端，產(chǎn)生2個(gè)電流支路，標(biāo)記為I1和I2；被比較的分流器RX和RS分別連接在I1和I2支路中，熱電變換器TVCX和TVCS分別檢測分流器RX和RS上的電壓降；通過納伏表測量TVCX和TVCS的輸出熱電勢，實(shí)現(xiàn)2套熱電變換器和分流器組合之間在不同頻率下的相互比較。

為了減少熱電變換器自身輸出熱電勢隨時(shí)間偏移的影響，在1個(gè)比較測量周期中，采用f1，f0，f0，f1測量順序?qū)⒔涣麟娏饕来瘟鹘?jīng)分流器。2種并聯(lián)分流器和TVC組合在不同測量頻率下頻率特性可表示為：

(3)

式中：δSac-ac是RS-TVCS組合在不同頻率下相對于f0的相對誤差；δXac-ac是RX-TVCS組合在不同頻率下相對于f0的相對誤差;eXf0和eSf0分別是TVCX和TVCS在頻率f0處的輸出熱電勢平均值，eXf0和eSf0分別是TVCX和TVCS在頻率f1處輸出熱電勢平均值。理論上TVC輸出熱電勢與分流器兩端的輸出電壓成平方性比例關(guān)系，nX和nS分別表示熱電變換器TVCX和TVCS的平方性系數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熱電變換器和分流器組合在串聯(lián)連接模式下受容性泄露電流和電流三通導(dǎo)納等因素影響，通過換臂法測量和實(shí)驗(yàn)分析，在10 mA,100 mA和1 A電流下對串聯(lián)所引起的泄露影響進(jìn)行了測量，測量結(jié)果相對于1 kHz交流轉(zhuǎn)換誤差見圖5所示。

圖5 串聯(lián)模式下泄露電流影響誤差Fig.5 Measurement results of leakage influence at in-series connection mode

由圖5可以看出：當(dāng)2個(gè)并聯(lián)TVC和分流器組合之間進(jìn)行比較時(shí)，在頻率低于30 kHz,這種泄露電流影響小于10 μA/A；隨著頻率的增加，這種影響越為明顯。考慮到串聯(lián)連接模式下的泄露影響，采用基于二進(jìn)制電抗分流器實(shí)現(xiàn)分流器和熱電變換器組合之間共地比較測量；同時(shí)，在串聯(lián)連接模式下采用換臂法來減少這種泄露影響。文中采用電抗分流器和換臂兩種不同方法實(shí)現(xiàn)對熱電變換器和分流器組合之間的相互比較，測量頻率為5～200 kHz,測量電流為10 mA～1 A。

圖6 采用兩種方法比較熱電變換器Fig.6 Comparison results between two TVCs based on two different measurement methods

2個(gè)熱電變換器在10 mA測量電流下進(jìn)行相互比較，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出：二進(jìn)制電抗分流器和換臂兩種不同測量方法在頻率200 kHz以內(nèi)所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好一致性；同時(shí)，這兩種方法也很好地減少了泄露電流所引起的測量誤差，在200 kHz頻率下2個(gè)熱電變換器交流轉(zhuǎn)換誤差優(yōu)于 4 μA/A。

基于二進(jìn)制電抗分流器和換臂兩種不同測量測量方法也實(shí)現(xiàn)了100 mA和1 A分流器并聯(lián)熱電變換器組合的相互比較。

圖7為2套100 mA和熱電變換器組合采用兩種不同方法，在5～200 kHz頻率范圍內(nèi)的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:兩種不同方法在10 Ω負(fù)載下一致性優(yōu)于2 μA/A；同時(shí)2套分流器和熱電變換器組合在200 kHz頻率范圍內(nèi)頻響特性優(yōu)于5 μA/A。

圖7 兩種方法比較100 mA分流器和熱電變換器組合Fig.7 Comparison results between two 100 mA shunt-TVC combinations based on two measurement methods

圖8為2套1 A和熱電變換器組合采用兩種不同方法在5～200 kHz頻率范圍內(nèi)的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:兩種不同方法在1 Ω負(fù)載下一致性優(yōu)于3 μA/A；2套分流器和熱電變換器組合在200 kHz頻率范圍內(nèi)頻響特性優(yōu)于6 μA/A。

圖8 兩種方法比較1 A分流器和熱電變換器組合Fig.8 Comparison results between two 1 A shunt-TVC combinations based on two different measurement methods

6 測量不確定度分析

基于二進(jìn)制感應(yīng)分流器實(shí)現(xiàn)不同分流器和熱電變換器組合之間相互比較，主要不確定度分量來自于熱電變換器自身輸出熱電勢的漂移影響u(δshift)、二進(jìn)制電抗分流器自身比例誤差所引起的測量影響u(δBICD)、二進(jìn)制電抗分流器兩路輸出電流受負(fù)載不平衡所引起的測量誤差u(δloads)、分流器和熱電變換器組合在不同頻率下的泄露電流影響u(δleak)、納伏表測量輸出熱電勢影響u(δmeter)及測量標(biāo)準(zhǔn)偏差u(δA)。結(jié)合各個(gè)測量不確定度分量，表2給出了基于二進(jìn)制感應(yīng)分流器方法實(shí)現(xiàn)熱電變換器及分流器組合之間共地比較測量的不確定度。

由表2可以看出，測量不確定度主要成分來自二進(jìn)制電抗分流器的兩路電流之間的比例誤差及其兩路電流在不同負(fù)載下受負(fù)載不平衡所引起的影響。二進(jìn)制電抗分流器兩路電流比例關(guān)系在負(fù)載平衡下校驗(yàn)的比例誤差優(yōu)于1 μA/A;在負(fù)載為1%不平衡時(shí)，兩路電流比例誤差在200 kHz頻率范圍內(nèi)優(yōu)于2 μA/A。熱電變換器輸出熱電勢隨時(shí)間漂移影響將采用4次測量方式，從而很好減少這種漂移影響。容性泄露電流影響在這種共地測量模式下，由于兩個(gè)支路具有較好的對稱性，從而很好地消除了這種測量影響。另外納伏表及測量標(biāo)準(zhǔn)偏差也通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析評估。

表2 熱電變換器和分流器組合不確定度分析Tab.2 Uncertainty for comparing two shunt-TVC combinationsbased on the BICD method μA·A-1

7 結(jié) 論

本文提出了一種基于二進(jìn)制電抗分流器實(shí)現(xiàn)熱電變換器和分流器組合之間共地測量的方法，并采用這種方法對3種不同分流器和熱電變換器組合在10 mA～1 A電流下進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于二進(jìn)制電抗分流器方法，熱電變換器和分流器組合在200 kHz頻率范圍內(nèi)一致性優(yōu)于6 μA/A；同時(shí)與串聯(lián)模式下采用換臂法測量進(jìn)行相互比較，2種方法的一致性優(yōu)于3 μA/A。