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IEEE仪表和测量,第64卷,第三期，2015年3月3日

直流电流互感器的校准(DCCT)

作者：卢卡·卡莱加罗， 克里斯蒂娜·卡西加,恩里科·加斯帕罗托

摘要

现代商业市场上的直流电流互感器(DCCTs)可以测量的电流的范围可以到达千安培并且精度优于1times;10数量级。我们在这里所讨论的DCCT的标定方法及其实现商业用途的工具通常都是用于低阻校准的实验室。一次电流的范围为2 千安；在当前电流范围小于100安时,校准的不确定性比为3times;10。对一个初级电流测量可以达到900安培高性能的DCCT校准的例子在本文里作出了详细的讨论。

关键字：校准、电流测量、磁传感器、计量、传感器。

1.引言（绪论）

直流电流互感器(DCCTs)是最准确的商用的直流大电流传感器[1],其可以达到指定的相对精度的级别为10数量级的范围并且积分非线性度小于10数量级的范围。这种高性能的验证和校准的DCCT需要能够处理大电流的计量比率的设备设施,且具有高精度以及一定程度的自动化的可操作性[2]-[5]。

极限流动比率的准确性是实现低温电流比较器(CCCs)[6]操作性,在低温电流比较器中，比率精度所获得的限制是因为超导磁通量的保护机制（产生的电流相比较小）。一个极端的高灵敏度的且具有超导量子的干涉器件已经实现了流量计量的传感器的设计。尽管低温电流比较器能够处理的电流高达100安培的要求已经实现了[7]，但是这些设备只是在校准实验室里所使用的研究工具。

铁磁芯室温电流比较器(CCs)是一种测量流动比率的设备,测量可以实现的比例误差小于 10数量级[8],并且可以通过升压过程进行自我校准[9]-[10]但是伴有相同程度的不确定性。因此,可以在低温电压比较器的校准进行设置时使用CC流动比率的标准。虽然高电流比较器是非常常见的电气校准实验室里一种非常复杂并且及其昂贵的仪器,但是由于它们是商业中的一部分用于测量电阻值比较低的测量纽带。这些工具还包括电流源、探测器和自动化操作的固件等。

DCCT比率的校准所参考的电流比例标准(可能有不同的名义比率)可以通过不同的方法来执行。与一种基于比较基础上的开发的电压辅助设备的理论相比,在校准电阻和标准开发的设备正在发展之中[11]和[12]。

在这里,我们提出一个比较简单的方法,即允许校准DCCT使用具有比例化的商业组件,最初得设计测试为低值电阻的校准。该方法不需要校准标准的电阻阻值；但是准确性,取决于初级电流的大小,电流比为3times;10，电流大小小于100安培。其中有一个电流比为1500:1，名义比率高达900安培的DCCT校准的例子已经被报道出来。

EM-S35型高直流流动比率补充比较仪[13]目前正在从事于欧洲区域计量组织,I在这里意大利国家计量局也只是充当着副实验室的角色。

2.标定方法

图1所显示的是校准设备设置的原理图,其中包括三个流动比率的设备:

1. 自动校准DCCT的设备;
2. 自动扩展电流范围 EXT的设备;
3. 电流比较器电桥CC的设备。

A.流动比率设备的操作方法

三个用于测量流动比率的操作设备,均画在了图2中,它们都是基于同样的原理。

绕线圈数为m 1匝线圈缠绕着磁性铁芯。每个绕组k有 N(k = 0hellip;m)匝线圈,和一个反向流过的电流。磁通量cent;的根本核心是由公式决定的，其式中R所代表的是核心的磁阻。它的输出将作为反馈控制的反馈误差信号，形成反馈控制机制。控制驱动器的输出的电流源I,来自于0匝线圈绕组,即通量为零时的值。

在正常的操作环境中，DCCT设备和EXT设备分别只有两个绕组(即m = 1时的情况)活跃。控制电流源的输出I构成了设备的输入电流。因此,当前I是按比例缩小的，匝数比的公式为n N / N， 也可以写成InI。

在电流比较器比桥CC设备中则恰恰相反,更多的绕组(即mge;2时)会同时活跃；电流反向(k = 0hellip;m)比较,加权计算之后,会把各自数字N、I的测量值直接给CC设备读取。也就是说,把其间的残余的不平衡的电流Ihellip;hellip;I之间相比较。

（手稿截止日期是2014年3月6日；所有的稿件在6月23日完成了修订，2014年9月16日接收了修订后的全部稿件。出版日期：2014年10月14日。当前版本的日期为2015年2月5日。最终协会进行评审的人是副主编托马斯.利佩。

作者们在在意大利都灵度量衡学院进行电磁学的研究(电子邮件:l.callegaro@inrim.it)。数字对象标识符是10.1109 / TIM.2014.2359812）

图1

图1所示，是DCCT校准设置的原理图。S是一个高电流电流源,EXT是当前自动增程器,CC是直流电流比较器。安培计A实时监测DCCT的输出I,而A测量的是当前电路的I，这是测量模型的输入量(2)。

B.电路说明

DCCT设备和EXT设备相连的输入绕组串联连接，由初级电流IP产生的大电流直流源，DCCT 和EXT的输出电流,分别是I = GI和I = G I，在这个公式里G代表是DCCT的电流增益(即：被测变量的增大倍数)，而G是EXT电流增益。I和I是 CC的两个输入绕组相连接而测得的,对应每一个N和N是绕组线圈的匝数。I也是测量一个高精度电流表A的数值。CC会补偿当前电路的I,并与CC绕组N的变化相关联,由安培计测量A的数值；如果操作方法得当,CC平衡方程应该是

NI NI NI= 0 (1)

在公式（1）中数字N的符号可以是代表积极作用的，也可以是是消极作用的,取决于绕组中电流设定的方向。

在所有的流动比率设备中,绘制的每个核心通量为零,在进行相应的自动控制之后,则整个的电路的平衡方程变为

（2）

图2

图2所示的是校准设置仪器的工作原理。其中黑色粗线代表m 1匝线圈,N(k = 0hellip;m)表示K值从0变化到M时的每个缠绕铁磁核心的匝数。通量探测器cent;通过一个自动控制装置(没有显示),引导当前I的值，直到；一个通用的负载R就可以连接到电源。

C.度量模型

为了获得一个精确的测量模型,应考虑采用两个主要的非理想的设备

1）补偿：所有仪器都是基于磁通门技术设计的，因此会受到一定程度的直流电流偏置量的影响,导致磁化的铁磁核心的滞后和放松。偏移量和单位输入的10mu;A电流的顺序[14],取决于温度、测量记录和时间的漂移量。为了补偿这个偏移量,在读取电路(2)的时候Ic被 所替换。在这里Ic读取时被额定一次电流所替代。有意思的是电流的初始一次电流为空，也就是Ip=0.

2)比差:CC的实际电流比例可以不同于其相对应的比率。我们把当前的比率n和n称之为和的名义比率。考虑到上述存在非理想的状况，

那么（2）式又可以被写成

（3）

其中相对增益误差delta;GD与名义增益G(n)D之间的关系式是

（4）

3执行方法

图3展示了一个实现图1的示意图。它主要使用了以下几种如图所示的工具。

图3

图3所示的是标定实现的方法。参见第三节和图1的识别标签。

图4

图4所示的是安装在DCCT校准下主电流排线。在最显著的铝块的位置嵌入一个装有监测一次电流排线温度的Pt100传感器，用来检测温度。

图5

图5所示的是记录不同时间的初级电流补偿电流I的I值得情况。

DCCT:是用来测试使用的设备,报告的结果将在第四节提到,是联系到电子机械的一个模组（简称LEM）。ITN 900-S ULTRASTAB是高性能电流变送器[16]。

图6

图6所示的是相对增益误差delta;GD在 DCCT设备仪器的校准下,对于不同的名义一次电流对应的I的值。每一个黑点代表着一半周期的测量值，如图5.所示，对于每一个I的值都有五个值的测量结果显示出来。测得值的平均值和不确定性结果将在表一中逐一给出。

表1.DCCT不同初级电流IP的增益G，名义上的相对增益的比率

它处理初级电流||le;900安培，标称电流比为G = 1/1500。指定的精度比为2times;10(包括抵消的电流),线性比为1times;10并且2.5欧姆阻值的电阻是最大负载电阻。图4则显示了DCCT安装在主总线排线上的情况。

CC: 高联模块。9920直流比较仪[14]。这个仪器是非常通用的工具,因为它提供了一些固定绕组具有十进制递增(1 - 1000)绕组匝数和一个可以十进位调节匝数的旋转开关；此外,它允许一个完整的绕组之间的连接和内部电子产品的重新配置。并且设置用于校准在DCCT上特定的试验中:

1. =minus;100(固定绕组)；
2. = 150(十圈绕组)；
3. = 1来实现最高的灵敏度的测量Ic。

EXT: 根据的不同来选用两个不同的填充剂。

1）国际度量制模组。MI 6011 B型范围扩展器。一次电流| |le;100安培,名义比例为1/1000,相对精度小于1times;10级。

2)国际度量制模组。 MI 6012M范围扩展器。 | |le;2 kA,名义比例为1/1000,相对精度小于2times;10。

表2.预算的不确定性

上表所示的是规范验证低值电阻测量时的标准数值操作设置[17]。

S:根据初始电流的不同会有两个不同的来源。

1）国际度量衡MI 6100A仪器是线性直流电源,对| | lt; 100安培。反向电流的旋转开关连接至MI6011 B仪器的内部 。

2) 安捷伦（科技公司）模组。6680(并行的两项)| | lt; 1750 安培，反向电流达到国际度量衡模组的要求。使用6025式气动开关。

A：安捷伦（科技公司）模组。3458A是一个使用直流电压模式的万用表,在廷斯利模式下测量电压降。1659-1欧姆标准直流电阻器。

A：安捷伦（科技公司）模组。3458A是一个使用直流电流模式下的万用表,测量量程为100毫安。

DCCT和排线的温度监控和两个装有Pt100铂温度传感器存在一定的偶然性。使用1529 CHUB E-4温度计来校准。

4.结果

最后在一个小时时间内的实践操作以后，在公式,不断的在0，，0，之间进行反复循环的变化(当 = 0的时候结束整个循环周期序列)。持续记录读取的数据。图5显示了一段连续的时间内的的读数和与之对应每一个周期。对于每一个的值,当每一次暂态消失后,都会计算一次（）的平均值(在图5灰色带中)。

在方程式（2）中的关系表达式可以被替换成式中和

在零读数，连续的一段时间内是随即独立完成的计算。

对于每一个的值，的结果和相对误差都会被计算出来，图6中图形化的显示了每一个值所对应的的测量周期。

表一的报告中是在DCCT测量下的和的估计值。连同当前测量的几个

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