浅析大功率实物校准的方法及其原理

罗文秋

广东省佛山市质量计量监督检测中心 广东佛山 528000

大功率实物电阻具备额定电流大、功率大的特点，这也是它和传统标准电阻最为显著的差异。从大功率实物电阻角度分析，其电阻精准度极易受到热稳定性的影响，而额定电流大势必会引起物理效应即热效应。所以，进行大功率实物电阻校准时，校准重点既是在额定电流的基础下，对于电阻精准度误差进行检定。

1 校准方法及其原理

检定大功率实物电阻的重点所在为：在额定电流基础下，对电阻真实电阻值进行检定，对其示值误差加以明确，在该原则的基础上，总结出4种大功率实物电阻校准方法，以下对4种校准方法详细说明。

1.1 大功率标准电阻替代法

该校准方法工作原理为，分别测取检测的大功率电阻及标准电阻二者的电压值，检测材料为数字电压表、恒流源、大功率标准电阻，进而对检测电阻实际电阻值加以明确。公式表示为：Ux=IRx、Us=IRs，因此：Rx=Ux·Rs/Us。该公式中：大功率电阻两侧电压值为Ux、标准电阻两侧电压值为Us、大功率电阻为Rx、标准电阻为Rs。此方法适用于，标准电阻中额定电流过大也就是大功率标准电阻，数字电压表或恒流源，精准度等级仅比检测电阻高出一级，或是标准电阻精准度等级比检测电阻低于二级时，由于数字万用表或恒流源无法对其有效测取。利用此方法可对装置测量精准度进行提升[1]。其中，大功率标准电阻精准度等级及额定电流值是方法中的重点指标。

1.2 直流比较仪式电桥法

该校准方法工作原理为，选取不同电流源分别对比较电阻Rx、Rs进行供电，当二者电阻压降方向相反且数值相同时，对二者电流比进行测取，IXRX=ISRS。当二者处于电压平衡时也就是Ux=US，此时检流计G为零。让铁芯内直流磁通值为零，经由对可变匝XWX进行调整来实现，随后用安匝平衡指示器D对其进行校准，使得安匝达至平衡状态。当铁芯内直流磁通为零时，IXWX=ISWS，因此Rx=(Wx/Ws)Rs。此方法对大功率电阻及标准电阻二者电阻值比较过程中，由于匝数比精准度处于10-7甚至更高程度，同时匝数线性度也处于10-7这一程度，因此精准度极高[2]。此外，未处于平衡状态前，无电流经过电位引线。因为安匝是自动平衡，因此不会对电流提出稳定性需求，所以此方法适用于检定高精度大功率电阻。

1.3 电压电流法

最传统的电阻校准方法即是电压电流法，图一为电压电流校准电阻原理图。该校准方法工作原理为，通过恒流源在检测大功率电阻上设定额定电流值，在电阻两侧选取电压表对电压值进行测取，依据欧姆定律获取实际电阻值。此方法极为简单，但测取精准度较低，具体体现为，电压表测取精准度无法达到使用要求。普遍恒流源精准度通常在0.02级之下，其精准度也未达到使用要求。大功率电阻普遍为小电阻，大多数万用表电压量程最小值为2V,而所测电压值通常为几十毫伏，在测取几十毫伏电压时，万用表测取精准度极度下降。

图1 电压电流校准电阻原理图

1.4 标准电阻替代法（直流电阻比较仪）

该校准方法工作原理为，将直流电流比较仪采取串联的形式，放置于主回路上，标准电阻接于二次输出端，依据直流电流比较仪匝比差别，匝比需和二次输出端电流成反比关系，电流施加在标准电阻时，需确保等于或小于标准电阻额定电流值，对于检测大功率电阻及标准电阻的电压值进行测取，进而对检测大功率电阻实际电阻值加以明确，因为直流电流比较仪，其匝数比精准度通常是多个ppm，因此测取结果可对电流造成的影响不予考虑。UX=IRX、US=IRS。因此，Rx=Ux·Rs)/KUs。公式内，直流电流比较仪匝数比为K。此方法选取的标准器十分普遍，经由合理搭配进行使用，对于装置测取精准度进行提升，此外，还可对精准度及测取范围加以延展，具备极好的使用性能。

1.5 实际案例分析研究

案例校准方法：标准电阻替代法（直流电阻比较仪）。

电流源标准为交直流，电流稳定度为0.005/2min、额定输出电流范围为0.1-100A、精准度等级为0.02%量程为+0.01%、驱动电压为8V,型号为XF30GI[3]。选取的检测大功率电阻，该电阻阻值为1mΩ、额定电流为40A、精准度等级为0.05、型号为BR-1。

表1 不确定度分量表

直流电流比较仪：额定输出电流范围为0-200A、匝数比精准度为1×10-6、选取匝数比为1:1000、型号为RT200。选取的标准电阻，该电阻阻值为100mΩ、额定电流为300mA、精准度等级为0.01、规格型号为BZ3。

数字万用表，对检测大功率电阻测取电压值时，数字万用表量程档需处于100mV，读数量程为+0.0004%，测取精准度为0.003%。对标准电阻测取电压值时，数字万用表量程档需处于10mV，读数量程为+0.0004%，测取精准度为0.005%。规格为Agilen2182。

主回路接收恒流源所输送的40A直流电流，电流经过电阻值1mΩ所生成的电压约为40mV，砸数比为1:1000的直流电流比较仪，在40A电流通过时，电流在二次端输出值为40 mA，电流经过标准电阻电阻值100mΩ所生成的电压约为4mV。

最终测取结果为Ux=39.993、Us=4.00189，经由校准后的标准电阻实际值是100.0036mΩ，因此Rx=Ux·Rs/K·Us=0.99971。

2 结果不确定度分析

选取数学计算方式为：Rx=Ux·Rs/KUs+δ，该公式中不确定度分量为δ。由该公式可推算出灵敏度系数分别为：c（δ）=1、c（Us）=UxRs/KUs2、c（Ux）=Rs/KUs、c（Rs）=Ux/KUs。 选 取的不确定度分别为，大功率电阻不确定度、标准电阻不确定度、数字万用表不确定度、恒流源不确定度。

2.1 大功率电阻不确定度

选取1mΩ电阻对其进行10次测取，10次测取结果分别如下：0.99968、0.99977、0.99970、0.99978、0.99975、0.99976、0.99972、0.99977、0.99978、0.99971mΩ。经由计算得出u1=0.0000644、s=6.44×10-5，其中u1为标准不确定度分量、s为实验标准偏差。

2.2 标准电阻不确定度

标准电阻经由上述步骤检定确认为合格，该电阻最大允许误差为0.01%，采取均匀布置的形式，标准电阻不确定度分量是u2=0.0000577。

2.3 数字万用表不确定度

选取2182A数字万用表，经由上述步骤检定确认为合格，在对标准电阻进行测取时，该数字万用表最大允许误差0.006%，采取均匀布置的形式，标准不确定度分量是u3=0.000032[4]。在对检测电阻进行测取时，该数字万用表最大允许误差0.004%，采取均匀布置的形式，标准不确定度分量是u4=0.000023。

2.4 恒流源不确定度

由于恒流源直流稳定度不可大于0.002%/5min，按照最大误差原则进行计算，采取均匀布置的形式，标准不确定度分量是u3=0.0000115。表1为不确定度分量表。

2.5 合成标准不确定度

上述所说各项标准不确定度，各分量彼此间不具备相互关系，因此选取合成标准不确定度uc=0.00065%、veff=∞。

2.6 扩展不确定度

若p为95%，可在自由度调查表中查取到k近似值为2，所以k=2,因此，U=kuc=0.013%。根据上述计算可以得出标准装置所测取结果，不确定度应小于检测大电阻功率所包含的1/3允许误差最大值，进而得出结论此方法具备使用性。

3 结语

综上所述，由于大功率实物电阻使用时间不长，因此我国并未对其编制有关校准规范，本文基于传统标准电阻校准的基础上，提出四种校准方法，对于其工作原理分别加以说明，并选取标准电阻替代法（直流电阻比较仪），对大功率实物电阻进行校准，并对试验数据进行分析，最后对方法使用性进行验证。