高精度直流大电流源校准方法的研究

何修刚

烟台市计量所 山东烟台 264003

近年来，高精度直流大电流源应用越来越广泛 ，有一些大电流源被用作量值传递的标准，例如被用作钳形电流表、直流大电流表、电流传感器等仪器校准的标准器等。这类直流电流源有自己的特点，一是准确度等级比较高，一般在0.05级以下，二是最大输出电流比较大，一般能达到1000A甚至2000A，对于这类直流标准源如何进行量值溯源，是一个一直困扰我们的难题[1]。一般直流标准源我们可以依据标准JJF1638-2017多功能标准源校准规范进行校准，该规范提供了标准表法、电流电压转换法两种方法进行电流校准。当采用标准表法时，目前高精度数字多用表例如8558A，最大测量电流为30A，不能采用此方法测量30A以上的电流， 有些厂家可以提供1000A以上的直流电流表，但是这类电流表一般情况下准确度不高，或者本身也很难进行量值溯源。如果采用电流电压转换法，由于标准电阻或电流转换器的最大电流限制，一般只能测量到100A以下电流，如果采用分流器来进行电流转换，分流器的准确度很难达到要求，所以电流电压转换法对于100A以上的高精度电流源不容易实现。因此，为了校准高精度直流大电流，我们需要找到一种容易实现并且能够溯源的方法，通过与高精度直流源生产厂家以及一些计量同仁的探讨，本文希望找出一种切实可行的校准方法，并通过不确定分析来验证这种方法的符合性。

1 校准方法

本文以校准长沙天恒生产的TD8650钳形电流综合装置为例，其电流准确度为0.01级，测量范围为（0-1000）A。对于100A以下的测量电流，我们可以采用JJF1638-2017《多功能标准源校准规范》提供的方法进行校准，本文不再做论述。本文重点讨论100A以上电流的校准方法。

本次校准使用的标准器：

表1

本次校准采用的方法，直流标准电流源输出电流I通过直流比例标准（变比比例k）变成二次电流I1，二次电流通过串联的二等标准电阻R，在标准电阻两端并联数字多用表，测得电阻两端的电压U，因此实际电流值

图1

2 不确定度验证

验证这种校准方法是否合理有效，我们必须确保整个校准过程引入的不确定度不大于被校设备的最大允许误差的1/3。我们对此次校准过程进行不确定分析。

2.1 测量的数学模型

式中：

△I-被检大电流源示值误差；

Ix-被检电流源输出显示值；

IN-直流电流比例标准、直流标准电阻、数字多用表组合得到的直流电流标准值；k-直流电流比例标准的变比；

R-二等标准电阻的电阻值；

U-数字多用表的实际电压值。

标准不确定度的来源主要有以下几方面：

（1）在重复性条件下，由对被测大电流源的测量不重复引起的不确定度分项采用A类评定。

（5）校准过程中由读数分辨力引起的不确定度分量很小，因此可忽略不计。

2.2 A类标准不确定度分量的评定

对此次校准的直流标准电流源我们选取500A点独立进行10次重复测量，得到数据如下：

表2

2.3 B类标准不确定度分量的评定

2.3.1 直流电流比例标准不准引入的不确定度分量

直流电流比例标准的变比为（1000：5），最大允许误差为±0.002%，在测量500A时带来的电流最大允许误差±0.002%×500A=±0.01A，在半宽区间里我们认为服从均匀分布，其包含因子꿫u(kN)/(kN)=0.0058A/500A=1.16×10-5

2.3.2直流标准电阻不准引入的不确定度分量

直流标准电阻经检定合格，准确度等级为二等，年稳定性为±0.001%，半宽区间里我们认为服从均匀分布，其包含因子因此0.58×10-6Ω/0.1Ω=0.58×10-5

2.3.3数字多用表不准引入的不确定度分量

由于采用的0.1Ω的标准电阻，数字多用表的电压为0.1×（1000/5）×500=0.25V，通过查询我们得到数字多用表在此量程的最大的允许误差为±（3.0×0.25+0.2×2）×10-6=±1.15×10-6V，半宽区间里我们认为服从均匀分布，其包含因子因此u(VN)==0.66×10-6V，u(VN)/(VN)=0.66×10-6V/0.25V=2.7×10-6

2.3.4输入量IN的不确定度

由（3）式得

当 IN=500A 时，u（IN）=1.4×10-5×IN=1.4×10-5×500A=7×10-3A

2.4 合成标准不确定度的评定

2.4.1灵敏度系数ci

由（1）式得到灵敏度系数

2.4.2测量不确定度汇总

2.5 合成标准不确定度的评定

输入量Ix和IN彼此相互独立和互不相关，合成不确定度按（4）

表3

式计算：

因此合成不确定度：

2.6 扩展不确定度

扩展不确定度包含因子k=2。

相对扩展不确定度为：

3 结语

通过对直流大电流标准源的不确定结果评定，我们可以得到校准结果的相对扩展不确定度为：3×10-5，符合不确定度不大于被测设备最大允许误差1/3的原则。因此我们采用直流标准比例、直流标准电阻和数字多用表组合来校准0.01级及以下的直流大电流标准源是完全可行的，此方法极大的提高了我们的校准能力[2-3]。