浅谈电学计量

马建龙

江苏省计量科学研究院 江苏南京 210023

自从上世纪以来，人们便对电学开展了相关研究工作，并取得了十分显著的研究成果。目前，在社会发展过程当中，科学技术活动、物质生产活动等，都与电有着十分紧密地联系，通过开展电学计量工作，可以有效统一单位制，并保证量值的准确可靠。电学计量主要结合了电学工作当中的技术和管理，并能够统一计量单位，促进我国科技的现代化发展。在电学计量过程中，交直流参数测量技术以及虚拟表测量技术等得到有效应用，这全面提高了我国计量技术的快速发展。

1 电学计量概述

目前，我国和世界上的部分国家，针对电学当中的统一量赋予了最高测量标准，其专有名称为电学计量基准。在经过长期发展以后，电气测量也取得了十分显著的突破，在现代物理学电气测量的基础上，有效实现基线到基线物理的自然过渡，相关技术指标也增加了2～3个数量级，而参考电压具体包括自然地量子霍尔效应、代表性的约瑟夫森效应，通过电阻自然基准的实现，使电气测量技术得到了快速发展。通过对现代计算机技术进行应用，可以使电平的交流阻抗计算基础得到明显增加。对比扩大电力传输，绕组匝数技术实现了质的飞跃，并达到了更高地的数量级水平。通过对交流电源数字化采集技术进行应用，可以使传统热电转换得到摆脱，并取得良好的经济性和实用性效果。而对等效模拟技术进行应用，则可以使用标准的真实规模得以实现。除此之外，在模型开发过程中，通过应用虚拟电流测量仪器，可以对生产和测试使用的模型进行建立。

2 电学计量应用的现状分析

目前，我国以及世界上的部分国家，对电学当中的计量参数的单位制进行了统一主要使用国际单位制其中电学的基本单位为安培。在实际应用电力设备时，想要使设备长时间处于高度稳定电流标准表状态，难度往往相对较大。但在应用电学设备当中的电阻、电压单位时，则可以更为容易地保持稳定，所以，各国在应用电学计量时，主要将电阻和电压单位作为具体对电磁单位进行保存的手段。与此同时，在电学单位当中，电压和电阻单位也是十分重要的组成部分，具有相应的计量标准单位[1]。而根据现阶段电学计量当中的计算标准进行分析，具体包括以下几个方面。

首先，电容。在电学计量基准当中，电容值具体是指电路在给定电位差下储备的电荷量。一般来说，电荷在电场当中会随着电流的运动而保持运动状态，这也使得各导体之间有电荷这一介质存在，但在电容的具体移动过程当中，导体自身材料性质往往会影响到电荷移动。在此过程当中，电荷会在导体当中逐渐积累和储存，而针对其储存量则称之为电容。在电力学当中，电容指对电场的容纳能力，相关专家学者在开展研究工作时，会采用四个柱形电极，从而形成相对电容器，有效储存电荷。在具体实验过程当中，其发现磁电容器电容量和其轴向长度之间具有明显的正比关系，但和电容器自身形状无关。所以，在测量电容器轴向长度时，需要对干涉法进行采用，这样可以使电容器测量量级得到提高，并有效提升交流阻抗的复现水平[2]。

其次，电感。电感也同样是电学计量当中的重要计算基准之一，其具体是指在闭合回路下，电路附带属性中的一种，属于物理量值。当电路线圈中有电流通入后，在电流作用下，线圈会产生磁场效应。感应磁场可在线圈组成的磁场效应中，进一步产生感应电流，进而抵制线圈中的现有电流。对于感应磁场当中，电流和线圈电流的相互作用，可以将其称之为电的感抗，即电感。此物理量可对线圈内部的电容变化进行描述，同时还可用来表现该线圈在另一线圈的当中所引起的感应电动势电路参数。

再次，电阻频率特性。电阻频率特性是指在电学测量时应用交流电阻、交流电流以及高频电路所产生的电路介质损耗。当电阻保持交流高频状态时，电阻元件的相关因素会导致其在交流状态下具有的阻抗实物和直流之间不等，相关因素具体包括周围介质损耗、接线面趋肤效应、寄生电感以及电容邻近效应等。与此同时，高频电路当中的寄生电容和电感与电阻器位置排列、导线形状、电磁环境等具有紧密联系，所以在计算几何形状规则的电阻器电阻频率特性时，需要对高频电路当中寄生电容、电感等实际附加损耗因素进行充分考虑。这样一来，可对电阻在直流和交流状态下的区别进行准确计算[3]。

第四，电压。在电学计量当中，电压也是十分重要的一类计量基准值。在绝对测量电路当中的电压量值时，可对电压天平进行采用，还可以结合安培定律有效导出电流和电阻间的关系。目前，世界上许多国家都通过直流电压与频率间的关系，对电压商值进行推导，而该值也被称之为约瑟夫森常数。

最后，交直流转换标准。针对交直流转换标准进行分析，其具体是基于交流电压、功率与电流计量开展测定工作。在实际测定时，需要对电流热效应比较技术进行应用，并判断未知的电流热效应或交流电压，可以将此数值匹配已知的电流热效应和直流电压。目前，我国可对一种真有效值固态传感器进行采用，在传感器上的扩散电阻以及硅片进气管能够有效检测电路当中的电阻消耗功率，并在实际检测时利用发射极温度、电压以及基极等因素之间的关系，对检测数值进行获取[4]。

3 电学计量标准的发展研究

3.1 数字化测量技术的应用

在电学计量基准的实际发展过程当中，通过对数字化测量技术进行应用，可以更为直接地使用仪器，实现被测量的量化采样、编码以及转换，与此同时，在实际转换和编码时还能够在测量仪表当中显示出实际数字，从而对数字结果进行直接显示。在对数字化测量技术进行应用时，电压是基本模数转化因子，而在数字仪表当中，数字电压表也是十分重要的组成部分。针对电学中的物理量进行分析，其中多数物理量可通过变换器向电压进行转化，再利用电压表，使实际电压值能够转变成相应的数字量，从而数字化地开展电学测量工作。通过采用此种方式，可使数字化测量向用电测量仪器以及非用电测量仪器等相关领域进行扩展，对我国的地区计量测量具有重要意义。数字测量仪可以对简单变换压力表进行模拟，从而显示数字结果，同时还可以实现十进制数字显示测量仪器的有效测量。针对数字采集技术应用进行分析，其在交流电量测量方面取得了十分显著的应用效果。数字采集技术的原理在于对高准确度直流电压测量功能进行利用，可以通过钙素采样的方式，对足够密度的直流电压量值进行获取。通过运算可以对被测交流电压的有效值进行获取，对比传统热点转换方式，要具有耐冲击性、低频特性、经济性以及便携性等方面的优势，而且还可以将其在交流电压测量、超低频测量以及功率电能测量当中进行应用，从而取得良好的使用效果[5]。

3.2 模拟电子技术应用

在电学计量过程当中，对模拟电子技术进行应用，可通过模拟电子技术有效测算不同条件下的电子元件计量数值。而在具体测算电学计量数据时，可对等效电路进行利用，从而使主要与次要矛盾得到忽略。例如，在工程计算过程当中，可对模拟电子技术进行应用，具体需要通过等效电路法使工程中的琐碎电学问题得到有效解决。在对模拟电子技术进行应用时，还可在交直流转换标准的基础上，对电路中直流电流、电压以及功率大小进行判断。而想要对该种技术进行应用，可通过固态传感器的扩散电阻以及晶体管，从而有效开展电学计量检测工作。总的来说，虚拟仪表的使用有效打破了传统仪器形式的束缚，并对现代计算机技术进行了充分利用，同时还改进了测量方式，可以有效提升测量效率。现如今，相关型号的虚拟仪表已在大量研制和使用当中，这为网络化测量提供了有力支持，而且发展空间巨大。

3.3 虚拟表技术应用

在电学计量过程当中，还可对虚拟表技术进行应用。具体来说，相关工作人员应对虚拟表技术中PXI、VXI板卡仪器等进行使用，从而使传统仪器测量的局限得到有效突破，使现代计算机技术具有的测算量得到充分利用。与此同时，还可将普朗克常数、光速以及电子电荷等新单位值进行引入，从而使光学计量测量的准确性得到有效提高。除此之外，此项技术对未来电学计量测试的发展也具有重要作用，可利用虚拟表技术快速进行电路采样，并自动控制和修正各种环境因素与条件，从而自动处理相关电学计量数据，使计量测量的精准度与速度得到有效提高。

3.4 动态计量的应用

针对我国国防尖端领域与科研生产领域的研究工作进行分析，其具体需要涉及到相关电子元器件的动态计量测量工作。其中动态测量是指在实际测量过程当中，相关被测量往往会随着时间流逝而产生相应变化，此时应对测量过程中的信号值快速响应与不失真复现加大重视。动态测量技术对比静态测量，在技术层面上要更加复杂，而在电子元器件的响应时间内，对二次仪表和传感器进行使用是一项难点，同时还需要在具体测量过程当中有效转换原测量结果，从而得到最终的测量结果，使电学计量信号得到恢复。为了使电子元器件的信号恢复概率得到提高，相关工作人员需要对所用测量仪器的动态响应特征进行了解。目前，动态校准是电学计量学当中的一项重要内容，但与常规电学计量还有着明显区别，因此具有一定特殊性。在动态计量测量过程当中，除了需要对测量理论进行充分研究之外，还需要对测量方法加大研究力度，从而更为准确地识别动态计量测量过程中的特低频微弱小信号[6]。

在未来发展过程当中，电学计量的整体发展趋势主要是基于普朗克常数、光速以及电子电荷等基本常数的全新单位制，因此，在发展电学基准时，需要对物理学的最新成就进行充分利用，并要合理创新测量原理和方法，从而使测量准确度得到提高。而通过对交流约瑟夫森效应，可以进一步实现交流电阻的自然基准，目前相关工作已经得到了开展。除此之外，一些发达国家还采用电子隧道效应实现电流自然基准，如今已经进入到试验阶段，可以通过量子三角形互证i个量子基准。数字化测量技术的应用范围也变得更加广泛，可以以此为基础全面促进电子计量的智能化、自动化以及网络化发展。

4 结语

综上所述，随着计算机软硬件以及信号处理等技术的持续发展，电学计量标准装置对数据的分辨率、采集速度以及储存率都得到了明显提升，这使其在精度校准过程当中，可以采集频率变化超过MHz级地电信号。除此之外，计算机的运行速度也在不断加快，可对电学计量标准采集当中的数学解算以及数据分析处理等任务进行完成。在计量测量过程当中，对现代物理效应进行利用，还可以使计量基准复现量值的一致性得到明显提高。除此之外，通过对计算机、数字等技术进行应用，可使电学计量测量效率得到明显提升，并进一步促进计量测量的网络化、智能化以及自动化发展。