72套羅氏線圈測量系統(tǒng)同時校準(zhǔn)的方法研究

李亞 李慶媛 王林森 武旭

摘 要：傳統(tǒng)的羅氏線圈校準(zhǔn)工作大多在實(shí)驗(yàn)室里完成，沒有考慮到測量用的附屬設(shè)施設(shè)備，而將羅氏線圈獨(dú)立地進(jìn)行校準(zhǔn)，且72套羅氏線圈校準(zhǔn)工作量比較大，效率比較低，測量不同步。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種新型的72套羅氏線圈同時校準(zhǔn)的方法，附屬設(shè)施同時參與測量，提高了現(xiàn)場實(shí)際使用測量的準(zhǔn)確性和可靠性，測量結(jié)果能夠?qū)崟r顯示、存儲并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測試表明，該方法可以對72套羅氏線圈及配套設(shè)施進(jìn)行校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：羅氏線圈;校準(zhǔn);同步

0 引言

隨著城市發(fā)展，人們的用電需求量越來越大，而煤炭、石油等能源是不可再生的，還會對環(huán)境造成污染，所以人們亟需尋求一種新型的可再生的清潔能源。EAST是我國自主設(shè)計(jì)、研制的世界上第一個大型非圓截面、全超導(dǎo)托卡馬克磁約束核聚變裝置，它的最終目的是實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)并用于發(fā)電。大功率晶閘管變流器系統(tǒng)是核聚變裝置的重要組成部分，向超導(dǎo)線圈供電，實(shí)現(xiàn)各種不同要求的等離子體位形和不同運(yùn)行模式下等離子體的產(chǎn)生、加熱平衡及控制。每套變流器系統(tǒng)有6個橋臂，每個橋臂由12支大功率晶閘管并聯(lián)構(gòu)成，共有72支大功率晶閘管。大功率晶閘管變流器出廠時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1-1部分：基本要求規(guī)范》（GB/T 3859.1—2013），需對變流器均流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，若均流系數(shù)不滿足要求，會影響變流器的安全運(yùn)行、損耗和整機(jī)效率。根據(jù)大功率變流器均流的測試經(jīng)驗(yàn)，得出用羅氏線圈測量是最經(jīng)濟(jì)、有效、簡單、安全、可靠的方法。為了保證每套羅氏線圈測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對每套羅氏線圈測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證均流系數(shù)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

1 羅氏線圈傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

1.1? ? 校準(zhǔn)方法

羅氏線圈傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法需要的設(shè)備儀器有：零磁通霍爾電流傳感器、羅氏線圈及配套積分器、數(shù)字多用表、電流源。傳統(tǒng)羅氏線圈校準(zhǔn)的連接線路如圖1所示，其中零磁通霍爾電流傳感器和數(shù)字多用表是標(biāo)準(zhǔn)器具，經(jīng)外部校準(zhǔn)并確認(rèn)合格，零磁通霍爾電流傳感器準(zhǔn)確度等級為0.3級，比例系數(shù)為K1（單位：A/V），電源是交流電源或脈沖直流電源，羅氏線圈及配套積分器準(zhǔn)確度等級為2.0級，比例系數(shù)為K2（單位：A/V）。數(shù)字多用表1測量零磁通霍爾電流傳感器輸出電壓V1，數(shù)字多用表2測量被校準(zhǔn)羅氏線圈及配套積分器輸出電壓V2，根據(jù)公式（1）可計(jì)算回路電流I：

I=K1V1=K2V2（1）

1.2? ? 校準(zhǔn)程序

（1）通電前，檢測人員檢查校準(zhǔn)時需要用到的儀器設(shè)備、現(xiàn)場溫濕度環(huán)境。

（2）按照校準(zhǔn)線路進(jìn)行回路連接，安裝零磁通霍爾電流傳感器及被校準(zhǔn)羅氏線圈。

（3）啟動電源和儀器設(shè)備。

（4）一人操作電源輸出電流進(jìn)行測試，另一人拍照記錄兩個數(shù)字多用表同時測得的電壓，根據(jù)公式（1）可以求得零磁通霍爾電流傳感器測量的回路電流I1和羅氏線圈測量的回路電流I2，若I2誤差在允許范圍內(nèi)，則按照約定的電流值進(jìn)行校準(zhǔn)。

假設(shè)每套羅氏線圈及配套積分器校準(zhǔn)3個點(diǎn)（1 000 A、2 000 A、3 000 A），則72套羅氏線圈需要調(diào)試電流源216次，拍照216次，并記錄和及時計(jì)算出電流，查看羅氏線圈測量結(jié)果是否準(zhǔn)確，對于不準(zhǔn)確的羅氏線圈，最后統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)試。傳統(tǒng)的羅氏線圈校準(zhǔn)方法十分煩瑣，工作量非常大，檢測人員易疲勞，計(jì)算出錯。

2 羅氏線圈新型的校準(zhǔn)方法

2.1? ? 校準(zhǔn)方法

羅氏線圈新型的校準(zhǔn)方法是72套羅氏線圈同時校準(zhǔn)，附屬設(shè)施（模擬量隔離機(jī)箱、航空插頭接口、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換機(jī)箱）及傳輸信號線同時參與測量，校準(zhǔn)實(shí)際使用時測量的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)時顯示并存儲校準(zhǔn)結(jié)果，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。需要用到的儀器設(shè)備有：零磁通霍爾電流傳感器、羅氏線圈測量系統(tǒng)、電源、多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中零磁通霍爾電流傳感器和多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)外部校準(zhǔn)并確認(rèn)合格，作為標(biāo)準(zhǔn)器具使用。零磁通霍爾電流傳感器準(zhǔn)確度等級為0.3級，比例系數(shù)為K1（單位：A/V）;羅氏線圈測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級為2.0級，比例系數(shù)為K2，…，Kn（單位：A/V），電源是交流電源或脈沖直流電源;多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有96個采集通道，且每個通道相互獨(dú)立，準(zhǔn)確度等級為0.2級。把零磁通霍爾電流傳感器和72套羅氏線圈測量系統(tǒng)的比例系數(shù)分別設(shè)置于不同的通道，通電結(jié)束可以直接讀取每個通道測量的電流值I。新型羅氏線圈校準(zhǔn)的連接線路如圖2所示。

2.2? ? 校準(zhǔn)程序

（1）通電前，檢查需要用到的儀器設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場溫濕度環(huán)境。

（2）檢測人員按照校準(zhǔn)線路圖連接主回路，安裝零磁通霍爾電流傳感器以及72套被校準(zhǔn)羅氏線圈，并連接測量回路。

（3）啟動儀器設(shè)備及附屬設(shè)備，設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)校準(zhǔn)要求設(shè)置通道的名稱、采集模式（單端或者差分）、采集范圍、比例系數(shù)（傳感器的變比）、采樣率等。

（4）點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集，檢查零點(diǎn)是否有故障羅氏線圈或線路，無故障點(diǎn)擊結(jié)束。

（5）啟動電源，按照約定的電流值輸出電流，一人操作電源，另一人點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集。羅氏線圈及配套積分器校準(zhǔn)3個點(diǎn)，交流有效值（1 000 A、2 000 A、3 000 A），則需要調(diào)節(jié)電源3次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)點(diǎn)擊采集3次，自動記錄每次采集的波形并計(jì)算測量結(jié)果。

（6）最后對不準(zhǔn)確的羅氏線圈測量系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)試，校準(zhǔn)完成。

2.3? ? 校準(zhǔn)波形及計(jì)算

因波形比較多，現(xiàn)提供1～12羅氏線圈測量系統(tǒng)3 000 A測量波形和計(jì)算結(jié)果，分別如圖3、圖4所示。

2.4? ? 新型校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)

（1）該方法實(shí)現(xiàn)了72套羅氏線圈測量系統(tǒng)校準(zhǔn)和信號采集的同步，提高了校準(zhǔn)效率，縮短了校準(zhǔn)時間。

（2）該方法校準(zhǔn)時自動記錄波形，波形保存在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬盤里，可以隨時調(diào)取查看，存儲、溯源方便，且自動計(jì)算測量結(jié)果，減少了人為誤差，保證了準(zhǔn)確度。

（3）該方法實(shí)現(xiàn)了羅氏線圈積分器及配套隔離電路轉(zhuǎn)換接口一起校準(zhǔn)，減少了對隔離電路、轉(zhuǎn)換接口機(jī)箱的單獨(dú)校準(zhǔn)，降低了校準(zhǔn)成本，符合現(xiàn)場實(shí)際使用情況，提高了羅氏線圈實(shí)際使用的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié)語

綜上所述，利用多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對72套羅氏線圈同時校準(zhǔn)，校準(zhǔn)成本低，效率高，同步性好，準(zhǔn)確度高，存儲溯源方便。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李亞，李慶媛，王林森.PF變流器均流系數(shù)不確定度的評定[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2019，46（12）：103-105.

[2] 李亞，王林森，李慶媛.電流傳感器在直流測試平臺的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2019（5）：45-48.

收稿日期：2021-04-21

作者簡介：李亞（1989—），男，安徽渦陽人，工程師，研究方向：儀器儀表及傳感器使用開發(fā)。