脈沖大電流校準(zhǔn)及溯源技術(shù)研究

王書強(qiáng)， 張軍齊， 崔紹穎， 吳 端

(1.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086；2.中國南方工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412002)

1 引 言

脈沖大電流發(fā)生及測(cè)量裝置廣泛應(yīng)用于船舶、航空、航天及武器制造等領(lǐng)域，還應(yīng)用于物理試驗(yàn)、可控核聚變、飛機(jī)適航試驗(yàn)等多種領(lǐng)域。作為重要的生產(chǎn)試驗(yàn)裝置[1～3]，對(duì)脈沖大電流發(fā)生及測(cè)量裝置波形參數(shù)的測(cè)量及控制十分重要，測(cè)量不確定度較大或穩(wěn)定性較差時(shí)甚至嚴(yán)重影響試驗(yàn)效果。

脈沖大電流從波形特點(diǎn)上可分為雙指數(shù)型脈沖和矩形脈沖。不同類型的脈沖大電流測(cè)量設(shè)備也不盡相同。中國工程物理研究院、中科院電工所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位均開展過脈沖電流發(fā)生及測(cè)量技術(shù)的研究；研究主要集中在發(fā)生裝置設(shè)計(jì)、測(cè)量裝置設(shè)計(jì)，偏向于功率發(fā)生及測(cè)量；對(duì)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)和幅度超過1 kA的脈沖大電流校準(zhǔn)技術(shù)的研究較少。

根據(jù)被校電流幅值、高帶的信號(hào)特征，常用于脈沖大電流校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備有羅氏線圈、光纖電流傳感器及分流器，其各自優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[4～10]。

分流器具有測(cè)量精度高、頻響范圍寬等優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)大電流的測(cè)量能力有限，一般不超過100 kA,需要介入到被校準(zhǔn)脈沖源的回路中，一定程度上改變了回路的電氣特性。羅氏線圈的主要優(yōu)勢(shì)是成本低，技術(shù)成熟度高，測(cè)量帶寬較寬,但無法測(cè)量直流信號(hào)，對(duì)于緩變信號(hào)、脈沖信號(hào)的低頻段測(cè)量能力受限；另外，羅氏線圈的測(cè)量精度易受母線偏心及外部雜散磁場(chǎng)的干擾。光纖電流傳感器基于法拉第磁光效應(yīng)，以光為載波，光纖作為傳感、傳輸介質(zhì)，采用數(shù)字閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)工頻和直流大電流具有較高的測(cè)量精度，可在線安裝，測(cè)量精度對(duì)母線偏心、雜散磁場(chǎng)干擾敏感性低;光纖電流傳感器的主要問題是溫度穩(wěn)定性和高頻電流測(cè)量能力;目前，隨著光電子器件工藝和技術(shù)的進(jìn)步，光纖傳感器的溫度穩(wěn)定性得到了大幅提升，性能指標(biāo)已達(dá)到了實(shí)用化層面。

表1 脈沖大電流校準(zhǔn)設(shè)備性能比較Tab.1 Performance comparison of pulse high current calibration equipment

本文基于脈沖大電流的校準(zhǔn)需求，研究了脈沖大電流發(fā)生及測(cè)量裝置，尤其對(duì)充能式脈沖大電流源、羅氏線圈、脈沖分流器、光纖電流傳感器校準(zhǔn)技術(shù)開展了深入的研究，進(jìn)行了1～100 kA，20 μs～500 μs脈沖大電流(上升時(shí)間按持續(xù)時(shí)間 1/10～1/3 估算)的校準(zhǔn)試驗(yàn)。

2 脈沖大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)

脈沖大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由脈沖大電流發(fā)生裝置、脈沖分流器組、光纖電流傳感器、羅氏線圈電流傳感器、信號(hào)調(diào)理裝置、寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測(cè)量軟件組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1中各裝置及基本工作原理如下：

圖1 脈沖大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high pulse current calibration system

(1)脈沖大電流源

脈沖電流源基本原理如圖2所示。圖2中，C為理想電容，L為放電回路總電感，包括隔離間隙電感、連接線電感、負(fù)載電感和調(diào)波電感，R是放電回路總電阻，包括傳輸線的電阻、間隙電阻，負(fù)載電阻及調(diào)波電阻等。脈沖電流的幅度與持續(xù)時(shí)間由電路基本參數(shù)所決定，即R、C、L的等效值。設(shè)置儲(chǔ)能電容、電感、調(diào)波電阻并加以控制即可產(chǎn)生脈沖大電流。

圖2 脈沖大電流源原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of high pulse current source

(2) 脈沖分流器

脈沖分流器基于開爾文四線電流測(cè)量技術(shù)，分流器主體為同軸結(jié)構(gòu)。分流器由性能良好的銅合金構(gòu)成，主體呈同軸結(jié)構(gòu)，具有良好的高頻特性。

(3) 羅氏線圈

羅氏線圈(Rogowski coil)具有測(cè)量電流脈沖幅值大、頻帶寬、無磁心飽和現(xiàn)象、輸出信號(hào)隔離以及插入損耗小等特點(diǎn)，其基本工作原理基于安培環(huán)路定律，在中心有電流通過時(shí)羅氏線圈獲得的感應(yīng)電勢(shì)正比于被測(cè)電流的變化率，在測(cè)得感應(yīng)電勢(shì)并進(jìn)行積分還原后即測(cè)得脈沖電流值。

(4) 光纖電流傳感器

光纖電流傳感器基于法拉第磁光效應(yīng)，即在被測(cè)電流的作用下，兩束正交的圓偏振光之間產(chǎn)生與被測(cè)電流成正比的相位差，經(jīng)傳感光纖末端反射鏡反射后沿原路返回，相位差加倍，通過測(cè)量相位差即可計(jì)算被測(cè)電流值。

(5) 寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)字化儀和信號(hào)調(diào)理裝置組成，數(shù)字化儀要求量化精度高，測(cè)量帶寬大，本系統(tǒng)中使用NI公司的5122高速數(shù)字化儀。信號(hào)調(diào)理裝置要求比例精度高，帶寬寬，能夠?qū)⒘_氏線圈感應(yīng)產(chǎn)生的高電壓調(diào)整到數(shù)字化儀輸入范圍之內(nèi)，本系統(tǒng)中使用寬帶電阻分壓器。

系統(tǒng)中各裝置技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 脈沖大電流源

脈沖幅度測(cè)量范圍：1～200 kA

脈沖持續(xù)時(shí)間范圍：20～500 μs

穩(wěn)定性：0.3%

(2) 脈沖分流器組

脈沖幅度測(cè)量范圍：1～50 kA

脈沖持續(xù)時(shí)間范圍：20～500 μs

不確定度：0.1%

(3) 羅氏線圈

脈沖幅度測(cè)量范圍：1～500 kA

脈沖持續(xù)時(shí)間范圍：20～500 μs

不確定度：1%

(4) 光纖電流傳感器

脈沖幅度測(cè)量范圍：1～100 kA

脈沖持續(xù)時(shí)間范圍：500 μs～10 s

不確定度：0.3%

(5) 寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電壓測(cè)量范圍：1 mV～500 V

頻率測(cè)量范圍：DC～100 MHz

不確定度：0.2%

需要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的不同特點(diǎn)選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。對(duì)于大電流滾焊機(jī)、縫焊機(jī)、托卡馬克發(fā)生器等，電流范圍為1～100 kA，持續(xù)時(shí)間1～100 ms(或更高)的脈沖電流源，可選用光纖電流傳感器與寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)于雷電電流發(fā)生器、高能激光器泵浦電流等，電流范圍為1～500 kA，持續(xù)時(shí)間20～500 μs的脈沖大電流源可選用羅氏線圈與寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)于羅氏線圈、光纖電流傳感器等，電流范圍為1～200 kA，持續(xù)時(shí)間20～500 μs的脈沖大電流測(cè)量設(shè)備，可選用脈沖分流器組與寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 脈沖大電流溯源技術(shù)

根據(jù)上述3種傳感器各自的特點(diǎn)，可以將脈沖分流器作為脈沖大電流校準(zhǔn)的主溯源標(biāo)準(zhǔn)；而將羅氏線圈和光纖電流傳感器作為工作標(biāo)準(zhǔn)，將其溯源至脈沖分流器。同時(shí)對(duì)羅氏線圈和光纖電流傳感器兩種校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比溯源，用于旁證溯源方法的正確性。圖3為其量值溯源示意圖。

圖3 脈沖大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)溯源示意圖Fig.3 Schematic diagram of high pulse current quantity traceability

光纖電流傳感器和羅氏線圈可以溯源至脈沖分流器，脈沖分流器如何溯源是本文研究的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。脈沖大電流可以依據(jù)傅里葉變換分解為各種不同頻率的高頻交流電流疊加，因此如何考核及評(píng)價(jià)脈沖分流器的頻率響應(yīng)是脈沖分流器溯源的重要工作。根據(jù)脈沖電流測(cè)量范圍的不同，需要多只不同種類脈沖分流器組成一組的形式。脈沖分流器量程起點(diǎn)為一只100 A的鼠籠型結(jié)構(gòu)分流器，采用鼠籠型結(jié)構(gòu)，利用籠型板間結(jié)構(gòu)來減小寄生參數(shù)尤其是等效電感帶來的影響，在測(cè)量交流正弦電流信號(hào)時(shí)具有較好的頻率特性和較高的準(zhǔn)確度。鼠籠型結(jié)構(gòu)分流器有較好的溯源性，可溯源至上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，獲得其在最大100 kHz正弦電流下的角差和比差，從而建立鼠籠型分流器的正弦響應(yīng)模型。利用Analysis進(jìn)行有限元仿真分析[11,12]，分析其等效電感、熱效應(yīng)、趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型的正確性，從而依據(jù)仿真模型建立脈沖分流器脈沖響應(yīng)模型。本項(xiàng)目使用銅合金材料研制了最大為50 kA的一組脈沖大電流分流器，將其與福祿克公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)100 A鼠籠型分流器A40 B串聯(lián)，測(cè)量其100 A下的交流響應(yīng)；并利用Analysis建立50 kA脈沖分流器的脈沖響應(yīng)模型，結(jié)合50 kA脈沖分流器100 A下交流響應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和脈沖響應(yīng)模型，完成對(duì)50 kA脈沖大電流分流器脈沖電流下的溯源。其過程如圖4所示。

圖4 脈沖分流器溯源意圖Fig.4 Schematic diagram of pulse current shunts quantity traceability

使用多功能標(biāo)準(zhǔn)源FLUKE 5720、跨導(dǎo)放大器CH8100、標(biāo)準(zhǔn)分流器SX100、交流電壓標(biāo)準(zhǔn)表5790A，對(duì)脈沖分流器進(jìn)行交流響應(yīng)測(cè)量，測(cè)量原理如圖5所示。多功能標(biāo)準(zhǔn)源控制跨導(dǎo)放大器輸出100 A的50 Hz～100 kHz不同頻率交流正弦電流信號(hào)，電流通過標(biāo)準(zhǔn)分流器或脈沖分流器轉(zhuǎn)化為正弦電壓信號(hào)，交流電壓標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)正弦電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，得到不同頻段下的交流電壓值。由歐姆定律和脈沖分流器的阻值大小，得到標(biāo)準(zhǔn)分流器和脈沖分流器的交流頻率響應(yīng)。

圖5 脈沖分流器交流響應(yīng)測(cè)量原理框圖Fig.5 Schematic diagram of AC character measurements of pulse current shunts

分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分流器和被測(cè)脈沖分流器的電壓示值Uo和Ux；標(biāo)準(zhǔn)分流器的電阻標(biāo)準(zhǔn)值為Ro，由式(1)得到脈沖分流器的電阻Rx在實(shí)驗(yàn)室下的標(biāo)定值：

(1)

通過式(1)計(jì)算被測(cè)脈沖分流器的電阻值；并由跨導(dǎo)放大器CH8100的短期穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)分流器SX100的上級(jí)傳遞不確定度和交流電壓標(biāo)準(zhǔn)表5790A的最大允許誤差，對(duì)脈沖分流器交流響應(yīng)進(jìn)行評(píng)定；最后結(jié)合脈沖分流器有限元仿真模型推算脈沖測(cè)量的不確定度。

4 校準(zhǔn)試驗(yàn)

首先根據(jù)圖5所示方法進(jìn)行脈沖分流器交流響應(yīng)測(cè)量，標(biāo)定脈沖分流器電阻值。其中跨導(dǎo)放大器CH8100輸出電流為100 A，頻率范圍為50 Hz～100 kHz，被標(biāo)定脈沖分流器設(shè)計(jì)最大電流測(cè)量幅值為50 kA，其測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 脈沖分流器標(biāo)定Tab.2 Calibration of pulse shunt

對(duì)脈沖分流器標(biāo)定完成后，按圖3所示，分別測(cè)量羅氏線圈和脈沖分流器的脈沖電壓幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間并換算成脈沖電流幅值和持續(xù)時(shí)間。評(píng)定測(cè)試系統(tǒng)各分系統(tǒng)的影響，對(duì)脈沖電流幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

通過式(2)中En值的計(jì)算方法，判斷測(cè)試結(jié)果的合理性:

(2)

式中：xlab為羅氏線圈測(cè)量的脈沖電流值；xref為脈沖分流器測(cè)量的脈沖電流值；Ulab為羅氏線圈測(cè)量的脈沖電流測(cè)量不確定度；Uref為脈沖分流器測(cè)量的脈沖電流測(cè)量不確定度。

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

5 結(jié) 論

基于二階振蕩電路和Crowbar開關(guān)的最大電流為100 kA，持續(xù)時(shí)間為20 μs～100 ms的脈沖大電流發(fā)生系統(tǒng)；建立了基于脈沖分流器、光纖電流傳感器和羅氏線圈的脈沖大電流校準(zhǔn)系統(tǒng)；研究了脈沖大電流的溯源方法；基于脈沖分流器的有限元模型和交流響應(yīng)特性，評(píng)定脈沖分流器脈沖響應(yīng)特性，計(jì)算脈沖測(cè)量不確定度；使用羅氏線圈進(jìn)行比對(duì)，旁證了評(píng)定方法的正確性。

結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)不同的被測(cè)脈沖波形特點(diǎn)選擇脈沖分流器或羅氏線圈或光纖電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不確定度可優(yōu)于1%。

(2) 使用寬頻電流發(fā)生及測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行脈沖分流器交流響應(yīng)測(cè)量，結(jié)合脈沖分流器有限元模型可計(jì)算脈沖分流器脈沖測(cè)量的不確定度。