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准确测量四端电阻时间常数的关键技术研究

作　者: 潘仙林
导　师: 陆祖良; 王祁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 四端电阻时间常数相角计量标准替代法电压比例技术
分类号: TM934.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

建立四端电阻时间常数标准是实现交流阻抗准确测量及交流电量计量量值统一的关键，同时也是目前国际上在脉冲电流和宽频功率研究方向的热点问题。早在二十世纪初,国际上提出了几种特殊结构设计的计算样品，而样品中等效电感计算往往涉及到复杂的电磁场理论，且计算结果受样品本身结构尺寸测量准确性的影响而引起较大的不确定度。随着测量技术和仪器仪表的不断发展，国际上开始采用测量的方法直接对四端电阻的正交分量进行绝对定值，然而仪表误差及容性泄漏等影响是制约测量准确性的主要因素。目前，国际上普遍采用step-up（爬台阶）法来实现四端电阻量程扩展，该方法中所存在的串联“浮地”影响、测量仪表线性误差及多步传递所造成的不确定度累积是主要的影响因素。本论文工作回归问题的本质，灵活地应用了精密电磁测量中的替代法，针对准确测量四端电阻时间常数若干关键技术进行了深入研究。针对目前已有测量仪表无法满足在较大水平分量下直接准确测量四端电阻等效电感的问题，本文采用了结构替代法，即在相同结构下，将自行研制的“同轴拉线”结构四端电阻中高电阻率电阻丝替换成低电阻率电阻丝，从而减少了水平分量对正交分量所引起的影响，便于测量。为了进一步减少测量仪表的影响，本文研制了Q值高的四端互感，并深入分析了该互感结构中寄生电容、残余电感及引线电阻等参数的影响，采用电流电压转换法实现对互感的准确测量。采用替代法将四端电阻等效电感与已知的互感进行相互比较，将其溯源至我国已有的交流电压和交流电流国家标准，从而准确测量四端电阻中微小正交分量，确定该四端电阻的时间常数，为四端电阻量值传递提供了溯源依据。针对四端电阻串联连接时低端电位不一致而受有源仪表“浮地”影响而引起容性泄露误差的问题，本文采用二进制感应分流器的方法实现两路共地电流输出。详细分析了二进制感应分流器受比例绕组的激磁误差、容性误差及外接负载误差的影响，提出了电流一致性自校验的实验方法，同时研制三级感应分流器级联结构实现三路共地等电流输出，为四端电阻相互比较时提供了准确且关系已知的电流。针对目前国际上普遍采用step-up方法实现电阻量程扩展中存在的多步传递而引起测量不确定度累积的问题，本文采用电压比例技术，将不同阻值的四端电阻在相同电流下进行等电压测量，通过一步传递实现量程扩展。深入分析了二进制感应分压器和串并联结构电阻分压器的参数模型，并对其电压比例的相角偏差进行了自校验。结合二进制感应分流器和电压比例技术，建立四端电阻量值传递装置，满足1A~100A四端电阻时间常数和相角偏差的溯源需求。本文采用该传递装置对实验室自行研制的10m~1鼠笼结构四端电阻、100A互感式电流电压变换器和薄膜结构四端电阻的相角偏差进行了准确测量，其相角测量标准不确定度在200kHz频率下优于100μrad。针对四端电阻在传递过程中测量电流和工作电流不一致而引起的电流系数问题，本文采用三种不同类型的四端电阻1A~100A电流范围进行相互比较，评估了四端电阻相角偏差的电流系数。因此，所建立的四端电阻时间常数标准和量值传递装置，实现了高频大电流四端电阻相角偏差的准确测量，也为我国今后建立宽频交流功率电能国家基准奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-33
  1.1 建立四端电阻时间常数标准的必要性  14-19
    1.1.1 电阻时间常数的定义  15-17
    1.1.2 宽频功率国家标准建立的需要  17-18
    1.1.3 冲击电流测量溯源的需求  18-19
    1.1.4 交流电流AC-DC差溯源的新途径  19
    1.1.5 课题的来源及其研究意义  19
  1.2 国内外电阻时间常数标准的研究现状  19-25
    1.2.1 基于理论计算实现电阻时间常数标准  20-23
    1.2.2 基于参数测量法建立四端电阻时间常数标准  23-25
  1.3 国内外实现四端电阻量程扩展方案  25-28
    1.3.1 交流电桥法  25-26
    1.3.2 爬台阶法  26-28
  1.4 存在的问题  28-30
  1.5 论文的主要研究内容  30-33
第2章建立四端电阻时间常数标准的研究  33-72
  2.1 引言  33-34
  2.2 “同轴拉线”结构四端电阻的结构设计及参数分析  34-43
    2.2.1 设计原理  34-36
    2.2.2 等效电路结构模型及理论分析  36-39
    2.2.3 结构参数设计  39-41
    2.2.4 等效电感测量关键技术  41-43
  2.3 两路已知电流关系的实现  43-54
    2.3.1 二进制感应分流器的基本原理  44
    2.3.2 二进制感应分流器误差分析  44-51
    2.3.3 二进制感应分流器的结构设计  51-52
    2.3.4 二进制感应分流器的自校验  52-54
  2.4 正交分量溯源标准的四端互感  54-62
    2.4.1 互感结构原理及电路模型  54-57
    2.4.2 圆形回路之间的互感分析  57-58
    2.4.3 nH量级四端互感的研制  58-59
    2.4.4 互感的准确测量及其不确定度评估  59-62
  2.5 “同轴拉线”型四端电阻中正交分量的准确测量  62-68
    2.5.1 四端电阻的等效电感测量原理及实验结果  62-64
    2.5.2 结构替换时等效电感不一致性的评估  64-66
    2.5.3 四端电阻的分布电容测量原理及结果  66-68
  2.6 四端电阻时间常数及相角的准确测量  68-71
    2.6.1 测量结果  68
    2.6.2 不确定度评估  68-71
  2.7 本章小结  71-72
第3章四端电阻量值传递装置的研究  72-97
  3.1 引言  72
  3.2 实现四端电阻量值传递的方法  72-76
    3.2.1 电流比较仪法  73-74
    3.2.2 变压器电桥法  74-75
    3.2.3 电位差计法  75-76
  3.3 四端电阻量值传递新方法的提出  76-79
    3.3.1 传递新方法的基本原理  76-78
    3.3.2 新方法的主要优点  78-79
    3.3.3 要解决的主要技术难题  79
  3.4 2:1电压比例的相角标准  79-86
    3.4.1 自耦式感应分压器基本原理  80
    3.4.2 自耦式感应分压器的激磁误差  80-81
    3.4.3 自耦式感应分压器的误差容性  81-83
    3.4.4 二进制感应分压器的结构设计及误差分析  83-84
    3.4.5 二进制感应分压器自校验原理及实验结果  84-86
  3.5 10:1和100:1电压比例相角标准  86-94
    3.5.1 串并联结构电阻分压器的基本原理  86
    3.5.2 串并联型电阻分压器等效电路模型及误差分析  86-92
    3.5.3 串并联型电阻分压器自校验及实验结果  92-94
  3.6 三支路感应分流器的实现  94-95
  3.7 本章小结  95-97
第4章四端电阻量值传递的实验及数据分析  97-118
  4.1 引言  97
  4.2 四端电阻量值传递装置  97-99
  4.3 量值传递装置的主要影响因素  99-106
    4.3.1 隔离式感应分压器的相角偏差校验  99-100
    4.3.2 感应分压器初级输入端的负载影响  100-102
    4.3.3 三支路感应分流器中电流一致性校验  102-103
    4.3.4 寄生电容的泄漏误差  103-106
  4.4 量值传递装置实现四端电阻的准确测量  106-112
    4.4.1 高频大电流四端电阻的研制  106-107
    4.4.2 基于100:1电压比例测量原理及实验结果  107-109
    4.4.3 基于10:1电压比例测量原理及实验结果  109
    4.4.4 基于2:1电压比例测量原理及实验结果  109-111
    4.4.5 同名义值四端电阻的测量原理及实验结果  111-112
  4.5 电流系数测量原理分析及实验结果  112-113
  4.6 四端电阻相角测量不确定度的评估  113-116
  4.7 旁证实验及国际比较  116-117
    4.7.1 三角闭合实验  116
    4.7.2 国际比较  116-117
  4.8 本章小结  117-118
结论  118-121
参考文献  121-129
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  129-132
致谢  132-133
个人简历  133

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