高精度大电流交直流电流表的研制

高精度大电流交直流电流表的研制

郁黎,景军,刘旭东,范军华

青岛市计量技术研究院 山东青岛 266000

摘要：研制了一种采用磁调制式交直流电流比较仪的大电流交直流电流表，可测量包括直流、交流电流信号，测量简单方便，精度高，可满足大部分用户检测计量需要。该直流大电流表实现了2 000 A 交直流电流的非接触测量，准确度达到DC:0.03％AC:0.05％，满足了国防、军工、科研、电动车等领域对高精度大电流表的需求，可直接检定 0． 05 级及以下级别的交直流电流源，也可做实验室等测试用理想高精度大电流表。

关键词：大电流表; 磁调制式; 高精度。

引言：随着国民经济和科学技术的蓬勃发展，在国防计量、电力机车、电动车、蓄电池充放电、电焊机的检测以及各种大电流直流仪表的检测中，大电流、高精度电流表是必不可少的设备。例如电动车、蓄电池的充放电电流一般在 50 A ～ 500 A，电力机车、地铁供电系统直流电流一般在 3000A左右。供电系统的准确测量直接关系到列车的供电安全和运行安全，比如牵引整流机组的电流速断保护、过电流保护、直流正负母线的对地绝缘监视等都需进行精确的测量才能起到安全的保障。

一、整机设计原理

大电流标准表的原理框。它主要由磁调制式比较仪、跟踪放大、A/D 采样、电流采样/变换电路和单片机测量控制电路等构成，将一次变换器的测量头、二次线路及二次信号处理、显示等环节集于一体。大电流标准表以磁调制式比较仪作为输入电流变换器，将大电流变换成 1 A 采样电流，经过高精度电阻阵列采样出 5 V 电压信号，保证电流测量的高精度。

二、磁调制式电流比较仪

针对目前比较常见的单一性的直流电流比较仪或交流电流比较仪，从而缺乏交直流一体化的电流比较仪的理论分析与设计。本文研究了一种新型的交、直流一体化的电流比较仪，在满足磁调制式交、直流电流比较仪其直流输入特性的准确度、稳定度、线性度的条件下，尽可能的提高交流特性的交流带宽和其稳定性。该电路在双铁芯磁调制式直流电流比较仪的基础上增加了一个铁芯绕组，即交流电流感应通道，这样便构成了磁调制式交、直流一体化的电流比较仪。恒压方波激励的两个铁芯绕组通过两个阻值相同的电阻和一个滑动变阻器连接成桥式电路，这样更有利于检测激励绕组中的不平衡电流，通过调节滑动变阻器使其接近于零。激励绕组的两个同名端相连，即反串相接，保证其中一个铁芯上的直流信号绕组和交流激磁绕组产生的磁通方向一致，而另一个铁芯上产生的磁通方向恰好相反。该电路采用峰差解调，因其理论上能够检测出全部偶次谐波，故比相敏解调具有更高的检测灵敏度。反馈网络接回比例绕组中构成一定的反馈形式，从而获得稳定的增益。

本实验所设计的磁调制式交、直流一体化的电流比较仪其镯环形的主铁芯位于最内层，应具有高初始的磁导率，高相对磁导率，低饱和磁通密度的材料组成。目前铁芯材料的选择主要有坡莫合金、硅钢和超微晶合金三种。

硅钢是在纯铁中加入少量的硅(一般在 4.5%以下)而形成的铁硅系合金，具有高的饱和磁感应强度，并且价格便宜，但随着工作频率的增高，其损耗(涡流损耗和磁滞损耗)急剧增加，有效磁导率值降低，所以其一般使用频率不会超过 400Hz。

超微晶合金是目前市场上能见到的综合性能最好的导磁材料，具有非常高的初始磁导率，抗机械冲击的能力很强，且其重量轻，性价比较高。

现瑞士 LEM 公司所产的电流比较仪其所用的磁性材料为粉末合金，因其价格比较昂贵，国内市场还没有此种材料，故综合比较上述的各种磁性材料的优缺点，本文选择了超微晶合金的磁性材料来制作磁调制器的铁芯。

选择检测铁心时，采用逐一配对法，进行峰差输出信号测量，最终选出两只性能十分相近的铁心，并选取合适的激励状态以获取最小零点和最高检测灵敏度。

在激励电路中采用电子分频振荡器，通过信号发生、分频、正负半周分配合成，形成驱动信号，用以驱动功率输出管，输出激励信号，取代了传统的变压器铁耦合反馈方式进行频率调节和激励。

三、跟踪放大电路

跟踪放大器设计的主要原则是在保证整个系统有稳定工作裕量的前提下，放大器有足够的电压放大倍数。

峰差检测输出信号经由通用运放构成的前置放大后，推动大功率管构成的升压扩流放大电路。由于运放的供电电压不能超过 ±15 V，输出摆幅为 ±12 V，输出电流一般为 ±10 mA，不能满足输出要求，加升压扩流放大后，可使输出电流达 ±1.5 A、输出电压达 ±40 V。

整个功率放大器的放大倍数 K = 1 + Ｒ2/Ｒ1，设计值约为100，取 Ｒ2 =100k，Ｒ1 =1k。升压扩流放大部分的放大倍数 K =1 + Ｒ4/Ｒ3，设计值约为 6，取 Ｒ4 = 10k，Ｒ3 = 2k。这

样前置放大器放大倍数 K1 = 100/6 ，约为 17 倍。放大倍数K 过大，放大器会出现振荡，工作不稳定，放大倍数过小，无法跟踪到满度电流，无法保持平衡状态，出现失衡。

四、A/D 采样

A/D 的量化精度和转换速率是相互制约的，精度比较高时会影响到转换速率，因此，在 A/D 转换器的选择上综合考虑了量化精度和转换速率等因素，选用了 Analog Devices 公司的 AD977。

设计 A/D 采样电路的关键之一，是如何选择 A/D转换器的基准电压，并尽可能消除高频信号在传送中所产生的噪声对基准电压的影响。AD977 自带的片内基准电压，其温度系数比较大，不适用于高精度标准表。

因此，采用外加温度系数小的参考基准 AD780，保证了即使环境温度变化 ±0.5 ℃( 一般实验室标准温度为 20 ±2 ℃) ，基准电压温漂不超过 ± 15 × 10-6，就不会对仪表整机精度产生影响，从而保证了 A/D 转换的长期稳定性和温度特性。

A/D 采样器对跟踪放大器输出的平衡电流进行采样变换测量，比较仪二次平衡输出电流值为 1 A。经由多个金属箔式电阻构成的阻值为 1 Ω 的采样电阻

阵列进行 I/V 变换，得到 1 V 的采样信号，这样可实现对次级电流的精确采样。

五、主要功能和技术指标

主要功能：

采用了独特的技术路线，研制的“大电流表”具有精度等级高、测量电流大、可靠性高，为各企业、计量系统、国防系统提供切实可靠的大直流( 最大2000 A) 、高精度的设备，解决了目前国内大电流充放电设备及大电流源的测量。同时，适合作省级或大中企业标准，建立起完善的计量、溯源体系，保证工业生产工艺和质量。

由于采用非接触方式测量，故直流大电流表不吸收被测量对象的功率，有利于节能。

技术指标：

交、直流电流测量范围：0～2kA，量程：200A；500A；1kA，2kA。

测量精度：±DC：0.02%×读数+0.01%×满度

           AC：0.03%×读数+0.02%×满度

显示位数：6位半显示

六、实验结果

6.1实验室测试

直流大电流标准表的技术指标是否达到要求，需要先在实验室进行测试，确保量值准确后才能送到第三方校准。

在实验室使用大电流源对电流表进行测试。测试结果显示，大电流标准表的误差都小于所提出的技术指标。

6.2第三方测试

为了客观验证大电流标准表的技术指标是否达到要求，将直流电流表送至省级计量院进行测试，由国家建立的大电流标准来校准。从计量院出具的校准数据也验证了所研制的大电流标准表的技术指标是满足级要求的。

7、结束语

本文介绍的大电流表以磁调制式比较仪为核心，实现了2000 A 交直流电流的非接触测量，准确度达到DC:0.03％AC:0.05％。满足国防、军工、科研、电动车以及量传领域对高精度大电流表的需求和对大电流充放电设施电流的计量检定/校准。

参考文献

［1］ 叶长飞，张自长． 100 A/0． 1 A 直流电流比较仪的设计和应用［J］． 昆明: 昆明理工大学学报，1999，24( 5) : 45－47.

［2］钟乃元，高飞． 大电流高精度恒流源［J］． 电子测量技术， 2007，30( 9) : 176－179．

[3]宗建华，闫华光，杨林． 电流比较仪技术在精密测量中的应用［J］．电测与仪表，2003，40( 449) : 5－10．