钳形表的校准及测量不确定度分析

钳形表的校准及测量不确定度分析,杨胜利高级技术支持工程师美国福禄克公司计量校准010-57351383victor.yang,讲座内容,钳形电流表，简称钳形表是一种不需断开电流回路即可测量电流的测试仪器一般多用于测量大电流，或使用在具有一定测量风险的场合使用，尤其是电气检修作业。准确度一般不高，2%左右显示模式：指针式和数字式测量模式：互感器式，交流电流霍尔效应式，交直流电流柔性电流钳式，交流电流,钳形表特点,钳形表的工作原理-互感器式,采用电磁感应原理：电流导线穿过钳口，通过钳口中的铁芯耦合，在铁芯上缠绕的次级线圈产生感应电流，测量出次级电流，根据匝数比即可得到原边的被测电流。只能测量交流电流。,霍尔效应:1879年由美国物理学家霍尔发现。当电流通过磁场中的导体时，导体中会产生与电流方向及磁场方向均垂直的电势差，即霍尔电压。霍尔电压UH的大小与磁感应强度B的垂直分量及电流I的大小成正比。在半导体中，霍尔效应更加明显。霍尔电流传感器，也叫霍尔元件，依据霍尔效应制作而成。霍尔电流传感器既可测直流电流，也可测量交流电流。钳形表应用霍尔电流传感器实现非接触交直流电流的测量。,钳形表的工作原理-霍尔效应式,直放式(开环)霍尔电流传感器（CS系列）,原理：Ip流过导线产生磁场，大小与电流成正比，磁场聚集在磁环内，磁环气隙中的霍尔元件测量产生霍尔电压，反映原边电流Ip。优点：电路形式简单、成本相对较低。缺点：精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较大。,磁平衡式(闭环)霍尔电流传感器（CSM系列）,NIp=nIs,原理：Ip流过导线产生磁场聚集在磁环内，磁环气隙中的霍尔元件测量产生霍尔电压，驱动功率管，进而产生补偿电流Is，Is产生反向补偿磁场抵消Ip磁场，使霍尔电压降低，两个磁场平衡时，磁通为零，检测出Is即可得到Ip的大小。优点：无测量插入损耗，线性度好，可测量交直流电流及脉冲电流，且原边电流与副边输出信号高度隔离，不引入干扰，响应快。,用霍尔效应式电流钳测量交直流电流,iFlex柔性电流钳,均匀缠绕在非铁磁性材料上的环型电流互感器。输出信号是电流对时间的微分。具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点,10,用iFlex柔性电流钳测量交流电流,不拆线测量环路电流020mA多用于检查工业生产现场变送器输出可分离钳头，方便快捷。,直流毫安钳形表,现代钳表还具有多种测量功能交直流电压mV直流电压频率电阻通断电容浪涌电流INRUSH有些钳形表还具有提供24V环路电源及环路电流输出功能，方便现场测量。,钳形表的其他功能,远程显示钳形表功率钳形表电能质量钳形表电能质量分析仪泄露电流钳形表,其他类型的钳形表,有奖问答1,问题：根据工作原理，钳形表可以划分为哪两大类？,讲座内容,校准难点根据测量原理，钳形表校准需要高准确度标准电流源充当原边电流。高准确度的电流源一般都在几十安培左右，无法覆盖钳形表测量范围。,如何校准钳形电流表？,因此，钳形表校准一般采用等安匝法校准校准器输出标准交直流电流，校准器输出连接到校准线圈输入，校准线圈的结构使标准器的电流多次以同一方向穿过被校钳表钳口，钳形表检测到的是等效安匝电流=标准器电流*线圈匝数，因此可实现大电流的校准。,钳形电流表的校准方法,校准限制线圈匝数不能随意扩充，匝数增加，电感呈平方倍快速增加，校准源带电感的驱动能力有限。,直流mA钳形表的校准解决方案,所需标准器校准器Fluke5522A/5502A/5520A/5502A/5080A校准线圈55xxA电流端短路线充当单匝线圈,所需标准器校准器Fluke5522A/5502A/5520A/5502A/5080A校准线圈Fluke5500A/COIL50匝或Fluke9100-20010匝/50匝,1000A以下钳表校准解决方案,直流电流，020.5A，0.01%交流电流，29A20.5A，10Hz30kHz，0.04%直流电压，01000V，0.0011%交流电压，1000V，0.01Hz500kHz，0.012%电阻01.1G，0.0028%电容330pF110mF，0.25%具有电感补偿能力，能驱动较大电感负载。在早期型号5520A、5500A基础上改进,Fluke5522A/5502A/5080A特点,支持Fluke55xxA校准器50匝线圈最大电流输入20.5A，最大1025A等效安匝,Fluke5500A/COIL特点,互感器式,霍尔效应式,校准器输出,等效安匝电流,支持Fluke9100及55xxA校准器。10匝，口径小，最大电流输入20A，最大200A等效安匝。50匝，最大电流输入20A，最大1000A等效安匝。DC,0.2%输出。AC，10-500Hz，0.2%输出。,Fluke9100-200特点,所需标准器校准器Fluke52120A+5522A/5502A/5520A/5500A/5080A或Fluke52120A+5730A校准线圈Fluke52120A/3kAFluke52120A/6kA,1000A以上钳表校准解决方案,输入激励信号：200mA/120mA或2V/1.2V，直流至10kHz输出电流范围大：2A/20A/120A三个量程AC120A，DC100A可多台并联，提供更大电流频带宽：DC到10kHz准确度高：闭环模式：0.014%AC（120A）；0.016%DC（100A）开环模式：0.039%AC（120A），0.016%DC（100A）带载能力强4.5V有效值或6.4V峰值顺从电压驱动1mH电感负载电流输出可浮地：850V峰值或600V有效值,Fluke52120A特点,Fluke52120A/3kA/6kA特点,52120A/6kA50匝线圈把52120A的120A输出提升到6000A校准大电流螺旋线圈钳形表，包括i2500-10或i2500-18iFlex柔性电流钳I6000SFLEX-24或-36交流电流钳,52120A/3kA25匝线圈把52120A的120A输出提升到3000A校准大电流钳形表，包括Fluke-376或381真有效值交直流钳形表Fluke345钳形电能质量分析仪,最准确的多功能电学校准器支持5725A放大器，电流最大11A闭环连接52120A放大器：直流电流最大100A，准确度0.01%交流电流最大120A，准确度0.014%,Fluke5730A特点,根据被测仪器的准确度确定需要的校准器。根据被测仪器的量程覆盖要求确定校准测试点。根据被测仪器的准确度确定测试点的上下限值。根据国内规程要求，被测仪器和校准标准的测量不确定度比率TUR要大于3:1，国外要求是4:1。一步步完成各点的测试，记录测量结果。计算测量不确定度。打印校准证书。,钳形电流表校准的主要步骤,TUR=被检设备不确定度标准器不确定度,使用校准线圈，电感大，校准器要打开电感补偿。直流电流有正负，注意钳口方向和接线极性。线圈汇聚导线要居于钳口中心，与磁力线垂直。,钳型表校准注意事项,位置灵敏度技术参数:,有奖问答2,问题：钳形表校准基于什么方法？,讲座内容,2011年2月15日发布，2011年5月1日实施适用于检测校准实验室建立测量不确定度评估程序引用文件:2.1ISO/IEC指南98-3测量不确定度表示指南2.2ISO/IEC指南99国际通用计量学术语2.3ISO/IEC17025检测和校准实验室能力的通用要求2.4JJF1059测量不确定度评定和表示不确定度评定的基本步骤标准不确定度的评估A类不确定度分量的评估：对观测列进行统计分析所作的评估B类不确定度分量的评估当输入量的估计量xi不是由重复观测得到时，其标准偏差可用对xi的有关信息或资料来评估。合成标准不确定度的评估扩展不确定度U的计算,中国：CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南,被检表钳形表381+i2500柔性钳测试点：2500A50Hz量程：2500A指标：3%读数5个字分辨力：1A标准器校准器5522A：1V50Hz52120A:100A50Hz校准线圈52120A/3kA：2500A50Hz,Fluke381+i2500校准实例,A类不确定度被检表测量结果的重复性误差B类不确定度标准器的不确定度标准器5522A的电压不确定度52120A电流放大器电流输出不确定度52120A/3kA线圈引入的不确定度：线圈直径有限引起直径越大越好，但直径越大，电感量越大，校准器可能带不动测量不确定度是各项分量的综合被检表分辨力的不确定度线圈形状、钳表放置位置、环境温度等影响，可以忽略不计。,钳型表校准不确定度分析,实例：计算A类不确定度,CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南3.3.1A类不确定度分量的评估：对观测列进行统计分析所作的评估本例中，UUT的测量值是唯一需要考虑的A类不确定度。,实例：采用学生t分布补偿有限测量数据,自由度=n-1=4安全因子T=*2.87=1.435,CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南3.3.1c)当测量次数不够多时，应采用基于学生t分布确定的包含因子。即用安全因子T对标准差进行修正。,实例：uB1-标准的不确定度，5522A,150*0.000001*1V+60V=0.00021V相对输出值1V，不确定度为0.021%99%置信度,校准时5522A输出1V50Hz,实例：uB1-标准的不确定度，52120A,0.015*0.01*100A+0.02*0.01*120A=0.039A相对输出值100A，不确定度为0.039%99%置信度,校准时52120A输出100A50Hz,补偿关闭,实例：uB1-标准的不确定度，52120A/3kA,0.7*0.01*2500A+0.7*0.01*120A=18.34A相对输出值2500A，不确定度为0.734%99%置信度,校准时52120A/3kA输出2500A50Hz,实例：uB1-标准的不确定度,CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南3.3.2.1若资料（如校准证书）给出了xi的扩展不确定度U（xi）和包含因子k，则可获得其一个置信度指标,uB1=5522A电压源2+52120A电流源2+52120A/3kA线圈2,uB1=0.021%2+0.039%2+0.734%2=0.735%,uB1=0.735*0.01*2500A=18.375A99%置信度uB1=18.375/2.576=7.1A1置信度,实例：TUR测试不确定度比率,Fluke381+i2500指标准确度为3%读数5个字量程999.9A/2500A频率45Hz500Hz)，在2500A50Hz校准点最大允许误差=(3%*2500+5)A=80A合格上限2580A合格下限2420ATUR=8018.375=4.35:13:1因此，5522A+52120A+52120A/3kA组成的校准装置符合校准的要求,实例：uB2-UUT分辨力的限制,CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南3.3.2.2若由资料查得或判断xi的可能值分布区间半宽度为a(通常为允许误差限的绝对值)，则：u=a/k由于UUT分辨力引起的测量误差为1/2LSD分辨力，此时UUT的分辨力LSD为1A。,此时k与xi在此区间内的概率分布有关,实例：计算合成不确定度,B类不确定度也必须考虑其他不确定度：线圈形状、钳表放置位置、环境温度等影响。在此例中，这些因素对测量结果的影响可以忽略,A类不确定度,合成不确定度：,结果为一个置信度指标,CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南3.5.1合成标准不确定度uc(y)的计算公式:,实例：计算扩