钳形表的校准及测量不确定度分析.

1、 12013 Fluke Calibration钳形表的校准钳形表的校准及测量不确定度分析及测量不确定度分析杨杨胜利胜利高级技术支持工程师高级技术支持工程师美国福禄克公司美国福禄克公司计量校准部计量校准010-5735138313910526912,010- 22013 Fluke Calibration讲座内容讲座内容钳形表特点钳形表特点钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能测量不确定度分析钳形表电流功能测量不确定度分析 32013 Fluke Calibration钳钳形形电流表，简称钳形表电流表，简称钳形表是是一种不需断开电流回路即可测一

2、种不需断开电流回路即可测量电流的测试仪器量电流的测试仪器一般多用于测量大电流，或使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用在具有一定测量风险的场合使用，尤其是电气使用，尤其是电气检修检修作业。作业。准确度一般不高，准确度一般不高，2%2%左右左右显示模式：显示模式：指针式和数字式指针式和数字式测量模式：测量模式：互感器式，交流电流互感器式，交流电流霍尔效应式，交直流电流霍尔效应式，交直流电流柔性电流柔性电流钳钳式，交流电流式，交流电流钳形表特点钳形表特点 42013 Fluke Calibration钳形表的工作原理钳形表的工作原理-互感器式互感器式采采用用电磁感应原理电磁感应原

3、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。只能测量交流电流。 52013 Fluke Calibration霍尔效应霍尔效应: :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。霍尔霍尔电流传感器，也叫霍尔元件电流传感器，也叫霍尔元件，依据，依据霍尔效应制作而成霍尔效应制作而成。霍尔电流传感器既可测直流电流霍尔电流传感器既可测

4、直流电流，也可测量交流电流。，也可测量交流电流。钳钳形形表应用霍尔电流传感器实现表应用霍尔电流传感器实现非接触交非接触交直流电流的直流电流的测量。测量。钳形表的工作原理钳形表的工作原理-霍尔效应霍尔效应式式 62013 Fluke Calibration直放直放式式(开开环环)霍尔电流传感器霍尔电流传感器 （CS系列）系列）原理原理： ：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。优优点点： ：电路形式简单、成本相对较低。缺点缺点： ：精度、线性度较差；响应时间较慢；温度漂移较大。 72013 Fluke Calibra

5、tion磁平磁平衡式衡式(闭环闭环)霍尔电流传感器霍尔电流传感器 （CSM系列）系列）NIp= nIs原理原理： 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。 82013 Fluke Calibration用霍尔效应用霍尔效应式电流钳测量交式电流钳测量交直流电流直流电流 92013 Fluke

6、CalibrationiFlex柔性电流钳柔性电流钳均匀均匀缠绕在非铁磁性材料上的环型电流互感器。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。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有相位误差的特点特点 102013 Fluke Calibration用用iFlex柔性电流钳测量交流电流柔性电流钳测量交流电流 112013 Fluke Calibration不不拆线拆线测量测量环路环路电流电流020 020 mAmA多用于检查工业生产现场变送器多用于检查工业生产现场变送器输出输

7、出可分离钳头，可分离钳头， 方便方便快捷快捷。直流直流毫安钳毫安钳形形表表 122013 Fluke Calibration现代现代钳钳表还具有多种测量功能表还具有多种测量功能交直流电压交直流电压mVmV直流电压直流电压频率频率电阻电阻通断通断电容电容浪涌电流浪涌电流 INRUSHINRUSH有些钳形表还具有提供有些钳形表还具有提供24V24V环环路电源及环路电流输出功能，路电源及环路电流输出功能，方便现场测量。方便现场测量。钳形表的钳形表的其他其他功能功能 132013 Fluke Calibration 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

8、钳形表其他类型的钳形表 142013 Fluke Calibration有奖问答有奖问答1问题问题： ：根据工作原理，根据工作原理，钳钳形表可以划分形表可以划分为为哪两大哪两大类类？ 152013 Fluke Calibration讲座内容讲座内容钳形表特点钳形表特点钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能测量不确定度分析钳形表电流功能测量不确定度分析 162013 Fluke Calibration 校准难点校准难点 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。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。 高高准确度的电流源一般都在几十安

9、培左右，无法覆盖钳形表测量范围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如何校准钳形电流表？ 172013 Fluke Calibration 因此，钳形表校准一般采用因此，钳形表校准一般采用等安匝法等安匝法校准校准 校准校准器输出标准交直流电流，器输出标准交直流电流， 校准校准器输出连接到校准线圈输入，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，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， 钳形钳形表检测到的是表检测到的是等效安匝电流等效安匝电流 = 标准器电流标准器电流 * 线圈匝数线圈匝数，因

10、此可实，因此可实现大电流的校准现大电流的校准。钳形电流表的校准钳形电流表的校准方法方法 校准限制校准限制 线圈匝数不能随意扩充，线圈匝数不能随意扩充，匝数增加，电感呈平方倍匝数增加，电感呈平方倍快速增加，校准源带电感快速增加，校准源带电感的驱动能力有限。的驱动能力有限。 182013 Fluke Calibration直流直流mA钳钳形形表的校准解决方案表的校准解决方案所需标准器所需标准器校准器校准器 Fluke 5522A/5502A/5520A/5502A/5080A校准线圈校准线圈 55xxA电电流流端短路端短路线线充当充当单单匝匝线线圈圈 192013 Fluke Calibratio

11、n所需标准器所需标准器校准器校准器 Fluke 5522A/5502A/5520A/5502A/5080A校准线圈校准线圈 Fluke 5500A/COIL 50匝 或 Fluke 9100-200 10匝/50匝1000A以下钳表校准解决方案以下钳表校准解决方案 202013 Fluke Calibration 直流电流，直流电流，020.5A ， 0.01% 交流电流，交流电流，29A20.5A，10Hz30kHz，0.04% 直流电压，直流电压， 01000V ， 0.0011% 交流电压，交流电压，1000V，0.01Hz500kHz，0.012% 电阻电阻01.1 G，0.0028%

12、 电容电容330pF110mF ，0.25% 具有电感补偿能力，能驱动较大电感负载。具有电感补偿能力，能驱动较大电感负载。 在早期型号在早期型号5520A、5500A基础上改进基础上改进 Fluke 5522A/5502A/5080AFluke 5522A/5502A/5080A特点特点 212013 Fluke Calibration 支持支持Fluke 55xxA校准器校准器 50匝线圈匝线圈 最大电流输入最大电流输入20.5A，最大，最大1025A等效安匝等效安匝Fluke Fluke 5500A/COIL5500A/COIL特点特点互感器式互感器式霍霍尔尔效效应应式式校准校准器器输输出

13、出等效安匝等效安匝电电流流 222013 Fluke Calibration支持支持Fluke 9100Fluke 9100及及55xxA55xxA校准校准器。器。1010匝匝，口径小，口径小，最大电流输入最大电流输入20A，最大最大200A等效等效安匝。安匝。5050匝，匝，最大电流输入最大电流输入20A，最大最大1000A等效等效安匝。安匝。DCDC, , 0.2%0.2%输出输出。ACAC，10-500Hz10-500Hz，0.2%0.2%输出。输出。Fluke Fluke 9100-2009100-200特点特点 232013 Fluke Calibration所需标准器所需标准器校准

14、器校准器 Fluke 52120A + 5522A/5502A/5520A/5500A/5080A 或 Fluke 52120A + 5730A校准线圈校准线圈 Fluke 52120A/3kA Fluke 52120A/6kA1000A以以上上钳表校准解决方案钳表校准解决方案 242013 Fluke Calibration输入激励信号：输入激励信号：200mA/120mA200mA/120mA 或或2V/1.2V2V/1.2V，直流至，直流至 10 kHz10 kHz输出电流范围大：输出电流范围大：2A/20A/120A 2A/20A/120A 三个量程三个量程AC 120AAC 120A

15、，DC100ADC100A可多台并联，提供更大电流可多台并联，提供更大电流频带宽：频带宽：DCDC到到10kHz10kHz准确度高：准确度高：闭环模式：闭环模式： 0.014% 0.014% ACAC（120A120A）；）； 0.016% DC0.016% DC （100A100A）开环模式：开环模式： 0.039% AC0.039% AC（120A120A），），0.016% 0.016% DCDC （100A100A）带载能力强带载能力强4.5 V 4.5 V 有效值或有效值或 6.4 V 6.4 V 峰值顺从电压峰值顺从电压驱动驱动 1 1 mHmH 电感负载电感负载电流输出可浮地：电

16、流输出可浮地：850V850V峰值峰值 或或600V600V有效值有效值Fluke 52120A特点特点 252013 Fluke CalibrationFluke 52120A/3kA/6kAFluke 52120A/3kA/6kA特点特点5212052120A/6kA A/6kA 50 50 匝线圈匝线圈 把把 52120A 52120A 的的 120A 120A 输出提升到输出提升到 6000A6000A校准大电流螺旋线圈钳形表校准大电流螺旋线圈钳形表，包括包括 i2500-10 i2500-10 或或 i2500-18 i2500-18 iFlexiFlex 柔性电流柔性电流钳钳 I6

17、000S I6000S FLEX-24 FLEX-24 或或 -36 -36 交流电流交流电流钳钳52120A/3kA 52120A/3kA 25 25 匝线圈匝线圈把把 52120A 52120A 的的 120A 120A 输出提升到输出提升到 3000A3000A校准大电流钳形表校准大电流钳形表，包括包括Fluke-376 Fluke-376 或或 381 381 真有效值交直流钳形表真有效值交直流钳形表Fluke 345 Fluke 345 钳形电能质量分析仪钳形电能质量分析仪 262013 Fluke Calibration最准确的多功能电学校准器最准确的多功能电学校准器支持支持572

18、5A5725A放大器，电流最大放大器，电流最大11A11A闭环连接闭环连接52120A52120A放大器：放大器：直流电流最大直流电流最大100A100A，准确度，准确度0.01%0.01%交流电流最大交流电流最大120A120A，准确度，准确度0.014%0.014%Fluke 5730AFluke 5730A特点特点功能功能量程量程最最优优 年指年指标标, 95% 置信度置信度DCV220mV 至 1100 V3.5 ppm+2.5uVACV220 mV 至 1100 V, 10 Hz 至 1 MHz42 ppm+8uVDCI0 至 2.2 A (11 A 配 5725A, 100 A 配

19、52120A)35 ppm+7nAACI9 A 至 2.2 A (11 A 至5725A,120 A 至 52120A), 10 Hz 至 10 kHz103 ppm+8nA电电阻阻0 至 100 M, x1 和 x1.9 共18个十进步进值6.5 ppm宽带选宽带选件件300 V 至 3.5 V, 10 Hz 至 30 MHz0.4% 设置值 272013 Fluke Calibration根据根据被测仪器的准确度确定需要的校准被测仪器的准确度确定需要的校准器。器。根据被测仪器的量程覆盖要求确定校准测试根据被测仪器的量程覆盖要求确定校准测试点。点。根据被测仪器的准确度确定测试点的上下根据被测

20、仪器的准确度确定测试点的上下限值。限值。根据国内规程要求，被根据国内规程要求，被测仪器和校准标准的测量不确定度测仪器和校准标准的测量不确定度比率比率TURTUR要要大于大于 3:13:1，国外要求是，国外要求是4:14:1。一一步步完成各点的测试，记录测量步步完成各点的测试，记录测量结果。结果。计算测量不确定度。计算测量不确定度。打印校准打印校准证书。证书。钳形电流表校准的钳形电流表校准的主要主要步骤步骤 282013 Fluke Calibration使用校准线圈，电感大，校准器要打开电感使用校准线圈，电感大，校准器要打开电感补偿补偿。直流直流电流有正负，注意钳口方向和接线电流有正负，注意钳

21、口方向和接线极性。极性。线圈汇聚导线要居于钳口中心，与磁力线垂直。线圈汇聚导线要居于钳口中心，与磁力线垂直。钳型表钳型表校准校准注意注意事项事项最佳位置的距离i2500-10i2500-18附加误差A0.5 in (12.7 mm) 1.4 in (35.6 mm) 0.5 % B0.8 in (20.3 mm) 2.0 in (50.8 mm) 1.0 % C1.4 in (35.6 mm)2.5 in (63.5 mm) 2.0 % 位置灵敏度技术参数位置灵敏度技术参数: 292013 Fluke Calibration有奖问答有奖问答2问题问题： ：钳钳形形表校准基于什么方法？表校准基于

22、什么方法？ 302013 Fluke Calibration讲座内容讲座内容钳形表特点钳形表特点钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能的校准方法钳形表电流功能测量不确定度分析钳形表电流功能测量不确定度分析 312013 Fluke Calibration2011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 :2.1 ISO/IEC 指南 98-3测量不确定度表示指南 2.2 ISO/IEC 指南 99国际通用计量学术语 2.3 ISO/IEC 17025检测和校准实验室能力的通用要求 2.4 JJF1059测量不确定度评定和表示不确定度评定的基本

23、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：中国：CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南测量不确定度要求的实施指南 322013 Fluke Calibration被检表被检表钳形表钳形表381+i2500381+i2500柔性钳柔性钳测试点：测试点：2500A 50Hz2500A 50Hz量程：量程： 2500A2500A指标：指标： 3%3%读数读数 5 5个字个字分辨力：分辨力： 1

24、A1A标准器标准器校准器校准器 5522A： 1V50Hz 52120A: 100A50Hz校准校准线圈线圈 52120A/3kA： 2500A50HzFluke 381+i2500Fluke 381+i2500校准实例校准实例次数次数测量值测量值1251022512325114251252510 332013 Fluke CalibrationA A类不确定度类不确定度被检表测量结果的重复性误差被检表测量结果的重复性误差B B类不确定度类不确定度标准器的不确定度标准器的不确定度标准器标准器5522A5522A的电压不确定度的电压不确定度52120A52120A电流放大器电流输出不确定度电流放

25、大器电流输出不确定度52120A/3kA52120A/3kA线圈引入的不确定度：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测量不确定度是各项分量的综合被检表分辨力的被检表分辨力的不确定度不确定度线圈形状、钳表放置位置、环境温度等影响，可以忽略不计。钳型表校准钳型表校准不确定度分析不确定度分析 342013 Fluke Calibration实例：计算实例：计算A A类不确定度类不确定度CNAS-GL05:2011CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南测量不确定度要求的实施指南3.3.1 A3.3.1

26、 A类不确定度分量的评估：对观测列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进行统计分析所作的评估本例中，本例中，UUTUUT的测量值是唯一需要考虑的的测量值是唯一需要考虑的A A类不确定度。类不确定度。AxxNsNiix6.115)2()1(10)2()(112222212)(AxNxNii125145)25122513251525142516(1AAnsUxA7.056.1)(次数次数测量值测量值1251622514325154251352512 352013 Fluke Calibration实例：采用学生实例：采用学生t分布补偿有限测量数据分布补偿有限测量数据Fraction

27、 p in percentDegrees offreedom 68.27909595.459999.7311.846.3112.7113.9763.66235.821.322.924.34.539.9219.2131.22.353.183.315.849.2241.142.132.782.874.66.6251.112.022.572.654.035.5161.091.942.452.523.714.971.081.892.362.433.54.5381.071.862.312.373.364.2891.061.832.262.323.254.09101.051.812.232.283.173

28、.96201.031.722.092.132.853.42501.011.682.012.052.683.161001.0051.661.9842.0252.6263.07711.6451.9622.5763自由度=n-1=4 安全因子T = * 2.87=1.435AAnsTUxA0.17.0435.1*)(1CNAS-GL05:2011CNAS-GL05:2011测量不确定度要求测量不确定度要求的实施指南的实施指南3.3.1 c)3.3.1 c)当测量次数当测量次数不够多时，应采用不够多时，应采用基于基于学生学生t t分布确定的包含分布确定的包含因子。即用安全因子因子。即用安全因子T T对

29、标准差进行修正。对标准差进行修正。 362013 Fluke Calibration实例：实例：u uB1B1- - 标准的不确定度，标准的不确定度，5522A5522A150*0.000001*1V + 60V = 0.00021V相相对输对输出出值值1V， ，不确定度不确定度为为0.021% 99%置信置信度度 校准时5522A输出 1V50Hz 372013 Fluke Calibration实例：实例：u uB1B1- - 标准的不确定度，标准的不确定度，52120A52120A0.015*0.01*100A + 0.02*0.01*120A = 0.039A相相对输对输出出值值100

30、A，不确定度，不确定度为为0.039% 99%置信置信度度 校准时52120A输出100A50Hz,补偿关闭 382013 Fluke Calibration实例：实例：u uB1B1- - 标准的不确定度，标准的不确定度，52120A/3kA52120A/3kA0.7*0.01*2500A + 0.7*0.01*120A = 18.34A相相对输对输出出值值2500A，不确定度，不确定度为为0.734% 99%置信置信度度 校准时52120A/3kA输出2500A50Hz 392013 Fluke Calibration实例：实例：u uB1B1- - 标准的标准的不确定度不确定度CNAS-

31、GL05:2011CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南测量不确定度要求的实施指南3.3.2.1 3.3.2.1 若资料（如校准证书）给出了若资料（如校准证书）给出了xixi的扩展的扩展不确定度不确定度U U（xixi）和包含因子）和包含因子k k，则可获得其一，则可获得其一个个 置信度置信度指标指标置信度 k68.27%190%1.64595%1.9695.45%299%2.57699.73%3uB1=0.735*0.01*2500A=18.375A 99%置信置信度度uB1=18.375/2.576=7.1A 1 置信度置信度 402013 Fluke Calibratio

32、n实例实例：TUR TUR 测试不确定度比率测试不确定度比率 412013 Fluke Calibration实例：实例：u uB2B2 - - UUTUUT分辨力的分辨力的限制限制0.29A3213LSD21 kau2B2概率分布K两点1均匀反正弦三角梯形326216CNAS-GL05:2011CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南测量不确定度要求的实施指南3.3.2.2 3.3.2.2 若由资料查得或判断若由资料查得或判断xixi的可能值分布区间半宽的可能值分布区间半宽度为度为a(a(通常为允许误差限的绝对值通常为允许误差限的绝对值) )，则，则：u=a/ku=a/k由于由于UUTUUT分辨力引起分辨力引起的测量误差为的测量误差为 1/2 LSD1/2 LSD分分辨力，此时辨力，此时UUTUUT的分辨力的分辨力LSDLSD为为1A1A。此此时时k与与xi在此区在此区间间内内的概率分布有关的概率分布有关 422013 Fluke Calibration实例：计算合成不确定度实例：计算合成不确定度 B B类类不确定度不确定度 也必须考虑其他不确定度：也必须考虑其他不