大電流測量系統(tǒng)的設(shè)計范文

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《計測技術(shù)雜志》2015年第二期

1盤式分流器的設(shè)計

1.1盤式分流器的原理設(shè)定電阻材料的導(dǎo)磁率為μ，電阻率為ρ。電流從圓盤的中心到達(dá)分流器時開始穿過電阻膜，對稱地由中心向四周流動，電流密度均勻。這一過程與電磁波沿傳輸線傳播類似。電感分析圖見圖1。

1.2盤式分流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計盤式分流器一般為薄膜金屬圓盤(環(huán)狀圓盤)，內(nèi)外邊緣可作為電流的輸入端(例如，內(nèi)外邊緣分別連接同軸電纜末端的內(nèi)外導(dǎo)體)，同時也作為測量端。電流在薄的電阻盤中徑向均勻流動，測量信號受雜散電感影響很小，適用于測量快速變化的電流。盤式分流器也可由大量小阻值電阻并聯(lián)組成，電阻的一端在圓心相連，另一端連接成圓盤的外環(huán)。本文采用全金屬材料、并聯(lián)寬頻大功率小電阻設(shè)計了一種盤式分流器。盤式分流器主要包括依次連接的上面板、紫銅圓盤、電阻和下面板。上面板輸入端的丁頭正端與紫銅圓盤中心孔通過電路焊接連接;紫銅圓盤邊緣與12個電阻電路焊接連接，電阻另一端焊接到下面板邊緣;紫銅圓盤中心孔與下面板的輸出端N型頭的正端電路焊接連接。盤式分流器結(jié)構(gòu)效果圖如圖2所示。上面板結(jié)構(gòu)如圖3所示。上面板由兩部分組成，兩部分之間為機械螺絲連接，方便組裝。上面板整體為長方體，中心凹進(jìn)為圓柱體。上面板正面連接同軸丁頭，丁頭的負(fù)端與上面板整體導(dǎo)通。上面板圓柱體邊緣留有等分的12個凹進(jìn)去的長方體，為電阻焊接留下足夠的空間。紫銅圓盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。紫銅圓盤的中心孔與上面板丁頭的正端、下面板N型頭的正端通過銅線電路焊接在一起。紫銅圓盤的邊緣有等分的12個圓孔用來固定和電路焊接的12個電阻。紫銅圓盤上還有2個固定通孔，用絕緣螺絲固定在下面板上。電阻的組裝方式如圖4所示。先在紫銅圓盤和下面板的12個圓孔上螺絲固定紫銅片，再將電阻一邊焊接在紫銅圓盤的固定紫銅片上，另一邊焊接在下面板的固定紫銅片上。下面板結(jié)構(gòu)如圖5所示。下面板正面連接同軸N型頭，N型頭的負(fù)端與下面板整體導(dǎo)通，N型頭正端與紫銅圓盤中心孔相連。盤式分流器實物圖見圖6。其中大電流由前面板的丁頭輸入，經(jīng)過丁頭正端流到紫銅圓盤，經(jīng)過12路電阻到下面板，下面板與上面板是相通的，電流回到上面板，即丁頭負(fù)端，形成回路。下面板的N型頭正端從紫銅圓盤電阻端、負(fù)端從下面板采取電壓信號。此盤式分流器即可實現(xiàn)將大電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行測量。

1.3盤式分流器特點電阻為VISHAY公司的CSM系列電阻，阻值為0.12Ω，可通過最大電流為10A或者功率為20W。此盤式分流器具有以下優(yōu)點:1)電阻排列及接口設(shè)計均用同軸結(jié)構(gòu)，對稱性好，外部采用金屬圓桶，能減少分布參數(shù)影響，屏蔽雜散磁場，趨膚效應(yīng)好。信號經(jīng)同軸接口輸出，失真度小;2)各部件由紫銅制成，表面鍍銀，導(dǎo)電性好，整體結(jié)構(gòu)都為金屬材料，散熱性好，能長時間測量而不影響測量精度;3)采用大功率、頻帶寬的穩(wěn)定電阻，長時間通過電流不會因過度發(fā)熱而導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變并影響測量數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)采集卡測試系統(tǒng)中的電壓頻率最高達(dá)到10kHz，其波形持續(xù)時間短，很難精確測量。為此我們選定美國Dy-namicSystem公司型號為CS1622的高速數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速率達(dá)到200MS/s，帶寬125MHz，分辨力為16位。高速數(shù)據(jù)采集卡采用SMA接口，由同軸屏蔽線接到阻抗匹配連接器電壓端N型接口，減小了高頻信號傳輸?shù)膿p耗和電磁干擾。測量程序采用多次測量取平均值，同時清除噪聲干擾，保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2系統(tǒng)組建和測量結(jié)果分析

盤式分流器的直流阻值按照直流標(biāo)準(zhǔn)電阻采用直流電流比較儀式電橋校準(zhǔn)。其交流電阻采用比較法測量，即標(biāo)準(zhǔn)交流電流源輸出穩(wěn)定電流依次通過盤式分流器和標(biāo)準(zhǔn)分流器A40B，測量兩個分流器上電壓，因相同電流可由分流器A40B阻值計算得到盤式分流器交流阻值。盤式分流器經(jīng)計量校準(zhǔn)不同頻率點阻值如表1所示。其中不同頻率下盤式分流器的阻值相對變化最大為1.5×10－4，可以看出盤式分流器頻帶很寬，符合大電流的校準(zhǔn)要求。測試系統(tǒng)由超級大電流源52120A/脈沖電流源LDI-928-25輸出大電流，經(jīng)過盤式分流器由數(shù)據(jù)采集卡測得電壓，計算得到電流值。系統(tǒng)連接圖見圖7。數(shù)據(jù)采集卡CS1622有軟件GagaScope，可以設(shè)置采樣速率、耦合方式等，直接測量有效值、幅值、上升時間、周期等量值，見圖8。實驗中超級大電流源52120A輸出100A，10kHz電流，經(jīng)過分流器轉(zhuǎn)化為電壓，在數(shù)據(jù)采集卡軟件中顯示的波形如圖9所示。經(jīng)過計算交流電流的數(shù)據(jù)如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差為sn(x－)=7.4×10－5A。交流電流測量不確定度主要有盤式分流器引入的分量、數(shù)據(jù)采集卡引入的分量、電流源不穩(wěn)定引入的分量等組成，計算100A，10kHz交流電流測量不確定度為1×10－3。

3結(jié)論

設(shè)計了一種寬頻大電流盤式分流器，建立了大電流測試系統(tǒng)，可對100A，10kHz電流的有效值、幅值、周期、上升時間等參數(shù)進(jìn)行精確測量。盤式分流器采用同軸結(jié)構(gòu)，屏蔽了外部干擾，趨膚效應(yīng)小;紫銅金屬材料散熱性能好，適合大電流測量;選用寬頻大功率電阻溫度漂移小，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡測量各種參數(shù)，測量準(zhǔn)確度高，便于大電流測試。

作者：張建永賈云濤胡耀元岳偉張勝強單位：北京無線電計量測試研究所