基于磁感应原理的自积分式冲击电流测量系统校准
发布时间：2020-02-18 06:05
【摘要】：研制的基于磁感应原理的自积分式冲击电流测量系统可以用于在变电站或高压试验室内测量雷电或操作冲击电流,针对冲击电流幅值高、频谱宽的特点,需要对测量系统频率响应特性和刻度因数进行严格的校准。为此分析了测量系统的测量原理,提出了基于阶跃响应的校准方法,自行设计搭建了校准试验平台,分析了A类和B类测量不确定度,完成了测量系统的校准。校准结果为:测量系统低频截止频率最佳估计值为0.952 Hz,扩展不确定度为0.025 Hz,有效自由度为9;高频截止频率最佳估计值为14.09 MHz,扩展不确定度为0.17 MHz,有效自由度为10;刻度因数最佳估计值为10.1 m V/A,扩展不确定度为0.18 m V/A,有效自由度为36。可见,该测量系统可以满足冲击电流测量要求。
【图文】：
鞯缌鞑饬康牧己醚≡?[11-13]。本文针对研制的基于磁感应原理的自积分式冲击电流测量系统，首先分析测量系统的测量原理；然后提出适合的校准方法，分别校准测量系统的高频截止频率、低频截止频率和刻度因数；最后搭建校准试验平台，分析测量的A类和B类不确定度，完成对测量系统的校准。1测量原理研制的冲击电流测量系统的构成包括电流传感器、采集记录单元、信号传输单元和抗电磁干扰装置等部分，其中电流传感器为基于磁感应原理的自积分式罗氏线圈，主要由磁芯、二次线圈、终端电阻和屏蔽外壳4个部分组成。图1为系统的测量原理示意图，r为电流传感器的终端电阻；0R为采集记录单元的输入电阻；U为采集记录单元的测量电压；pi为待测电流，即一次回路电流；si为pi产生的磁场H在二次线圈中的感应电流；l为线圈中磁场的积分路径长度。测量系统满足sspdi/dt+iR/L=(1/n)di/dt(1)式中：00R=rR/(r+R)；n为二次线圈缠绕铁芯匝数；L为二次线圈电感。由式(1)可见，对于有铁芯的线圈，R/L数值很小，在待测电流pi频率较高时，siR/L可忽略，那么si和pi即为线性关系，系数为1/n，所以被称为自积分式。如果把siR/L当作误差项，那么待测电流pi频率越低，误差项的比重越大，因此测量系统存在1个低频截止频率；当频率非常高时，二次线圈内部的杂散电容等因素不能忽略，测量系统也存在1个高频截止频率。对式(1)进行拉普拉斯变换，可得spi(s)=(s/n)(i(s)/(s+a))(2)式中：a=R/L；si(s)、pi(s)分别为si(t)、pi(t)的拉普拉斯变换。因此测量系统输出的电压信号为p()()RsUsisnsa=+(3)测量系统中的电阻r=50，以实现与传输电缆的阻抗匹?
应的上升时间来计算测量系统的高频截止频率[15-16]。设输入信号为理想阶跃信号，上升时间为0。当输出是参数为α的指数增长阶跃时，输出信号为0,0()1e,0,0ttettαα<=≥>(6)其10%～90%上升时间为r1t=ln9/α，测量系统的频率响应特性为H(jω)=F(e′(t))=α/(α+jω)(7)式中：e(t)′为e(t)的导数；F(i)为Fourier变换函数。测量系统的3dB高频截止频率为high-cutoffr1r1f=α/2π=ln9/2πt≈0.35/t(8)3测量系统校准3.1低频截止频率校准测量系统的低频截止频率校准如图2所示，校准系统由方波信号源、无感精密电阻和示波器等组成。方波信号源采用泰克任意函数发生器AFG3251，示波器采用横河示波器DLM2054，，无感精密电阻采用DLM2054的50输入电阻。由方波信号源、示波器的50输入电阻形成一次回路得到待测电流pi。试验布置如下：方波信号源由同轴电缆引出，经分流设备将电缆芯线和屏蔽层分开，屏蔽层与金属框架连接，芯线经过电流传感器并密绕数匝，然后芯线与屏蔽层再经同轴电缆连接至示波器，示波器的输入阻抗设为50，通过测量该输入阻抗的电压U1波形来获得输入电流波形。通过测量系统输出电压U2波形的衰减速度来获得测量系统的时间常数，从而计算其低频截止频率。图3为输入信号源的波形和测量系统输出电压的波形，其中测量系统输出电压为折算到传感器只缠绕1匝时的电压。可见，当输入信号源为0.5Hz方波时，测量系统输出电压的波前时间具有很大的过冲，而后是0.6s左右的稳定输出，最后是指数衰减，在1s时间内衰减至0；而当输入信号源为1Hz方波时，测量系统输出电压的波前过冲很小，而后的0.5s时间内输出稳定。2种情况过冲的不同可由式(1)来解释，在输入方波?
本文编号：2580638
【图文】：
鞯缌鞑饬康牧己醚≡?[11-13]。本文针对研制的基于磁感应原理的自积分式冲击电流测量系统，首先分析测量系统的测量原理；然后提出适合的校准方法，分别校准测量系统的高频截止频率、低频截止频率和刻度因数；最后搭建校准试验平台，分析测量的A类和B类不确定度，完成对测量系统的校准。1测量原理研制的冲击电流测量系统的构成包括电流传感器、采集记录单元、信号传输单元和抗电磁干扰装置等部分，其中电流传感器为基于磁感应原理的自积分式罗氏线圈，主要由磁芯、二次线圈、终端电阻和屏蔽外壳4个部分组成。图1为系统的测量原理示意图，r为电流传感器的终端电阻；0R为采集记录单元的输入电阻；U为采集记录单元的测量电压；pi为待测电流，即一次回路电流；si为pi产生的磁场H在二次线圈中的感应电流；l为线圈中磁场的积分路径长度。测量系统满足sspdi/dt+iR/L=(1/n)di/dt(1)式中：00R=rR/(r+R)；n为二次线圈缠绕铁芯匝数；L为二次线圈电感。由式(1)可见，对于有铁芯的线圈，R/L数值很小，在待测电流pi频率较高时，siR/L可忽略，那么si和pi即为线性关系，系数为1/n，所以被称为自积分式。如果把siR/L当作误差项，那么待测电流pi频率越低，误差项的比重越大，因此测量系统存在1个低频截止频率；当频率非常高时，二次线圈内部的杂散电容等因素不能忽略，测量系统也存在1个高频截止频率。对式(1)进行拉普拉斯变换，可得spi(s)=(s/n)(i(s)/(s+a))(2)式中：a=R/L；si(s)、pi(s)分别为si(t)、pi(t)的拉普拉斯变换。因此测量系统输出的电压信号为p()()RsUsisnsa=+(3)测量系统中的电阻r=50，以实现与传输电缆的阻抗匹?
应的上升时间来计算测量系统的高频截止频率[15-16]。设输入信号为理想阶跃信号，上升时间为0。当输出是参数为α的指数增长阶跃时，输出信号为0,0()1e,0,0ttettαα<=≥>(6)其10%～90%上升时间为r1t=ln9/α，测量系统的频率响应特性为H(jω)=F(e′(t))=α/(α+jω)(7)式中：e(t)′为e(t)的导数；F(i)为Fourier变换函数。测量系统的3dB高频截止频率为high-cutoffr1r1f=α/2π=ln9/2πt≈0.35/t(8)3测量系统校准3.1低频截止频率校准测量系统的低频截止频率校准如图2所示，校准系统由方波信号源、无感精密电阻和示波器等组成。方波信号源采用泰克任意函数发生器AFG3251，示波器采用横河示波器DLM2054，，无感精密电阻采用DLM2054的50输入电阻。由方波信号源、示波器的50输入电阻形成一次回路得到待测电流pi。试验布置如下：方波信号源由同轴电缆引出，经分流设备将电缆芯线和屏蔽层分开，屏蔽层与金属框架连接，芯线经过电流传感器并密绕数匝，然后芯线与屏蔽层再经同轴电缆连接至示波器，示波器的输入阻抗设为50，通过测量该输入阻抗的电压U1波形来获得输入电流波形。通过测量系统输出电压U2波形的衰减速度来获得测量系统的时间常数，从而计算其低频截止频率。图3为输入信号源的波形和测量系统输出电压的波形，其中测量系统输出电压为折算到传感器只缠绕1匝时的电压。可见，当输入信号源为0.5Hz方波时，测量系统输出电压的波前时间具有很大的过冲，而后是0.6s左右的稳定输出，最后是指数衰减，在1s时间内衰减至0；而当输入信号源为1Hz方波时，测量系统输出电压的波前过冲很小，而后的0.5s时间内输出稳定。2种情况过冲的不同可由式(1)来解释，在输入方波?
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