钳形表的校准及测量不确定度分析

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,2013 Fluke Calibration,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部,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,U,H,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）,N,Ip=n,Is,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,用,iFlex,柔性电流钳测量交流电流,不拆线测量环路电流,020 mA,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,Fluke 5522A/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,Fluke 5522A/5502A/5520A/5502A/5080A,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,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,01.1 G,，,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,Fluke 5522A/5502A/5080A,特点,支持,Fluke 55xxA,校准器,50,匝线圈,最大电流输入,20.5A,，最大,1025A,等效安匝,Fluke 5500A/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,Fluke 9100,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。,Fluke 9100-200,特点,所需标准器,校准器,Fluke 52120A +5522A/5502A/5520A/5500A/5080A,或,Fluke 52120A+5730A,校准线圈,Fluke 52120A/3kA,Fluke 52120A/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,10 kHz,输出电流范围大：,2A/20A/120A,三个量程,AC 120A,，,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,4.5 V,有效值或,6.4 V,峰值顺从电压,驱动,1 mH,电感负载,电流输出可浮地：,850V,峰值 或,600V,有效值,Fluke 52120A,特点,Fluke 52120A/3kA/6kA,特点,52120,A/6kA 50,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,i2500-18 iFlex,柔性电流钳,I6000S FLEX-24,或,-36,交流电流钳,52120A/3kA,25,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,Fluke 345,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%,Fluke 5730A,特点,功能,量程,最优,年指标,95%,置信度,DC,V,220,mV,至,1100 V,3.5,ppm+2.5uV,AC,V,220 mV,至,1100 V,10 Hz,至,1 MHz,42,ppm+8uV,DC,I,0,至,2.2 A(11 A,配,5725A,100 A,配,52120A),35,ppm+7nA,AC,I,9 A,至,2.2 A(11 A,至,5725A,120 A,至,52120A),10 Hz,至,10 kHz,103,ppm+8nA,电阻,0,至,100 M,x1,和,x1.9,共,18,个十进步进值,6.5,ppm,宽带选件,300 V,至,3.5 V,10 Hz,至,30 MHz,0.4%,设置值,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,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,最佳位置的距离,i2500-10,i2500-18,附加误差,A,0.5 in(12.7 mm),1.4 in(35.6 mm),0.5%,B,0.8 in(20.3 mm),2.0 in(50.8 mm),1.0%,C,1.4 in(35.6 mm),2.5 in(63.5 mm),2.0%,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,:,2.1 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,x,i,不是由重复观测得到时，其标准偏差可用对,x,i,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：,2500A 50Hz,量程：,2500A,指标：,3%,读数,5,个字,分辨力：,1A,标准器,校准器,5522A,：,1V50Hz,52120A:,100A50Hz,校准线圈,52120A/3kA,：,2500A50Hz,Fluke 381+i2500,校准实例,次数,测量值,1,2510,2,2512,3,2511,4,2512,5,2510,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,3.3.1 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,本例中，,UUT,的测量值是唯一需要考虑的,A,类不确定度。,次数,测量值,1,2516,2,2514,3,2515,4,2513,5,2512,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,3.3.1 c),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：,u,B1,-,标准的不确定度，,5522A,150,*,0.000001*,1V,+60V =0.00021V,相对输出值,1V,，不确定