FLUKE钳形电流表校准方法

日期:2017-10-10

       钳形电流表,具有非接触测量和操作简单的特点,大量应用于科研生产 和检修测试当中。现代钳形表,有的可以通过互感器原理测量交流电流,有 的可以通过霍尔元件实现对交直流电流的测量。不仅成百上千安培的大电流 可以测量,毫安级的环路小电流也可以用钳形表精确测量,同时不少钳形表 还兼有电压、电阻测量功能,包括环路电流校准、通断测试等功能,所以其 应用越来越广泛。
       随着钳形表使用越来越多,送检量也越来越大。如何校准钳形表?有哪 些方案可供选择?由于钳形表电流测量范围很宽,有些计量部门虽已具备一 定范围的校准能力,如 1000A 以下,但对于一些新型钳形表,尤其是超过 1000A 的大电流钳形表,用什么标准可以覆盖呢?
       按照 ISO17025 和 CNAS 标准,校准时,应该逐点报告测量不确定度。 那么,钳形表的测量不确定度又该如何分析呢?一般来说,钳形表校准时的 测量不确定度可以划分为 A 类和 B 类不确定度,其中 A 类不确定度来源于 对钳形表测量结果的抖动性和重复性的统计分析,B 类不确定度来源于校准时所用标准器的指标、被检表读数分辨 力、线圈形状、环境温度影响等,但在具体校准过程中,钳形表测量不确定度分析计算过程还是有些复杂,尤其是 标准器的不确定度分量会使一些人困惑。
        一下内容将针对不同类型的钳形表提供几种可行的校准方法。
1.毫安级直流钳形表的校准
1.1 校准方法 毫安级直流钳形表多用于工业生产现场变送器 4-20mA 直流电 流的测量,例如福禄克的 771/772/773,它们一般采用霍尔元件进行 测量,电流测量范围是从 0~100mA,钳口很小,可以选用比较流行 的 Fluke 5500A、5502A、5520A、5522A 等多产品校准器直接校准。 如图所示,将福禄克 55xxA 系列校准器的电流端的 HI 和 LO 端用一 根导线直接连接起来,构成一个单匝线圈,然后用钳形表钳头直接 夹住电流导线,设置 55xxA 输出钳形表测量范围的 mA 电流,就可 以校准这些钳形表了。
1.2 标准器不确定度分析 我们以 Fluke 772 做被检钳形表,并选择 Fluke 5522A 做校准器来看一下它们之间的 TUR。查阅 Fluke 772 说明 书可知它的直流电流测量准确度是 0.2%读数±5 个字)(0~20.99mA)和 1%读数±5 个字)(21.0~100.0mA)。当校准点是 直流 20mA 时,772 钳形表此时的分辨力是 0.01mA,1 年准确度是 20*0.2%+0.05)=0.09mA。由于 772 钳形表钳口 的直径很小,刚好容纳下电流输出导线,此时导线构成的单匝线圈的不确定度可以忽略,标准器的不确定度主要是 校准器 5522A 的直流电流输出不确定度。5522A 在输出 20mA 电流时的 1 年不确定度指标是 100ppm输出+0.25μA, 99%置信度水平,即不确定度为 100ppm*20mA+0.25μA=0.00225mA。
       B 类不确定度的一个分量 uB1 来自于校准标准,此例即 5522A 的 20mA 输出的 1 年总不确定度,因此:
UB1=0.00225MA  (99%置信度)
TUR=0.09/0.00225=40:1,符合校准要求。

2. 1000A 以下钳形表的校准
2.1 校准方法: 在 1000A 以下测量范围的钳形表按测量原理分为两类,一类基于互感器原理进行测量,只能测量交流电流,钳 形表的钳口中有铁芯,铁芯上缠绕有感应线圈,相当于互感器的副边,被测电流的导线相当于互感器的原边。当钳 口闭合,原边输入的电流穿越铁芯磁场,就会在副边产生感应电流,通过测量副边的电流就可以获得原边输入的电 流值;另一类钳形表基于霍尔效应原理,既可以测量交流电流,也可以测量直流电流,它是在钳头中嵌入了霍尔元 件,当电流导线穿过磁场时,霍尔元件会产生与电流和磁场强度成正比的霍尔电压,通过测量霍尔电压,就可计算 出电流的大小。 由于校准器的电流输出能力通常都比较小,例如福禄克 55xxA 系列校准器的电流输出最大只有 20A,和钳形 表的量程相比相差很大。要校准这种类型的钳形表,需要通过外接多匝互感线圈即用等安匝法来校准。这种用绝缘 导线或漆包线绕制而成的校准线圈,在结构上把校准器输出的电流以多匝形式沿同一方向多次穿过铁芯,因此在多 匝线圈导线汇聚的一侧中产生的等效安匝电流是 校准器输出电流的匝数倍,从而实现大电流钳形 表的校准。 如图所示,校准器 5522A 电流输出端子连接 至配套的 5500A/COIL 50 匝校准线圈,钳形表检 测到的就是 50 倍于 5522A 的输出电流,这种线 圈可输入的最大电流为 20.5A,等效安匝电流是 1025A。这种线圈不仅可以校准交流钳形表,也 可以校准直流钳形表。校准时,因为接入了线圈, 所以在分析标准器的不确定度时,必须考虑线圈 测量不确定度的影响。


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