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胜利杨胜利高级技术支持工程师高级技术支持工程师计量校准部计量校准010-5735138313910526912,010- 22013 fluke calibration讲讲座内容座内容 32013 fluke calibration钳形电流表，简称钳形表钳形电流表，简称钳形表是一种不需断开电流回路即可测是一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使用在具有一定测量风险

2、的场合使用，尤其是电气检修作业。用，尤其是电气检修作业。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钳式，交流电流柔性电流钳式，交流电流钳钳形表特点形表特点 42013 fluke calibration钳钳形表的工作原理形表的工作原理-互感器式互感器式采用采用电磁感应原理电磁感应原理：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。只能测量

3、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。霍尔电流传感器，也叫霍尔元件霍尔电流传感器，也叫霍尔元件，依据霍尔效应制作而成。，依据霍尔效应制作而成。霍尔电流传感器既可测直流电流霍尔电流传感器既可测直流电流，也可测量交流电流。，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。非接触交直流电流的测量。钳

4、钳形表的工作原理形表的工作原理-霍霍尔尔效效应应式式 62013 fluke calibration直放式直放式(开开环环)霍霍尔电尔电流流传传感器感器 （ （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 calibration磁平衡式磁平衡式(闭环闭环)霍霍尔电尔电流流传传感器感器 （ （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

5、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用霍用霍尔尔效效应应式式电电流流钳测钳测量交直流量交直流电电流流 92013 fluke calibrationiflex柔性柔性电电流流钳钳均匀缠绕在非铁磁性材料上的环型电流互感器。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

6、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特点有相位误差的特点 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不拆线测量环路电流不拆线测量环路电流020 ma020 ma多用于检查工业生产现场变送器输出多用于检查工业生产现场变送器输出可分离钳头，可分离钳头， 方便快捷。方便快捷。直流毫安直流毫安钳钳形表形表 122013 fluke calibration现代钳表还具有多种测

7、量功能现代钳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。钳钳形表的其他功能形表的其他功能 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 其他其他类类型的型的钳钳形表形表 142013 fluke calibration有有奖问奖问答答1问题问题： ：根据工作原理，根据工作原理，钳钳形表可以

8、划分形表可以划分为为哪两大哪两大类类？ 152013 fluke calibration讲讲座内容座内容 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。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。如何校准如何校准钳钳形形电电流表？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 校准器输出标准

9、交直流电流，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， 钳形表检测到的是钳形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，因此可实，因此可实现大电流的校准。现大电流的校准。钳钳形形电电流表的校准方法流表的校准方法 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

10、限。 182013 fluke calibration直流直流ma钳钳形表的校准解决方案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电电流端短路流端短路线线充当充当单单匝匝线线圈圈 192013 fluke calibration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以下以下钳钳表校准解决方案表校准解决方案 202013 fluke

11、 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% 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

12、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 5500a/coilfluke 5500a/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器校准器输输出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校准器。校准器。1010匝，口径小，匝，口径小，最大电流输入最大电流输入20a，最大，最大200a等效安匝。等效安匝。5050匝，匝，最大电流

13、输入最大电流输入20a，最大，最大1000a等效安匝。等效安匝。dc, 0.2%dc, 0.2%输出。输出。acac，10-500hz10-500hz，0.2%0.2%输出。输出。fluke 9100-200fluke 9100-200特点特点 232013 fluke calibration所需标准器所需标准器校准器校准器 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以上以上钳钳表校准解决方案表校准解决方案 2

14、42013 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，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% ac0.014% ac（120a120a）；）； 0.016% dc0.016% dc （100a100

15、a）开环模式：开环模式： 0.039% ac 0.039% ac（120a120a），），0.016% dc0.016% dc （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 mh 1 mh 电感负载电感负载电流输出可浮地：电流输出可浮地：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 50

16、 a/6ka 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 iflex i2500-18 iflex 柔性电流钳柔性电流钳 i6000s flex-24 i6000s flex-24 或或 -36 -36 交流电流钳交流电流钳52120a/3ka 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 fluke-376 或或

17、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5725a5725a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特点特点功能量程最优 年指标, 95% 置

18、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 mhz0.4% 设置值 272013 fluke calibrati

19、on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比率turtur要大于要大于 3:13:1，国外要求是，国外要求是4:14:1。一步步完成各点的测试，记录测量结果。一步步完成各点的测试，记录测量结果。计算测量不确定度。计算测量不确定度。打印校准证书。打印校准证书。钳钳形形电电流表校准的主要步流表

20、校准的主要步骤骤 282013 fluke calibration使用校准线圈，电感大，校准器要打开电感补偿。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。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。线圈汇聚导线要居于钳口中心，与磁力线垂直。钳钳型表校准型表校准注意事注意事项项最佳位置的距离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

21、mm)2.5 in (63.5 mm) 2.0 % 位置灵敏度技术参数: 292013 fluke calibration有有奖问奖问答答2问题问题： ：钳钳形表校准基于什么方法？形表校准基于什么方法？ 302013 fluke calibration讲讲座内容座内容 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

22、 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 测测量不确定度要求的量不确定度要求的实实施指南施指南 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

23、指标：指标： 3%3%读数读数 5 5个字个字分辨力：分辨力： 1a1a标准器标准器校准器校准器5522a： 1v50hz52120a: 100a50hz校准线圈校准线圈52120a/3ka： 2500a50hzfluke 381+i2500fluke 381+i2500校准实例校准实例次数次数测测量量值值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

24、定度52120a52120a电流放大器电流输出不确定度电流放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不确定度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。钳钳型表校准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

25、的实施指南测量不确定度要求的实施指南3.3.1 a3.3.1 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)(次数次数测测量量值值1251622514325154251352512 352013 fluke calibration实例：采用学生实例：采用学

26、生t分布补偿有限测量数据分布补偿有限测量数据fraction 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

27、.254.09101.051.812.232.283.173.96201.031.722.092.132.853.42501.011.682.012.052.683.161001.0051.661.9842.0252.6263.07711.6451.9622.5763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，应采用基于不够多时，应采用基于学生学生t t分布确定的包

28、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%置信度置信度 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.

29、01*120a = 0.039a相相对输对输出出值值100a，不确定度，不确定度为为0.039% 99%置信度置信度 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%置信度置信度 校准时52120a/3ka输出2500a50hz 392013 fluke calibration实例：实例：u

30、 ub1b1- - 标准的不确定度标准的不确定度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3.3.2.1 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，则可获得其一个，则可获得其一个 置信度指标置信度指标 置信度置信度 k68.27%190%1.64595%1.9695.45%299%2.57699.73%3ub1=0.735*0.01*2500a=18.375a 99%置信度置信度ub1=18.375/2.576=7.1a

31、 1 置信度置信度 402013 fluke calibration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 - uut - uut分辨力的限制分辨力的限制0.29a3213lsd21 kau2b2概率分布概率分布k两点两点1均匀均匀反正弦反正弦三角三角梯形梯形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分辨力引起的测量误差为分辨力引起的测量误差为 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：