电流比较仪在大电容测量中的应用

2013-09-28许兴明尹丽云高扬

计测技术 2013年6期

许兴明，尹丽云，高扬

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

0 引言

近代电子技术的发展导致了大容量电解电容产量的猛增，各种测量大容量的电桥和电容计也相继问世。为了检测这些电容电桥需要大容量的电容标准，而制造实物的大容量电容标准无论从技术角度还是经济角度上来说都是非常困难的。目前国内外都采用四端网络传输阻抗的方式来模拟等效大电容，这类模拟大电容与实物电容相比具有更高的准确度。

电流比较仪是一种准确度很高的电流比例标准，被广泛地应用于校验精密电流互感器。由于它能提供精确的电流比例，还被应用在精密的四端交流阻抗测量中。而模拟大电容就是一种基于四端原理的电容标准，因此可以采用电流比较仪式电桥去测量大电容。

1 电流比较仪的工作原理

电流比较仪也叫安匝平衡指示器，是上世纪50年代开始出现的。与电流互感器相似，比较仪也是由铁芯和线圈组成，但是在电流比较仪中，除了比例线圈外还有零磁通检测线圈。常用比较仪原理图如图1所示。

它是将三个绕组绕在环形铁芯上:Nm为一次电流线圈，Ns为二次电流线圈，Nd为零磁通检测线圈。

图1 电流比较仪原理图

工作时，一次电流im和二次电流is流入绕组的方向相反，因而它们产生的磁通方向相反。根据全电流定律∮Hdl=∑iN，若∑iN=0，铁芯中磁场强度为零。反之，当检测线圈Nd上所接指零仪指示为零时，表明检测线圈上无交变磁通，则有Nmim=Nsis，Nm和Ns为线圈的匝数。由此可见比较仪的平衡状态是通过调节磁势平衡来实现的，其特点是铁芯工作在零磁通状态，因而绕组Nm和Ns中均无感应电动势，其电压仅取决于线圈绕组上的电阻，所以误差很小[1]。

2 电流比较仪式电容电桥

通常对电容进行比较测量有如下两种方法:使被测电容和标准电容流过相同的电流，测量其电压比;对上述两者施加相同的电压，测量其电流比。以感应分压器电桥实现的测量方法属于前者，主要适用于测量两端阻抗。而以电流比较仪电桥实现的测量方法属于后者，它更适于四线阻抗的测量，且电路简单，回路电流可监测[2]。

2.1 常见的电流比较仪式电容电桥

图2就是一种目前常见的电流比较仪式电容电桥。

图2 电流比较仪式电容电桥

比较仪电桥中Cs和Gs表示标准电容和标准电导，Cm和Gm表示被测电容和被测电导，在标准阻抗和被测阻抗上施加相同的电压，并将产生的电流分别注入电流比较仪的两端，通过调节匝数Ns达到比例的平衡。

在分析电容平衡时暂不考虑电导分量的电流。设绕组Nm和Ns的线阻与电容器的电抗相比可以忽略，im1和is1按下式计算

由安匝平衡得

在分析电导分量的电流时暂不考虑电容分量电流的影响。被测电容损耗的等值电导Gm的测量，im2和is2按下式计算

由式 (3)，(6)可见被测电容值和损耗值的准确度仅取决于比较仪的匝数比。因此该类电桥具有恒定性的特点，不受外界温、湿度影响。由于电流比较仪的容性误差是随着匝数的平方而变化的，因此限制了单个比较仪不能做成大于1000∶1的比例，尚不能满足更大电容值的测量。

对更大的电容，通常采用分流器来扩展比较仪电桥的比例臂，扩大电桥的测量能力。图3是一种典型的用分流器来扩展量程的比较仪电桥。

图3 外接分流器扩展量程的电流比较仪电桥

与图2中的电桥相比，此处桥路中增加了精密电流分流器，N1/N2为分流器的变比值。电流比较仪平衡时，电容平衡式为

电流分流器的比差和角差是测量电容值及其损耗的附加误差，因此尽量选用高精度的电流分流器扩大测量范围。当选用1000∶1的电流分流器时，电容测量的比值可达106，最大电流可以达到1000 A。但是在这样高的比例时，电容器Cx的阻抗可能使它的引线压降不能忽略不计，因而需要一个补偿回路。线路中引入一个高输入阻抗的电压跟随器来补偿引线电阻的影响，使被测电容器引线上的压降转移到标准电容器的支路内。常见的电流比较仪式高压电容电桥就是基于此原理设计的[3]。

以上电流比较仪式电桥虽然增加了精密的分流器来扩展测量范围，但由于是采用加电压测电流的方法，因此这类电桥主要用来测量能承受高压或大电流的电解电容。

2.2 模拟大电容的工作原理

标准电容器是用来保存和传递电容值的实物标准，具有准确性高、稳定性好的特点。而大容量电容器是不稳定的，且目前大于1μF的电容器还没有稳定的标准器，用电解电容做标准是不合适的。为了满足量值传递的需要并解决大电容标准器的问题，近年来出现了多种结构的等效模拟大电容，这些模拟大电容多是以几个元件组成的等效电容网络。通过精密设计和调整等效电容网络，可以把电容做到法拉量级。

常见的模拟大电容是根据四端网络传输阻抗原理来制作的，其结构如图4所示。

图4 四端等效大电容结构图

图4中，T1，T2分别是电流互感器和电压互感器;α，β分别是电流和电压的比例系数;C为标准电容;P1，P2为电压输出端。天然云母具有很高的电击穿强度，相对介电常数也比较大，稳定性较高，是一种优良的介质材料，便于制作大容量的标准电容器[4]，常采用1μF的云母电容作为模拟大电容的内附标准。

如果T1，T2都是理想的互感器，即它们的输入阻抗为无穷大而输出阻抗为零，等效电容值Ce为

这种模拟大电容的准确度主要由两个互感器的比率以及标准电容Cs的准确度来决定。如果使比例系数α，β都等于1∶1000，则理想的等效电容Ce为1F。但是理想的互感器是不存在的，其激磁电流和漏阻抗会引起一定的误差。如果选用优良的高导磁材料以及完善的设计和制造工艺，可使互感器尽可能接近理想状态。在50～100 Hz的频率范围内，使模拟大电容准确度达到千分之几的指标还是可行的。因此模拟大电容可以作为标准器来校准一些更低准确度的电桥。由于模拟大电容的主要组成部分是互感器线圈，因此频率、电压特性非常明显，通常只能在低频、低压的技术条件下使用。

为了测量模拟大电容，除采用传统的四线测量法消除引线电阻外，还应特别注意电流回路的耦合影响，因此电压测量线与电流测量线均采用同轴电缆，末端引出头部分要紧紧咬合，使回路面积尽量小。为此应按图5所示的方法接线[5]。

图5 大电容测量接线图

2.3 测量模拟大电容的电流比较仪电桥

由结构原理上可知，无法以加电压测电流的方法测量模拟大电容。同时由于模拟大电容内附的云母电容耐压能力有限，电压系数较大，也无法采用加大电流的方法测量。

通常采用图6中的电流比较仪式电桥测量模拟大电容。该电桥主要由同相放大器A、隔离变压器T1、电流分流器T2和电流比较仪T3、指零仪D、标准阻抗Cs和Rs以及信号源E构成。当电桥的三个比例臂同相放大器、电流分流器、电流比较仪比例同为100∶1时，可有效扩展电桥的测量比例范围至106∶1。在内附标准电容为1μF的情况下，能够实现1F电容值的测量。