工频磁场线圈的校准装置

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着电子信息技术的发展，产品的电磁兼容性受重视程度逐渐提高。工频磁场抗扰度试验是电磁兼容试验中重要的组成部分，工频磁场线圈在工频磁场抗扰度试验时经常用到的，是主要使用的设备。工频磁场线圈校准的准确度直接关系到试验结果的准确程度。但是，关于工频磁场线圈参数的校准仅在GB/T 17626.8-2006《电磁兼容 试验和测量技术 工频磁场抗扰度试验》附录中提到，并没有相关国家计量法规。由于对工频磁场线圈的校准没有统一的方法，各个计量机构所校准的参数大多不完善。本文通过对工频磁场线圈工作原理的研究，给出标准线圈和非标准线圈参数的校准方法以及校准装置的扩展不确定度。

1 工频磁场线圈构成

工频磁场线圈由工频电流发生器和感应线圈组成。工频电流发生器主要由调压器、控制回路和电流互感器等组成。感应线圈由铜、铝或其他导电的非磁性材料制成。工频磁场线圈主要用于模拟工频电流产生的磁场对设备运行条件下的影响，以此考察被测试电子设备的抗工频磁场的能力。

目前对磁场线圈的校准主要有电流和磁场强度两个计量参数。磁场强度是由电流通过线圈产生的。电流的大小与稳定性，影响到所产生磁场强度的性能。而试验对磁场强度及试验区域大小等都有相应的要求。磁场强度和磁场均匀区域是工频磁场试验效果需要考虑的参数，所以必须对工频磁场线圈的电流、磁场强度和磁场区域进行校准。

图1 工频磁场线圈原理图

2 工频磁场线圈的校准

2.1 电流校准

电流校准主要采用工频电流测量装置进行，也可以采用电流钳形表进行。设备连接如图1所示。按说明书要求进行预热。工频电流测量装置接入工频磁场线圈的电流回路中。设置工频磁场发生器所需的磁场强度，读取工频电流测量装置的电流示值和电流总谐波失真作为校准结果。见图2所示。

图2 工频线圈电流校准

2.2 中心磁场强度校准

设备连接如图2所示。感应线圈采用绝缘支撑放置，保证线圈位置距离实验室墙壁和其他磁性物体不小于1 m。将工频磁场测量仪磁场探头置于工频磁场感应线圈的几何中心。根据校准要求，设置工频磁场发生器所需的磁场强度，改变磁场探头方向，将得到的磁场强度最大值作为校准结果。改变工频磁场发生器磁场强度设定值，重复上述过程。 见图3所示。

图3 工频磁场线圈磁场强度校准

2.3 磁场均匀性校准

在工频磁场抗扰度试验中，每个线圈对受试设备的体积都有要求，所以必须知道磁场线圈的均匀性区域（即磁场的3 dB区域），才能决定受试设备的体积大小。根据出厂说明书或用户使用需求确定均匀区域立方体的八个顶点。设置工频磁场发生器所需磁场强度，将工频磁场测量仪磁场探头分别置于一个顶点位置，改变磁场探头方向，将得到的磁场强度最大值作为该点位置磁场强度校准结果。重复上述过程，校准点见图3所示，分别测量均匀区域立方体的八个顶点位置的磁场强度。例如将磁场强度设定值为10 A/m的校准结果作为参考值，按照式（1）计算磁场均匀性的测量。

式中：A—— 磁场均匀性，dB；

xi—— 第i个顶点位置的磁场强度，A/m；

x0—— 参考值，A/m

图3 磁场均匀性校准

2.4 非标线圈的校准

为了满足各种电磁兼容试验要求，除了常规所需的标准线圈，1 m×1 m和1 m×2.6 m外，在电力行业经常有各种尺寸的工频磁场线圈，对于它们的校准，校准参数与标准线圈参数一样。非标准线圈的电压转换电流因子不同会造成线圈因子、电压、电流的设置不同，造成产生的磁场以及磁场区域的不同。校准时，首先根据设备使用说明书设置参数，将校准的电流和磁场强度与出厂技术要求进行对应设置，按要求设置相应的参数或者线圈转换因子。由于非标线圈试验所需的磁场均匀区域与标准线圈有所差别，要求校准人员必须定好中心场强之后，由于测试所用场强传感器大小不同，选择对每个平面磁场均匀区域的点进行多次测量，方能给出准确的值。

3 校准实例

本文根据上述校准方法，对某厂家生产的工频磁场线圈MS100进行了校准。对磁场发生器进行设置，电流分别设置为1 A、3 A，10 A，30 A，100 A的中心磁场和线圈电流大小，均匀区域进行的测量见表1所示。

表1 工频磁场线圈电流校准结果

表2 工频磁场线圈中心磁场校准结果

磁场均匀性校准，见表3所示。

表3 磁场均匀性校准

4 测量结果不确定度

电流和磁场强度的测量不确定度主要取决于测量装置和仪器，主要影响因素和标准不确定度分量为：

1）测量重复性的不确定度u1rel(y) = 0.7%

3）磁场强度校准不确定度评定

测量的重复性的不确定度u1rel(y) = 0.9%

5 结语

通过校准例子，可以得出，对于工频磁场线圈在电磁兼容试验中主要用于抗干扰试验，磁场强度和磁场区域是最关键的参数。目前很多计量机构主要采用校准中心场强来实现对其校准，得出是否符合要求的结论。标准的磁场线圈1 m×1 m或者1 m×2.6 m的线圈在不发生变形的情况下符合设计要求。但是对于非标准线圈而言，线圈输入电压和线圈因子都是必须考虑在内的。