电流传感器校准与测量不确定度评定

韩赵超 申婉菊

（中车电力机车有限公司 湖南 株洲 412001 ）

摘要：本文通过介绍常用霍尔电流传感器的工作原理，说明电流传感器的相关特性，并根据实际情况，结合公司试验等工程实际和现有的标准器情况，阐述了电流传感器的校准方法和对测量不确定评定的探析。

关键词：电流传感器 传感器校准 测量不确定度评定

1、引言

随着电力电子技术的发展，电流测量技术也在不断的发展。电流传感器作为轨道交通行业在试验检测过程中的重要设备，具有测量范围广（如直流、交流、 脉冲、三角波形等）、响应速度快、检测精度高、非接触检测、 过载能力强、使用方便、线性度好等良好特性，在试验检测中广泛运用。其产品的可靠性，特别是在电流转换过程中得转换比率，对试验过程和试验精度有着至关重要的影响，因此，了解电流传感器的工作原理并实施周期性校准，对保持设备输出的量值准确可靠，确保试验的质量尤为重要。

2、常用电流传感器的工作原理

霍尔原理电流传感器是基于霍尔磁平衡原理（闭环）和霍尔直测式（开环）两种基本原理。

开环电流传感器的原理：原边电流IP产生的磁通被高品质磁芯聚集在磁路中，霍尔元件固定在很小的气隙中，对磁通进行线性检测，霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后，副边输出与原边波形一致的跟随输出电压，此电压能够精确反映原边电流的变化。

霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应。

当原边导线经过电流传感器时，①原边电流IP会产生磁力线，②原边磁力线集中在磁芯周围，③内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，④电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS。⑤并存在以下关系式：

其中，IS—副边电流；

IP—原边电流；

NP—原边线圈匝数；

NS—副边线圈匝数；

NP/NS—匝数比，一般取NP=1。

电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

3、校准环境要求与适用范围

环境温度：20℃±3℃；校准前，电流传感器和使用的标准器在同一环境条件中放置不少于1小时。相对湿度：≤75%；外界周围无强电场、磁场、机械振动及冲击等干扰。

本校准方法适用于常见的直流电流传感器、交流（50Hz）霍尔电流传感器的校准。二次输出信号为电流或电压值。其他类似霍尔原理的电流传感器校准，根据实际运用及转换比率情况进行分析，也可参照本校准方法。

4、校准项目及使用的标准设备

表1校准项目一览表

5、校准

5.1外观检查

电流传感器观无损伤，结构完好，外露件等不应损坏或脱落，机壳、端钮等不应有影响正常工作的机械碰伤。各组成部件齐全，线路良好，无破损等缺陷。接线口无断针等缺陷，不存在任何影响测量性能的缺陷；

被校准的电流传感器产品名称、制造厂家、仪器型号和编号均应有明确标记；

供电电压和频率标志应正确无误。

5.2电流误差校准

将电流传感器校准装置和电流传感器放在同一个稳定的环境中稳定1小时，将电流传感器校准装置正确接线，电流上升应缓慢控制，电流传感器的供电电源确认并接好，强弱电缆应各自独立，不得交叉。

校准点的选取应覆盖电流传感器全量程范围的值，兼顾各量程之间的覆盖性及均匀性。均匀选取5到10个点，包括上下限的点。直流电流和交流电流值，均应进行校准，选取点数要求保持一致。同时需要参考电流传感器在试验过程中经常实际使用的电流值和说明书的要求，重点进行校准。

校准接线图如图1所示，传感器在规定的校准条件下，接上辅助电源，预热30 min，在记录数据之前，传感器应在满量程范围内进行3次标准负荷循环，每次从最小值逐渐增加到最大值，然后再逐渐减少到最小值，并在上、下限处各保持不少于5秒。

I+

电流传感器

校准装置

I-

电流传感器

数字多用表

图1 电流误差校准接线示意图

5.3校准间隔

建议复校时间间隔为1年，送校单位也可根据实际使用情况自主确定复校时间间隔。

6、测量不确定度评定

电流传感器的测量不确定度分析：

环境条件：温度：21.5℃，相对湿度50%；

标准器具：天恒测控TD2010直流大电流标准源装置；安捷伦34401A数字多用表。

被校对象：莱姆LT2000-S电流传感器，满量程输入电流2000A，满量程输出400mA,准确度0.4%。

测量方法：以直流电流为例，采用标准电流源输出，用数字多用表测量输出端，记录输出测量值的情况。

6.1电流传感器输出值的重复性引入的测量不确定度，A类评定。

在重复性条件下，设定校准装置输出直流1000A，在1000A下重复测量10次，测得其输出值如下：

表2 重复10次测量所得测量值

平均值 =199.985Ma

标准差为s= =0.0053mA

A类不确定分量u₁=s=0.0053mA

6.2、数字多用表的电流示值分辨率引入的不确定度，B类评定。

数字多用表34401A电流表示值分辨率引入的测量不确定度，用标准不确定度B类评定。数字多用表在200mA时的分辨率为0.001mA，在±0.0005mA区间内为均匀分布，包含因子k= 分辨率引入的测量不确定度分量u₂为：

u₂=0.0005mA/ =0.000289mA

6.3、电流传感器校准装置技术指标引入的不确定度，B类评定。

电流传感器校准装置在1000A时最大允许误差为±0.5A，按均匀分布，k= ，因此电流传感器校准装置引入的测量不确定度分量为：

u₃=0.5A/ =289mA

6.4合成标准不确定度及扩展不确定度计算

表3 标准不确定度分量汇总

由于重复性分量包含分辨率引入的不确定度分量，为避免重复计算，只计算最大影响量u₁，舍弃u₂

根据上述分析，合成标准不确定度为：

u_c= =289mA

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

U=k u_c=578mA

6.4 对不确定度评定的评估

按本案例讨论的莱姆传感器0.4级为例，MPEV=1000A*0.4%=4A

U≤1/3MPEV，评估合理。

7、结束语

通过对电流传感器的工作原理分析和针对本校准实验室所拥有的设备对校准方法的探讨，并针对该仪器进行了测量不确定度评定与有效性进行评估，确保过程合理结果有效。通过对电流传感器的周期性校准工作，使电流传感器的量值溯源得到了有效保证，为电流传感器保持其性能的稳定性和精度准确对于后续试验的支撑，为电流传感器的计量性能和校准方法提供技术依据。有效降低设备超差使用的风险，增加与电流传感器相关的电测试验可靠性目的。

参考文献：

[1]JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S]

[2]高远.碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术[M]

[3]百度百科电流传感器工作原理[Z]