大电流应用和系统解决方案
电流比例较准/量程扩展器的应用
随着我国电力工业以及各个制造业的发展，大电流的应用越来越多，例如核电，电动汽车等等。因此大电流测量的需求越来越多，准确度要求也越来越高。
一般说，电压的测量相对简单，特别是连接方便，而且测量准确度也很容易提高。而电流的测量，由于很难将仪表直接串联到电路中，而串联到电路中需要断开电缆，因此目前使用最为广泛的方法就是分流器。这里所说的分流器主要是指在电力，供电，大型制造企业所使用的大电流分流器。这些分流器串联接入到电缆/电线中，测量时可以直接测试分流器上的电压而得到电流值。然后再根据测量的电压就可以计算出功率和电能。因此，最后功率或电能测量的准确度很依赖于分流器的性能，准确度以及稳定性。因为这些单位需要对电能，功率的使用情况进行精准的测量，或者根据测量值进行电能的收费，或者用来准确计算电能的耗用情况等等。因此，除了需要选择高性能的分流器之外，这些分流器也需要定期的进行校准，才能确保日常测量的可溯源性。
大电流测量方法
大电流测量一般使用分流器，分流器本质上就是一个很小的电阻（对于大电流测量来说）。例如100 A的电流，通过1 W的电阻，得到的电压就是100 V。如果希望测量的电压小，或者测量更大的电流，那么电阻就要更小。一般精密分流器的主要性能指标一个是电阻的准确度，虽然阻值很小，但是要做到非常的准确。此外，就是通过大电流时要控制温度的上升。因此精密分流器的设计和制造工艺是很有讲究的。大电流分流器不是一般意义的普通电阻，因此价格非常昂贵。
当购买使用一个分流器时需要对其进行测量或者计量校准，确保其准确性。因为只有确保其准确性才能保证收费，电功率测量的准确性。
随着科技的发展，除了一般的分流器之外，目前又开发了不少新的传感器用来测量大电流，例如DCCT，光电转换的传感器等。
无论是大电流分流器还是新型的大电流传感器，在生产过程还是在使用过程都是需要进行测量或者校准以确保其正确性。
一般分流器或者大电流传感器的测量可以有三种方法。
（1）标准源法
这种方法很好理解，就是使用准确度非常高的大电流源，准确度至少是高于被检测的分流器或者大电流传感器的准确度，然后直接给分流器或传感器提供大电流，然后看分流器或传感器的测量结果。这种方法简单直接。缺点是准确度如此高的大电流源昂贵，而且电流一般都在100 A一下，超过100 A会非常昂贵。而且其准确度也不是最为理想的。
（2）对比测量法
如果被测量的分流器精度指标不是很高，而且实验室还有比它更为准确的分流器，那么就可以利用精度更高的分流器来校准准确度低的分流器。对比测量时需要一个大电流源，同时给被测和标准的分流器供电，然后分别测量其结果，然后计算最终的不确定度。当然测量时需要根据要求在不同的量程点上进行反复的测量，因此是比较麻烦的一件事。当然也可以使用全自动测量方法，将被测分流器或传感器连接好，设置好测试设备或者系统，启动测试后就可以自动完成所有量程的测量以及自动生成测试的报告。由于大电流在分流器上会发热，需要比较长的稳定时间，所以测量的时间很长。如果测量的量程或者测试点多，时间需要的就更长。
（3）比率测量法
比率测量法和对比法有些类似。但是最大的不同是测量的电流和参考标准不同。大电流直接供给被测分流器或者传感器并且测量其结果。同时这个大电流被量程扩展器按照比例缩小，提供给一个标准的小电阻，然后进行测量和计算，最后和分流器或大电流传感器的测量结果进行比较。关键的两点不同在于，一个是使用标准的参考电阻，其准确度远远高于精密分流器或其他类型的传感器，是目前计量校准业界认可的最好的标准电阻。二是将大电流通过扩展器按比例缩小，其影响几乎可以忽略。而在小电流情况下的测试，其热耗散等其他影响就非常小，所以准确度可以大大提高。因此，这是大电流以及大电流分流器或者传感器测量的最准确的方法。
MI大电流测量系统
加拿大MI公司可以提供各种大电流测量系统。最简单的就是使用精密分流器，直接完成低精度分流器和大电流传感器的测量或校准。由于方法简单直接，无须赘述。
这里，我们介绍两种比率测量法的大电流测试系统，可以用于大电流分流器或传感器，例如DCCT的测量和校准。当然该系统也可以用于测量其他类似的直流大电流的应用。
1. 数字表比率测量法
该系统由以下几个部分构成：
a) 电流源：提供测量所需要的电流，要求是非常稳定。
b) 量程扩展器：或称为比例调节器，其作用是将大电流精确的按照比例缩小。
c) 扫描开关：其作用是可以连接多个被检的分流器或者DCCT同时进行测量。
d) 标准（参考）电阻：用于精密的测量电流。
e) 两台数字表：用来测量DCCT和参考电阻上的电压，从而实现对电流的精密测量。
f) 计算机（控制软件）：整个系统在电脑控制下全自动完成测试。
结构如框图所示
测量原理
该系统的测量原理是：大电流源提供所需的激励电流输出给分流器或者大电流传感器，例如DCCT（或其他被测量设备），同时该电流也送至量程扩展器，量程扩展器将该电流精确的按比例缩小并输出给标准（参考）电阻。该电阻是准确度极高的标准电阻，通过测量电阻上的电压就可以得到准确的电流值。而分流器或者大电流传感器（DCCT）测量出来的电压或者得到的电流数值就可以和在标准电阻上测量出来的电流结果进行比较。从而就可以计算出分流器或传感器的流测量准确度。如果传感器（DCCT）的输出是电压，那么使用数字表的电压功能直接测量结果。如果传感器输出是电流，则可以通过串联标准电阻来进行电压的测量从而计算得到电流的测量结果。
该测量原理的准确度不依赖于大电流源的准确度，只是要求电流源短期的稳定性很好。因为该电流被实时精密的按照严格比例缩小，再通过标准电阻来测量。因此在被检测的分流器或传感器和在标准电阻的电流值是一样的，只是比例不同而已。
系统的特点和优势
这套大电流测量系统的有一下几个特点：
a) 量程范围宽，可以从数几百安培至3000 A。
b) 测量速度快，在1000 A电流时，10分钟就可以完成测量（相比分流器方式的数个小时）。
c) 全自动测试。电脑将自动控制测试系统的所有设备，在完成设备设置，测量的点数之后，全自动进行测试，最后直接 给出测量结果。节省测试人员的大量宝贵时间。
d) 可以同时测量数个DCCT（取决于扫描开关的通道数量）。极大的提高了测量的效率。
e) 该系统的测量准确度或者说测量的不确定度主要取决于两台高精度数字表。二者是测量不确定度的最大来源。因此采 用高精度的数字表带来的不确定度就小。
该图是一个典型最高配置的系统构成，他包括了三台电流源，可以提供高达3000 A的电流。两台量程扩展器，一台扫描器和两台数字表。除了最高配置，系统还可以有150 A，300 A等不同的配置满足不同的应用。
2. 电桥比率测量法
系统结构的框图如下：
该系统由以下几部分构成：
a) 电流源6150A，提供最大150 A的电流，也可以选择其他电流源。
b) 量程扩展器6011D，比例可以是1:10，1:100，1:1000，将大电流按照比例缩小。
c) 电桥6010或者6242。
d) 被检测的分流器或者是大电流传感器（DCCT）Rx。
e) 标准电阻Rs。
f) 控制器就是一台电脑，所有仪器将通过IEEE-488连接构成完整系统，并实现全自动测量。
测量原理
150A的电流通过6011D被送到被检测设备Rx上，例如DCCT，同时该电流还按照比例的缩小并送到给电桥，最终送到标准电阻上。例如6150A给出100 A，送给DCCT，按照设计DCCT上有一个10 V左右的电压（或者其他的电压值，取决于DCCT的设计）。同时该100 A按照比例缩小送到标准电阻。此时在标准电阻和DCCT上都产生了一个相差不大的电压。然后电桥则通过不断调整内部比例使得两个电压达到平衡。达到平衡时，电桥的内部匝数比和量程扩展器的比率就确定了，而由于标准电阻阻值已知且非常准确，所以电阻的比例就被测量出来。从而既可以得出DCCT测量的准确度。
系统的特点和优势
和数字表比率法相比，电桥比率法最大的区别就是使用了电桥替代了原来的两台数字表。电桥比率法实际是将DCCT作为一个电阻类型的传感器来测试。将其和标准（参考）电阻进行比较。此时，我们并非最关心在DCCT以及标准电阻上的电压数值。更关注的是电桥平衡时的匝数比，匝数比和电阻比成正比关系。由于标准电阻值已知，所以被测设备的等效阻值就确定了。在前面介绍数字表比率法时，我们关注两台数字表上测量到的电压，将电压比等效为电阻比。而这种方法，我们是将匝数比等效为电阻比，剔除了电压测量对整个系统的影响，使得测试准确度进一步得到提升。
这种使用电桥的比例测量方法在精度上要高于使用数字表的方法。因为比例测量的不确定度要远远小于数字表直接测量电压的不确定度。而数字表电压测量的不确定度是对比方法的主要误差来源。此外由于采用的是高精度的电桥，所以价格要比对比方式时使用的数字表要贵。
关于测试不同方法的不确定度分析，这里就不再详细说明，可以查看有关误差计算和不确定度分析的方法。
典型的配置方案
下面列出几个典型的测量方案。其方案的配置主要是电流大小的区别：
1. 150 A/300 A大电流测量系统配置方案（电桥比率法）
配置方案
|
仪器型号 |
数量 |
说明 |
|
6010D/6242D |
1 |
高精度电桥（6010D 或 6242D），完成对比测量 |
|
6150/6250 |
1 |
150或300 A大电流源 |
|
6011D |
1 |
量程扩展器 |
|
9331R |
1 |
参考电阻 |
|
4220A |
1 |
20通道自动低热电势矩阵扫描开关，端子输入 |
|
9300A |
1 |
标准电阻保存恒温箱 |
|
HC-SW |
1 |
自动控制软件 |
此系统的典型测量不确定度
1） 测量电流150 A：0.2 ppm
2） 测量电流300 A：0.2 ppm
注：具体测量点的不确定度，请咨询迈凯测量
2. 1000 A/2000 A/3000 A大电流测量系统配置方案（电桥比率法）
配置方案：
|
型号 |
数量 |
说明 |
|
6010D/6242D |
1 |
高精度电桥，完成对比测量 |
|
6680 |
1 |
1000 A大电流源（3台并联实现3000 A） |
|
6027/6025 |
1 |
换向开关6027/3000 A，6025/2000 A |
|
6014M/6012M |
1 |
量程扩展器6014M/3000 A,6012M/2000 A |
|
6011D |
1 |
量程扩展器 |
|
9331R |
1 |
参考电阻 |
|
4220A |
1 |
20通道自动低热电势矩阵扫描开关，端子输入 |
|
9300A |
1 |
标准电阻保存恒温箱 |
|
HC-SW |
1 |
自动控制软件 |
此系统的典型测量不确定度
1） 测量电流1000 A：1 ppm
2） 测量电流2000 A：2 ppm
3） 测量电流3000 A：2 ppm
注：具体测量点的不确定度，请咨询迈凯测量
