电学计量—直流电压计量基础知识

2019-04-0810:23:45 评论 434 views

直流电压是电磁学计量的基本参数,许多电学量由它推导得出,同时直流电压单位伏特还与国际单位制的复现紧密相关,因此直流电压计量在电磁学计量中具有重要的地位。直流电压的标准仪器主要有标准电池和固态电压标准。

第一节 直流电压计量概述

一、直流电压的定义及其单位

根据电磁场理论,静电场是无旋场,即静电场力作功与路径无关,因此可以引入电位(或电势)的概念。电场中某一点a的电位,是指把单位正电荷从该点移动无穷远处电场力所作的功,即
(2-1-1)
式中:
E——电场强度,单位为V/m;
l——积分路径,单位为m;
Ua——a点的电位或电动势,单位为V。

电位是从能量角度描写电场性质的物理量,它是标量,可正可负。电场中一点的电位和参考点选择有关,(2-1-1)式定义的电位是取代无穷远处为参考点。

直流电压又称为电动势或电位差,是指电场中的a、b两点之间的电位之差。其定义是,在电场中单位正电荷从a点移动b点时电场力所作的功,即

(2-1-2)

式中:
Uab——a,b之间的电压,单位为V。

由此可见,电压与所取的参考点无关,只取决于两点的电位。在实际电测量中,通常认为大地的电位为零。

在国际单位制中,电压(电位差、电动势)的单位名称是伏特。伏特不是SI单位制中的基本单位,是具有专门名称的导出单位,其定义是从安培和力学单位功率瓦特导出的。伏特的SI定义为:“在保持1 安培恒定电流的导线上,两点之间导线上的功率消耗为1瓦特时,两点之间的电压为1伏特”,表示伏特的符号为V,表示式为:
(2-1-3)

式中:
A——安培;
W——瓦特。

因此,伏特与SI单位制中的基本单位有以下关系:

式中:
m——SI 基本单位,米;
Kg——质量SI基本单位,千克;
S——时间SI基本单位,秒;
A——电流SI基本单位,安培。

在实际应中,可以用SI词头和伏组合在一起,构成倍数单位和分数单位,常用的有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)、纳伏(nV)等。

电动势工作基准一般由6~10只标准电池组成,平时保存在温控油槽中,检定周期规定为一年。通常采用送检的方式,可由电动势国家副基准检定,以保证电压量值的准确统一。检定电动势工作基准允许的扩展不确定度为U≤0.2μV。在二次溯源中间,进行量值的自我跟踪也就是用核查标准校核的方法,跟踪量值是否稳定可靠,确保量值的准确。

10V电压工作基准有2~4只固态电压标准组成,需保证在恒温实验室中检定周期规定为一年。通常采用送检的方式,由直流电压国家基准或副基准检定,对于标准电池串联构成的10V电压工作基准也可由电动势国家副基准检定。检定10V电压工作基准时允许的扩展不确定度为U≤2×10^7。

校准实验室电压参考标准一般是一等标准电池组成或(2~5)×10^6级10V电压标准。一等标准电池组一般采取送检的方式,可直接用电动势工作基准检定,各校准实验室将自己实验室的电压最高标准送到电动势工作基准实验室进行检定,检定一等标准电池组允许的扩展不确定度为U≤0.8μV。量传后出具检定证书给出电压值及不确定度。

(2\~5)×10^6级10V电压标准一般也采取送检的方式,目前由直流电压国家副基准或10V电压工作基准检定。检定时允许的扩展不确定度为U≤(0.8~2)×10^6,且应满足U≤1/2.5γ(10V电压标准的年变化相对值)。

第二节 直流电压量值传递

量值传递是统一计量器具的必要手段,是保证计量结果准确可靠的基础。直流电压量值传递是将国家电压基准所复现的电压单位量值,通过检定的方式传递给下一等级的计量标准,并依次逐级传递到工作计量器具,以保证被计量的对象的量值准确一致。

我国直流电压计量一般采用实物标准进行逐级传递的方式,即把标准电池或固态电压标准送到建高一等级的计量标准的计量部门检定,应执行国家质量技术监督局制订的《JJG2087-99直流电压(电动势)计量器具检定系统》。检定合格的,出具检定证书,计量标准或工作计量器具取回,可以继续使用,检定不合格的,出具检定结果通知书,计量标准或工作计量器具取回以后不能继续使用。

目前用计量保证方案(MAP)进行传递的方式也值得推广,尤其是对于10V量值,可以采用固态电压标准作为传递标准。这种量值传递方式不是将被检计量器具送上一级单位(称中心实验室)检定,而是上一级计量技术机构将经过长期稳定性考核合格的便携式计量标准、检定条件和方法交给被传递的下一级计量技术机构,不给出校准结果;下一级机构将传递标准作为“未知标准”进行校准,考虑该校准实验室所测量的所有偶然误差及系统误差(包括时间、运输、操作者、设备和周围条件的影响),并将传递标准和校准数据送回上一级机构。然后中心实验室对测量数据进行分析处理及审查,给出的报告中包括该校准实验室电压单位与中心实验室电压的差值,并列出测试期间观察到的该差值得不确定度,在此实验应估计电压参考标准运输中产生的不确定度,并包括在最后的不确定度来源中。上一级机构对所有测量数据进行处理分析,并综合判断被检电压标准是否合格。

用计量保证方案(MAP)进行传递与通常的送检方式相比,有突出的优点。检定过程主要是由被检单位完成的,即在被检单位的实验室里,利用其计量标准和计量检定人员对传递标准进行校验。这样,不仅能考核其计量标准的准确度,而且还可以对检定方法、操作人员的技术水平和环境条件进行全面、综合的考核。通过对数据的分析,还能发现问题,便于上级机构对下级机构技术指导。用计量保证方案的方式进行量值传递,要有一定的条件。首先标准必须便于携带;第二传递标准必须有良好的稳定性;第三是被检单位要具有相应的条件。

在国际上计量体系有两种模式,一种是自上而下的逐级量值传递方式,一种是自下而上的量值溯源方式。

我国的电压量值传递多年来采用了前一种方式,保证了我国电压量值准确一致,但是这种方式也有缺点,人力、物力浪费较大,在运输过程中,计量器具容易损坏,不出现故障的计量器具,有时也很难知道是否保持着检定时的准确度。

在电压量值传递时,标准电池的运输就是难以解决的问题。随着科学技术的发展,计量测试工作必须适应市场经济的新情况,国际上通常采用的溯源方式将会逐步得到发展,作为量值传递的一种补充。

一、直流电压检定系统

自1998年起,我过正式启用约瑟夫森阵列电压标准作为直流电压国家计量主副基准,国家质量技术监督制订了《 JJG2087-99 直流电压(电动势)计量器具检定系统》,替代《 JJG2087-90 直流电动势计量器具检定系统》。该检定系统适用于1000V以下(含1000V)所有级别的直流电压(电动势)计量器具,规定了直流电压国家计量基准复现直流电压单位伏特的原理、方法和不确定度以及借助直流电压(电动势)国家计量副基准依次逐级向电压(电动势)工作基准、标准和工作量具传递电压单位量值的程序,指明了传递或检定的基准方法和相对应的扩展不确定度U(k=3)。该检定系统把工作计量器具的量值和直流电压国家计量基准的量值联系起来,是直流电压量值传递的法定性文件,在计量工作中具有十分重要的作用,所涉及的直流电压计量基准器具有为直流电压国家计量基准、国家计量作证基准、国家计量副基准、电动势国家计量副基准、电动势工作基准和10V电压工作基准。

目前,国家直流电压计量检定系统规定,直流电压国家主基准与副基准、作证基准之间每两年比对一次,可采用直接比对或通过传递标准进行间接比对的方法。当比对结果(差值)在允许的不确定度范围内时,说明各基准均为处于正常运行状态,可按原定技术指标进行工作。当对比结果超出允许的不确定度范围时,应分析对比结果超差的原因并报请相关领导部门决定是否重做。

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