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1、华中科技大学 硕士学位论文 直流大电流计量标准装置自校系统的研究 姓名：任欢 申请学位级别：硕士 专业：电气信息检测技术 指导教师：任士焱 20090531 I 摘摘 要要 直流大电流在工业生产和科研实验中有着广泛的应用，其测量的准确性和可靠 性对冶金、化工和电力等行业的影响极大。目前，我国的直流大电流计量和校准系 统，不仅在传感器的原理和方法上存在局限性，而且在精度、准确度、分辨率、不 确定度上也存在严重不足，无法与先进国家的直流大电流计量和校准系统相比。 本论文研究了一种基于磁调制式的直流大电流计量标准装置自校系统的设计原 理、实现方法，同时进行了误差、不确定度分析。其独创性在于提出了一种
2、基于小 电流测差法为原始拓扑结构的自校系统：分析和研究其测量原理、误差范围、数据 选择等诸多棘手问题，从而建立计量标准的自校系统，能够完成从实验室计量标准、 传递计量标准、工业现场计量标准的自校和互校过程，建立了从实验室直到工业现 场的一套完整的量值传递和量值溯源的线路。 文中首先介绍了直流大电流计量标准装置的核心器件直流电流比例测差仪 的工作原理、应用范围和设计方法，从高精度的层面上详细了解了该仪器在计量中 能达到的性能和指标。接着建立了直流大电流计量标准装置自校系统的拓扑结构， 进行了详细的理论推导，结合仿真选择稳定的系统参数。另外，还深入研究了直流 大电流量值传递和量值溯源的问题，构建了
3、实验标准到工业现场标准的直流大电流 传递和溯源。最后，结合设计的自校系统拓扑结构和实验数据，进行了理论上的误 差和不确定分析。 本文所研究的直流大电流计量标准装置自校系统理论先进、电路结构简单、精 度高、测量方便、有实用性价值，有望真正成为我国直流大电流计量标准装置的自 校系统。该课题的研究成功，不仅在理论上超越了传统计量和自校的相关技术，而 且还有望提高我国直流大电流的计量精度和准确性。 关键字关键字：直流大电流 电流比较仪 自校系统 比例测差 误差 不确定度 II Abstract Heavy DC have a wide range applications in industrial
4、production and laboratory research, which measurement accuracy and reliability had tremendous affect on metallurgical, chemical and power industries. At present, Chinas heavy DC measurement and calibration system not only have limitations on the existence sensor principle and method, but also the pr
5、ecision, the accuracy and the uncertainty exists a serious shortage. Summing up the above, our countrys heavy DC measurement and calibration system can not compare with the advanced countries. Research on this paper, an approach based on the principle of magnetic modulated for the heavy DC measureme
6、nt standard devices self-calibration system. This paper originality is lies in a small current-based method measuring differential topology for the original self-calibration system, analysis and research of it measuring principle, the data selection and other thorny issues, from which can establish
7、the measurement standards of the self-calibration system, used to accomplish the self-calibration and mutual-calibration of the standards from the laboratory site to transmission and to industrial site. The article introduces the working principle, applications and design methods of the ratio error
8、measurement of heavy DC which is the core device of heavy DC measurement standards installation. Followed by the establishment of the heavy DC measurement standards device self-calibration systems topology, carried out a detailed theoretical analysis, choose the system parameters combined with stabl
9、e simulation. In addition, deeply study on the transitivity and traceability of the heavy DC measuring system. Finally, since the design of the school system and the experimental data, carried out a theoretical analysis of errors and uncertainties combine with the self-calibration systems topology a
10、nd experimental data. The heavy DC measurement devices self-calibration systems what this paper have studied has many advantages. We expected it truly become the standard measurement of heavy DC self-calibration system devices. The success of the research topic, not only in beyond related technologi
11、es self-calibration systems in theory, but also expected to improve the heavy DC measurement precision and accuracy. Key word: heavy DC current comparator self-calibration ratio error uncertainty I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出
12、贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。
13、 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的来源、目的、意义课题的来源、目的、意义 本研究课题是国家质检公益性行业科研专项项目，拥有国家质检总局科研基金 资助。项目名称：“直流大电流计量标准装置的研究”，项目编号 10-107。 直流大电流在工业生产和科研实验中有着较广泛的应用。铜、铝、锌、镁等冶 金生产企业和生产烧碱企业是国家的支柱性产业，同样也是耗电重点单位，它们的 年用电量可达到国家总用电量的十分之一，每天都有几千安乃至几十万安的大直流 流进电解仪器中，数目惊人。同时，伴随着我国直流输电技术的逐渐成熟和相关运 行管理经验的不断积累、输电设备（主要是指换流器）价格下降，另外，直流输电 有很多优点，
14、包括有功损耗下，调节速度快，运行可靠，造价低等因素，它在电力 系统中将会得到进一步的发展和应用 1。 就我国的电解工业而言，随着有色冶炼行业的飞速发展，大功率大电流是我国 电解技术的一个发展方向，是缩小我国铝工业生产技术同国际先进技术水平差距的 象征和标志。但是在该行业内众所周知，目前，由于测量技术手段和计量仪表跟不 上电解工艺进步技术的步伐，同时，国内不少企业并未将电解仪器的直流电计量摆 在应有的位置上。据分析，现行种种不科学的做法和计量习惯，是长期以来使用落 后大直流电计量技术造成的，是没有规范的、权威的和公认的计量标准取代它的必 然结果。据不完全统计，每年有 60 多亿千瓦时的电能得不到
15、合理利用或流失。由此 可见，对直流大电流的计量标准的建立和科学管理非常重要，不仅体现在经济层面 上，而且也代表着我国直流大电流计量技术的发展水平。 华中科技大学电气与电子工程学院大电流实验室在2007年度申请国家自然科学 基金，重点研究如何建立直流大电流节能监测计量标准装置，国家质检总局于 07 年 11 月审批通过，该项目还获得了国家质检公益性行业科研专项项目资助，对于统一 全国直流大电流值、减少企业不合理的电解工艺、节约能耗都有深远的意义1。 本项目实现直流大电流参考标准、传递标准、工作标准、测量传感器的节能监 测量传递体系的建立与示范。为了保证高精度的测量传递体系的精准度，有必要也 2
16、必须有更高精度的自校系统对其检定，因此本文重点探讨一种为直流大电流计量标 准装置进行自校的系统，从原理介绍到理论推导和误差分析，再到实验分析，总结 方法的优缺点，最后提出未来发展的展望。为统一高耗能企业直流大电流量值，促 使采用直流直接计量、考核电解能耗、节能、从国家层面上作好研究、开发、推广 的引领工作。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 直流电流比较仪是一种先进的直流匝比仪器，作为准确度( 6 101 7 101 )极高 的直流强电学量标准直流比较式或比较标准，它广泛地被应用于直流大电流的 精密测量，并作为各类直流比例仪器的校验器。 基于等安匝自校准的基础，近年来出现了电压比对法、电流对接法、小电流测 差法及调制电压法等多种直流电流的自校方法。以下简单介绍下各种测量方法的优 缺点2。 1、电压比对法 如图所示，
