焦耳天平两种互感测量技术比较研究

摘要

国际单位制7个基本单位中唯有质量单位Kg仍由实物基准复现,为了实现它的量子化,多种方案正在探索研究,如“功率天平”方案、“硅球”方案与“焦耳天平”方案等,其中“焦耳天平”方案是由中国计量科学研究院(NIM)提出。互感量值的精确测量是“焦耳天平”方案中关键技术之一,NIM先后提出了“低频交流外推法”与“标准方波补偿法”来实现互感量值的精确测量,测量不确定度均可达到10-7量级。为进一步验证“标准方波补偿法”互感测量技术的测量不确定度可以达到10-7量级且测量准确度可达到10-6量级(通过两种技术的一致性来验证),提出了本文——焦耳天平两种互感测量技术比较研究。
　　本文对互感精密测量技术的发展和成果进行了梳理,深入研究了“焦耳天平”方案中最新提出的两种互感测量技术及相关的测量系统,发现原“标准方波补偿法”互感测量系统中电压比例系数近似计算和“模拟开关”非理想性对互感测量影响程度没有得到有效的评估和改进;原“低频交流外推法”互感测量系统中运算放大器与缓冲器的偏置电流导致互感线圈与采样电阻中电流不一致引入的测量误差也没有得到有效的评估和改进。
　　在本文研制的实现“标准方波补偿法”模拟开关互感测量系统中,采用嵌入到互感测量程序中的数据处理程度直接计算电压比例系数,以避免近似计算带来的误差。以上述系统中模拟开关电路为研究对象,采用结点电压法对其等效电路进行理论分析,得出了“模拟开关”非理想性对互感测量影响的理论模型;以“标准方波补偿法”为理论基础,研制了全DAC互感测量系统以从实验上评估“模拟开关”非理想性对互感测量的影响程度。在实现“低频交流外推法”互感测量系统中设计新的测量电路来减小互感线圈与采样电阻上电流不一致引入的误差,另外设计了直流幅值可调电压源以方便电压调节。
　　以中国计量科学研究院340mH互感器为测量对象,测得“标准方波补偿法”模拟开关互感测量系统测量不确定度达到4.1×10-7量级、全DAC互感测量系统测量不确定度达到5×10-7量级,对这两套系统采用对称观察法评估出模拟开关对互感测量的影响程度在4.1×10-7量级。测得“低频交流外推法”互感测量系统的测量不确定度达到3.7×10-6量级,同样采用对称观察法比较该系统与模拟开关互感测量系统,得出两种互感测量技术的一致性在1.2×10-6量级。
　　综上可知,通过本文再次验证了“标准方波补偿法”互感测量技术的测量不确定度可达到10-7量级,且测量准确性可达10-6量级。

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表清单

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3 研究内容与技术路线

2 焦耳天平互感测量技术研究

2.1 互感产生原理与寄生参数模型

2.2 “标准方波补偿法”测量技术研究

2.3 模拟开关非理想性及DAC性能研究

2.4 “低频交流外推法”测量技术研究

2.5 不确定度理论研究

2.6 本章小结

3 标准方波补偿互感测量系统研制

3.1 模拟开关互感测量系统研制

3.2 全DAC互感测量系统研制

3.3 本章小结

4 低频交流外推互感测量系统研制

4.1 测量信号的产生

4.2 直流参考电压源的研制及测量

4.3 实验装置

4.4 本章小结

5系统测量与比较研究

5.1 模拟开关互感测量系统测量与不确定度分析

5.2 全DAC互感测量系统测量与不确定度分析

5.3 低频交流外推互感测量系统测量与不确定度分析

5.4 不同系统测量结果比较研究

5.5 本章小结

6 本文总结与展望

6.1 本文总结

6.2 存在的问题和展望

参考文献

作者简历