探討影響測量儀器功率測量精度的關鍵因素

隨著能效成為政府、行業(yè)和市場考慮的一個重要因素，工程師們千方百計地希望通過降低功耗和減少損耗來優(yōu)化產(chǎn)品效率。因此，精確測量功率成為從設計到生產(chǎn)再到現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量控制的重要措施。

本文介紹了影響功率測量精度的關鍵因素，以及這些因素對測量儀器的選擇會產(chǎn)生怎樣的影響。

1.不只是電壓和電流不確定性

為了精確分析功耗，測量不只是了解電壓或電流的不確定性，而是必須將功率的不確定性作為一個整體加以考慮。振幅因數(shù)、相位角誤差、溫度范圍、預熱時間、穩(wěn)定周期和共模抑制等參數(shù)都會影響功率測量的總體精度，應該加以規(guī)范并作出解釋。

2．精度的有效性

功率測量儀器制造商在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊上填寫的“典型值”通?；诋a(chǎn)品 最佳案例期望值。這些數(shù)據(jù)并不是100%有保證，在沒有校準的情況下更是如此。此外，功率測量的精度還會根據(jù)測量范圍有所變化。因此，任何規(guī)定的精度值都應該有相應的有效范圍，否則用戶就無法判斷這些精度值是在測量范圍的一個點、一些點還是在整個范圍內(nèi)有效。一些儀器的“典型值”很吸引人，但要特別小心，因為它們的精度可能沒有標明的那么高。

3．儀器的振幅因數(shù)

一個波形的振幅因數(shù)是指其峰值除以其均方根(RMS)值，因此一個完美正弦波的振幅因數(shù)是√2或1.414。失真波形，特別是在開關型電源中，可能有非常大的振幅因數(shù)，因此功率測量儀器要能精確地處理具有高振幅因數(shù)的波形。支持峰值范圍的功率測量儀器一般都規(guī)定最大振幅因數(shù)是20，支持RMS范圍的儀器規(guī)范則不同。舉例來說，如果在RMS類型儀器上選擇振幅因數(shù)為3， 就意味著這臺儀器在RMS輸入是滿刻度時能夠處理這個振幅因數(shù)。因此如果輸入的精度低至測量范圍的1%，儀器就能處理300的振幅因數(shù)，在選擇6的振幅因數(shù)時甚至可以處理600的振幅因數(shù)。工程師在比較儀器時應該明白這一點，因為這意味著儀器能以多高的精度測量一個信號，以及在規(guī)定范圍內(nèi)信號失真度是多少。

4．測量范圍—峰值或RMS？

根據(jù)上述觀點，儀器的規(guī)定精度只在規(guī)定范圍內(nèi)才有效。如果在不同的儀器中規(guī)定的范圍不同會怎樣呢？當一臺儀器的測量范圍是由峰值而不是由RMS來指定時，人們的印象要深刻得多。但是，當振幅因數(shù)為3時，峰值測量范圍0.1%的精度可能相當于RMS測量范圍的0.3%。因此0.1%峰值范圍誤差對整體測量誤差的影響要比0.1%RMS測量范圍誤差糟糕得多。在計算有功功率時，電壓、電流、功率因數(shù)和更高的振幅因數(shù)相乘將使這種影響更加明顯。

5．諧波的影響

在諧波測量中規(guī)定精確度也十分重要。電源波形的諧振分量可能導致多種不良影響，如電容損耗，電機過度振動，無負載條件下變壓器損耗，更高頻率時導體內(nèi)熱量損失，電子斷路器在設計電平點沒有響應時熔絲提前熔斷等，因此工程師應有能力檢測諧波并評估它們對應用中元件、系統(tǒng)和子系統(tǒng)的影響。高精度儀器可以測量高達500階的諧波。

6．過零檢測

為了獲得精確的功率測量值，有必要使用功率分析儀精確地檢測電流或電壓波形的過零點。只有經(jīng)過輸入信號的多個完整周期得到的平均功率測量結(jié)果才是穩(wěn)定的。如果不利用精確的過零檢測來精確地判定每個周期的起點和終點，結(jié)果將會不一致，并且不可重復。

7．相位誤差

每臺功率計都有相位誤差，這是由輸入阻抗引起的。阻抗的存在意味著饋入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓和電流輸入會進一步引起異相，從而導致相位誤差。純正弦波形可用下面的有功功率公式表示：

P=VRMS.RMS.cos(φ+δ)

其中δ是相位誤差，見圖1。

圖1：測量過程中相位誤差的影響

雖然這不影響RMS電壓或電流或表觀功率的測量，卻會影響有功功率的測量，從而影響功率因數(shù)的測量。相位漂移應該由功率分析儀的制造商加以規(guī)定，以解釋可能影響相位角誤差或其它測量誤差的所有邊界條件。

8．電流傳感器

電流傳感器作為功率測量儀器的附件或擴展部件經(jīng)常被用到，這意味著傳感器的誤差/不確定性將與電壓輸入和分流器的不確定性疊加，因此所選傳感器的幅度和相位不確定性要與高精度功率分析儀相匹配，這非常重要。

市場上有許多不同類型的電流傳感器，高精度功率測量最常用的是零磁通傳感器。霍爾效應傳感器會隨著時間的推移而逐漸飽和，羅戈夫斯基線圈傳感器精度較低。零磁通傳感器可以提供更高的精度，還能同時測量直流和交流信號，這很重要，因為交流應用中也會有直流分量。

9．共模抑制比(CMRR)

CMR R 可衡量一臺儀器對輸入信號有害干擾電壓進行抑制的能力，這樣的輸入信號常見于電壓輸入的兩個端子。當兩個輸入端彼此連接在一起并以器件接地作為基準時，理想情況下對測量結(jié)果應該沒有影響。然而，漏電流會使噪聲疊加到測量信號上，繼而導致測量誤差，因此考慮這種誤差及其不確定性很重要。比如在逆變器應用遇到高壓電位且高頻元件接地時，CMRR及與其相關的誤差將變成一個重要因素。

10．溫度的影響

電路在不同溫度時會有不同的表現(xiàn)， 因此一個溫度系數(shù)只解釋關聯(lián)的溫度產(chǎn)生的影響。儀器的溫度范圍越寬越好。舉例來說，溫度范圍指標為23℃±5℃的儀器承受溫度變化的能力高于23℃±2℃的儀器(比如在發(fā)熱測量環(huán)境中)。與那些溫度范圍小、在溫度范圍之外性能無法保證的儀器不同，具有較寬溫度范圍的儀器不需要昂貴的冷卻解決方案。

+1.校準和調(diào)整

然而，沒有測量是永遠“正確的”。 在測量值和對應的“真實”值之間總 是存在一個未知的、有限的非零差值。換句話說，用戶永遠不能100%確保儀器工作在規(guī)定的容限范圍之內(nèi)。一種普遍接受的方法是定期完成符合標準的校準，通過將儀器性能與已知的精度標準相比較，獲得對測量系統(tǒng)的信心。同時也建議不僅要校準測量儀器，還要校準一些擴展測量裝置， 包括傳感器、電纜、分流器和作為測試平臺一部分的其它器件。

只在50～60Hz的頻率范圍內(nèi)校準是不夠的。開關電源、電子照明設備用鎮(zhèn)流器、電機控制系統(tǒng)中的軟啟動器以及牽引應用中的頻率轉(zhuǎn)換器等應用是在較高的頻率下消耗功率的。大多數(shù)校準裝置不會在遠高于60Hz或遠低于100kHz的頻率點進行校準，并且如果功率校準不符合ISO17025，就無法保證獲得ISO9001證書的測量是正確的。

根據(jù)使用年限和質(zhì)量好壞，一臺測量儀器的性能可能由于溫度、濕度、氧化作用、負載等原因而發(fā)生改變，因此需要進行“調(diào)整”來恢復正常。與只在嚴重損壞進行修理時才需要調(diào)整的儀器相比，需要頻繁調(diào)整的儀器是不可靠的。

作者：Anoop Gangadharan，Yokogawa公司
編輯：hfy