探討影響測(cè)量儀器功率測(cè)量精度的關(guān)鍵因素

隨著能效成為政府、行業(yè)和市場考慮的一個(gè)重要因素，工程師們千方百計(jì)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(cè)量功率成為從設(shè)計(jì)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(cè)量精度的關(guān)鍵因素，以及這些因素對(duì)測(cè)量儀器的選擇會(huì)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(cè)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(gè)整體加以考慮。振幅因數(shù)、相位角誤差、溫度范圍、預(yù)熱時(shí)間、穩(wěn)定周期和共模抑制等參數(shù)都會(huì)影響功率測(cè)量的總體精度，應(yīng)該加以規(guī)范并作出解釋。

2．精度的有效性

功率測(cè)量儀器制造商在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)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(zhǔn)的情況下更是如此。此外，功率測(cè)量的精度還會(huì)根據(jù)測(cè)量范圍有所變化。因此，任何規(guī)定的精度值都應(yīng)該有相應(yīng)的有效范圍，否則用戶就無法判斷這些精度值是在測(cè)量范圍的一個(gè)點(diǎn)、一些點(diǎn)還是在整個(gè)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?yàn)樗鼈兊木瓤赡軟]有標(biāo)明的那么高。

3．儀器的振幅因數(shù)

一個(gè)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(gè)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(guān)型電源中，可能有非常大的振幅因數(shù)，因此功率測(cè)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(cè)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(tái)儀器在RMS輸入是滿刻度時(shí)能夠處理這個(gè)振幅因數(shù)。因此如果輸入的精度低至測(cè)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(shí)甚至可以處理600的振幅因數(shù)。工程師在比較儀器時(shí)應(yīng)該明白這一點(diǎn)，因?yàn)檫@意味著儀器能以多高的精度測(cè)量一個(gè)信號(hào)，以及在規(guī)定范圍內(nèi)信號(hào)失真度是多少。

4．測(cè)量范圍—峰值或RMS？

根據(jù)上述觀點(diǎn)，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(huì)怎樣呢？當(dāng)一臺(tái)儀器的測(cè)量范圍是由峰值而不是由RMS來指定時(shí)，人們的印象要深刻得多。但是，當(dāng)振幅因數(shù)為3時(shí)，峰值測(cè)量范圍0.1%的精度可能相當(dāng)于RMS測(cè)量范圍的0.3%。因此0.1%峰值范圍誤差對(duì)整體測(cè)量誤差的影響要比0.1%RMS測(cè)量范圍誤差糟糕得多。在計(jì)算有功功率時(shí)，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(cè)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(dǎo)致多種不良影響，如電容損耗，電機(jī)過度振動(dòng)，無負(fù)載條件下變壓器損耗，更高頻率時(shí)導(dǎo)體內(nèi)熱量損失，電子斷路器在設(shè)計(jì)電平點(diǎn)沒有響應(yīng)時(shí)熔絲提前熔斷等，因此工程師應(yīng)有能力檢測(cè)諧波并評(píng)估它們對(duì)應(yīng)用中元件、系統(tǒng)和子系統(tǒng)的影響。高精度儀器可以測(cè)量高達(dá)500階的諧波。

6．過零檢測(cè)

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

7．相位誤差

每臺(tái)功率計(jì)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(huì)進(jìn)一步引起異相，從而導(dǎo)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(cè)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(cè)量，卻會(huì)影響有功功率的測(cè)量，從而影響功率因數(shù)的測(cè)量。相位漂移應(yīng)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(cè)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(cè)量儀器的附件或擴(kuò)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(cè)量最常用的是零磁通傳感器?；魻栃?yīng)傳感器會(huì)隨著時(shí)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(shí)測(cè)量直流和交流信號(hào)，這很重要，因?yàn)榻涣鲬?yīng)用中也會(huì)有直流分量。

9．共模抑制比(CMRR)

CMR R 可衡量一臺(tái)儀器對(duì)輸入信號(hào)有害干擾電壓進(jìn)行抑制的能力，這樣的輸入信號(hào)常見于電壓輸入的兩個(gè)端子。當(dāng)兩個(gè)輸入端彼此連接在一起并以器件接地作為基準(zhǔn)時(shí)，理想情況下對(duì)測(cè)量結(jié)果應(yīng)該沒有影響。然而，漏電流會(huì)使噪聲疊加到測(cè)量信號(hào)上，繼而導(dǎo)致測(cè)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(yīng)用遇到高壓電位且高頻元件接地時(shí)，CMRR及與其相關(guān)的誤差將變成一個(gè)重要因素。

10．溫度的影響

電路在不同溫度時(shí)會(huì)有不同的表現(xiàn)， 因此一個(gè)溫度系數(shù)只解釋關(guān)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(biāo)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(cè)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(zhǔn)和調(diào)整

然而，沒有測(cè)量是永遠(yuǎn)“正確的”。 在測(cè)量值和對(duì)應(yīng)的“真實(shí)”值之間總 是存在一個(gè)未知的、有限的非零差值。換句話說，用戶永遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)，通過將儀器性能與已知的精度標(biāo)準(zhǔn)相比較，獲得對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的信心。同時(shí)也建議不僅要校準(zhǔn)測(cè)量儀器，還要校準(zhǔn)一些擴(kuò)展測(cè)量裝置， 包括傳感器、電纜、分流器和作為測(cè)試平臺(tái)一部分的其它器件。

只在50～60Hz的頻率范圍內(nèi)校準(zhǔn)是不夠的。開關(guān)電源、電子照明設(shè)備用鎮(zhèn)流器、電機(jī)控制系統(tǒng)中的軟啟動(dòng)器以及牽引應(yīng)用中的頻率轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用是在較高的頻率下消耗功率的。大多數(shù)校準(zhǔn)裝置不會(huì)在遠(yuǎn)高于60Hz或遠(yuǎn)低于100kHz的頻率點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且如果功率校準(zhǔn)不符合ISO17025，就無法保證獲得ISO9001證書的測(cè)量是正確的。

根據(jù)使用年限和質(zhì)量好壞，一臺(tái)測(cè)量儀器的性能可能由于溫度、濕度、氧化作用、負(fù)載等原因而發(fā)生改變，因此需要進(jìn)行“調(diào)整”來恢復(fù)正常。與只在嚴(yán)重?fù)p壞進(jìn)行修理時(shí)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