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浅谈同轴分流器之电阻功率系数

 

一、 什么是电阻功率系数

电阻功率系数(Power Coefficient of Resistance,PCR):电阻每改变单位功率时,阻值的相对变化量。功率系数和温度系数(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)均反应了温度对电阻阻值的影响,不同的是,功率系数为电阻施加功率后,由于自热引起的阻值相对变化,而温度系数为环境温度

通过热传导引起阻值漂移的变化率。 

 

 

二、 功率系数对同轴分流器工作有什么影响

同轴分流器由于其优异的交直流差和相位移性能,使其广泛应用于计量实验室校准宽频电流源,包括带功率功能的设备如F厂商的61系列。但在实际应用中,计量人员经常会遇到以下几个问题:

1)校准时需往同轴分流器加载电流并达到热平衡后才可开始测量,而单次测量的典型热平衡时间在10分钟左右,通常的宽频功率源具有多个电流量程,因此完成整个设备的校准是一件非常费时的工作。

2)同一个分流器在加载不同电流时,由于发热量不一致,导致阻值发生变化,会引入由功率系数导致的不确定度分量。对于精度要求较高的应用场合,需要更换不同规格的分流器且对数据进行修正,会导致校准效率进一步下降。

 

 

三、 超低功率系数的同轴分流器对校准的优化

天恒测控深度分析同轴分流器使用中存在的上述问题,通过优化散热结构、选取超低温度系数的电阻元件、增加电阻数量等手段,研制了具有超低功率系数的TH0420参考级同轴分流器,并与原有的TH0400同轴分流器(与国际一线产品全面对标)进行了比对测试:在二种分流器上分别施加100A的标称直流电流,测量二者阻值随时间的变化,并绘制了同轴分流器阻值时漂曲线。如图1所示:

 

图1  典型同轴分流器施加电流后的阻值时漂曲线

 

1)初步结论

TH0420在1min时其电阻相对变化值优于5ppm,达到热平衡后的电阻相对变化也仅为8ppm,是TH0400的1/7。

TH0420测量建立时间仅需4min,而TH0400需至少11min。由此可见:功率系数越低的同轴分流器,测量建立时间(热平衡时间)越短,性能越优。

 

2)理论分析

功率系数越低,额外引入的测量不确定度越小,测量结果越准确。实际工作中,电阻因自热将引起阻值变化,并引入额外的测量不确定度δP,计算如下式所示:

注:Im为工作电流,In为标称电流

 

以标称电流In均为100 A的TH0400和TH0420为例,分别计算工作电流Im为90 A和60A时额外引入的测量不确定度δP,结果如表1所示:

 

 

表1  典型同轴分流器在不同工作电流下引入的测量不确定度δP

 

由表可知:1)工作电流Im越大,产生的自热量越大,δP越大;2)功率系数越低,δP越小,对测量结果干扰越小。实际工作中,应尽量选取低功率系数的同轴分流器。

 

 

四、 天恒TH0420参考级同轴分流器

 

 

 

 

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