论文部分内容阅读
摘 要：传统的罗氏线圈校准工作大多在实验室里完成，没有考虑到测量用的附属设施设备，而将罗氏线圈独立地进行校准，且72套罗氏线圈校准工作量比较大，效率比较低，测量不同步。鉴于此，设计了一种新型的72套罗氏线圈同时校准的方法，附属设施同时参与测量，提高了现场实际使用测量的准确性和可靠性，测量结果能够实时显示、存储并进行数据分析。测试表明，该方法可以对72套罗氏线圈及配套设施进行校准。
关键词：罗氏线圈;校准;同步
0 引言
随着城市发展，人们的用电需求量越来越大，而煤炭、石油等能源是不可再生的，还会对环境造成污染，所以人们亟需寻求一种新型的可再生的清洁能源。EAST是我国自主设计、研制的世界上第一个大型非圆截面、全超导托卡马克磁约束核聚变装置，它的最终目的是实现可控的核聚变反应并用于发电。大功率晶闸管变流器系统是核聚变装置的重要组成部分，向超导线圈供电，实现各种不同要求的等离子体位形和不同运行模式下等离子体的产生、加热平衡及控制。每套变流器系统有6个桥臂，每个桥臂由12支大功率晶闸管并联构成，共有72支大功率晶闸管。大功率晶闸管变流器出厂时，根据标准《半导体变流器 通用要求和电网换相变流器 第1-1部分：基本要求规范》（GB/T 3859.1—2013），需对变流器均流系数进行计算与分析，若均流系数不满足要求，会影响变流器的安全运行、损耗和整机效率。根据大功率变流器均流的测试经验，得出用罗氏线圈测量是最经济、有效、简单、安全、可靠的方法。为了保证每套罗氏线圈测量数据的准确性，需对每套罗氏线圈测量系统进行校准，保证均流系数的计算结果准确。
1 罗氏线圈传统的校准方法
1.1 校准方法
罗氏线圈传统的校准方法需要的设备仪器有：零磁通霍尔电流传感器、罗氏线圈及配套积分器、数字多用表、电流源。传统罗氏线圈校准的连接线路如图1所示，其中零磁通霍尔电流传感器和数字多用表是标准器具，经外部校准并确认合格，零磁通霍尔电流传感器准确度等级为0.3级，比例系数为K1（单位：A/V），电源是交流电源或脉冲直流电源，罗氏线圈及配套积分器准确度等级为2.0级，比例系数为K2（单位：A/V）。数字多用表1测量零磁通霍尔电流传感器输出电压V1，数字多用表2测量被校准罗氏线圈及配套积分器输出电压V2，根据公式（1）可计算回路电流I：
I=K1V1=K2V2（1）
1.2 校准程序
（1）通电前，检测人员检查校准时需要用到的仪器设备、现场温湿度环境。
（2）按照校准线路进行回路连接，安装零磁通霍尔电流传感器及被校准罗氏线圈。
（3）启动电源和仪器设备。
（4）一人操作电源输出电流进行测试，另一人拍照记录两个数字多用表同时测得的电压，根据公式（1）可以求得零磁通霍尔电流传感器测量的回路电流I1和罗氏线圈测量的回路电流I2，若I2误差在允许范围内，则按照约定的电流值进行校准。
假设每套罗氏线圈及配套积分器校准3个点（1 000 A、2 000 A、3 000 A），则72套罗氏线圈需要调试电流源216次，拍照216次，并记录和及时计算出电流，查看罗氏线圈测量结果是否准确，对于不准确的罗氏线圈，最后统一进行调试。传统的罗氏线圈校准方法十分烦琐，工作量非常大，检测人员易疲劳，计算出错。
2 罗氏线圈新型的校准方法
2.1 校准方法
罗氏线圈新型的校准方法是72套罗氏线圈同时校准，附属设施（模拟量隔离机箱、航空插头接口、数据采集系统信号转换机箱）及传输信号线同时参与测量，校准实际使用时测量的准确性和可靠性，实时显示并存储校准结果，自动进行数据计算。需要用到的仪器设备有：零磁通霍尔电流传感器、罗氏线圈测量系统、电源、多通道高精度数据采集系统，其中零磁通霍尔电流传感器和多通道高精度数据采集系统经外部校准并确认合格，作为标准器具使用。零磁通霍尔电流传感器准确度等级为0.3级，比例系数为K1（单位：A/V）;罗氏线圈测量系统准确度等级为2.0级，比例系数为K2，…，Kn（单位：A/V），电源是交流电源或脉冲直流电源;多通道高精度数据采集系统有96个采集通道，且每个通道相互独立，准确度等级为0.2级。把零磁通霍尔电流传感器和72套罗氏线圈测量系统的比例系数分别设置于不同的通道，通电结束可以直接读取每个通道测量的电流值I。新型罗氏线圈校准的连接线路如图2所示。
2.2 校准程序
（1）通电前，检查需要用到的仪器设备状态、现场温湿度环境。
（2）检测人员按照校准线路图连接主回路，安装零磁通霍尔电流传感器以及72套被校准罗氏线圈，并连接测量回路。
（3）启动仪器设备及附属设备，设置数据采集系统，根据校准要求设置通道的名称、采集模式（单端或者差分）、采集范围、比例系数（传感器的变比）、采样率等。
（4）点击数据采集系统开始采集，检查零点是否有故障罗氏线圈或线路，无故障点击结束。
（5）启动电源，按照约定的电流值输出电流，一人操作电源，另一人点击数据采集系统开始采集。罗氏线圈及配套积分器校准3个点，交流有效值（1 000 A、2 000 A、3 000 A），则需要调节电源3次，数据采集系统点击采集3次，自动记录每次采集的波形并计算测量结果。
（6）最后对不准确的罗氏线圈测量系统统一进行调试，校准完成。
2.3 校准波形及计算
因波形比较多，现提供1～12罗氏线圈测量系统3 000 A测量波形和计算结果，分别如图3、图4所示。
2.4 新型校准方法的优点
（1）该方法实现了72套罗氏线圈测量系统校准和信号采集的同步，提高了校准效率，缩短了校准时间。
（2）该方法校准时自动记录波形，波形保存在数据采集系统的硬盘里，可以随时调取查看，存储、溯源方便，且自动计算测量结果，减少了人为误差，保证了准确度。
（3）该方法实现了罗氏线圈积分器及配套隔离电路转换接口一起校准，减少了对隔离电路、转换接口机箱的单独校准，降低了校准成本，符合现场实际使用情况，提高了罗氏线圈实际使用的准确性和可靠性。
3 结语
综上所述，利用多通道高精度数据采集系统可以实现对72套罗氏线圈同时校准，校准成本低，效率高，同步性好，准确度高，存储溯源方便。
[参考文献]
[1] 李亚，李庆媛，王林森.PF变流器均流系数不确定度的评定[J].计量与测试技术，2019，46（12）：103-105.
[2] 李亞，王林森，李庆媛.电流传感器在直流测试平台的应用[J].仪表技术，2019（5）：45-48.
收稿日期：2021-04-21
作者简介：李亚（1989—），男，安徽涡阳人，工程师，研究方向：仪器仪表及传感器使用开发。
关键词：罗氏线圈;校准;同步
0 引言
随着城市发展，人们的用电需求量越来越大，而煤炭、石油等能源是不可再生的，还会对环境造成污染，所以人们亟需寻求一种新型的可再生的清洁能源。EAST是我国自主设计、研制的世界上第一个大型非圆截面、全超导托卡马克磁约束核聚变装置，它的最终目的是实现可控的核聚变反应并用于发电。大功率晶闸管变流器系统是核聚变装置的重要组成部分，向超导线圈供电，实现各种不同要求的等离子体位形和不同运行模式下等离子体的产生、加热平衡及控制。每套变流器系统有6个桥臂，每个桥臂由12支大功率晶闸管并联构成，共有72支大功率晶闸管。大功率晶闸管变流器出厂时，根据标准《半导体变流器 通用要求和电网换相变流器 第1-1部分：基本要求规范》（GB/T 3859.1—2013），需对变流器均流系数进行计算与分析，若均流系数不满足要求，会影响变流器的安全运行、损耗和整机效率。根据大功率变流器均流的测试经验，得出用罗氏线圈测量是最经济、有效、简单、安全、可靠的方法。为了保证每套罗氏线圈测量数据的准确性，需对每套罗氏线圈测量系统进行校准，保证均流系数的计算结果准确。
1 罗氏线圈传统的校准方法
1.1 校准方法
罗氏线圈传统的校准方法需要的设备仪器有：零磁通霍尔电流传感器、罗氏线圈及配套积分器、数字多用表、电流源。传统罗氏线圈校准的连接线路如图1所示，其中零磁通霍尔电流传感器和数字多用表是标准器具，经外部校准并确认合格，零磁通霍尔电流传感器准确度等级为0.3级，比例系数为K1（单位：A/V），电源是交流电源或脉冲直流电源，罗氏线圈及配套积分器准确度等级为2.0级，比例系数为K2（单位：A/V）。数字多用表1测量零磁通霍尔电流传感器输出电压V1，数字多用表2测量被校准罗氏线圈及配套积分器输出电压V2，根据公式（1）可计算回路电流I：
I=K1V1=K2V2（1）
1.2 校准程序
（1）通电前，检测人员检查校准时需要用到的仪器设备、现场温湿度环境。
（2）按照校准线路进行回路连接，安装零磁通霍尔电流传感器及被校准罗氏线圈。
（3）启动电源和仪器设备。
（4）一人操作电源输出电流进行测试，另一人拍照记录两个数字多用表同时测得的电压，根据公式（1）可以求得零磁通霍尔电流传感器测量的回路电流I1和罗氏线圈测量的回路电流I2，若I2误差在允许范围内，则按照约定的电流值进行校准。
假设每套罗氏线圈及配套积分器校准3个点（1 000 A、2 000 A、3 000 A），则72套罗氏线圈需要调试电流源216次，拍照216次，并记录和及时计算出电流，查看罗氏线圈测量结果是否准确，对于不准确的罗氏线圈，最后统一进行调试。传统的罗氏线圈校准方法十分烦琐，工作量非常大，检测人员易疲劳，计算出错。
2 罗氏线圈新型的校准方法
2.1 校准方法
罗氏线圈新型的校准方法是72套罗氏线圈同时校准，附属设施（模拟量隔离机箱、航空插头接口、数据采集系统信号转换机箱）及传输信号线同时参与测量，校准实际使用时测量的准确性和可靠性，实时显示并存储校准结果，自动进行数据计算。需要用到的仪器设备有：零磁通霍尔电流传感器、罗氏线圈测量系统、电源、多通道高精度数据采集系统，其中零磁通霍尔电流传感器和多通道高精度数据采集系统经外部校准并确认合格，作为标准器具使用。零磁通霍尔电流传感器准确度等级为0.3级，比例系数为K1（单位：A/V）;罗氏线圈测量系统准确度等级为2.0级，比例系数为K2，…，Kn（单位：A/V），电源是交流电源或脉冲直流电源;多通道高精度数据采集系统有96个采集通道，且每个通道相互独立，准确度等级为0.2级。把零磁通霍尔电流传感器和72套罗氏线圈测量系统的比例系数分别设置于不同的通道，通电结束可以直接读取每个通道测量的电流值I。新型罗氏线圈校准的连接线路如图2所示。
2.2 校准程序
（1）通电前，检查需要用到的仪器设备状态、现场温湿度环境。
（2）检测人员按照校准线路图连接主回路，安装零磁通霍尔电流传感器以及72套被校准罗氏线圈，并连接测量回路。
（3）启动仪器设备及附属设备，设置数据采集系统，根据校准要求设置通道的名称、采集模式（单端或者差分）、采集范围、比例系数（传感器的变比）、采样率等。
（4）点击数据采集系统开始采集，检查零点是否有故障罗氏线圈或线路，无故障点击结束。
（5）启动电源，按照约定的电流值输出电流，一人操作电源，另一人点击数据采集系统开始采集。罗氏线圈及配套积分器校准3个点，交流有效值（1 000 A、2 000 A、3 000 A），则需要调节电源3次，数据采集系统点击采集3次，自动记录每次采集的波形并计算测量结果。
（6）最后对不准确的罗氏线圈测量系统统一进行调试，校准完成。
2.3 校准波形及计算
因波形比较多，现提供1～12罗氏线圈测量系统3 000 A测量波形和计算结果，分别如图3、图4所示。
2.4 新型校准方法的优点
（1）该方法实现了72套罗氏线圈测量系统校准和信号采集的同步，提高了校准效率，缩短了校准时间。
（2）该方法校准时自动记录波形，波形保存在数据采集系统的硬盘里，可以随时调取查看，存储、溯源方便，且自动计算测量结果，减少了人为误差，保证了准确度。
（3）该方法实现了罗氏线圈积分器及配套隔离电路转换接口一起校准，减少了对隔离电路、转换接口机箱的单独校准，降低了校准成本，符合现场实际使用情况，提高了罗氏线圈实际使用的准确性和可靠性。
3 结语
综上所述，利用多通道高精度数据采集系统可以实现对72套罗氏线圈同时校准，校准成本低，效率高，同步性好，准确度高，存储溯源方便。
[参考文献]
[1] 李亚，李庆媛，王林森.PF变流器均流系数不确定度的评定[J].计量与测试技术，2019，46（12）：103-105.
[2] 李亞，王林森，李庆媛.电流传感器在直流测试平台的应用[J].仪表技术，2019（5）：45-48.
收稿日期：2021-04-21
作者简介：李亚（1989—），男，安徽涡阳人，工程师，研究方向：仪器仪表及传感器使用开发。