章曉明

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214101)

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精密焊接電流測量儀的校準(zhǔn)方法研究和測量結(jié)果不確定度分析

章曉明

(無錫市計量檢定測試中心，無錫 214101)

本文介紹了精密焊接電流測量儀脈沖式大電流測量值的校準(zhǔn)方法，設(shè)計了對稱軸固定邊沿脈寬可調(diào)的脈沖產(chǎn)生電路及校準(zhǔn)精密焊接電流測量儀通電角的方法，并將電流的校準(zhǔn)不確定度和通電角的校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行了分析計算。

精密焊接；脈沖大電流；通電角

0 引言

精密焊接電流測量儀是一種瞬態(tài)大電流計量儀器，它能對焊接電流的峰值、有效值、通電角和通電周期數(shù)等進(jìn)行測量。精密焊接的特點(diǎn)是電流強(qiáng)度控制要求高，焊接電流高達(dá)幾千安且持續(xù)時間僅1000ms左右，電流在10ms時間內(nèi)就要達(dá)到極值。為了控制焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率，需要用精密焊接電流測量儀對焊接電流的特性進(jìn)行精確測量。對于這種特殊電流測量儀器的校準(zhǔn)，現(xiàn)有的技術(shù)法規(guī)不適用，需要研究一種新的校準(zhǔn)方法。

1 精密焊接電流測量儀原理

精密焊接電流測量儀是基于羅科夫斯基線圈，簡稱羅氏線圈(見圖1)脈沖電流測量原理的電流測量儀器，它的基本工作原理如下：

圖1 羅氏線圈示意圖

根據(jù)安培環(huán)路定律：

∮lHdl=i(t)

即：2prH=i(t)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律：

式中，N為線圈匝數(shù)，匝；S為線圈截面積，m2；μ為導(dǎo)磁率，H/m；r為線圈半徑，m；H為磁場強(qiáng)度，A/m；Φ為磁通量，Wb；i(t)為所要測量的電流，A；e(t)為線圈中感應(yīng)的電動勢，V；M為互感值，H。

所以，只要對e(t)積分，即能得到與被測電流成比例的電壓：

羅氏線圈的特點(diǎn)是不含鐵磁性材料，因此，無磁滯效應(yīng)，無磁飽和現(xiàn)象，相位誤差小，結(jié)構(gòu)簡單，與被測電流回路沒有直接的電路聯(lián)系；具有測量范圍寬、響應(yīng)頻帶寬、體積小、重量輕和安全等特點(diǎn)。

2 通電角測量值校準(zhǔn)

2.1 通電角校準(zhǔn)方法

精密焊接電流的典型波形是一串持續(xù)時間1000ms左右、頻率為50Hz的鐘形電流脈沖序列，對于不同被焊接器件，脈沖形狀會有所變化。典型波形如圖2所示：

圖2為一個周期的焊接電流波形，由于焊接材料間壓力情況的不同，導(dǎo)致焊接材料間接觸電阻的不同，從而影響電流的通電角度，而通電角度是影響焊點(diǎn)質(zhì)量的重要因素。

圖2 有效值相同的A、B兩組焊接波形

電流一個周期內(nèi)的數(shù)學(xué)解析式如下：

當(dāng)相位角β=0→(p /2-θ/2);β=(p /2+θ/2)→(3p /2-θ/2);β=(3p /2+θ/2)→2p 時，電流i(t)=0；

其中θ為通電角,T為電流周期。

為了校準(zhǔn)精密焊接測量儀的通電角，就要有通電角可調(diào)且角度已知的標(biāo)準(zhǔn)電流脈沖。圖3是對稱軸不變，通電角可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)通電角電流發(fā)生器方框圖：

圖3 通電角可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)通電角電流發(fā)生器方框圖

圖3中脈沖寬度電路事實(shí)上是一個對稱軸不變，通電角可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)通電角電流產(chǎn)生電路，電路圖如圖4所示：

圖4 對稱軸固定邊沿脈寬可調(diào)的脈沖產(chǎn)生電路

圖4中左邊是通電時間選擇電路，中間是波形切割電路，右邊是功率放大器。

設(shè)TC1輸出電壓為幅度為10V的正弦波，當(dāng)導(dǎo)通角是30°時，即θ等于30°，波形轉(zhuǎn)折點(diǎn)是p /2-θ/2=75°，此時TC1的輸出電壓：u1=10Vsin75°=9.66V。

當(dāng)導(dǎo)通角是60°時，波形轉(zhuǎn)折點(diǎn)是p /2-θ/2=60°，此時u1=10Vsin60°=8.66V。

當(dāng)導(dǎo)通角是90°時，波形轉(zhuǎn)折點(diǎn)是p /2-θ/2=45°，此時u1=10Vsin45°=7.07V。

當(dāng)導(dǎo)通角是120°時，波形轉(zhuǎn)折點(diǎn)是p /2-θ/2=30°，此時u1=10Vsin30°=5V。

當(dāng)導(dǎo)通角是150°時，波形轉(zhuǎn)折點(diǎn)是p /2-θ/2=15°，此時u1=10Vsin15°=2.59V。

適當(dāng)選擇穩(wěn)壓管就能選擇通電時間。

通過過零比較和電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)正弦波的切割。切割后的波形通過功率放大，就能直接使用了。

上述波形也可以用任意波形函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)生，輸入數(shù)學(xué)解析式，信號發(fā)生器就能獲得實(shí)際的電壓輸出波形，再接入功率放大器，信號就能使用了。

功率放大器輸出的信號可以達(dá)到10A，那么100匝的空心線圈就達(dá)到1000A，已經(jīng)可以模擬焊接電流。不過這個模擬焊接電流的通電時間并不用作標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)時間是用示波器來溯源的。

用tektronix公司生產(chǎn)的示波器電流探頭TCP202A測量電流脈沖寬度，該探頭最高頻率達(dá)50MHz，時間測量精度優(yōu)于1.0%，調(diào)節(jié)電流脈沖的不同通電角度，讀出焊接電流測量儀的通電角測量示值，通過以下計算就能得到焊接電流測量儀的通電角測量誤差。

設(shè)脈寬調(diào)整電路電流通電角為120°，輸入電源50Hz，T=20ms。曲線如圖(5)所示：

即θ=120°=(2/3)p

圖5 1周期內(nèi)的焊接電流波形圖

當(dāng)相位2p (1/T)t=p /2-θ/2時，開始通電，此時t=(p /2-p /3)T/(2p )=T/12=1.67ms

當(dāng)相位2p (1/T)t=p /2+θ/2時，開始斷電，此時t=(p /2+p /3)T/(2p )=5T/12=8.33ms

即通電角設(shè)定為120°，正半周焊接時間為:8.33-1.67=6.67ms。

負(fù)半周同理。

2.2 通電角測量的不確定度分析

將精密焊接電流測量儀的通電角測得值與作為標(biāo)準(zhǔn)器的示波器通電角測得值進(jìn)行比較即可得到通電角的測量誤差：

y=θ-θ0

(1)

式中，θ為精密焊接電流測量儀測得的通電角；θ0為示波器測得的通電角。

方差和傳播系數(shù)，依照公式：

由式(1)得方差：

因傳播系數(shù)：c(θ)=?y/?θ=1；c(θ0)=?y/?θ0=-1，故：

2.2.1 測量重復(fù)性引入的不確定度u(θ)

焊接電流測量儀測得的通電角引起的不確定度，在測量過程中，只有重復(fù)性誤差才是它的表現(xiàn)形式。測量重復(fù)性可以發(fā)現(xiàn)測量過程中環(huán)境因素、人為操作所引起的誤差分量。用焊接電流測量儀的每次測得值減去示波器的測得值，用10次差值計算標(biāo)準(zhǔn)偏差就可得焊接電流測量儀的通電角測量重復(fù)性，測得數(shù)據(jù)如表1所示：

表1

次數(shù)12345678910示波器測量值(°)120128121127127119122122124130監(jiān)測儀測量值(°)123124125124122122118119119125差值(°)3-44-3-53-4-3-5-5

表1中，示波器測得值(°)=[示波器示值(ms)/10ms]×180°。從表1可以看出焊接電流測量儀的最大誤差為-5°，差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

焊接電流測量儀通電角測量重復(fù)性帶來的不確定度就是差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

u(θ)=s=3.70°

自由度為ν(θ)=10-1=9

2.2.2 示波器時間測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(θ0)

示波器時間測量誤差為1.0%，則在10ms即120°時的誤差為：

(120/180)×10×0.01/10×180=1.2°

自由度為：ν(θ0)=∞

忽略其它因數(shù)的影響，以上二項相互獨(dú)立，合成得：

uc(y)=3.76°

自由度為：

=3.704/{3.704/9+0.044/∞}=9

取置信水準(zhǔn)p=95%，在自由度νeff=9情況下，查得t分布臨界值t0.95(9)=2.26，由此得覆蓋因子k=2.26。而擴(kuò)展不確定度為：

U0.95=2.26×3.76°=8.50°

從上式可知在120°時校準(zhǔn)精密焊接電流測量儀的通電角，其校準(zhǔn)的測量擴(kuò)展不確定度為8.50°。

3 電流測量值校準(zhǔn)

3.1 焊接電流測量值校準(zhǔn)方法

用FLUKE公司生產(chǎn)的5520A多功能校準(zhǔn)器輸出的50Hz標(biāo)準(zhǔn)電流作為電流源，將標(biāo)準(zhǔn)電流輸出至電流擴(kuò)大線圈附件中，當(dāng)5520A輸出10A交流電流時，1000匝的線圈將等效10kA的電流，變換線圈匝數(shù)或5520A的輸出電流，就能得到不同的標(biāo)準(zhǔn)電流值。將精密焊接電流測量儀的測量線圈套入電流擴(kuò)大線圈附件中，就能在不同的電流點(diǎn)對精密焊接電流測量儀的測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 電流測量的不確定度分析

設(shè)5520A輸出1000A電流值，交流電流精度為0.08%。將精密焊接電流測量儀的測得值與5520A輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流值比較即可得到電流的測量誤差：

y=I-I0

(2)

式中，I為精密焊接電流測量儀測得的電流；I0為5520A的輸出電流。

方差和傳播系數(shù)，依照公式：

由式(2)得方差：

傳播系數(shù)：c(I)=?y/?I=1；c(I0)=?y/?I0=-1，故：

3.2.1 重復(fù)性誤差引入的不確定度u(I)

5520A多功能功能校準(zhǔn)源輸出10A電流至鉗形表檢定附件，得到1000A的50Hz交流電流，精密焊接電流測量儀對電流進(jìn)行測量，重復(fù)進(jìn)行10次，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差就可得焊接測量儀的電流測量重復(fù)性，測得數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

次數(shù)12345678910監(jiān)測儀測量值/A1006100310041001100310051002100310051002

監(jiān)測儀測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

精密焊接電流測量儀重復(fù)性誤差帶來的不確定度就是測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

u(I)=s=1.58A

自由度為ν(I)=10-1=9

3.2.2 電流輸出誤差引入不確定度u(I0)

自由度為ν(T0)=∞

忽略其它因數(shù)的影響，以上二項相互獨(dú)立，合成得：

uc(y)=1.65A

自由度為：

=1.654/{1.584/9+0.464/∞}=10.7≈10

取置信水準(zhǔn)p=95%，在自由度νeff=10情況下，查得t分布臨界值t0.95(10)=2.23由此得覆蓋因子k=2.23。而擴(kuò)展不確定度為：

U0.95=1.65×2.23=3.68A

上式表示精密焊接電流測量儀在1000A進(jìn)行校準(zhǔn)的測量擴(kuò)展不確定度為3.68A。

4 結(jié)束語

本測量方法的關(guān)鍵是構(gòu)建對稱軸不變，通電角可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)通電角電流產(chǎn)生電路，此電路實(shí)現(xiàn)方法簡單可靠，價格低廉。另外，由于精密焊接電流測量儀是一種非常專業(yè)的電流測量儀器，它的測量過程很特殊，工作狀態(tài)設(shè)置要求也比較復(fù)雜，因脈沖電流是從0.1～10kA的大電流，測量過程要集中注意力，避免儀器和人員的不安全風(fēng)險。

[1] 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1999

[2] 邱關(guān)源.現(xiàn)代電路理論.北京：高等教育出版社，2001

[3] 5520A多功能源技術(shù)說明書.美國FLUKE公司，1990

[4] 施昌彥，劉風(fēng).測量不確定度評定與表示指南.北京：中國計量出版社，2000

[5] MM-122A精密焊接電流測量儀技術(shù)說明書.MIYACHI公司，2005

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.14