淺析電學計量的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

李時鑫

（天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津 300192）

自20世紀18世紀以來，人們便開展了對電學的研究。當前，在人類社會中無論是科學技術(shù)活動和物質(zhì)生產(chǎn)活動都離開不了電力能源的參與，而電學計量便是幫助電力活動實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量程準確的主要活動。電力計量是電力工作中技術(shù)和管理的結(jié)合體，通過電力計量工作便可以實現(xiàn)計量單位的統(tǒng)一，同時，也是現(xiàn)代科技發(fā)展過程中的必然趨勢。隨著計量基準、繞組匝比技術(shù)、交流電量測量技術(shù)、虛擬表測量技術(shù)、等效模擬技術(shù)等在電力計量工作中的應用，使得當前我國的計量技術(shù)突飛猛進地發(fā)展。

1 電學計量基準的應用

電學計量基準主要是當前我國及世界上部分國家，對電學中的統(tǒng)一量值賦予最高的測量標準所賦予的專有名稱。電學計量也是指通過國家決定承認的測量標準，當前，在國際單位SI的7個基本單位中與電磁量有關(guān)的基本單位主要是安培。

電力設(shè)備在實際的應用過程中，如果需要其在長時間保持高度穩(wěn)定的電流標準狀態(tài)，那么，往往難以實現(xiàn)。但是，電力設(shè)備中的電壓及電阻單位更容易在實際應用中保持穩(wěn)定，因此，各國政府在電機計量應用的過程中，將電壓單位和電阻單位作為當前保存電磁單位的實際手段。同時，電壓單位和電阻單位也是電磁學單位中最重要的兩個單位之一，該單位在應用中都具備計量基準。

2 現(xiàn)階段電學計量中的計算基準

2.1 電容

電容值是電學計量中的基準之一，電容這一單位主要是指電路在位于給定電位差下，電路自身所儲備的電荷量。通常電荷會隨著電場中電流的運動而隨之運動，這便使得導體之間存在著電荷這一介質(zhì)，但是，電容在導體中移動時導體自身材料性質(zhì)會對電荷的移動造成一定的影響，使得導體中的電荷累積儲存，在導體中電荷的儲存量統(tǒng)稱為電容。在電力學中電容主要是指可以容納電場的能力，我國科學家在研究中通過將4個柱形電極構(gòu)成的電容器用于電荷的儲存，在實驗中發(fā)現(xiàn)該電容器的電容量與電容器軸向長度成正比的關(guān)系，但是，與電容器的自身形狀沒有關(guān)系。因此，在對電容器軸向長度進行測量過程中采用干涉法，便可以提高電容器的測量量級，使當前交流阻抗的復現(xiàn)水平穩(wěn)步提升。

2.2 電感

電感是電學計量中的計算基準之一，電感主要是指閉合回路下，電路自身所附帶的一種屬性，電感是一個物理量值。當電路線圈中通入電流后，線圈在電流的作用下便會形成磁場效應，在由線圈所組成的磁場效應中，感應磁場會隨之產(chǎn)生感應電流，對線圈中現(xiàn)有的電流進行抵制。感應磁場中的電流與線圈之間的相互作用并被稱為電的感抗，通常也被稱為電感。電感這一物理量主要用來描述線圈內(nèi)部電容發(fā)生的變化，或是本線圈在另一線圈中引起感應電動勢的電路參數(shù)。

2.3 電阻頻率特性

電阻頻率特性是電學計量中的計算基準之一，電子頻率特性主要是指電學測量過程中對交流電流、交流電阻、高頻電路等在應用過程中產(chǎn)生的電路介質(zhì)損耗。當電阻處于交流高頻狀態(tài)時，電阻元件的寄生電感、接線面的趨膚效應、電容鄰近效應、周圍介質(zhì)的損耗等因素會使電阻元件在交流狀態(tài)下的阻抗實部與直流不相等。同時，由于高頻電路中所存在的寄生電感、寄生電容與電阻器的導線形狀、位置排列，及周邊的電磁環(huán)境有著密切的關(guān)系，因此，在對幾何形狀規(guī)則的電阻器進行電子頻率特性計算時，需要考慮高頻電路中的寄生電感和寄生電容等各種附加損耗因素，這樣才可以較準確地計算出電阻在交流狀態(tài)下與直流狀態(tài)下的區(qū)別。

2.4 電壓

電壓是電學計量中的計算基準值之一，電路中的電壓量值在絕對測量中可以采用電壓天平，也可以根據(jù)安培定律，通過電流與電阻之間的關(guān)系進行導出。當前，世界上大多數(shù)國家都采用直流電壓和頻率之間的關(guān)系來推導出電壓的商值，該值通常也被稱為約瑟夫森常數(shù)。

2.5 交直流轉(zhuǎn)換標準

交直流轉(zhuǎn)換標準主要是在基于交流電壓、功率和電流的計量上進行測定，在測定過程中通過電流熱效應的比較技術(shù)，對交流電壓和電流的真實有效值進行判斷。在對未知的交流電壓或電流熱效應進行判斷時，可以將該數(shù)值與已知的直流電壓和電流熱效應進行匹配。當前，我國通過一種真有效值固態(tài)傳感器，通過該傳感器上的硅片晶體管和擴散電阻對電路中電阻所消耗的功率進行檢測，在檢測中通過基極、發(fā)射極電壓、發(fā)射極溫度之間所形成的關(guān)系，便可以直接得到檢測數(shù)值。

3 電學計量基準的發(fā)展

3.1 電學計量中應用數(shù)字化測量技術(shù)

電學計量基準在發(fā)展中通過應用數(shù)字化測量技術(shù)，便可以直接利用儀器對被測量進行采樣、量化、轉(zhuǎn)換和編碼，在編碼轉(zhuǎn)換過程中直接通過實際數(shù)字顯示測量儀表，就可以直接顯示數(shù)字結(jié)果。在采用數(shù)字化測量技術(shù)中電壓是其最基本的模數(shù)轉(zhuǎn)化因子，同時，數(shù)字電壓表也是數(shù)字儀表組成的主體和核心之一。在電學中的多數(shù)物理量都可以直接通過變換器轉(zhuǎn)化成電壓，然后，再通過電壓表將電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，實現(xiàn)數(shù)字化的電學測量，使數(shù)字化測量擴展到用電測量儀器和非用電測量儀器等多個領(lǐng)域，是當前對我國地區(qū)計量測量產(chǎn)生較大影響的儀器之一。

3.2 電學計量中應用模擬電子技術(shù)

在電學計量中可以應用模擬電子技術(shù)，通過應用模擬電子技術(shù)可以在不同條件下對電子元件中的計量數(shù)值進行測算，在對電學計量數(shù)據(jù)進行測算中，可以通過利用等效電路而忽略主要矛盾和次要矛盾，例如，在工程計算中可以采用模擬電子技術(shù)中的等效電路法，來解決工程應用中出現(xiàn)的瑣碎電學問題。在采用模擬電子技術(shù)的過程中，還可以在基于交直流轉(zhuǎn)換標準的基礎(chǔ)上，判斷電路中的直流電壓、電流和功率大小，而實現(xiàn)這種技術(shù)只需要通過固態(tài)傳感器上的晶體管和擴散電阻，即可進行電學計量的檢測工作。

3.3 電學計量中應用虛擬表技術(shù)

在電學計量中還可以應用虛擬表技術(shù)，通過應用虛擬表技術(shù)中的VXI、PXI板卡儀器等，并可以突破傳統(tǒng)儀器測量過程中的局限，充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)的測算量，并通過引入光速、普朗克常數(shù)、電子電荷等新單位值，提高電學計量測量的準確度。同時，該技術(shù)也是未來電學計量測試應用中的發(fā)展趨勢，通過虛擬表技術(shù)可以在電路中快速采樣，并且通過對各種環(huán)境條件及因素進行自動控制修正，便可以對電學計量數(shù)據(jù)進行自動處理，將要提高電學計量的測量速度和精準度。

3.4 電學計量中的動態(tài)計量應用

在我國的科研生產(chǎn)領(lǐng)域和國防尖端領(lǐng)域的研究中，涉及電子元器件的動態(tài)計量測量，動態(tài)測量主要是指在測量中被測量會隨著時間的變化而發(fā)生變化，這時，便需要在測量中注重信號值的快速響應和不失真復現(xiàn)。動態(tài)測量技術(shù)與靜態(tài)測量相比，所使用的技術(shù)較為復雜，其具體的難點是在電子元器件的響應時間內(nèi)使用傳感器和二次儀表，并且還需要在測量中將原測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到最終測量結(jié)果，而這一過程也是電學計量信號的恢復過程。為了提高電子元器件信號恢復的可能性，還需要事先了解所使用測量儀器的動態(tài)響應特征?，F(xiàn)階段，動態(tài)校準是屬于電學計量學的范疇內(nèi)，但是，有常規(guī)的電學計量還存在了一定的區(qū)別具有特殊性，在動態(tài)計量測量中不僅需要研究測量理論，同時，還需要研究測量方法，這樣才可以對動態(tài)計量測量中的特低頻微弱小信號準確地識別。

4 結(jié)語

隨著我國計算機軟硬件技術(shù)和信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，所使用的電學計量標準裝置數(shù)據(jù)集卡的采集速度、分辨率和儲層率都有著大幅度的增長，這便可以在精度校準中實現(xiàn)頻率變化達到MHz級以上的電信號采集。此外，隨著計算機運行速度大幅度提升，還可以完成電學計量標準采集中較為復雜的數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)學解算。

在地區(qū)計量測量中，通過利用現(xiàn)代物理效應，還可以大幅度提高計量基準復現(xiàn)量值的一致性。同時，在采用計算機技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，還可以大幅度提高電學計量測量的效率，并借此實現(xiàn)進行計量測量的自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。