P6015A探頭測量直流高壓的方法

P6015A是一種高壓探頭，可用于測量交流DC電壓和各種脈沖峰值電壓，特別是其獨(dú)特的高頻特性，在電子行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在某些情況下，由于P6015A探頭誤差、示波器誤差和合成誤差，很難滿足上述測試方法的要求。介紹的測試方法主要針對DC高壓的測量，可以在0~20kv范圍內(nèi)更好地解決這個問題。該方法使用數(shù)字電壓表作為P6015A的輸出顯示器，通過一只補(bǔ)償電阻使P6015A與數(shù)字電壓表獲得最佳阻抗匹配的同時，也使P6015A的衰減比(1000:1)的誤差趨于最小，從而達(dá)到預(yù)期的使用要求。

一，P6015A分壓結(jié)構(gòu)及誤差分析

P6015A由高壓探頭和補(bǔ)償盒兩部分組成，探頭與補(bǔ)償盒以及連接導(dǎo)線采用了等電位屏蔽技術(shù),在強(qiáng)電場環(huán)境中具有較好的抗干擾能力。在電路結(jié)構(gòu)上采取了兩級分壓，如圖1所示(CC’左側(cè)部分)。

圖1 P6015A高壓探頭分壓示意圖

由圖可見，第一級分壓在探頭部分，由R、R構(gòu)成，在A點(diǎn)獲得輸入電壓100:1的衰減電壓;第二級分壓在補(bǔ)償部分，由Ra、r,構(gòu)成(略去高頻補(bǔ)償部分)，將A點(diǎn)的電壓再進(jìn)行10:1的衰減，最終在B點(diǎn)獲得1000:1的衰減輸出電壓提供給顯示儀表。P6015A原本是與示波器配套使用的，由示意圖可見，當(dāng)示波器輸入端等效電阻并接在CC'端時，相當(dāng)于給R,并接了一個電阻,會對高壓探頭的衰減比產(chǎn)生直接影響。所以P6015A生產(chǎn)商是在考慮了示波器輸入阻抗的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整的。

在P6015A手冊中給出的高壓探頭直流特性參數(shù)如下:直流衰減比1000:1，直流衰減比的偏差為土3%;同時規(guī)定示波器的輸入阻抗為1MΩ，其偏差為士2%，在不考慮其他雜散因素影響的情況下，僅就上述兩項(xiàng)誤差對測量結(jié)果的影響進(jìn)行評估。由于我們不能確切知道該兩項(xiàng)誤差的相關(guān)程度,不妨取其兩種極端情況進(jìn)行分析[2}。假設(shè)該兩項(xiàng)誤差彼此獨(dú)立互不相關(guān)，即相關(guān)系數(shù)k=0，則系統(tǒng)誤差采用和方根法合成:Δ=±s2+δ，根據(jù)P6015A手冊給出的參數(shù)可計(jì)算出，在這種情況下，Δ=士3.6%;其次假設(shè)該兩項(xiàng)誤差強(qiáng)相關(guān)，即相關(guān)系數(shù) k=1，則系統(tǒng)誤差應(yīng)采用線性和法合成:Δ,=士(δ+δ,)，在這種情況下，Δ,=士5%。而實(shí)際情況并非強(qiáng)相關(guān)也非不相關(guān)，所以相關(guān)系數(shù)應(yīng)在0與1之間，即0

二，P6015A與數(shù)字電壓表的阻抗匹配

P6015A的輸出之所以不能直接作為數(shù)字電壓表的輸入是因?yàn)槎叩淖杩共黄ヅ?前者是按1MΩ輸入阻抗技術(shù)要求設(shè)計(jì)的,而數(shù)字電壓表的輸入阻抗一般都遠(yuǎn)大于該值。為了使P6015A探頭與數(shù)字電壓表能夠獲得合適的阻抗匹配,可以在探頭與數(shù)字電壓表之間并接一只補(bǔ)償電阻R，如分壓示意圖CC'右側(cè)部分所示,其中R;為補(bǔ)償電阻，r,是數(shù)字電壓表輸入阻抗的等效電阻。

在P6015A與數(shù)字電壓表之間并接R電阻正是本方法的獨(dú)特之處，從CC'向右側(cè)看過去，調(diào)整R?？梢允筊、R的等值電阻趨于1MΩ，盡可能滿足P6015A的阻抗匹配要求;從CC'向左側(cè)看過去，R、R 并接在分壓電阻R.上，調(diào)整R相當(dāng)于改變了R、R、R。的等值電阻，也就是改變了高壓探頭的衰減比,這里的關(guān)鍵是如何確定R,的阻值。實(shí)踐證明,通過試驗(yàn)確定R的阻值是一種切實(shí)可行的方法。R。調(diào)整配制的具體過程如下:首先確定欲測量電壓的上限以及期望達(dá)到的測量準(zhǔn)確度和分辨率要求,選擇量程合適的數(shù)字電壓表，將P6015A的補(bǔ)償輸出與數(shù)字電壓表連接,并且在數(shù)字電壓表的輸入端并聯(lián)接入一只可調(diào)電阻(電阻箱或電位器)。其次選擇準(zhǔn)確度等級符合要求的直流高壓源作為P6015A的輸入，由高壓源分別提供測量上限10%、50%、100%的標(biāo)準(zhǔn)信號，通過調(diào)整R進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，調(diào)整過程應(yīng)反復(fù)數(shù)次，兼顧到上、中、下整個量限。這里校準(zhǔn)的依據(jù)是使高壓源的輸出U與數(shù)字電壓表的指示值U之比即U:U,=1000:1,并使該比值誤差趨于最小。衰減比相對誤差按式(10000:-1)x100%計(jì)算。

當(dāng)系統(tǒng)的測量誤差符合我們預(yù)期的要求時，記下電阻箱的讀數(shù)或測出電位器的阻值,該阻值就是待配制的R阻值(一般情況下略大于1MΩ)。由以上調(diào)試過程可以看到本測試。

方法有如下特點(diǎn):

(1)通過調(diào)整R 將高壓探頭與數(shù)字電壓表的誤差歸結(jié)成為測試系統(tǒng)的綜合誤差,不必再分別考慮P6015A探頭的衰減比誤差和數(shù)字電壓表的誤差。

(2)R的配制是獨(dú)立的，對P6015A及其補(bǔ)償部分以及數(shù)字電壓表原技術(shù)狀況及參數(shù)未做任何變動，保持了各部分的獨(dú)立性,不影響P6015A和數(shù)字電壓表各自功能的正常使用。

(3)投入資金少,使用組合方便,如果選擇數(shù)字萬用表作為顯示儀表攜帶更加方便,尤其適合現(xiàn)場測試。

三，應(yīng)用實(shí)例

主要目的是對直流火花試驗(yàn)機(jī)和直流耐壓試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)測試,要求測量范圍1~10kv,準(zhǔn)確度等級優(yōu)于1.0%，分辨率0.001kv。根據(jù)要求,選擇與P6015A配套的數(shù)字電壓表以及校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)裝置的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下:

(1)數(shù)字電壓表:選擇FLUKE公司的187數(shù)字萬用表，DC50V量限的準(zhǔn)確度等級為 0.03%+3D，分辨率 0.001V。

(2)校準(zhǔn)裝置:選擇Zentech公司的9102 高壓校準(zhǔn)裝置，直流電壓測量范圍0~10kv，準(zhǔn)確度等級 0.2%，分辨率0.001kv。

(3)用ZX119-3電阻箱代替R，準(zhǔn)確度等級 0.2%。在做好以上準(zhǔn)備工作后,按照阻抗匹配介紹的方法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。分別給P6015A輸入1.000kV、5.000kv、10.000kV的標(biāo)準(zhǔn)信號，調(diào)整電阻箱阻值，觀察數(shù)字電壓表讀數(shù)，在數(shù)字電壓表的讀數(shù)分別為1.004V、5.000V、9.998V時，衰減比誤差已經(jīng)在士0.5%的范圍內(nèi),基本符合要求,記錄此時電阻箱的讀數(shù)為 1.155MΩ。按照 1.155 MΩ 的阻值配制 R.，將配制好的固定電阻R,代替電阻箱并接在測量回路中，進(jìn)行最后系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表1。由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)在1~10kv范圍內(nèi)測量誤差小于或等于0.4%，如果同時考慮到9102校準(zhǔn)裝置的誤差0.2%,該系統(tǒng)的測量誤差應(yīng)小于或等于0.6%，為安全起見可將該系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級定為1%,可以認(rèn)為該系統(tǒng)可以滿足預(yù)期的技術(shù)要求。

上述方法簡單實(shí)用,安全可靠,利用現(xiàn)有設(shè)備，成本低。高壓探頭為無源器件,187數(shù)字萬用表是電池供電,由此組合的測試系統(tǒng)攜帶和使用都非常方便,尤其適合現(xiàn)場測量,與同類型的高壓衰減棒(如FLUKE的80K-40)相比，測量準(zhǔn)確度大為提高，能夠滿足絕大多數(shù)場合的實(shí)際需要。如您使用中還有其他問題，歡迎登錄西安普科電子科技

審核編輯黃宇