探讨影响测量仪器功率测量精度的关键因素

随着能效成为政府、行业和市场考虑的一个重要因素，工程师们千方百计地希望通过降低功耗和减少损耗来优化产品效率。因此，精确测量功率成为从设计到生产再到现场作业质量控制的重要措施。

 

本文介绍了影响功率测量精度的关键因素，以及这些因素对测量仪器的选择会产生怎样的影响。

1.不只是电压和电流不确定性

为了精确分析功耗，测量不只是了解电压或电流的不确定性，而是必须将功率的不确定性作为一个整体加以考虑。振幅因数、相位角误差、温度范围、预热时间、稳定周期和共模抑制等参数都会影响功率测量的总体精度，应该加以规范并作出解释。

2．精度的有效性

功率测量仪器制造商在其产品数据手册上填写的“典型值”通常基于产品 最佳案例期望值。这些数据并不是100%有保证，在没有校准的情况下更是如此。此外，功率测量的精度还会根据测量范围有所变化。因此，任何规定的精度值都应该有相应的有效范围，否则用户就无法判断这些精度值是在测量范围的一个点、一些点还是在整个范围内有效。一些仪器的“典型值”很吸引人，但要特别小心，因为它们的精度可能没有标明的那么高。

3．仪器的振幅因数

一个波形的振幅因数是指其峰值除以其均方根(RMS)值，因此一个完美正弦波的振幅因数是√2或1.414。失真波形，特别是在开关型电源中，可能有非常大的振幅因数，因此功率测量仪器要能精确地处理具有高振幅因数的波形。支持峰值范围的功率测量仪器一般都规定最大振幅因数是20，支持RMS范围的仪器规范则不同。举例来说，如果在RMS类型仪器上选择振幅因数为3， 就意味着这台仪器在RMS输入是满刻度时能够处理这个振幅因数。因此如果输入的精度低至测量范围的1%，仪器就能处理300的振幅因数，在选择6的振幅因数时甚至可以处理600的振幅因数。工程师在比较仪器时应该明白这一点，因为这意味着仪器能以多高的精度测量一个信号，以及在规定范围内信号失真度是多少。

4．测量范围—峰值或RMS？

根据上述观点，仪器的规定精度只在规定范围内才有效。如果在不同的仪器中规定的范围不同会怎样呢？当一台仪器的测量范围是由峰值而不是由RMS来指定时，人们的印象要深刻得多。但是，当振幅因数为3时，峰值测量范围0.1%的精度可能相当于RMS测量范围的0.3%。因此0.1%峰值范围误差对整体测量误差的影响要比0.1%RMS测量范围误差糟糕得多。在计算有功功率时，电压、电流、功率因数和更高的振幅因数相乘将使这种影响更加明显。

5．谐波的影响

在谐波测量中规定精确度也十分重要。电源波形的谐振分量可能导致多种不良影响，如电容损耗，电机过度振动，无负载条件下变压器损耗，更高频率时导体内热量损失，电子断路器在设计电平点没有响应时熔丝提前熔断等，因此工程师应有能力检测谐波并评估它们对应用中元件、系统和子系统的影响。高精度仪器可以测量高达500阶的谐波。

6．过零检测

为了获得精确的功率测量值，有必要使用功率分析仪精确地检测电流或电压波形的过零点。只有经过输入信号的多个完整周期得到的平均功率测量结果才是稳定的。如果不利用精确的过零检测来精确地判定每个周期的起点和终点，结果将会不一致，并且不可重复。

7．相位误差

每台功率计都有相位误差，这是由输入阻抗引起的。阻抗的存在意味着馈入模数转换器的电压和电流输入会进一步引起异相，从而导致相位误差。纯正弦波形可用下面的有功功率公式表示：

P=VRMS.RMS.cos(φ+δ)

其中δ是相位误差，见图1。

图1：测量过程中相位误差的影响

虽然这不影响RMS电压或电流或表观功率的测量，却会影响有功功率的测量，从而影响功率因数的测量。相位漂移应该由功率分析仪的制造商加以规定，以解释可能影响相位角误差或其它测量误差的所有边界条件。

8．电流传感器

电流传感器作为功率测量仪器的附件或扩展部件经常被用到，这意味着传感器的误差/不确定性将与电压输入和分流器的不确定性叠加，因此所选传感器的幅度和相位不确定性要与高精度功率分析仪相匹配，这非常重要。

市场上有许多不同类型的电流传感器，高精度功率测量最常用的是零磁通传感器。霍尔效应传感器会随着时间的推移而逐渐饱和，罗戈夫斯基线圈传感器精度较低。零磁通传感器可以提供更高的精度，还能同时测量直流和交流信号，这很重要，因为交流应用中也会有直流分量。

9．共模抑制比(CMRR)

CMR R 可衡量一台仪器对输入信号有害干扰电压进行抑制的能力，这样的输入信号常见于电压输入的两个端子。当两个输入端彼此连接在一起并以器件接地作为基准时，理想情况下对测量结果应该没有影响。然而，漏电流会使噪声叠加到测量信号上，继而导致测量误差，因此考虑这种误差及其不确定性很重要。比如在逆变器应用遇到高压电位且高频元件接地时，CMRR及与其相关的误差将变成一个重要因素。

10．温度的影响

电路在不同温度时会有不同的表现， 因此一个温度系数只解释关联的温度产生的影响。仪器的温度范围越宽越好。举例来说，温度范围指标为23℃±5℃的仪器承受温度变化的能力高于23℃±2℃的仪器(比如在发热测量环境中)。与那些温度范围小、在温度范围之外性能无法保证的仪器不同，具有较宽温度范围的仪器不需要昂贵的冷却解决方案。

+1.校准和调整

然而，没有测量是永远“正确的”。 在测量值和对应的“真实”值之间总 是存在一个未知的、有限的非零差值。换句话说，用户永远不能100%确保仪器工作在规定的容限范围之内。一种普遍接受的方法是定期完成符合标准的校准，通过将仪器性能与已知的精度标准相比较，获得对测量系统的信心。同时也建议不仅要校准测量仪器，还要校准一些扩展测量装置， 包括传感器、电缆、分流器和作为测试平台一部分的其它器件。

只在50～60Hz的频率范围内校准是不够的。开关电源、电子照明设备用镇流器、电机控制系统中的软启动器以及牵引应用中的频率转换器等应用是在较高的频率下消耗功率的。大多数校准装置不会在远高于60Hz或远低于100kHz的频率点进行校准，并且如果功率校准不符合ISO17025，就无法保证获得ISO9001证书的测量是正确的。

根据使用年限和质量好坏，一台测量仪器的性能可能由于温度、湿度、氧化作用、负载等原因而发生改变，因此需要进行“调整”来恢复正常。与只在严重损坏进行修理时才需要调整的仪器相比，需要频繁调整的仪器是不可靠的。

作者：Anoop Gangadharan，Yokogawa公司
编辑：hfy