P6015A探头测量直流高压的方法

P6015A是一种高压探头，可用于测量交流DC电压和各种脉冲峰值电压，特别是其独特的高频特性，在电子行业得到了广泛的应用。然而，在某些情况下，由于P6015A探头误差、示波器误差和合成误差，很难满足上述测试方法的要求。介绍的测试方法主要针对DC高压的测量，可以在0~20kv范围内更好地解决这个问题。该方法使用数字电压表作为P6015A的输出显示器，通过一只补偿电阻使P6015A与数字电压表获得最佳阻抗匹配的同时，也使P6015A的衰减比(1000:1)的误差趋于最小，从而达到预期的使用要求。

一，P6015A分压结构及误差分析

P6015A由高压探头和补偿盒两部分组成，探头与补偿盒以及连接导线采用了等电位屏蔽技术,在强电场环境中具有较好的抗干扰能力。在电路结构上采取了两级分压，如图1所示(CC’左侧部分)。

图1 P6015A高压探头分压示意图

由图可见，第一级分压在探头部分，由R、R构成，在A点获得输入电压100:1的衰减电压;第二级分压在补偿部分，由Ra、r,构成(略去高频补偿部分)，将A点的电压再进行10:1的衰减，最终在B点获得1000:1的衰减输出电压提供给显示仪表。P6015A原本是与示波器配套使用的，由示意图可见，当示波器输入端等效电阻并接在CC'端时，相当于给R,并接了一个电阻,会对高压探头的衰减比产生直接影响。所以P6015A生产商是在考虑了示波器输入阻抗的基础上进行补偿调整的。

在P6015A手册中给出的高压探头直流特性参数如下:直流衰减比1000:1，直流衰减比的偏差为土3%;同时规定示波器的输入阻抗为1MΩ，其偏差为士2%，在不考虑其他杂散因素影响的情况下，仅就上述两项误差对测量结果的影响进行评估。由于我们不能确切知道该两项误差的相关程度,不妨取其两种极端情况进行分析[2}。假设该两项误差彼此独立互不相关，即相关系数k=0，则系统误差采用和方根法合成:Δ=±s2+δ，根据P6015A手册给出的参数可计算出，在这种情况下，Δ=士3.6%;其次假设该两项误差强相关，即相关系数 k=1，则系统误差应采用线性和法合成:Δ,=士(δ+δ,)，在这种情况下，Δ,=士5%。而实际情况并非强相关也非不相关，所以相关系数应在0与1之间，即0

二，P6015A与数字电压表的阻抗匹配

P6015A的输出之所以不能直接作为数字电压表的输入是因为二者的阻抗不匹配,前者是按1MΩ输入阻抗技术要求设计的,而数字电压表的输入阻抗一般都远大于该值。为了使P6015A探头与数字电压表能够获得合适的阻抗匹配,可以在探头与数字电压表之间并接一只补偿电阻R，如分压示意图CC'右侧部分所示,其中R;为补偿电阻，r,是数字电压表输入阻抗的等效电阻。

在P6015A与数字电压表之间并接R电阻正是本方法的独特之处，从CC'向右侧看过去，调整R。可以使R、R的等值电阻趋于1MΩ，尽可能满足P6015A的阻抗匹配要求;从CC'向左侧看过去，R、R 并接在分压电阻R.上，调整R相当于改变了R、R、R。的等值电阻，也就是改变了高压探头的衰减比,这里的关键是如何确定R,的阻值。实践证明,通过试验确定R的阻值是一种切实可行的方法。R。调整配制的具体过程如下:首先确定欲测量电压的上限以及期望达到的测量准确度和分辨率要求,选择量程合适的数字电压表，将P6015A的补偿输出与数字电压表连接,并且在数字电压表的输入端并联接入一只可调电阻(电阻箱或电位器)。其次选择准确度等级符合要求的直流高压源作为P6015A的输入，由高压源分别提供测量上限10%、50%、100%的标准信号，通过调整R进行系统校准，调整过程应反复数次，兼顾到上、中、下整个量限。这里校准的依据是使高压源的输出U与数字电压表的指示值U之比即U:U,=1000:1,并使该比值误差趋于最小。衰减比相对误差按式(10000:-1)x100%计算。

当系统的测量误差符合我们预期的要求时，记下电阻箱的读数或测出电位器的阻值,该阻值就是待配制的R阻值(一般情况下略大于1MΩ)。由以上调试过程可以看到本测试。

方法有如下特点:

(1)通过调整R 将高压探头与数字电压表的误差归结成为测试系统的综合误差,不必再分别考虑P6015A探头的衰减比误差和数字电压表的误差。

(2)R的配制是独立的，对P6015A及其补偿部分以及数字电压表原技术状况及参数未做任何变动，保持了各部分的独立性,不影响P6015A和数字电压表各自功能的正常使用。

(3)投入资金少,使用组合方便,如果选择数字万用表作为显示仪表携带更加方便,尤其适合现场测试。

三，应用实例

主要目的是对直流火花试验机和直流耐压试验设备进行现场校准测试,要求测量范围1~10kv,准确度等级优于1.0%，分辨率0.001kv。根据要求,选择与P6015A配套的数字电压表以及校准用标准装置的各项技术参数如下:

(1)数字电压表:选择FLUKE公司的187数字万用表，DC50V量限的准确度等级为 0.03%+3D，分辨率 0.001V。

(2)校准装置:选择Zentech公司的9102 高压校准装置，直流电压测量范围0~10kv，准确度等级 0.2%，分辨率0.001kv。

(3)用ZX119-3电阻箱代替R，准确度等级 0.2%。在做好以上准备工作后,按照阻抗匹配介绍的方法进行系统校准。分别给P6015A输入1.000kV、5.000kv、10.000kV的标准信号，调整电阻箱阻值，观察数字电压表读数，在数字电压表的读数分别为1.004V、5.000V、9.998V时，衰减比误差已经在士0.5%的范围内,基本符合要求,记录此时电阻箱的读数为 1.155MΩ。按照 1.155 MΩ 的阻值配制 R.，将配制好的固定电阻R,代替电阻箱并接在测量回路中，进行最后系统校准，校准数据见表1。由校准数据可知该系统在1~10kv范围内测量误差小于或等于0.4%，如果同时考虑到9102校准装置的误差0.2%,该系统的测量误差应小于或等于0.6%，为安全起见可将该系统的准确度等级定为1%,可以认为该系统可以满足预期的技术要求。

上述方法简单实用,安全可靠,利用现有设备，成本低。高压探头为无源器件,187数字万用表是电池供电,由此组合的测试系统携带和使用都非常方便,尤其适合现场测量,与同类型的高压衰减棒(如FLUKE的80K-40)相比，测量准确度大为提高，能够满足绝大多数场合的实际需要。如您使用中还有其他问题，欢迎登录西安普科电子科技

审核编辑 黄宇