直流电流传感器高精度校准系统设计

直流电流传感器(DCCT)作为加速器高精度稳流电源的核心器件之一，直接决定着电流输出的准确性和稳定性[1]。随着加速器技术的不断发展，对束流品质的要求越来越严格，这也对电源提出了更高的要求，磁铁电源具备几十甚至十几ppm量级的要求[2-4]，以保证数百上千台电源间输出的准确性和同步性。针对现在越趋成熟的电源拓扑结构，核心器件性能的提升将成为电源输出准确度的关键。为进一步提高加速器磁铁电源性能，作为电源输出电流准确度的关键器件，DCCT的性能至关重要。在电源系统中，DCCT是保障直流电源输出电流稳定性、重复性和准确性的核心部件，也是未来高精度稳流电源发展的关键技术[5-7]。电源采用全数字化的控制方式后，DCCT是影响电源精度的关键部件之一[8]。针对电源的准确度和重复性(可视为短期准确度和长期稳定度的综合)，需建立精密测试和校准系统，开展精密测量工作，通过对DCCT的校准以提高电源的输出精度。

国际上从20世纪末就已开始了对DCCT准确度的测量研究[9-10]。基于直流比较仪(DCC)的准确度测试方法最早用于电阻准确度的测量，而该技术也是基于零磁通平衡原理实现的。随着电流比较技术的日趋成熟，DCC也被用于DCCT的准确度测量[11]，采用被测DCCT的输出电流与标准量程扩展器输出电流进行比对的方法实现对DCCT测量准确度的校准。整个测试系统不受电流源准确度的影响，相对于传统电阻测试方法，减少了因标准电阻的温漂、功率系数等因素对DCCT测试准确度的影响，该方法在100 A内的测量相对不确定度高达0.3 ppm。但受制于测试需求，该方法无法排除转换电阻对测量精度的影响。国内加速器也开展了对DCCT校准技术的研究[12-14]，而国内校准基本上采用比对的方法实现DCCT的快速校准[8,15]，以北京正负电子对撞机改造工程为例，文献[8]主要采用标准的DCCT(HITEC TOPACC系列)作为参考，通过被测DCCT分别与参考DCCT的比对实现对被测的校准。比对方法可实现多台DCCT的快速校准，但对整个校准系统而言，主要存在的问题是：1) 依赖于参考DCCT的准确度，每个被测DCCT需与参考DCCT进行比对，因此参考DCCT的准确度会影响被测的性能；2) 受采集系统的影响，该采集方式主要通过扫描的方式逐一对被测和标准参考DCCT进行数据采集，所有测量并不是同时进行的，因此测量的结果易受电源噪声和电流纹波的影响。综合考虑这两种因素的影响，该系统的校准结果只能保证在100 ppm的量级。

本文提出一种基于DCC电桥及高准确度电流量程转换器的方法，将DCCT等效为电阻，实现对DCCT的高精密校准。

1 DCC电桥测量原理

本文提出的基于DCC电桥的方法，将针对高精度电流传感器进行校准，提高DCCT的测试精度。DCCT用于测量电流，实现大电流到小电流的转换，并通过采样电阻实现大电流到低电压的转换，此时其可等效为1个电阻。将DCCT等效为电阻，是该方法的理论基础。根据磁通平衡原理，通过调节电桥初级、次级回路中的绕组匝数比实现对电阻的校准。

图1 DCC电桥测量原理图
Fig.1 Schematic diagram
of DCC bridge measurement

DCC是一种能以高准确度测定两个电流之间比值的非直接式测量仪器，它根据一个铁芯上的两个极性相反的绕组间达到安匝数相等时，铁芯中感应不出磁通这一原理而工作。如图1所示，当初级绕组中通以恒定电流，基于安匝平衡原理，次级绕组中的电流可根据绕组匝数来调节。当次级绕组电流流经一未知电阻时，初级线圈中的标准电阻产生的电压与次级绕组电阻两端的电压进行比较。在适当的电路常数下，当调节匝比使检流计为0时，未知电阻的阻值便由初次级绕组的匝数比和标准电阻给出。因电压调节是通过改变铁芯上的绕组匝数来完成的，故误差极小且稳定，同时避免了因调节电阻电位差计而产生的接触电阻与热电动势等问题。

IsNs=IxNx

(1)

Is/Ix=Nx/Ns

(2)

Rx/Rs=Is/Ix=Nx/Ns

(3)

Rx=Nx/Ns×Rs

(4)

其中：Is和Ix分别为初级和次级绕组线圈电流；Ns和Nx分别为初级和次级绕组线圈匝数；Rs为参考电阻；Rx为被测电阻。

可正负双向输出的大功率电流源，其输出作为被测DCCT的被测电流，并将该电流接至电流缩比器。电流缩比器的作用是实现电流与线圈匝数的等比例缩小。DCCT所需的被测电流经过等比例缩小，将大电流缩小至DCC电桥的最优工作电流。电流缩比器的输出电流直接接入电桥Rs输入端。DCCT输出端接至电桥Rx输入端。电桥内部通过DCC线圈调节，使得Rs端与Rx端实现电位平衡，获得被测端Rx与参考端Rs的比值，进而计算被测端等效电阻。DCCT校准系统原理如图2所示。

图2 DCCT校准系统原理
Fig.2 DCCT calibration system principle

基于测量原理，系统电桥达到平衡的过程及平衡状态时，主、从电流为同时按比例互动平衡状态，因此系统精度不依赖电流准确度和稳定度。同时为了克服热电势等的影响，电流源采用独立一体式换向结构，有效实现大电流整体1次性换向且要求电流换向稳定可靠。校准系统采用商用标准电桥，且电桥的比率范围内精度可优于0.05 ppm。根据图2，可得到电流缩比器的固定匝比，该部分采用两级量程缩比，实现从0～400 A范围内的电流缩小至电桥可接受的电流范围内，而量程扩展器的原理与DCCT实现零磁通的原理类似，其匝比准确度为0.1 ppm，对于参考电阻，目前国际上最标准的匝比准确度可达到0.1 ppm甚至更低的水平。从系统需求分析，本系统选择1 ppm准确度的低温漂参考电阻，且该电阻通过中国计量科学研究院标定校准后的准确度指标优于1 ppm。因此，从整个系统各关键部件考虑，系统测量的相对不确定度优于1.1 ppm。

2 校准系统的实现与应用

整个校准系统是由高精密电桥、两级量程扩展器、精密电流源和换向开关构成的。

2.1 测试HITEC TOPACC 300 A的准确度

系统测量以设置不同电流进行测试，每点重复测试的数据个数可通过程序设置，而设置的测试平衡时间需在电桥测试平衡的最短时间内保证电桥测试的精度。以HITEC TOPACC 300 A为例(输出电压为0～10 V，等效电阻为1/30 Ω)，设置每点的采样数为30，测试的DCCT等效电阻为30个采样数的平均值，平衡时间设置为12 s，图3为25 A电流下的测试数据离散度。

图3 25 A电流下的测试数据离散度
Fig.3 Test data dispersion at 25 A current

测试中的参考电阻采用1 000 Ω作为比对标准，25 A电流下测试平均比率计算结果为3.333 485 299 8×10-5(比率=Rx/Rs)，测试相对不确定度优于2.14×10-7，DCCT等效电阻为0.033 334 852 997 867 2 Ω。

图4为250 A电流下的测试数据离散度，可知，测试平均比率计算结果为3.333 473 997 1×10-5，测试相对不确定度优于2.11×10-7，DCCT等效电阻为0.033 334 739 970 512 8 Ω。

2.2 测试HITEC TOPACC 600 A的线性度

根据每点电流下的测试等效电阻，即可实现对DCCT线性度的校准。表1为400 A范围内HITEC TOPACC 600 A(输出电压为0～10 V，等效电阻为1/60 Ω，测试范围为0～400 A)DCCT的线性度测试结果。根据等效电阻计算的测试电压与理想电压的比对，未校准前的DCCT线性度最大值为1.622 08 ppm。

图4 250 A电流下的测试数据离散度
Fig.4 Test data dispersion at 250 A current

图5为400 A测量范围内，不同电流下测试得到的DCCT等效电阻，每个电流下对应的等效电阻是通过多次测量取平均值得到的结果，每点的等效电阻测量相对不确定度均优于0.25 ppm，保证了测量的准确度。图6为DCCT测量的电阻与电流所计算出的测试电压与理想电压的相对误差分布，其中，最大相对误差对应未校准前整个DCCT测试的线性度。为实现对DCCT的校准，需通过对测试电压拟合直线的补偿，以得到最优线性度。

表1 0～400 A电流下测试的线性度
Table 1 Test linearity under 0-400 A current

图5 不同电流下DCCT等效电阻
Fig.5 Equivalent resistance
of DCCT at different currents

图6 校准前测试电压与理想电压的相对误差
Fig.6 Relative error of calibration voltage and
ideal voltage before calibration

根据测试电压可计算得到回归线拟合直线的斜率和截距，其计算方法如下。

回归线的斜率b为：

(5)

回归线的截距a为：

(6)

其中：x为测试电压；y为理想电压。

由式(5)和(6)计算出测试数据回归线的斜率和截距，进而求出补偿电压，实现对测量电压的校准，根据计算的回归线斜率为0.999 998 979、截距为-8.652 73×10-6，校准后的DCCT线性度列于表2，可看出，400 A测试范围内DCCT校准后的线性度优于0.6 ppm。

表2 校准后的DCCT线性度
Table 2 DCCT linearity after calibration

图7为校准后DCCT输出等效电压与理想电压间的相对误差，可看出，校准后的相对误差明显小于校准前，且校准后的线性度优于0.6 ppm，比校准前的线性度高出1个数量级。因此校准后更大程度上提升了整个DCCT测量的准确性，为提高电流源输出的准确性及提高加速器的束流品质奠定了基础。

图7 校准后校准电压与理想电压之间的相对误差
Fig.7 Relative error of calibration voltage and
ideal voltage after calibration

3 结论

DCCT校准系统的设计采用了DCC电桥测阻的原理，可实现对DCCT快速、高精度的校准，整个系统采用高精度电桥加量程扩展器的方法完成被测与可溯源标准电阻的比对测试，实现了DCCT准确度和线性度的校准。在0～400 A的测试范围内校准相对不确定度优于1.1 ppm，并通过对HITEC电压型传感器TOPACC 300 A和TOPACC 600 A的准确性和线性度实验测试验证了系统的校准精度。通过校准后，400 A范围内DCCT线性度可优于0.6 ppm。DCCT校准系统的设计为电源输出电流精度及加速器束流品质的提升奠定了基础。