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宽频功率分析仪核心技术指标剖析_选购注意事项

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  • 发布时间:2013/10/21 15:18:31
  • 作者:AnyWay中国

识别宽频功率分析仪的有效带宽指标

  宽频功率分析仪的基本作用就是在宽频率范围内实现功率测量和相关分析运算,且其精度指标满足相关的要求。
  因此,有必要对其宽频率范围指标进行量化。衡量仪器设备使用频率范围的一个最熟悉的指标就是带宽,最常用的带宽指标是-3db带宽。目前大部分宽频功率分析仪标称的带宽指标就是指-3db带宽
  值得注意的是,许多宽频功率分析仪标称的带宽指标,与功率测量,尤其是谐波分析等测量功能,并无直接关系!
  比如说,某宽频功率分析仪标称的带宽为1MHz,按照采样定理的要求,其采样频率应该在2MHz以上,而其最高采样频率只有200kHz。就采样定理要求看,其能够测量的最高频率为100kHz。然而,为了满足采样定理的要求,在采样频率较低的情况下不至于因频谱混叠而无法还原信号,必须在模数转换之前加一个防混叠滤波器,而其多种可选防混叠滤波器中,最高的截止频率为50kHz,这样,为了保证正确测量,该宽频功率分析仪可以使用的带宽仅仅为50kHz,从交流采样数字仪表的原理出发,50kHz可以称为傅里叶频谱带宽。
  当去除防混叠滤波器时前向通道带宽(上述仪器为1MHz)大于傅里叶频谱带宽时,傅里叶频谱带宽就是实际可用的带宽。
  当去除防混叠滤波器时前向通道带宽(上述仪器为1MHz)小于傅里叶频谱带宽时,前向通道带宽就是实际可用的带宽。
  为了区别于标称的带宽,我们称实际可用的带宽为有效带宽
  按照上述分析,该宽频功率分析仪的有效带宽为50kHz,远远小于其标称的1MHz的带宽。

读懂宽频功率分析仪的精度标称方式

  电工仪表的精度通常采用准确度等级表示,例如,0.2级的功率表,表示其最大误差为满量程的0.2%。按照电工仪表准确度等级的定义(参见“电工仪表准确度等级详解”),宽频功率分析仪的准确度等级标称方式应该采用仪表的满量程引用误差表示。
  然而,由于相关标准和规范的缺失,目前市面上销售的宽频功率分析仪精度大多采用读数误差加量程误差的方式表述。
  例如:0.05%rd+0.05%fs,其中,rd表示读数,fs表示量程。
  按照电工仪表准确度等级的定义,该宽频功率分析仪的功率测量准确度等级为0.1级。
  但是,由于部分进口宽频功率分析仪厂家为了达到其商业目的,有意虚抬精度指标。例如:某进口宽频功率分析仪的精度为0.02%rd+0.04%fs。按照电工仪表准确度等级定义,其准确度等级为“0.06级”或0.1级(标准的准确度等级没有0.06级,按照相近的但是低指标靠拢)。然而,该厂家却将+0.04%fs这一精度相关的主题信息省略,在其宣传资料中标称基本精度为0.02%读数。
  值得注意的是:进口功率分析仪厂商浑水摸鱼,宣传方式上带头采用意图误导消费者的不规范的精度标称方式,国内功率分析仪厂家纷纷效仿,致使宽频功率分析仪精度标称方式混乱。目前许多宽频功率分析仪均采用了上述不规范的精度标称方式。(参见“变频电量测量仪器发展现状”)
某进口宽频功率分析仪具有误导性的精度标称方式
图 某进口宽频功率分析仪具有误导性的错误的精度标称方式

隐含的角差指标是低功率因数下功率测试准确度的关键

  电机空载试验、电力变压器空载及短路试验时,输入功率因数非常低,功率因数越低,宽频功率分析仪或系统的功率测量误差越大,而引起误差加大的根本原因在于其电压通道和电流通道之间的相位差误差——角差。角差对功率测量精度的影响与电压电流相位差有关,如下式:
  EP=EU+EI+tanφEφ。(推导过程参见银河文库“不同功率因数下相位误差对功率测量准确度的影响”)
  式中EP、EU、EI分别为功率、电压、电流的相对误差,EU、EI由宽频功率分析仪的电压、电流测量准确度及电压、电流与量程的比值决定,与功率因数误差。当电压、电流读数接近量程值时,EU、EI取决于宽频功率分析仪的电压、电流准确度等级,在数值上等于准确度等级指数除以100。
  Eφ为角差,φ为电压电流的相位差,功率因数越低,φ越大,tanφ越大。
  当功率因数很低时,例如,功率因数cosφ为0.01时,tanφ约为100,即便是微小的角差,也会对功率测量带来较大的影响。而EU、EI与功率因数无关。
  可见,低功率因数时,角差是影响功率测量准确度的关键指标。
  相反,当功率因数较高时,tanφ较小,cosφ=1时,tanφ=0,cosφ=0.8时,tanφ=0.75,也就是说,功率因数较高时,功率测量准确度与角差关系很小,影响功率测量准确度的主要是电压、电流误差EU和EI
  然而,大部分宽频功率分析仪仅仅标称在功率因数为1时的准确度指标,该指标并不能反映角差的影响。并且不标称具体的角差,无法计算低功率因数时的功率测量误差。

精度标称参比条件是宽频功率分析仪的关键指标

  任何宽频功率分析仪的精度指标都是在特定条件下标称的,这个标称的条件,计量术语中称为参比条件,而参比条件下标称的误差指标,称为基本误差。所有宽频功率分析仪的精度指标都是对基本误差不同表现形式。
  换言之,当使用条件与参比条件不同时,宽频功率分析仪标称的精度指标不再成立。
  例如,您在选购牵引电机试验的宽频功率分析仪,按照国家标准的要求,精度要求为0.2级。假设试验的测量频率范围为0.2Hz~100Hz。
  而某进口宽频功率分析仪的基本误差为0.06%(0.02%rd+0.04fs),如果您不再往下看,该精度指标可以满足您的测试需要。
  如果此时的您,能够进一步思考:其参比条件是什么?是否囊括我的测试条件?
  查看该宽频功率分析仪的技术指标可知:
  上述精度对应的参比条件为45Hz~66Hz。
  参比条件并不能囊括您的测试条件!然而,该宽频功率分析仪标称的带宽为0.1Hz~1MHz,于是,您继续往下看:
  在0.1Hz~30Hz的参比条件下,其基本误差为0.5%(0.2%rd+0.3fs),不满足牵引电机试验的精度要求。
  实际测试时,你可能还需要开启500Hz防混叠滤波器,精度会进一步下降,基本误差为1.8%(1.4%rd+0.4%fs),!
  结论:该宽频功率分析仪的精度指标不满足牵引电机试验的精度要求。
  提示:选购宽频功率分析仪时,看到精度指标的同时,应该马上联想到其对应的参比条件,看看参比条件是否与您的使用条件相符!若不相符,这个精度指标与您的试验无关!