浅析电学计量的现状和发展趋势

李时鑫

（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

自20世纪18世纪以来，人们便开展了对电学的研究。当前，在人类社会中无论是科学技术活动和物质生产活动都离开不了电力能源的参与，而电学计量便是帮助电力活动实现单位统一和量程准确的主要活动。电力计量是电力工作中技术和管理的结合体，通过电力计量工作便可以实现计量单位的统一，同时，也是现代科技发展过程中的必然趋势。随着计量基准、绕组匝比技术、交流电量测量技术、虚拟表测量技术、等效模拟技术等在电力计量工作中的应用，使得当前我国的计量技术突飞猛进地发展。

1 电学计量基准的应用

电学计量基准主要是当前我国及世界上部分国家，对电学中的统一量值赋予最高的测量标准所赋予的专有名称。电学计量也是指通过国家决定承认的测量标准，当前，在国际单位SI的7个基本单位中与电磁量有关的基本单位主要是安培。

电力设备在实际的应用过程中，如果需要其在长时间保持高度稳定的电流标准状态，那么，往往难以实现。但是，电力设备中的电压及电阻单位更容易在实际应用中保持稳定，因此，各国政府在电机计量应用的过程中，将电压单位和电阻单位作为当前保存电磁单位的实际手段。同时，电压单位和电阻单位也是电磁学单位中最重要的两个单位之一，该单位在应用中都具备计量基准。

2 现阶段电学计量中的计算基准

2.1 电容

电容值是电学计量中的基准之一，电容这一单位主要是指电路在位于给定电位差下，电路自身所储备的电荷量。通常电荷会随着电场中电流的运动而随之运动，这便使得导体之间存在着电荷这一介质，但是，电容在导体中移动时导体自身材料性质会对电荷的移动造成一定的影响，使得导体中的电荷累积储存，在导体中电荷的储存量统称为电容。在电力学中电容主要是指可以容纳电场的能力，我国科学家在研究中通过将4个柱形电极构成的电容器用于电荷的储存，在实验中发现该电容器的电容量与电容器轴向长度成正比的关系，但是，与电容器的自身形状没有关系。因此，在对电容器轴向长度进行测量过程中采用干涉法，便可以提高电容器的测量量级，使当前交流阻抗的复现水平稳步提升。

2.2 电感

电感是电学计量中的计算基准之一，电感主要是指闭合回路下，电路自身所附带的一种属性，电感是一个物理量值。当电路线圈中通入电流后，线圈在电流的作用下便会形成磁场效应，在由线圈所组成的磁场效应中，感应磁场会随之产生感应电流，对线圈中现有的电流进行抵制。感应磁场中的电流与线圈之间的相互作用并被称为电的感抗，通常也被称为电感。电感这一物理量主要用来描述线圈内部电容发生的变化，或是本线圈在另一线圈中引起感应电动势的电路参数。

2.3 电阻频率特性

电阻频率特性是电学计量中的计算基准之一，电子频率特性主要是指电学测量过程中对交流电流、交流电阻、高频电路等在应用过程中产生的电路介质损耗。当电阻处于交流高频状态时，电阻元件的寄生电感、接线面的趋肤效应、电容邻近效应、周围介质的损耗等因素会使电阻元件在交流状态下的阻抗实部与直流不相等。同时，由于高频电路中所存在的寄生电感、寄生电容与电阻器的导线形状、位置排列，及周边的电磁环境有着密切的关系，因此，在对几何形状规则的电阻器进行电子频率特性计算时，需要考虑高频电路中的寄生电感和寄生电容等各种附加损耗因素，这样才可以较准确地计算出电阻在交流状态下与直流状态下的区别。

2.4 电压

电压是电学计量中的计算基准值之一，电路中的电压量值在绝对测量中可以采用电压天平，也可以根据安培定律，通过电流与电阻之间的关系进行导出。当前，世界上大多数国家都采用直流电压和频率之间的关系来推导出电压的商值，该值通常也被称为约瑟夫森常数。

2.5 交直流转换标准

交直流转换标准主要是在基于交流电压、功率和电流的计量上进行测定，在测定过程中通过电流热效应的比较技术，对交流电压和电流的真实有效值进行判断。在对未知的交流电压或电流热效应进行判断时，可以将该数值与已知的直流电压和电流热效应进行匹配。当前，我国通过一种真有效值固态传感器，通过该传感器上的硅片晶体管和扩散电阻对电路中电阻所消耗的功率进行检测，在检测中通过基极、发射极电压、发射极温度之间所形成的关系，便可以直接得到检测数值。

3 电学计量基准的发展

3.1 电学计量中应用数字化测量技术

电学计量基准在发展中通过应用数字化测量技术，便可以直接利用仪器对被测量进行采样、量化、转换和编码，在编码转换过程中直接通过实际数字显示测量仪表，就可以直接显示数字结果。在采用数字化测量技术中电压是其最基本的模数转化因子，同时，数字电压表也是数字仪表组成的主体和核心之一。在电学中的多数物理量都可以直接通过变换器转化成电压，然后，再通过电压表将电压值转化成数字量，实现数字化的电学测量，使数字化测量扩展到用电测量仪器和非用电测量仪器等多个领域，是当前对我国地区计量测量产生较大影响的仪器之一。

3.2 电学计量中应用模拟电子技术

在电学计量中可以应用模拟电子技术，通过应用模拟电子技术可以在不同条件下对电子元件中的计量数值进行测算，在对电学计量数据进行测算中，可以通过利用等效电路而忽略主要矛盾和次要矛盾，例如，在工程计算中可以采用模拟电子技术中的等效电路法，来解决工程应用中出现的琐碎电学问题。在采用模拟电子技术的过程中，还可以在基于交直流转换标准的基础上，判断电路中的直流电压、电流和功率大小，而实现这种技术只需要通过固态传感器上的晶体管和扩散电阻，即可进行电学计量的检测工作。

3.3 电学计量中应用虚拟表技术

在电学计量中还可以应用虚拟表技术，通过应用虚拟表技术中的VXI、PXI板卡仪器等，并可以突破传统仪器测量过程中的局限，充分利用现代计算机技术的测算量，并通过引入光速、普朗克常数、电子电荷等新单位值，提高电学计量测量的准确度。同时，该技术也是未来电学计量测试应用中的发展趋势，通过虚拟表技术可以在电路中快速采样，并且通过对各种环境条件及因素进行自动控制修正，便可以对电学计量数据进行自动处理，将要提高电学计量的测量速度和精准度。

3.4 电学计量中的动态计量应用

在我国的科研生产领域和国防尖端领域的研究中，涉及电子元器件的动态计量测量，动态测量主要是指在测量中被测量会随着时间的变化而发生变化，这时，便需要在测量中注重信号值的快速响应和不失真复现。动态测量技术与静态测量相比，所使用的技术较为复杂，其具体的难点是在电子元器件的响应时间内使用传感器和二次仪表，并且还需要在测量中将原测量结果转换到最终测量结果，而这一过程也是电学计量信号的恢复过程。为了提高电子元器件信号恢复的可能性，还需要事先了解所使用测量仪器的动态响应特征。现阶段，动态校准是属于电学计量学的范畴内，但是，有常规的电学计量还存在了一定的区别具有特殊性，在动态计量测量中不仅需要研究测量理论，同时，还需要研究测量方法，这样才可以对动态计量测量中的特低频微弱小信号准确地识别。

4 结语

随着我国计算机软硬件技术和信号处理技术的快速发展，所使用的电学计量标准装置数据集卡的采集速度、分辨率和储层率都有着大幅度的增长，这便可以在精度校准中实现频率变化达到MHz级以上的电信号采集。此外，随着计算机运行速度大幅度提升，还可以完成电学计量标准采集中较为复杂的数据分析处理和数学解算。

在地区计量测量中，通过利用现代物理效应，还可以大幅度提高计量基准复现量值的一致性。同时，在采用计算机技术和数字技术的基础上，还可以大幅度提高电学计量测量的效率，并借此实现进行计量测量的自动化、智能化和网络化。