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十年的研究成就国家直流大电流计量标准的建立

—— 十年研究成就直流大电流计量标准

行业聚焦点中国仪表网2014年01月15日 11:52人气:5423

  导读:10年研究终成果,“国家直流大电流计量标准研究建立与应用”项目获国家科技进步二等奖。现在,这项成果已经为国内高端大电流测量仪器和标准提供了量值溯源,有力地支持了直流高压输电的发展;为高铁机车研发和安全试验测量用大电流传感器提供校准溯源等。
  

  中国仪表网讯  “一件事坚持做10年,一定能做出成就来!”刚刚从“2013年度国家科学技术奖励大会”现场赶回来的中国计量院电磁所副所长邵海明脸上,仍然难掩获奖的激动与兴奋。作为国家科技进步二等奖“国家直流大电流计量标准研究建立与应用”项目的主要完成人,邵海明发自肺腑地说:“这不仅仅是我们课题组成员的荣耀,更是整个质检系统的荣耀。”
  
  经济发展急需计量保障
  
  谈起高准确度国家直流大电流计量标准的重要性,邵海明举了几个例子。
  
  我国发电量居世界第一,直流用电量占20%至40%,而直流高压输电线路就需要依靠准确的直流大电流测量来计算线路损耗;风能、太阳能等新能源并网运行也需要准确测量直流大电流评价换流效率;在金属电解行业,直流用电量约占其总用电量90%,行业准入、节能考核都需要准确测量直流大电流来评价电流效率;高铁、地铁等现代机车靠直流电机驱动,装配有大量直流大电流传感器对机车运行状况进行监控,这些直流大电流的准确有效测量完全依赖高准确度的国家大电流计量标准;在高能物理和核动力等科学研究中,更需要准确测量和稳定直流大电流,控制粒子偏转和聚焦,高准确度计量溯源关系到科学实验和研究的成败。
  
  “‘准’、‘大’和‘现场’是直流大电流计量溯源面对的三大技术难题。”邵海明解释,“准”是国家直流大电流计量标准研究和建立的第一要务,而大电流产生的强干扰磁场则是计量校准的主要误差源。一直以来无法攻克强干扰磁场及影响,导致各国计量机构研究建立的直流大电流计量标准的测量不确定度长期无法突破,难以满足广泛使用的直流大电流测量仪器计量溯源要求,更无法进行现场校准。在我国,直流大电流测量广泛应用于各行业领域,国家发改委发布实施的《铝行业准入条件》要求电解铝电流效率不得低于93%,金属电解生产电流效率的测量和提高,首先取决于直流大电流的准确测量和控制。然而,在电解工业现场,大电流强磁场干扰有时会导致测量和控制直流大电流传感器工作不稳定,不同厂家传感器测量结果不一致,在线计量校准很难进行,不仅影响安全生产,也影响了节能减排国家战略的实施。
  
  “这迫切需要我们突破技术难点,研究建立高准确度的国家直流大电流计量标准,并解决直流大电流现场在线校准难题。”邵海明说。
  
  破解三大技术难题
  
  从2004年开始,邵海明带领的课题组围绕三大技术难题开展科研攻关。10年探索之路无疑困难重重。“曾经有很长一段时间,我们的课题毫无进展。”邵海明回忆,“有时候你有了一个好想法,要实现它却并不容易。从好想法到好工艺再到最后的好实现,每走一步都会遇到很多意想不到的问题。”但邵海明坚持认为,做一个项目就一定要做到最好,绝不能草草收场。“我们一定要比别人做得更准!”正是这样的理念一直支撑着课题组的成员们。
  
  在研究停滞不前的时候,来自外围的支持和帮助让课题组有了“柳暗花明又一村”的惊喜。邵海明一直对来自清华大学师生的帮助心存感激:“他们在我们并不熟悉的领域给了很好的建议,把他们的想法和我们的想法融合在一起,终于找到好的解决方案。”还有从老一辈电测专家张钟华院士那里汲取的知识和营养,让课题组也受益匪浅。
  
  邵海明和团队一起,在减小大电流产生的干扰磁场及其对大电流直流比较仪计量校准的影响方面,取得了多项国际首创的完全自主创新,解决了高准确度直流大电流国家计量标准研制和工业在线计量溯源难题;他们研究发现了偏心内、外电流在铁芯中干扰磁场的等效性,并成功应用于大电流比较仪分布式母线优化设计,在工业现场采取反向偏心安装法,解决了大电流干扰磁场对比较仪工作稳定性的影响,研究发现了磁屏蔽中气隙长度对磁屏蔽效能的决定性影响,完善了比较仪磁屏蔽设计理论,找准了提高比较仪抗磁干扰和减小误差的关键,提出了一种DCC串并联自校准方法,解决了大电流DCC在额定大电流和实际漏磁状态下高准确度自校准难题;提出并实现“倍增电流法”,绝对测量了电阻基准器的电流依赖性,解决了电阻量传长期存在的缺少绝对测量手段评定这一不确定度分量的难题。
  
  正如课题组所期望的那样,10年研究探索的成果最终解决了直流大电流计量溯源国内外长期存在的“准”、“大”、“现场”三大难题,促进了直流大电流计量科技进步。
  
  比国际最好水平高5倍
  
  邵海明拿出的成果鉴定书上显示,该成果在国际上首次突破1×10-6的不确定度瓶颈,比国际最高水平高近5倍,将我国直流大电流计量溯源水平提高10倍,提升了我国大电流计量国际影响力。同时,创新成果为我国高端直流大电流仪器研发企业提供了强有力溯源支持,提升了我国大电流计量仪器产品国际竞争力;解决了工业现场大电流在线校准难题,支撑了国家节能减排政策在行业的有效实施。
  
  现在,这项成果已经为国内高端大电流测量仪器和标准提供了量值溯源,有力地支持了直流高压输电的发展;为高铁机车研发和安全试验测量用大电流传感器提供校准溯源,保障了对机车安全运行的监控;为海军提供舰船直流电动力系统评估提供测量系统的技术咨询和校准,支持了海军舰船装备建设;为企业研发高端直流大电流计量仪器提供了设计、校准技术咨询和计量溯源,改进了产品性能,提升了企业国际竞争力,替代大量进口仪器设备。
  
  “如果没有当初‘要比别人做得更准’的信念,我们的研究不可能取得现在的成果,也不可能发挥如此大的作用。”邵海明表示,目前他们还在做项目的深入扩展应用,将在解决更大电流在线计量溯源方面迎难而上,追求更准的计量。
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