一識(shí)別寬頻功率分析儀的有效帶寬指標(biāo)

寬頻功率分析儀的基本作用就是在寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量和相關(guān)分析運(yùn)算，且其精度指標(biāo)滿足相關(guān)的要求。

因此，有必要對(duì)其寬頻率范圍指標(biāo)進(jìn)行量化。衡量?jī)x器設(shè)備使用頻率范圍的一個(gè)最熟悉的指標(biāo)就是帶寬，最常用的帶寬指標(biāo)是-3db帶寬。目前大部分寬頻功率分析儀標(biāo)稱的帶寬指標(biāo)就是指-3db帶寬。

值得注意的是，許多寬頻功率分析儀標(biāo)稱的帶寬指標(biāo)，與功率測(cè)量，尤其是諧波分析等測(cè)量功能，并無(wú)直接關(guān)系！

比如說(shuō)，某寬頻功率分析儀標(biāo)稱的帶寬為1MHz，按照采樣定理的要求，其采樣頻率應(yīng)該在2MHz以上，而其最高采樣頻率只有200kHz。就采樣定理要求看，其能夠測(cè)量的最高頻率為100kHz。然而，為了滿足采樣定理的要求，在采樣頻率較低的情況下不至于因頻譜混疊而無(wú)法還原信號(hào)，必須在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前加一個(gè)防混疊濾波器，而其多種可選防混疊濾波器中，最高的截止頻率為50kHz，這樣，為了保證正確測(cè)量，該寬頻功率分析儀可以使用的帶寬僅僅為50kHz，從交流采樣數(shù)字儀表的原理出發(fā)，50kHz可以稱為傅里葉頻譜帶寬。

當(dāng)去除防混疊濾波器時(shí)前向通道帶寬（上述儀器為1MHz）大于傅里葉頻譜帶寬時(shí)，傅里葉頻譜帶寬就是實(shí)際可用的帶寬。

當(dāng)去除防混疊濾波器時(shí)前向通道帶寬（上述儀器為1MHz）小于傅里葉頻譜帶寬時(shí)，前向通道帶寬就是實(shí)際可用的帶寬。

為了區(qū)別于標(biāo)稱的帶寬，我們稱實(shí)際可用的帶寬為有效帶寬。

按照上述分析，該寬頻功率分析儀的有效帶寬為50kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其標(biāo)稱的1MHz的帶寬。

二讀懂寬頻功率分析儀的精度標(biāo)稱方式

電工儀表的精度通常采用準(zhǔn)確度等級(jí)表示，例如，0.2級(jí)的功率表，表示其最大誤差為滿量程的0.2%。按照電工儀表準(zhǔn)確度等級(jí)的定義（參見(jiàn)“電工儀表準(zhǔn)確度等級(jí)詳解”），寬頻功率分析儀的準(zhǔn)確度等級(jí)標(biāo)稱方式應(yīng)該采用儀表的滿量程引用誤差表示。

然而，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的缺失，目前市面上銷(xiāo)售的寬頻功率分析儀精度大多采用讀數(shù)誤差加量程誤差的方式表述。

例如：0.05%rd+0.05%fs，其中，rd表示讀數(shù)，fs表示量程。

按照電工儀表準(zhǔn)確度等級(jí)的定義，該寬頻功率分析儀的功率測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)。

但是，由于部分進(jìn)口寬頻功率分析儀廠家為了達(dá)到其商業(yè)目的，有意虛抬精度指標(biāo)。例如：某進(jìn)口寬頻功率分析儀的精度為0.02%rd+0.04%fs。按照電工儀表準(zhǔn)確度等級(jí)定義，其準(zhǔn)確度等級(jí)為“0.06級(jí)”或0.1級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級(jí)沒(méi)有0.06級(jí)，按照相近的但是低指標(biāo)靠攏）。然而，該廠家卻將+0.04%fs這一精度相關(guān)的主題信息省略，在其宣傳資料中標(biāo)稱基本精度為0.02%讀數(shù)。

值得注意的是：進(jìn)口功率分析儀廠商渾水摸魚(yú)，宣傳方式上帶頭采用意圖誤導(dǎo)消費(fèi)者的不規(guī)范的精度標(biāo)稱方式，國(guó)內(nèi)功率分析儀廠家紛紛效仿，致使寬頻功率分析儀精度標(biāo)稱方式混亂。目前許多寬頻功率分析儀均采用了上述不規(guī)范的精度標(biāo)稱方式。（參見(jiàn)“變頻電量測(cè)量?jī)x器發(fā)展現(xiàn)狀”）

圖 某進(jìn)口寬頻功率分析儀具有誤導(dǎo)性的錯(cuò)誤的精度標(biāo)稱方式

三隱含的角差指標(biāo)是低功率因數(shù)下功率測(cè)試準(zhǔn)確度的關(guān)鍵

電機(jī)空載試驗(yàn)、電力變壓器空載及短路試驗(yàn)時(shí)，輸入功率因數(shù)非常低，功率因數(shù)越低，寬頻功率分析儀或系統(tǒng)的功率測(cè)量誤差越大，而引起誤差加大的根本原因在于其電壓通道和電流通道之間的相位差誤差——角差。角差對(duì)功率測(cè)量精度的影響與電壓電流相位差有關(guān)，如下式：

EP=EU+EI+tanφEφ。（推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)銀河文庫(kù)“不同功率因數(shù)下相位誤差對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響”）

式中EP、EU、EI分別為功率、電壓、電流的相對(duì)誤差，EU、EI由寬頻功率分析儀的電壓、電流測(cè)量準(zhǔn)確度及電壓、電流與量程的比值決定，與功率因數(shù)誤差。當(dāng)電壓、電流讀數(shù)接近量程值時(shí)，EU、EI取決于寬頻功率分析儀的電壓、電流準(zhǔn)確度等級(jí)，在數(shù)值上等于準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)除以100。

Eφ為角差，φ為電壓電流的相位差，功率因數(shù)越低，φ越大，tanφ越大。

當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí)，例如，功率因數(shù)cosφ為0.01時(shí)，tanφ約為100，即便是微小的角差，也會(huì)對(duì)功率測(cè)量帶來(lái)較大的影響。而EU、EI與功率因數(shù)無(wú)關(guān)。

可見(jiàn)，低功率因數(shù)時(shí)，角差是影響功率測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵指標(biāo)。

相反，當(dāng)功率因數(shù)較高時(shí)，tanφ較小，cosφ=1時(shí)，tanφ=0，cosφ=0.8時(shí)，tanφ=0.75，也就是說(shuō)，功率因數(shù)較高時(shí)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度與角差關(guān)系很小，影響功率測(cè)量準(zhǔn)確度的主要是電壓、電流誤差EU和EI。

然而，大部分寬頻功率分析儀僅僅標(biāo)稱在功率因數(shù)為1時(shí)的準(zhǔn)確度指標(biāo)，該指標(biāo)并不能反映角差的影響。并且不標(biāo)稱具體的角差，無(wú)法計(jì)算低功率因數(shù)時(shí)的功率測(cè)量誤差。

四精度標(biāo)稱參比條件是寬頻功率分析儀的關(guān)鍵指標(biāo)

任何寬頻功率分析儀的精度指標(biāo)都是在特定條件下標(biāo)稱的，這個(gè)標(biāo)稱的條件，計(jì)量術(shù)語(yǔ)中稱為參比條件，而參比條件下標(biāo)稱的誤差指標(biāo)，稱為基本誤差。所有寬頻功率分析儀的精度指標(biāo)都是對(duì)基本誤差不同表現(xiàn)形式。

換言之，當(dāng)使用條件與參比條件不同時(shí)，寬頻功率分析儀標(biāo)稱的精度指標(biāo)不再成立。

例如，您在選購(gòu)牽引電機(jī)試驗(yàn)的寬頻功率分析儀，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，精度要求為0.2級(jí)。假設(shè)試驗(yàn)的測(cè)量頻率范圍為0.2Hz～100Hz。

而某進(jìn)口寬頻功率分析儀的基本誤差為0.06%（0.02%rd+0.04fs），如果您不再往下看，該精度指標(biāo)可以滿足您的測(cè)試需要。

如果此時(shí)的您，能夠進(jìn)一步思考：其參比條件是什么？是否囊括我的測(cè)試條件？

查看該寬頻功率分析儀的技術(shù)指標(biāo)可知：

上述精度對(duì)應(yīng)的參比條件為45Hz～66Hz。

參比條件并不能囊括您的測(cè)試條件！然而，該寬頻功率分析儀標(biāo)稱的帶寬為0.1Hz～1MHz，于是，您繼續(xù)往下看：

在0.1Hz～30Hz的參比條件下，其基本誤差為0.5%（0.2%rd+0.3fs），不滿足牽引電機(jī)試驗(yàn)的精度要求。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，你可能還需要開(kāi)啟500Hz防混疊濾波器，精度會(huì)進(jìn)一步下降，基本誤差為1.8%（1.4%rd+0.4%fs），！

結(jié)論：該寬頻功率分析儀的精度指標(biāo)不滿足牽引電機(jī)試驗(yàn)的精度要求。

提示：選購(gòu)寬頻功率分析儀時(shí)，看到精度指標(biāo)的同時(shí)，應(yīng)該馬上聯(lián)想到其對(duì)應(yīng)的參比條件，看看參比條件是否與您的使用條件相符！若不相符，這個(gè)精度指標(biāo)與您的試驗(yàn)無(wú)關(guān)！

審核編輯 黃宇