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交流高频大电流国家基准研发背后的故事

发布时间:2020-03-20 13:46:05 阅读: 来源:护肩厂家

攀登,朝着更高的目标

——2010年度国家科技进步奖二等奖“交流高频大电流国家基准”研发背后的故事

图:交流高频大电流国家基准装置。

图:张江涛(左三)和他的研发团队。王秋艳摄

□本报记者杨蕾/文

“崇尚科学技术的民族,才是最有希望的民族。中华民族要屹立于世界民族之林,必须有强大的科技,有大批创新型人才……”在2010年度国家科技奖励大会的现场,坐在台下的中国计量科学研究院电学与量子科学研究所研究员张江涛仔细聆听着温家宝总理的讲话。此时此刻,无疑值得他人生中永远铭记。作为2010年度国家科技进步奖二等奖获奖项目“交流高频大电流国家基准”的项目负责人,张江涛思绪万千……

小装置大用处

“它的体积只有国外同类最高水平装置的1/20,重量只有他们的1/15。更加可贵的是,我们的装置采取了与国际上完全不同的独立自主的互感器方案,所达到的不确定度指标已经达到国际领先水平,并得到了国际同行的广泛认可。”张江涛捧出他们精心制作的小巧装置,仿佛在炫耀自家的传家宝一样,满脸的幸福与自豪。

一个只有1千克重的装置何以让张江涛如此着迷?它又是凭借什么荣获国家科技进步二等奖的殊荣?

“这叫‘交流高频大电流国家基准装置’,别看它小,用处可大着呢!”张江涛不紧不慢地介绍起来。随着电子技术的不断发展,航空航天电子设备、军工产品中的运载工具、移动军事装备、航海装置等都对重量和体积有着严格的要求。“以航空航天为例,使用运载火箭将航空器送上太空,运载重量每增加1千克,成本将随之增加1.1万美元;在军事上,战斗机的重量更是决定其性能的主要因素之一,要被严格限制。受空间和重量的限制,高频大电流设备在这些领域被广泛采用,同时要求设备体积小、重量轻、稳定可靠。”张江涛介绍,新一代航空航天及军工产品的研制都已把注意力转向了高频变换以及大电流供电。另外,在高频冶炼、电力电子以及医疗设备安全等方面,高频大电流的使用也相当广泛。

上世纪90年代,美国航空航天局(NASA)的校准实验室首先提出高频大电流的校准需求。美国国家科学技术研究院(NIST)首先研制成功了高频大电流源,输出能力上限达到100A,100kHz。该电流源已经成功应用于美国航空航天局(NASA)校准实验室、美国国防校准实验室以及美国空军校准实验室。但NIST为校准该电流源所研制的大电流分流器标准存在频响不好、稳定性差等问题,无法为该电流源提供可靠的校准溯源。近年来,国际上只有奥地利计量院(BEV)研制的同轴结构大电流分流器的校准能力达到了100A,100kHz,并且各方面技术指标的校准能力得到了国际上的广泛认可,很多国家纷纷购置该分流器用于建立各国的高频大电流国家基准。

一段时间以来,由于缺乏自主的交流高频大电流国家基准,我国的交流高频大电流一直存在无法溯源的技术难题。没有自己的国家基准就意味着丧失了在该领域的话语权,就意味着要处处受制于人。我国航天国防事业的快速发展和节能减排工作都迫切需要尽快建立我国独立自主的交流高频大电流国家基准。2004年,正是在这样的背景下,张江涛和他带领的一支汇集着老中青科研力量的团队,向交流高频大电流这一国际计量研究的热点和难点发起了挑战。

四句话的超越

“解决了我国存在的交流高频大电流无法溯源的技术难题;采取独立自主的方法建立了我国高频大电流的国家基准,上限达到100A,100kHz;相比美国和奥地利的国家基准,我们的基准体积和重量大大减少,不确定度指标有了很大提高;基准达到国际领先水平。”虽然只有简简单单的4句话,但张江涛和他的团队却为此付出了整整3年的辛苦努力。

无论是美国NIST还是奥地利BEV的国家基准,都是采用同轴大电流分流器以建立高频大电流国家基准至100A,100kHz。但分流器的方案的缺点是电阻发热严重,稳定性不好。而且,由于分流器散热方面的限制,装置尺寸很大,频响在高频时非常不好。为了克服这些缺点,对分流器的结构设计和加工工艺都有极高的要求。国际上的分流器方案始终无法解决体积大、重量重的问题,这也成为这一方案难以突破的关键。

“既然大家都走进了分流器方案的‘死胡同’里,那我们是不是该掉个方向,另辟蹊径,重新思考设计方案。”张江涛和他的团队首先在理论上寻求突破。“是否可以利用互感器来建立高频大电流基准呢?互感器的方法可等效看作互感式交流电阻,相比分流器方法发热功率可降低几十倍,由于不用担心发热的问题,体积和重量就可以大幅度减小。”这一想法让课题组为之一振,但连张江涛自己都不能确定方案能否成功——频率范围到20kHz时,运用这种方法是没问题的,但到100kHz时,方法还可行吗?事实上,这套方案也存在很多技术难点,例如高频结构设计、负载过重……然而,困难从来就不是让科研工作者低头放弃的理由。接下来的就是课题组无数次的实验、无数次的失败、无数次的重新再来……

和所有在自主创新的道路上坚持下来的科研工作者们一样,张江涛和他带领的团队在互感器方案这条“路”上艰难前行。因为是在国际上首次提出这一方案,没有现成的经验可借鉴,每一个难点都只能依靠课题组自己去攻克。

天道酬勤!最终,张江涛的团队在国际上首次实现了高频互感器方案,用自己的智慧和心血向世界证明:中国人在国际交流大电流研究方面做出了突出贡献!

创新成果作用非凡

在该项目的“国家科学进步奖推荐书”上,清楚地记录着项目组取得的每一项创新成果:互感器方案中采取的电阻电压法在测量速度上远优于交直流转换法;电抗分流器技术的引入使量程扩展传递过程避免了电位不一致的问题;互感器在体积和稳定性等多方面明显优于国际上广泛采用的分流器方案;传递过程独立溯源于自研的同轴时间常数标准,完全不需依赖于国外的交直流变换器;在传递过程方面从10mA到100A只需简单的4步,相对于国际上的13步,传递过程大为简化,从而避免了多次传递所造成的不确定度积累。

张江涛他们的研究成果获得了国际同行的广泛认可。大电流分流器的研制者、奥地利计量院的GarcoczMartin博士在看到张江涛他们的新方法与分流器的比对结果后,感叹道:“我要做的评论是,你们的方法为我的误差计算提供了一种完全独立的评估!”德国联邦物理研究院电学处直流及低频组组长ManfredKlonz博士发来邮件:“你在交流大电流研究方面做了相当好的研究工作,非常感谢你出色的贡献……”

交流高频大电流国家基准建立至今,已经成功为航天科技集团公司、工业和信息化部电子第五研究所等科研单位提供了可靠的校准服务,同时为我国冶金、电力等行业提供了重要的技术支持,为提高能源使用效率及节能减排做出了重要贡献。新的交流电流国家基准的建立为今后我国参加国际关键性比对、保证与国际量值的统一,提高我国产品的质量,增加其国际竞争力奠定了技术基础。该项目的研究成果已经应用于2008年国际计量校准能力(CMC)的申报,并通过了国际专家评审,使我国成为国际上为数不多的大电流校准能力达到100A,100kHz的国家。

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