高電壓量測應用 – 有哪些產業會用到高壓量測？
出於本文的目的，“高電壓”定義為1 kV至150 kV，AC或DC。準確的高電壓量測對於非常廣泛的應用及領域之相關設計和製造至關重要，包含：
- 分析儀器（質譜，光電倍增管，SEM(掃描式電子顯微鏡), TEM等）
- 國防和航空航天（雷達，CRT，模擬器）
- 國土安全（爆炸物探測系統（EDS），行李檢查，X光機檢測）
- 檢查和非破壞性測試系統
- 製造流程（電子束焊接，靜電塗層，感應加熱，晶體拉製，電容器充電，電暈充電等）
- 醫療和生物技術（X射線，射線圖相，電泳等）;脈衝（激光，電容充電，聲納等）
- 研究實驗室（探測器，加速器，核儀器，電子攝影等）
- 半導體設備（離子注入，濺射，外延，沉積，靜電偏轉，等離子體擴散，等離子體化學氣相沉積等）
- 高壓電源
- 射頻發生器和匹配網絡
- 高壓放大器
- 配電（電暈檢測，電纜絕緣測試）
所有這些應用以及用於維護這些儀器的校準實驗室都需要精確的高電壓量測。
做為一個工程類組的學生，第一個會學到的就是“觀測者效應 (Observer effect)”，是指「觀測」這種行為對被觀測對象造成一定影響的效應。這對於儀器量測結果來說也是一樣的，必然會以某種方式改變測量的狀態。而精確的高電壓量測是一個明顯的例子。高電壓量測的精度主要是受到以下三個重要因素影響：
- 量測環境
- 測量探棒／分壓器的誤差
- 量測儀器的固有精度和性能
本文將針對這些因素，說明如何避免影響以及實現高電壓測量的最佳精度。
量測環境因素
高壓量測容易因為環境因素而出錯。在較高的電壓輸出時，必須考慮電磁效應。只要磁場有經過系統設置迴路，就有可能會導致誤差。針對需要高精度量測的情況時，Vitrek 4700精密型數位高壓電錶在操作手冊中提到對受控環境重要性的敍述：
- 4700不應在導電污染可能發生的環境中使用。如：在戶外環境中。
- 如果流體或其他導電物體進入儀器內部，即使沒有通電，該儀器也應立即停止運行。因為可能因安全問題而受到損害。
- 如果在難以控制的環境和水滴凝結的情況下運輸或儲存儀器，則應該在有充足的時間內暫停使用，以便水氣消散。在長期未使用的情形下，應進行一段時間的暖機。
- 當進行交流電壓量測時，即使連接處存在足夠的絕緣，也可能會有電容耦合的情形發生，這可能導致電流流至附近的物體，而且可能會在絕緣體外發生電暈，尤其是在尖銳邊角發生。在嚴重的情況下，電暈會引起對高電壓量測的干擾，並且會在一段時間內降低接線絕緣的能力，最終導致絕緣失效。
量測系統的探棒位置
另外還必須遵循有關探棒／高壓分壓器位置的規則。再一次，Vitrek 4700使用手冊包含了深入說明。對於Vitrek的35 kV SmartProbe來說，為使得高精確度規格是有效的，假設在探針主體中心的半徑為18英寸的圓柱體，並從探棒主體（或基部）延伸到探針尖端之外的點6英寸的內沒有物體。假設探針尖端的連接從探針尖端延伸至探針的位置至少為6英寸。
一般來說，當從探棒附近4英寸放置手掌大小的接地物體時，會影響約<0.01％（60Hz時），當從探棒附近18英寸時，約為<0.1％（400Hz）。只要物體不相對於探棒移動，直流測量的影響可以忽略不計。若有會產生電磁場的物體，則可能需要比以上舉例的距離更遠離探棒。而在更高的電壓時，半徑需增加。例如對於150 kV探頭，半徑須增加到48英寸。
量測探棒 / 高壓分壓器的影響
大多數高壓儀表能夠進行直接測量（使用手持式探棒），最高可達1kV，有些則可以像Vitrek 4700一樣高達10kV。考慮到潛在的危險，使用這種類型的探棒量測時，應特別注意的事項，如VITREK 4700手冊所述：
警告 – 4700的直接端子可直接量測高達10kVrms，此電壓可能導致嚴重的傷害或死亡。用戶必須確保與這些電壓有足夠的絕緣連接。即使存在充足的絕緣，在高壓存在的情況下，也不應將它們的任何部分接近連接處（建議至少每kV 1英寸）。當高電壓存在時，不應插入或移除4700的任何連接頭。
警告 – 當沒有將高壓頭正確插入4700前。請勿將高電壓施加到探棒上。
使用外部探頭測量高電壓
測量較高電壓時，使用外接的探棒或高壓分壓器。最常見的類型採用NIST文件中規定的方法，詳細介紹了利用分壓器網絡將施加在儀表上的電壓降低到其基本輸入範圍內（圖1）。分壓器由一系列相同的精密電阻組成。例如，100：1分壓器將允許具有1 kV最大輸入的儀器測量高達100 kV的施加電壓。
分壓器由大量精密電阻組成，以限制誤差和不確定性。一系列精心匹配的電阻器（理論上）將消除自加熱或其他因素的誤差，這些因素會以均勻的方式影響電阻串。即便如此，仍存在許多導致誤差和不確定性的因素：
- 電阻從一個電阻值變化到另一個電阻值
- 溫度係數的變化（儘管很小）
- 電磁效應
- 電容效應
為了減少這些外在因素影響，高壓分壓器通常採用如圖3所示的配置。陣列中的電阻器將以螺旋方式佈置，以減少電磁和熱因素的誤差。 分壓器網絡容易受到許多誤差的影響，其中包括自發熱，電容對交流測量的影響以及電磁效應。必須使用儀表校準分壓器。校準還應確認不確定性的來源。 一個製造商的文件說明：
“為獲得高阻抗及低輸入電容類型的最高精度，必須考慮引線中的感應電壓，接觸電位，電暈，等效電容，以及與電壓梯度和電容偏移相關的高壓源，接地，牆壁，外殼和負載。＂
分壓器最好能使用特定的儀器進行校準，並且如果需要極高的精度則需要特定的距離。通過適當的接地平面以及最大化導電材料的間隙(可能導致電容變化和電暈)，即可以獲得最高精度，特別是AC精度。如果可能，校準時可模擬使用者的接近距離。
另一種可能更精巧的解決方案是將電源連接到單個高電阻並測量微安電流。當然，必須要求精密的“電壓表”也同時是低阻抗精密電流表。
此替代方案用於Vitrek的每個高壓智能探棒（圖4）。與必須使用儀表校準的分壓器不同，這些智能探頭包括校準數據，當智能探棒連接到任何Vitrek 4700數位高壓電錶時，校準數據會自動更新。
數位高壓電錶的規格與精度
大多數精密型數位高壓電錶都能直接測量; 即，不需要衰減探棒，電壓達1000V。這種儀表的一個例子是Fluke 8846A 6.5位精密萬用表。 像這樣的儀表通常具有100mV至1000V的測量範圍，具有出色的精度規格。 但是，對於1000V和10kV之間的電壓，此類中的電錶必須外接高壓衰減探棒。
在大於1000V且小於10kV的“較低”高壓範圍內發現了許多高壓量測的需求與應用（AC和DC）。可以在此電壓範圍內直接輸入的設備包含Vitrek 4700和Kikusui 149-10A。經由快速比較這兩個儀器，可依不同的應用性質深入了解其重要的特性和功能差異。
| Vitrek 4700 | Kikusui 149-10A | |
| 最大直接輸入電壓 | 10,000 V | 10,000 V |
| 量測頻寬 | DC / 0.01 – 600 Hz | DC / 50/60 Hz |
| DC 直流精度 | 0.03% rdg + 0.03 V | 0.05% rdg + 0.03% range (i.e., 3V) |
| AC 交流精度 | 0.12% rdg + 0.1V | 1.0% rdg + 0.05% range (i.e.,5V) |
| 顯示內容 | AC/DC/頻率在同一個畫面 | AC or DC – 選擇顯示哪一個 |
| 顯示位數 | 最高6 Digits | 4.5 digits |
雖然兩種儀器都具有高精度，但很明顯Vitrek 4700能夠進行更精確的量測。此外，與許多儀器一樣，Kikusui只有1個簡易的數字顯示器，而Vitrek 4700具有多功能數字顯示面板，以及多種不同的資料呈現畫面。在某些應用中，同時監控AC和DC電壓，頻率和電流的能力可能是重要的。
在進行交流量測時可能不需要寬頻率範圍，但如果需要，此外，Vitrek 4700在較寬的頻率範圍內具有RMS讀取功能。例如，在測試電暈效應的傳輸線時應用極低頻（VLF）AC。在一些醫療和航空航天應用中需要更高的頻率。
結論
精確的高壓測量需要特別注意環境條件，高壓探頭的正確應用以及儀表的基本功能和特性。仔細選擇功能強大的儀表可以提供靈活的應用，並減少對多個儀表的需求。
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原著: Kevin Clark, CEO, Vitrek Inc.