本发明属于电流计量，涉及一种大电流的量子电流测量装置与方法。
背景技术：
1、电流的准确测量对提升电力系统的故障诊断与电能计量准确性，维护电网安全与电能交易公平等方面具有重要作用。根据国际计量委员会(cipm)的建议，自1990年1月1日起，在世界范围内启用直流约瑟夫森量子电压基准，自此开启了电磁计量的量子化时代。量子化基准具有复现性好，不存在保存问题等诸多优势。因此，量子化计量对测量仪器的传递与溯源等具有重要意义。
2、目前，单电子隧道泵可实现电流的量子化计量，但是其上限只能到100pa，准确度等级为10-7级别，而大多数设备的实际工作电流在毫安级以上，甚至有的计量需要到数十安级别。因此，单电子隧道泵难以满足电流量子化计量的需要。虽然电压和电阻的量子化计量已经取得重要进展，已经开始推广应用，根据电压、电流和电阻的三角关系，获得其中电压和电阻的量子化计量之后，可以间接获得电流的电子化计量。然而，目前无论是约瑟夫森量子结阵列量子电压基准还是量子霍尔电阻，都是在超低温环境中工作，可提供的或者可承受的电流非常有限，只能到微安级，依然无法满足需要工程应用需要。
3、虽然低温电流比较仪可应用于pa量级，甚至fa级电流的放大及准确测量，准确度可达10-12量级，但是前提得有一个电流基准源，且其比较的比值最高只能达到1:2000，依然难以实现10a级及以上的电流的高准确度电流计量。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种大电流的量子电流测量装置与方法，可以实现较大直流电流的量子化测量，其准确度等级有望接近10-9。
2、本发明采用如下的技术方案。
3、本发明的第一方面提供了一种大电流的量子电流测量装置，包括可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准、量子霍尔电阻、低温电流比较仪、可控电流源1和2、多匝线圈、磁通门电流传感器、微处理器、常规电流传感器；
4、其中，可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准与量子霍尔电阻连接，用于产生可调基准电压u0并加在量子霍尔电阻上，产生基准电流i0；
5、低温电流比较仪分别与量子霍尔电阻和可控电流源连接，用于将基准电流i0与可控电流源1的输出电流i1进行比较，形成δi01；
6、可控电流源1的输出电流i1、可控电流源2的输出电流i2通过与被测电流导线并行的n匝线圈；
7、磁通门电流传感器，用于监测n匝线圈中通过的电流i1及i2之和与被测电流导线中电流i3的电流差δi13；
8、常规电流传感器，用于测量被测电流导线中电流i3，得到测得结果i′3；
9、微处理器，用于接收δi01、δi13和i′3，并分别根据i′3、δi01、δi13控制调节u0、i1、i2，使得i1与i0的比值处于低温电流比较仪范围内、δi01和δi13趋于0，输出i3的最终测量值。
10、优选地，量子霍尔电阻采用砷化镓量子霍尔电阻。
11、优选地，可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准中结的个数不小于200，但不大于2000，产生的可调基准电压u0不小于140mv，但不大于1.4v。
12、优选地，可控电流源1为能够产生-20ma至20ma电流的可编程电流源，或为可编程电压源串接超低温漂精密电阻而成的能够产生-20ma至20ma电流的可控电流源模块；
13、可控电流源2为可编程电压源串接超低温漂精密电阻而成的能够产生-10～10ma电流的可控电流源模块，可控电流源2的分辨力为1μa，电流可正可负。
14、优选地，所述n匝线圈的电流方向与被测电流导线中的电流方向相反或相同；
15、方向相同时，n匝线圈形成一股并成矩形状，与被测电流导线靠近平行放置边长的长度不小于1米，间距范围在1-10cm，另外三个边长有屏蔽层屏蔽，磁通门电流传感器的磁芯绕成“8”字形；
16、方向相反时，n匝线圈形成一股并成矩形状，与被测电流导线靠近平行放置边长的长度不小于1米，间距为0，另外三个边长有屏蔽层屏蔽，和被测电流导线靠近平行放置的边长的n匝线圈均匀包裹被测电流导线，磁通门电流传感器的磁芯成椭圆形或者圆形。
17、优选地，n＞100，且n＝floor((i3max+i2max)×r/(u0max×m))
18、其中，m为低温电流比较仪中的匝数比；
19、i2max为可控电流源2能够产生的最大电流幅值；
20、i3max为被测电流的最大限值；
21、u0max为可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准能够产生的最大可调基准电压幅值；
22、r为量子霍尔电阻值；
23、floor(x)表示求不大于x的整数的算子。
24、优选地，磁通门电流传感器在被测电流导线中电流为0时的噪声小于1μa，分辨力优于1μa，可测电流范围为-10ma～10ma；
25、优选地，可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准和低温电流比较仪工作在4k以下的超低温度环境下；
26、磁通门电流传感器和可控电流源1、2工作在恒温箱内，恒温箱内的温度设定在18℃-30℃之间，波动范围为-1℃～1℃。
27、优选地，微处理器分别根据i′3、δi01、δi13控制调节u0、i1、i2，使得i1与i0的比值处于低温电流比较仪范围内、δi01和δi13趋于0，输出i3的最终测量值的过程如下：
28、(1)根据常规电流传感器测量的i′3，调控可编程约瑟夫森结阵列量子电压产生的基准电压u0，使得u0加在量子霍尔电阻上产生的基准电流i0＝u0/r在10na-10μa范围内，i1与i0的比值处于低温电流比较仪范围内，i′3+i2max>u0/r×m×n>i′3-i2max；
29、(2)根据δi01采用pi控制法调节可控电流源1的输出电流i1，使得δi01趋于0，此时，i1≈u0×m/r，其中m表示低温电流比较仪中的匝数比；
30、(3)根据δi13采用pi控制法调节可控电流源2的输出电流i2，使得δi13趋于0，此时，i3≈i1×n+i2≈(u0×m×n/r+i2)，输出i3的最终测量值为(u0×m×n/r+i2)；
31、(4)如果i2已达到10ma，δi13依然大于2μa，则调控可编程约瑟夫森结阵列量子电压u0，使其减小一个约瑟夫森结量子电压，返回流程(2)，直到δi13趋于0；若i2已达到-10ma，δi13依然小于-2μa，则让u0增大一个约瑟夫森结量子电压，返回流程(2)，直到δi13趋于0。
32、本发明的第二方面提供了一种大电流的量子电流测量方法，包括：
33、可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准产生可调基准电压u0并加在量子霍尔电阻上，产生基准电流i0；
34、低温电流比较仪将基准电流i0与可控电流源1的输出电流i1进行比较，形成δi01；
35、可控电流源1的输出电流i1、可控电流源2的输出电流i2通过与被测电流导线并行的n匝线圈，磁通门电流传感器监测n匝线圈中通过的电流i1及i2之和与被测电流导线中电流i3的电流差δi13；
36、常规电流传感器测量被测电流导线中电流i3，得到测得结果i′3；
37、微处理器接收δi01、δi13和i′3，并分别根据i′3、δi01、δi13控制调节u0、i1、i2，使得i1与i0的比值处于低温电流比较仪范围内、δi01和δi13趋于0，输出i3的最终测量值。
38、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
39、本发明将可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准中各子阵列输出电压加在量子霍尔电阻上，形成微安级的基准电流，再用低温电流比较仪对该基准电流与可控电流源1产生的电流进行比较获得电流差，可控电流源1、2输出的电流通过多匝线圈，多匝线圈与被测电流导线并行，通过磁通门电流传感器监测其电流差，根据前述电流差控制可控电流源的输出电流，直到电流差为0，进而得到被测电流的大小。该方法可测纳安以上几乎所有大小的电流，由于砷化镓量子霍尔电阻第2台阶的阻值为12906.4035ω，其准确度等级可达到10-9，约瑟夫森结量子结阵列输出的量子电压准确度等级也可达到10-9，有150μv～10v的量值传递能力,而低温电流比较仪可实现10-12量级准确度，因此，本发明的电流测量方案准确度等级也可接近10-9。
1.一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于，所述装置包括可编程约瑟夫森结阵列量子电压基准、量子霍尔电阻、低温电流比较仪、可控电流源1和2、多匝线圈、磁通门电流传感器、微处理器、常规电流传感器；
2.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
6.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
8.根据权利要求1所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
9.根据权利要求4所述的一种大电流的量子电流测量装置，其特征在于：
10.一种大电流的量子电流测量方法，其特征在于，所述方法包括：
