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数字式导体电阻测量仪表的研制和使用
◆ 导体电阻测量仪表 ◆

黄以安 1 ,夏凯荣 2 ,曲巍 3

1. 上海太欧电子有限公司(原远中电子仪器厂)   

2. 国家电线电缆质量检验中心   

3. 上海南洋电材有限公司      

1 引言
  电线电缆电性能试验方法标准,是电缆行业开展质量活动的基础标准之一。我国最早发布 GB 764-65 “电线电缆导电线芯电阻 试验方法(直流电桥法)”; 1983 年首次发布 GB/T 3048.2 “金属导体材料电阻率试验”,并将 GB 764-65 修改为 .4 “导体直流电阻试验”。这两个分标准涉及的测试技术密切相关,其基础都是 IEC 60468 : 1974 “金属材料导电率的试验方法”,其关键都是直流电阻试验。
  40多年来,电性能试验方法标准经多次修改,不断完善,在电缆行业中得到广泛的应用。最近,我们再一次对试验方法标准进行修订,除了 总结 近年来检测技术发展的成果,还 按 GB/T 1.1-2000 “标准化工作导则 第 1部分:标准结构和编写规则” 规定修改,“ 充分考虑最新技术水平”,并“为未来技术发展提供框架”。
  修改版 GB/T 3048.2 和 .4 中规定:“……也可使用除电桥以外的其他仪器,如根椐直流电流 - 电压降直接法原理,并采用四端测量技术,具有高精度的数字式直流电阻测试仪。”这段全新的表述,首次在标准中认定了数字式测试仪器。可以预见,高性能的数字式直流电阻测量仪将会在电缆行业中广泛应用,使得测量工作更加快速、准确、方便。
  上海太欧电子有限公司(原远中电子仪器厂)是一家专业生产厂,在行业中有较高的声誉。该厂参加 GB/T 3048 的修订工作,并于 2004 年开发 PC36 系列直流电阻测量仪。经过二年多时间的研制和改进,该仪表已正式面世 , 经国家电线电缆检验中心和上海南洋电材有限公司试用,该仪表的技术性能完全满足修改版标准的要求。
  本文主要介绍研制工作中所克服的技术难点、仪表的主要技术性能、附加功能、以及实际使用效果。

2 主要技术性能

2.1 测量范围及分辨力
  IEC 60468 规定了电阻的下限值为 0.00001 Ω ( 10 -5 Ω ), 允许测量误差 0.15% 。 这个看似简单的要求,给仪表的设计带来了新的挑战。为满足标准的全面要求, 仪表读数的有效位应不少于 4 位,这就要求仪表的最高分辨力达到 10 -8 Ω( 0.01 μΩ)。 综观现有的数字式低阻表 , 电阻值在 100 μΩ以下时,通常 仪表读数仅有 3 位有效数字,示值仅为该档量程的 1/20 以下,这显然是不能符合测量准确度要求的。
  PC36 系列直流电阻测量仪设置了 200 μΩ量程 , 该量程的分辨力为 0.01 μΩ,当被测电阻大于 10 -5 Ω时,仪表保证有 4 位以上的有效读数,可以满足 全系列电线电缆产品的测量要求 。

2.2 测量灵敏度
  众所周知,要提高电桥测量结果的分辨力有两个途径,其一是加大测量电流,其二是提高电桥的指零装置 — 检流器的灵敏度,在数字式低阻表中情况也大致如此。由于电流加热效应以及标准电阻容许流过电流值的限制,测量电流的提高幅度是有限的,最大值在 10A 左右,仪表的电阻测量分辨力要达到 0.01 μΩ,其电位端电压灵敏度必须达到 0.1 μ V , 而现有的数字式低阻表的最高电压灵敏度仅 1 μ V 。为了突破这个技术难点,本 仪表的设计者采用最新技术特制了高灵敏、低噪声的纳伏放大器,其电位输入端的最高灵敏度为 70.7nV ( 0.0707 μ V ) ,就电压灵敏度与噪声特性这一点来说,本仪表已经达到了 6 1/2 位高性能数字电压表所能达到的水平。高灵敏度放大器的作用就如同给电桥的检流器前加装了一台灵敏度极高的光电放大器一样,实现了测量电流与同类仪表相同,而分辨力却提高 10 倍的目标。

◆ 测量电流的选择
  在电线电缆导体电阻的测量中,选择合适的测量电流是至关重要的,这是因为被测对象的电阻具有很高的温度系数,测量电流过大会引起导线发热,从而造成测量超差。
  本仪表具有 多电流测量功能,设置了不同的测量电流可供选择。仪表设有“常规”与“低电流”两种测量状态,可以通过面板开关加以选择。其中 “常规”测量状态有六档量程,具有测量准确性高、抗干扰性能好的特点;“低电流”测量状态也有六档量程 ,具有较高的测量灵敏度与分辨力。 该性能克服了目前某些电桥与数字式低阻表测量电流不能调节,而且在个别档位测量电流偏大引起被测导体发热 , 电阻值随着测量时间的增加向上漂移的缺陷,这一点在微细导线测量时尤为重要,敬请检测人员关注。

◆ 测量准确度与稳定性
  为了提高测量准确度与稳定性, 仪表采用了创新设计的数字比例式测量电路,其工作原理是通过仪表内高精度 A/D 转换器,将被测电阻与仪表内置的标准电阻作比例运算,并将运算结果以 4 1/2 位的方式进行显示。与目前数字式低阻表常用的恒流源 — 电压表方式不同,本仪表读数的最终表达式与测量电流大小无关,仅与被测电阻与标准电阻的电阻值有关,这一点与电桥的测量原理相仿,因此本仪表具有与双臂电桥相似的高准确度与高稳定性。由于测量结果在一定的范围内与测量电流大小无关,也使得仪表的多电流测量以及倍率电流测量功能得以实现。
  仪表的基本误差及准确度等级见表 1, 大致比同类产品提高了一个等级,可以满足 GB/T 3048.2 中 电阻测试允许误差 0.15% 以及 GB/T 3048.4 中导体电阻测试允许误差 0.5% 的要求。

表 1

量程

常规电流

低电流

基本误差

准确度等级

基本误差

准确度等级

200 μΩ

————

--------

±(0.08%RX +0.02%Rm)

0.1

2m Ω

±(0.04%RX +0.01%Rm )

0.05

±(0.08%RX +0.02%Rm)

0.1

20m Ω

±(0.04%RX +0.01%Rm )

0.05

±(0.08%RX +0.02%Rm)

0.1

200m Ω

±(0.04%RX +0.01%Rm )

0.05

±(0.04%RX +0.01%Rm)

0.05

2 Ω

±(0.04%RX +0.01%Rm )

0.05

±(0.04%RX +0.01%Rm)

0.05

20 Ω

±(0.04%RX +0.01%Rm )

0.05

±(0.04%RX +0.01%Rm)

0.05

200 Ω

±(0.03%RX +0.01%Rm )

0.04

±(0.04%RX +0.01%Rm)

0.05

2000 Ω

±(0.03%RX +0.01%Rm )

0.04

————

--------

注:其中 R X :仪表读数值(电阻示值) R m :所测量程满度值
2.5 测量速度
  数字式测量仪由于不需要进行反复繁杂的平衡操作,加上数字直读的特点,测量速度快、使用方便的优势是传统电桥所望尘莫及的,测量速度的提高除了节约时间外,更大的好处是减少了测量电流对被测导线的加热效应,提高了实际测得数据的准确度与可靠性。

3 附加功能简介

3.1 倍率电流测量功能
  IEC 60468 第 6.1.3.1 条第三段规定:“试验由测量电流产生的热是否引起过大的温升时,需再进行一组测量,测量电流应增加 40 %。如果这些增测的平均值超过用较低测量电流测得的平均值的 0.06 %,这时温升是太大了。应以足够低的电流重新进行测量,以致电流增加 40 %时,不会引起太大的温升。”
  为了方便用户实施上述用比例为 1 : 1.4 的两个测量电流分别测试样电阻值,以判定是否发生温升超标的方法,本仪表设置有比例为 0.707I : 1.00I : 1.41I 三档电流可供选择(其中 I 为额定测量电流),比例电流的切换即刻完成,避免了调节外部电流源的繁琐操作。这是实用性功能之一。

3.2 外部热电势平衡功能
  修改版 GB/T 3048.2 第 6.2.5 条规定:“应注意消除接触电势和热电势引起的测量误差。……也可采用平衡点法(补偿法),检流计接入电路后,在电流不闭合的情况下调零,达到闭合电流时检流计上基本观察不到冲击。”
  在电线电缆导体电阻的测量夹具,其电位端的接触刀口常用黄铜材料制成,与铜、铝导线材料之间有较高的接触热电势,在测量过程中由于环境温度不可能完全均衡,或在测试夹具上安装导线时,人体也可能会接触到电位结点,由此产生的热电势,会对高灵敏度的测量产生干扰,使测量结果发生偏移。
  为了降低电位端的外部接触电势与热电势对测量结果的影响,本仪表设置了外部电势平衡调节装置,通过平衡调零,可以抵消在测量回路中的热电耦电势,取得很好的效果。这是实用性功能之二。

3.3 反向电流测量功能
  根据 GB/T 3048.4 第 5.5 条规定,当试样电阻小于 0.1 Ω 时,应将电流反向再测一次,然后取算术平均值。这是消除测量回路中的热电势的又一种简单有效的方法,同时也消除了仪表测量回路自身的电压零点飘移。在用双臂电桥电桥测量导体电阻时,该功能是通过切换外部换向闸刀实现的;现有的数字式低阻表中,为了防止电感性负载产生的反电势损坏仪表,其输入回路往往接有反向保护二极管,因此,是不容许电流反向的,无法实现标准要求的操作。
  本仪表中采用专利技术,特殊设计了双向电流保护电路,既防止了反电势对仪表的危害,同时又允许进行反向电流测量,并在仪器内部设置了大功率换向继电器,通过面板开关实施电流换向操作。正、反向读数瞬时可得,操作简捷、使用方便。这是实用性功能之三。

◆ 铜、铝导线温度校正功能
  修改版 GB/T 3048.4 增加了第 6.2.2 条,引入温度校准系数 Kt (将 GB/T 3956 “电缆的导体”认可的 Kt 直接引用过来),这是因为温度校准是电缆标准中导体电阻校准到 20 ℃所必须的参数。
  当试验环境温度在 15-25 ℃范围内,用户只要将本仪表 ( PC36C 型 ) 的温度校正开关设置为环境温度的实际值 ( 步进值为 0.1 ℃ ) ,则会显示被测铜线或铝线基准温度 20 ℃时 的电阻值(根据 GB/T 3048.4 推荐的公式自动换算), 免去了用户温度换算操作,使用更为方便。 这是实用性功能之四。

4 仪表的实际使用效果

4.1 国家电线电缆检验中心用于型式试验
  该中心率先使用 PC36 型直流电阻测量仪,有 PC36B 和 PC36A 两台仪器。这两台仪器经一年多运行考验,检测数据稳定。具有使用方便,测量速度快,可靠性好等优点表 2 列出对不同试样、在相同条件下检测,与 QJ36 电桥的对比实验。

从表 2 的数据可看出:
· QJ-36 电桥和 PC36 测量仪的检测数据,相差不大。平均误差为%;最大误差为%,经标准电阻效验误差为零。
· QJ-36 电桥的正、反向电流的检测数据相差较大。
· PC36 测量仪的正、反向电流的检测数据相差很小,测量值相当稳定。
· QJ-36 电桥和 PC36 测量仪均提供四位有效数字,能满足标准要求。

表 2

试 样

QJ-36 电桥 μΩ / m

PC36 测量仪 μΩ / m

正向

反向

平均

正向

反向

平均

TMY10*10

160.80

160.80

160.80

160.73

160.74

160.735

T1R 8.0

335.90

335.90

335.90

336.1

336.1

336.1

T1R 8.0

332.90

332.90

332.90

333.0

333.0

333.0

TY 3.00

2540

2543

2541.5

2543

2543

2543

TY 3.00

2508

2509

2508.5

2509

2510

2509.5

TY 2.60

3256

3274

3265

3262

3262

3262

TR 2.60

3181

3162

3171.5

3167

3167

3167

TY 2.00

5546

5520

5533

5535

5536

5535.5

TR 1.80

6652

6682

6667

6663

6663

6663

TR 1.13

17014

16940

16977

17010

17010

17010

JL/G1A-125-18/1

4057

4059

4058

4058

4059

4058.5

4051

4050

4050.5

4050

4050

4050

4064

4066

4065

4065

4065

4065

4.2 上海南洋电材有限公司用于例行试验
  2005 年 7 月 , 该公司使用 PC36A 型直流电阻测量仪以来,发现比先前所使用的 QJ57 型直流电阻电桥,在测量导体直流电阻的测试速度上加快了。否则,延长了测量时间,导线因此也会受热而影响数据的准确性。 PC36A 型直流电阻测量仪,还具有“ 倍率电流测量、外部热电势平衡、反向电流测量”等实用性功能,在仪器的面板上转换,操作简便,效果显著。
  再以一根铜导体为例: QJ57 型直流电阻电桥测得 3.355m Ω;用 PC36A 型直流电阻测量仪在 1.00I 倍率电流档下测得 3.354m Ω,反向电流测量为 -3.354m Ω,用 1.41I 倍额定电流下测得 3.355m Ω。虽然测量数据几乎相同,但后者具备国家标准中所要求的反向电流下和倍率电流下的测量功能。特别是用 QJ57 型电桥测量 100mm 2 以上导体直流电阻时,总是出现仪表反应迟钝,后 3 位调节档位无明显反应现象;现在用 PC36A 测量仪检测就没有此类现象发生,显示数据灵敏度不减。 PC36A 型直流电阻测量仪最大优势在于测量小于 2.5mm 2 或大于 300mm 2 导体测量时,仍具有可靠性。
  通过上述大量实验,说明该仪器测量便捷快速、试验性能稳定、可靠,反映数据更真实, 提高测试准确度, 而且更符合修改版 GB/T3048 中对金属材料电阻率和导体直流电阻试验的要求, 可作为升级换代的产品。

2 参考文献 :
[1] IEC 60468 : 1974 Method of measurement of resistivity of metallic materials
[2] GB/T 3048-1994 电线电缆电性能试验方法
[3] 万树德 . 电力电缆及附件的试验技术—金属材料电阻率和导体直流电阻试验(上) [J]. 中国线缆, 2007(3): 20-21.
[4] 上海市企业标准 Q/AEXJ3-2005 PC36 系列直流电阻测试仪 上海远中电子仪器厂发布
作者简介:黄以安( 1951- ),上海市人,高级工程师 .
作者地址:上海广灵一路 74 弄 1 号 [200083]
发布日期2015-05-10    作者    来源
 

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