（信号与信息处理专业论文）新型接触电流测试仪校准方法研究.pdf

摘要 摘要 论文针对新型接触电流测试仪的主要校准项目：人体阻抗模拟网络 频响校准、电流示值误差校准，研究并提出校准方法。 人体阻抗模拟网络是固定在新型接触电流测试仪内部的部件，不可 拆卸，无法对其进行计量校准。论文针对这一问题进行研究，提出将网 络输入端电压等效转换为接触电流的标准值的方法，并对新型接触电流 测试仪采用的网络，即i e c 6 0 9 9 0 ：2 0 0 3 定义的3 个人体阻抗模拟网络， 建立网络输入端电压与接触电流标准值的数学关系，从而实现了人体阻 抗模拟网络的频响校准。 在电流示值误差校准项目中，论文对如何确定校准标准装置输出电 压的量值这一问题，提出解决方法：针对新型接触电流测试仪内置的网 络，推导出对应的电压量值计算公式。在每个校准点下，该公式均可计 算出校准标准装置需提供的信号量值，从而实现了电流示值误差的校准。 测量不确定度评定是新型接触电流测试仪校准工作中的重要环节， 论文针对测试仪的校准参数，建立测量不确定度评定的数学模型，并结 合测量结果进行不确定度评定。 最后，论文对新型接触电流测试仪专用的校准标准装置进行设计， 解决了装置开发中的关键问题：高质量宽频信号合成问题，最终开发出 完整的电路系统，实现了智能化信号合成，实时监测并反馈合成信号信 息。 关键词：接触电流测试仪；校准方法；不确定度；校准标准装置 广东工业大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e t h o do ft o u c hc u r r e n tt e s t e rc a l i b r a t i o n ： m e a s u r ed e v i c e ，c u r r e n ti n d i c a t i o ne r r o r ，v o l t a g ei n d i c a t i o ne r r o r ，a n d p r o v ei t m e a s u r ed e v i c ei sf i x e di nt o u c hc u r r e n tt e s t e r ，c a nn o tb ec a l i b r a t e d t h i sp a p e rs t u d yt h i sp r o b l e m ，b r i n gu pw i t has o l u t i o nt h a tc o n v e r tt h e i n p u tv o l t a g eo ft h en e t w o r ki n t oc u r r e n ts t a n d a r dv a l u e ，a n da i ma tn e w g e n e r a t i o nn e t w o r k ，e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i p s ，r e a l i z et h e c a l i b r a t i o no fm e a s u r ed e v i c e i nt h ec a l i b r a t i o no fc u r r e n ti n d i c a t i o ne r r o r ，t h i sp a p e ra i m sa tt h e p r o b l e mt h a th o wt od e t e r m i n et h eo u t p u tv o l t a g eo ft h es t a n d a r dd e v i c e ， b r i n gu pw i t has o l u t i o nt h a td e d u c i n gt h ef o r m u l ao ft h eo u t p u tv o l t a g e i n e a c hc a l i b r a t i o np o i n t ，t h ef o r m u l ac a nb r i n go f ft h ev a l u eo ft h eo u t p u t v o l t a g e ，r e a l i z et h ec a l i b r a t i o no fc u r r e n ti n d i c a t i o ne r r o r t h ea n a l y z e so fu n c e r t a i n t yi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ec a l i b r a t i o no f t o u c hc u r r e n tt e s t e r t h i sp a p e ra i ma tt h ec a l i b r a t e dp a r a m e t e r ，e s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dc o m b i n ew i t ht h er e s u l to ft h ec a l i b r a t i o n ，t o e v a l u a t et h eu n c e r t a i n t y i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd e s i g nt h et h es t a n d a r dd e v i c e ，r e s o l v et h ek e y p r o b l e m ：t h es y n t h e s i so fb r o a d b a n da n dh i g hq u a l i t ys i g n a l ，d e v e l o pt h e c o m p l e t ec i r c u i t ，r e a l i z et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o no fs y n t h e s i ss i g n a l k e y w o r d s ：t o u c hc u r r e n tt e s t e r ；c a l i b r a t i o nm e t h o d ；u n c e r t a i n t y ；s t a n d a r d d e v i c e 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交 的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的 指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学文论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责 任，特此声明。 论文作者签名：叶品谚 指导教师签名： 团- 砂习年6 月垆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 “电气安全主要是指电气设备在使用过程中不应对接触或靠近该 设备的人产生危险，这种危险最主要的是指电击( 触电) 。广义上讲，许 多电气安全标准( 习惯上称为安规标准) ，例如g b 4 7 0 6 1 19 9 8 家用或 类似用途电器的安全通用要求，把因电器工作电流或功率不正常而可能 引发的火灾以及电磁辐射等对人和环境造成的危害定义为电气安全的范 畴。电气安全与人们的生活息息相关，所以全世界都十分重视它：一方 面有各种强制性的安规标准( u l 、c s a 、i e c 、j s i 、g b 等) 来规范各种 电器的设计和制造；另一方面电器制造商需要按照安规标准的要求对其 制造的产品进行测试与检验，在取得相关的认可后( 例如3 c 认证) 方可 将其投放市场，而且按照认证的要求，每一台电器均必须通过规定的安 规例行试验( 检验) 方可以出厂，正是这样的手段和方法才保障了电器 对人和环境的“电气安全 。 安规标准规定的电气安全测试( 习惯上称为安规测试) ，主要有：电 气强度( 耐压) 、绝缘电阻、接地电阻和接触电流四项测试，其中接触电 流是衡量产品绝缘性能的重要参数，也是衡量产品电气安全性能的重要 指标，。 接触电流测试仪是测量接触电流的安规类测试仪，目前广泛应用于 各种电气设备( 工业设备、信息设备、家用电器等) 的生产和制造。测 量接触电流时，需要使用一个人体阻抗模拟网络( m e a s u r ed e v i c e ) 来模 拟触电时人体产生的阻抗效应，该网络的阻抗特性在接触电流测量中非 常关键。早期，对于不同类型的电器设备，例如：灯具、医疗设备、家 用电器、电动工具等，国际上有相应机构( 主要是u l 和i e c ) 定义专门 的人体阻抗模拟网络，当时的接触电流测试仪均采用这些网络。随着对 接触电流的深入研究，国际上逐渐认为i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 m e t h o d so f m e a s u r e m e n to ft o u c hc u r r e n ta n dp r o t e c t i v ec o n d u c t o rc u r r e n t ) ) 所定义的 网络能够更加科学的反映人体的阻抗特性，新型的接触电流测试仪开始 采用该网络。由于新网络的结构与早期网络不同，其接触电流的计算方 广东工业大学硕士学位论文 法也不相同，因此对于新型接触电流测试仪，现有校准方法已经不再适 用，需要研究新的方法。此外，接触电流测试仪的校准缺少合适的校准 标准装置b 1 。 在这样的背景下，研究接触电流测试仪的校准方法，研制专用的校 准标准装置，进而保证了测试仪的量值准确可靠，对各类电气设备的质 量安全有现实意义。 1 2 国内外现状 在国际方面，国际电工组织于l9 9 9 年发布了关于接触电流和保护导 体电流测量方法的标准i e c 6 0 9 9 0 ：1 9 9 9 m e t h o d so f m e a s u r e m e n to f t o u c h c u r r e n ta n dp r o t e c t i v ec o n d u c t o rc u r r e n t ) ) ，标准针对接触电流测试仪的核 心模块人体阻抗模拟网络，提出校准方法，但该方法的执行是以人体阻 抗模拟网络作为独立部件，能够从测试仪上拆卸下来为前提，而这一前 提往往无法满足，因此标准提出的校准方法离实际操作还有一定的距离。 在我国，接触电流测试仪的计量和校准是依据j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄漏电 流测试仪检定规程。该规程是针对早期的泄漏电流测试仪编写的，未涉 及新型人体阻抗模拟网络的校准，因此不能指导新型接触电流测试仪的 校准工作。同时，国内计量单位对接触电流测试仪校准方法这一课题研 究的比较少，而且只局限于早期测试仪校准方法的研究，如河南省计量 科学研究院的陈传岭提出使用电阻表测量接触电流测试仪的输入阻抗， 从而判断测试仪内部人体阻抗模拟网络是否准确，该方法不适合新型 接触电流测试仪，因为新型测试仪内部网络复杂，输入阻抗不能表示人 体阻抗模拟网络的准确性；甘肃省计量测试研究所的宗晓宁认为对接触 电流测试仪只进行电流示值误差的校准，这种校准方法也是不合适的， 因为电流示值误差校准是在工频5 0 h z 下进行的，而对于新型接触电流 测试仪来说，电流测量的范围已经覆盖到1m h z ，因此还需要对人体阻 抗模拟网络的频晌进行校准。另一方面，在接触电流测试仪的校准工作 中，现有校准标准装置是电学综合校准源，不适合新型接触电流测试仪 的校准，这给计量校准工作带来了极大的不便，目前已有单位开始研究 校准标准装置，但所研究的装置只适合早期接触电流测试仪，如华中科 技大学的陈传岭、李玉华，他们研制的校准标准装置可以输出4 0 0 h z 、 2 第一章绪论 6 0 h z 、5 0 h z 交流信号，可以满足早期接触电流测试仪的校准 1 ，但不适 合新型接触电流测试仪，因为新型测试仪的校准要求信号频率范围到 1 m h z 。 综上所述，新型接触电流测试仪的校准需要新的校准方法和专用的 校准标准装置。 1 3 论文的研究内容及创新点 通过分析和研究新型的人体阻抗模拟网络，论文推导出能够指导网 络频响校准、电流示值误差校准的数学公式，进而提出适用于新型接触 电流测试仪的校准方法，实现了新型接触电流测试仪的计量校准。 不确定度评定是新型接触电流测试仪校准中的重要组成部分，论文 针对测试仪的校准参数，建立了测量不确定度评定的数学模型，并进行 测量不确定度评定，做到了更加科学合理的评价测量结果。 论文对新型接触电流测试仪的校准标准装置进行设计，解决了校准 标准装置的关键问题：高质量宽频信号的合成，达到了校准工作的信号 频率要求和最大误差要求。 1 4 论文结构 论文共分5 章，第一章为绪论介绍了课题研究背景、国内外现状、 论文研究内容与创新点。第二章介绍了接触电流的测试原理；第三章为 新型接触电流测试仪的校准方法研究，论文推导出能够指导新型接触电 流测试仪校准的一系列公式，并应用该公式对具有代表性的新型接触电 流测试仪进行校准；第四章为测量结果不确定度分析；第五章为校准标 准装置的设计。 广东工业大学硕士学位论文 第二章接触电流的测试原理分析 2 1 接触电流的概述 接触电流是衡量电器产品绝缘性能的重要参数，也是衡量电器产品 电气安全性能的重要指标。过去，人们使用术语“泄露电流”来表达“接 触电流”的概念，并定义泄露电流为：在正常工作状态或单一故障状态 下，产生并流经电气绝缘部分( 非导电导磁部分) 到达金属外壳( 大地) 的电流，。术语“泄露电流 包含了两种不同概念的电流：流过电器保 护导体的实际电流、人体接触电器时流过人体的电流。这种不同概念使 用同一术语的情况，给测量工作带来了极大的不便，因此，i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 接触电流和保护导体电流的测量方法取消了术语“泄露电流”，并且 定义术语“接触电流 和“保护导体电流”，其中接触电流的定义为：在 正常条件或单一的故障条件下，当人体或动物接触一个或多个装置的可 触及零部件时，流过他们身体的电流。根据不同电器的测量要求，接触 电流可分为对地接触电流、表面对地接触电流、表面间接触电流，。 2 2 接触电流的测量原理 接触电流的测量原理是使用一个“电阻一电容”r c 网络来模拟人体 接触电器时的触电情况，该网络称为人体阻抗模拟网络，通过模拟，最 终可以确定电器的接触电流值。 2 2 1 电流对人体的效应 电流对人体的效应由生理参数( 人体的解剖特点、心脏功能状态等) 和电气参数( 电流的持续时间、通路、种类等) 决定n “。 ( 15 10 0 ) h z 的正弦交流电流对人体的效应由图2 1 所示。图中电流 效应被划分为4 个区域，人体不同区域内产生的生理效应各不相同，具 体情况如表2 1 所示。 直流电流比交流电流易于摆脱。当产生相同的刺激效应时，恒定的 直流电流( 含有正弦纹波不超过1o 有效值的直流) 的强度要比交流电 流( 有效值) 大2 4 倍。直流电流对人体的效应由图2 2 所示，图中电 流效应被划分为4 个区域，人体在不同区域内产生的生理效应各不相同， 具体情况如表2 2 所示。 4 m s 第二章接触电流的测试原理分析 a b c 洲；i y , , 。，n 哆 ll 蹴 一 c 一4 一i 季 _ 一一 a c ，一4i 2 i恻彩 a c 一4 3 乏 ， ，1 心 蓬 惫 c 一 摹 a ci jl c 一2 。协 ：一3 泄 i ￥搽彩多 l 1 獗澎 乏 钐藩 ， i 多 夕 i 缀v ， m s i h t o i l 5 l i u u i：f i i h ； 雹 莒l o t t o 餐 善 5 0 0 粤 2 u o l o l l 5 4 i 2 i l i i j 1 1 10 2i l 5i 2 5l l j2 05 0j o o 2 0 05 0 0 | o t t oz 0 0 0 飘l i 1 0 0 0 i ) m a 通过人体的电诚f - - ， 图2 1 正弦交流电的时间电流效应区域的划分 f i g 2 1s i m p l ea l t e r n a t i n gc u r r e n t e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 丁剞么一7 ；y y a bc i1 渺 一d c 一4 一l 多 心厶一d c 一4 2； f髓 d c l 一3 f 乡 、 1 瞵 d c - - 4 ， d c d c2 、l d c - 3 彳 |缆 l ￥壤 i 彰 ， 。f 、 笏彰 乡 ， ， 7 i 殄影。| ，乃 ，i i i 20 5 l251 0 2 0 5 i1 0 02 l u5 0 01 0 2 u 删5 0 0 01 0 0 0 0m a 近过人 ：的电i t - 。 图2 2 直流电的时间电流效应区域的划分 f i g 2 2d i r e c tc u r r e n tt i m e e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 广东工业大学硕士学位论文 表2 1 正弦交流电的时间电流效应区域 t a b l e 2 1s i m p l ea l t e r n a t i n gc u r r e n t e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 区域代号区域界限生理效应 a c 1一直到线a o 5m a通常无反应 a c 2自线a 0 5m a 至线b通常无有害的生理效应 通常不会发生内脏器官损伤。可 能发生肌肉痉挛似的收缩，当通 电超过2 s 时呼吸困难 随着电流量和通电时间增加，心 a c 3 自线b 至曲线c 1 脏内心电冲动的形成和传导有可 以恢复的紊乱，包括心房纤维性 颤动和心脏短暂停搏，但不会发 生心室纤维性颤动 电流量和通电时间继续增加，除 出现区域3 效应外，还可能发生 a c 4在曲线c ，以右如心室纤维性颤动、心跳停止、 呼吸困难、严重烧伤等危险的病 理生理效应 心室纤维颤动概率可增加到5 a c 4 1c l 至c 2 心室纤维颤动概率可增加到 a c 4 2c 2 至c 3 5 0 a c 4 3 超过曲线c s 心室纤维颤动概率超过5 0 6 第二章接触电流的测试原理分析 表2 2 直流电的时间电流效应区域 t a b l e 2 2d i r e c tc u r r e l l tt i m e e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 区域代号区域界限生理效应 通常无反应。在开关接通或断开时，有 d c 一1 一直到线a 2m a 轻微针扎痛 d c 一2 自线a 2m a 至线b通常无有害的生理效应 d c 一3 自线b 至曲线c ，通常不会发生内脏器官损伤 电流量和通电时间再增加，除出现区域 3 效应外，还可能发生如心室纤维性颤 d c 4 在曲线c 。以右 动、严重烧伤等危险的病理生理效应 d c 4 1 c l 至c 2心室纤维颤动概率可增加到5 d c 一4 2c 2 至c 3心室纤维颤动概率可增加到5 0 d c - 4 3 超过曲线c 。心室纤维颤动概率超过5 0 在上述研究的基础上，i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 接触电流和保护导体电流的 测量方法定义了4 种最为重要的人体效应：感知、反应、摆脱、电灼 伤。针对这4 类人体效应，i e c 6 0 9 9 0 19 9 9 定义电流为：感知电流、反 应电流、摆脱电流、电灼伤电流，其中除电灼伤电流外，每一种电流均 对应一个单独的电流阀值”。 1 感知电流和反应电流反应电流的阀值大约为o 5 m a 。作为感 知电流的阀值，毫安级的电流就可被人体感知。人体对电流的感知和反 应是由流过人体内部器官的电流所引起的，当通过人体的电流在( 0 5 5 ) m a 之间，人体就会出现刺麻的感觉，但这样的电流不会对人体构成任 何危险。人体对感知电流和反应电流的反应程度，除了与人的触电面积 有关以外，还和电流频率有关，频率越高，人体所能承受的电流值越高。 2 摆脱电流摆脱电流是指使人体丧失摆脱带电体的能力的电 流。这种人体效应是由流过人体内部的电流造成的( 例如电流在肌肉上 形成通路) 。i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 提出以10 m a 有效值作为摆脱电流的阀值， 7 广东工业大学硕士学位论文 同时也提出了适用于成年人的建议值5 m a 有效值。当流过人体的电流超 过10 m a 时，人体的肌肉便开始出现痉挛和收缩的现象，如果此时刚好 是由手握着带电体，便会因手部肌肉的收缩而无法摆脱带电体。在这种 情况下，若触电时间过长，人体会有生命危险。 3 电灼伤电流电灼伤电流是指对人体造成电灼伤的电流。电灼 伤电流没有确定的电流阀值，这是因为电灼伤效应的产生和许多因素有 联系，例如人体与带电体的接触时间、接触面积等。i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 提 出了建议的阀值5 0 0 m a ，同时指出，当电流密度约为( 3 0 0 4 0 0 ) m a c m 2 有效值时，皮肤开始出现电灼伤现象。 2 2 2 人体的阻抗特性 根据文献 10 ，人体总阻抗包括皮肤阻抗和人体内阻抗，其等效电 路如图2 3 所示。发生触电时，人体总阻抗值由电流通路、接触电压、 通电时间、电流频率、皮肤湿度、接触面积、施加压力和温度等因素决 定。 1 皮肤阻抗( z ，)皮规阻抗是由半绝缘层和许多小的导电体( 毛 孔) 组成，可等效为“电阻一电容”网络。当触电电流增加时，皮肤阻抗 值开始下降，有时可见到皮肤的伤痕。接触电压约在5 0 v 以下时，皮肤 的阻抗值随接触面积、湿度、呼吸等因素变化而变化；接触电压约为 ( 5 0 10 0 ) v 等级时，皮肤阻抗值明显降低，当皮肤被击穿时其阻抗可 忽略不计。另外，皮肤阻抗值随触电电压频率的升高而减少。 2 人体内阻抗( z j )人体内阻抗基本上是阻性的，其阻值主要由 电流通路决定，而接触面积所产生的影响较小，但是当接触面积小至几 个平方毫米时，内阻抗会增大。另外，人体内阻抗存在少量容性分量， 见图2 3 中的虚线。 3 人体总阻抗( 乙)人体总阻抗是由阻性分量和容性分量组成 的。当触电电压约在5 0v 以下时，由于皮肤阻抗z 。的变化很大，因此 人体总阻抗z ，也同样有较大变化，另外，在这一电压等级下，人体总阻 抗值与皮肤湿度有关，在湿润的皮肤接触面测得的阻抗值比干燥状态下 降低( 10 2 5 ) 。当触电电压继续升高，皮肤阻抗在总阻抗中所占的比例 逐渐下降，此时，人体总阻抗值受皮肤湿度和接触面积的影响较小。当 8 第二章接触电流的测试原理分析 皮肤被击穿后，总阻抗值接 图2 3 人体总阻抗等效电路 f i g 2 - 3b o d yi m p e d a n c ec i r c u i t 近于内阻抗z i 。触电电流的频率会对人体总阻抗产生影响，触电电流为 直流时，人体总阻抗值较高，随着电流频率的上升，人体总阻抗值逐渐 下降。 2 2 3 早期人体阻抗模拟网络 人体阻抗模拟网络在接触电流的测量中扮演着重要的角色。早期， 对于不同类型的电器设备，例如：灯具、医疗设备、家用电器、电动工 具等，国际上有相应机构( 主要是u l 和i e c ) 制定专门的测试标准， 这些测试标准所指定的人体阻抗模拟网络均不相同。 1 ie c 6 0 1 1 ：19 8 8 定义网络n ” i e c 6 0 1 1 ：19 8 8 定义的人体阻抗模 拟网络适用于医用设备的接触电流测量，如图2 4 所示。 在该网络下，接触电流计算公式为 ，：旦( 2 1 ) 1 0 0 0 式中：u 一一网络输出端电压有效值，单位伏( v ) ； ，一一接触电流，单位毫安( m a ) 。 9 广东工业大学硕士学位论文 a 测量 b k l 置i u l d , i l ：= u ui ，i l j 。 r 2 2 i l c q 图2 4i e c 6 0 1 1 ：1 9 8 8 定义的人体阻抗模拟网络 f i g 2 - 4i e c 6 01 1 ：19 8 8b o d yi m p e d a n c e 2 u l 5 4 4 ：2 0 0 0 定义网络n ”u l 5 4 4 ：2 0 0 0 定义了两个人体阻抗模 拟网络，适用于医疗和牙科设备的接触电流测量，包括无患者设备 ( n o p a t i e n te q u i p m e n t ) 人体阻抗模拟网络和患者设备( p a t i e n tc a r e e q u i p m e n t ) 人体阻抗模拟网络，如图2 5 、2 6 。 舅量 图2 - 5 无患者设备人体阻抗模拟网络 f i g 2 - 5n o p a t i e n te q u i p m e n tb o d yi m p e d a n c e 这两个网络的测量端为a b 端，在该网络下，接触电流计算公式为 = 警 2 ) 式中：u 一一网络输出端电压有效值，单位伏( v ) ； 一一接触电流，单位毫安( m a ) 。 l o 第二章接触电流的测试原理分析 c ：o i5 m f ； r 2 - 1 0 2 i l s r i ：1 0 0 0 t l 图2 - 6 患者设备人体阻抗模拟网络 f i g 2 - 6p a t i e n tc a r ee q u i p m e n tb o d yi m p e d a n c e 3 i j i 15 6 3 ：2 0 0 4 定义网络n ，u l l5 6 3 ：2 0 0 4 定义的人体阻抗模拟 网络如图2 7 所示。u l l5 6 3 ：2 0 0 4 定义网络和u l 5 4 4 ：2 0 0 0 定义的无患者 设备网络结构相似，均为电阻和电容并联，因此接触电流的计算公式也 相同。根据标准u l l5 6 3 ：2 0 0 4 的要求，网络的频响范围应能达到频率 1 0 0 k h z 。 a 测 b r 1 ：5 0 0 f k c ：0 4 5 9 f 图2 7u l l 5 6 3 ：2 0 0 4 定义的人体阻抗模拟网络 f i g 2 7u l 15 6 3 ：2 0 0 4b o d yi m p e d a n c e 2 3 新型接触电流测试仪的工作原理 接触电流测试仪是测量接触电流的安规类仪器。除了接触电流测试 功能，部分测试仪还具备试验电压调节功能。接触电流测试仪的主要功 能模块包括：微处理器模块、电压测量模块、人体阻抗模拟网络模块、 测试端口模块、试验电压调节模块。原理框图如图2 8 所示 - 。 广东工业大学硕士学位论文 微处理器模块 试验电压调节 模块 电压测量 模块 人体阻抗 模拟网络 模块 同络的输出墙罔络的输入端 测试端口 模块 图2 - 8 接触电流测试仪原理框图 f i g 2 8t o u c hc u r r e n tt e s t e rs c h e m a t i c 接触电流测试仪的工作原理是先将测试端子连接到被测设备，通过 测试端口模块，将被测设备上的电压传输到人体阻抗模拟网络的输入端。 同时，网络的输出端会产生经过分压和加权处理的电压。电压测量模块 读取该电压，并将电压值送入微处理器。最后，微处理器根据送入的电 压值计算接触电流的大小。 在接触电流的测试中，被测设备的电源电压应为额定电压加上电源 变化的相应工作容差( 通常，工作容差由被测设备的相应标准规定) 。因 此，部分接触电流测试仪具有试验电压调节模块，该功能模块负责为被 测设备提供符合测试要求的电源电压。 2 4 本章小结 首先，论文对接触电流测试仪的测量对象接触电流进行了分析，随 后以人体阻抗特性与电流对人体的效应两方面为出发点，分析接触电流 的测量原理，同时引出接触电流测试仪的核心部件人体阻抗模拟网络。 最后，论文讨论了新型接触电流测试仪的工作原理。 1 2 子f；：!测 第三章新型接触电流测试仪校准方法的研究 第三章新型接触电流测试仪校准方法的研究 校准是指在规定条件下，为了确定测量仪器的指示值误差而进行的 一项操作，其中指示值误差是指测量仪器指示的量值与参考量值( 或称 实际值) 之间的偏差。校准的依据是校准规范或检定规程( 可以统一规 定也可自行制定) n ”。根据新型接触电流测试仪的工作原理与 j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄漏电流测试仪检定规程，接触电流测试仪的校准项目 应包括：试验电压示值误差的校准、人体阻抗模拟网络的校准、电流示 值误差的校准，本章将针对这3 个校准项目，进行理论分析与研究。 3 1 新型接触电流测试仪计量特性 新型接触电流测试仪内置i e c 6 0 9 9 0 ：2 0 0 3 定义的3 个人体阻抗模拟 网络，测试接触电流的频率范围到1 m h z 。a n 9 6 2 0 h a 是具有代表性的 接触电流测试仪，它内置了3 种人体阻抗模拟网络，其接触电流测量功 能的频响范围最高为1 m h z ，满足多种测量标准的要求。a n 9 6 2 0 h a 的 计量特性如下所示： 1 试验电压功能 表3 1 试验电压功能技术指标 t a b l e 3 - 1t e s tv o l t a g eq u a l i f i c a t i o n 试验电压范围( 3 0 0 - 3 0 0 0 ) v 分辨率0 1v 误差4 - ( 2 读数+ o 5 ) v 过流保护 2 5 a ( 交流) 2 接触电流测量功能 接触电流测量功能技术指标如表3 2 所示。 3 人体阻抗模拟网络 a n 9 6 2 0 h a ( 标准配置) 内置以下人体阻抗模拟网络： m d - a ：i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9f i g 3 m d b ：i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9f i g 4 m d c ：i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9f i g 5 广东工业大学硕士学位论文 表3 2 接触电流测量功能技术指标 t a b l e 3 2t o u c hc u r r e n tt e s tq u a l i f i c a t i o n 1 0 0 1 x a 9 9 9 9 p a分辨力：0 1 i x a 分辨力1 0 0 0 p a - 9 9 9 9 1 1 a 分辨力： 1 p a 1 0 0 0 m a 18 0 0 m a 分辨力：1 0 “a 1 0 p a - 5 0 “a d c - 1 m h z 2 + 3 肛a 5 0 $ t a m d m a x d c 一1o k h z 2 + 0 5 1 x a 误差 io k - 2 0 0 k h z 5 + 0 5 “a 2 0 0 k - 1m h z 5 + 1 5 p a 3 2 校准环境分析 所有的测量工作都会受到环境的影响，因此在仪器校准时需要对环 境条件进行控制。影响测量工作的主要因素有：温度、湿度、电磁干扰 等。一般测量设备对电网电压的变动有一定的适应能力，但当有特殊稳 压要求时，还需要配备相应的稳压电源7 。1 ”。 1 温度控制大多数电子仪器都具有一定的温度变化公差范围， a n 9 6 2 0 h a 对环境温度的要求为( 0 - 4 0 ) 。标准实验室对温度的控制 应满足仪器的温度要求，此外还应满足相应的计量检定规程要求。根据 j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄漏电流测试仪检定规程的规定，接触电流测试仪的校 准要求环境温度为( 2 0 士5 ) 。 2 湿度控制湿度的控制对校准工作非常重要。当相对湿度低于 2 0 r h 时，静电可能损坏设备，使测量结果无效；当相对湿度高于7 0 r h 时，仪器会发生电流泄漏，同样使测量结果无效。j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄漏电 流测试仪检定规程规定：标准实验室的湿度为( 6 0 士15 ) r h 。 3 屏蔽一般情况下，电学计量实验室不需要专门的屏蔽措施。 但当实验室的位置靠近强干扰源时( 例如：雷达、无线电台发射机、大 功率脉冲激光等) ，实验室必须采取专门的屏蔽措施。 本次实验的地点是赛宝计量中心的电学专业组标准间，标准间的温 度控制为( 2 0 士2 ) ，湿度控制为( 4 0 8 0 ) r h ，满足j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄 漏电流测试仪检定规程的要求。 1 4 第三章新型接触电流测试仪校准方法的研究 3 3 校准标准装置 根据j j g 8 4 3 2 0 0 7 泄漏电流测试仪检定规程，校准时由校准标准 装置和环境条件引起的扩展不确定度应不大于被校接触电流测试仪最大 允许误差的三分之一，包含因子k 2 2 。因为校准是在标准实验室进行的， 所以由环境条件引起的扩展不确定度可以忽略不计，只考虑校准标准装 置引起的扩展不确定度。鉴于上述原因，我们选择电学综合校准源 f l u k e 5 7 0 0 a 和数字多用表f l u k e l8 9 ，f l u k e 5 7 0 0 a 是高端校准源，适合多 类电学仪器的校准，例如：多用数字表、耐压测试仪等；f l u k e l8 9 是用 来测量信号真有效值的数字多用表。 3 4 试验电压示值误差的校准 具备试验电压输出功能的仪器应校准该项。校准原理图如图3 1 所 示，校准方法如下：数字电压表的测量端连接接触电流测试仪的电压输 出端，记录测试仪的电压指示值和数字电压表上的电压标准值，将这2 个值代入示值误差计算公式，公式如式( 3 1 ) 所示，最后的计算结果即 为试验电压的示值误差。在校准中，检定点选择为：最大输出电压、最 小输出电压、1 1o v 和2 2 0 v ，可根据需要增加额外的检定点。 接触电流测试仪数字电压表 图3 1 试验电压示值误差的校准 u 啪= 玑一砜 式中：u 踟一一试验电压的示值误差，单位伏( v ) ； 玑一一接触电流测试仪的电压指示值，单位伏( v ) ； “一一数字电压表的电压标准值，单位伏( v ) 。 试验电压示值误差的校准按照以下步骤进行。 ( 3 1 ) 1 准备工作将5 7 0 0 校准源和a n 9 6 2 0 h a 测试仪接入接地良好的 1 5 广东工业大学硕士学位论文 额定电源( 2 2 0 v 、5 0 h z ) 。 2 连接测试线校准电路连接如图3 1 所示。 3 校准操作首先，进入a n 9 6 2 0 h a 的测试参数预置界面，该界 面用于测试操作的设置：步骤连接设定、工作电源状态、模拟人体网络、 测试棒选择、判定延时时间、电流上限、电流下限、电源电压上限、电 源电压下限。本操作选择电源电压上限和下限参数为校准点电压：3 0 v 、 1 1 0 v 、2 2 0 v 、3 0 0 v 。 4 测量数据记录与校准结论按动a n 9 6 2 0 h a 前面板上的“启 动”按钮开始测量，a n 9 6 2 0 h a 显示屏上显示试验电压值，将该结果作 为电压指示值记录下来；记录f l u k e l 8 9 测量数值，将该值作为电压标准 值记录下来。最后，将电压标准值和电压指示值代入公式( 3 1 ) ，计算 求出试验电压的误差，并将结果整理如表3 3 。从表中可以看出，试验电 压的示值误差均在最大允许误差范围内，因此判定该项校准通过。 表3 3 试验电压校准数据 t a b l e 3 - 3t e s tv o l t a g ec a l i b r a t i o nd a t a 电压指示值( v )电压标准值( v )误差( v )最大允许误差( v ) 3 0 o3 4 54 56 5 1 10 o 1 1 3 3 3 36 5 2 2 0 02 2 1 7 1 7 6 5 3 0 0 03 0 2 92 96 5 3 5 新型人体阻抗模拟网络的校准研究 早期，人们对接触电流的研究还不够深入，当时的标准均采用简单 的人体阻抗网络。随着对接触电流的深入研究，国际上逐渐认为 i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 所定义的人体阻抗模拟网络最符合人体的阻抗特性，新 型的接触电流测试仪( 例如：艾诺a n 9 6 2 0 h a 、华仪7 6 3 0 等) 也采用该 标准定义的网络，以求对接触电流进行科学合理的测量。其中主要的原 因是：随着电子开关技术被广泛应用于电源系统和设备中，电器产生了 越来越多的高频谐波电压和高频谐波电流( 频率高达1m h z ) ，而早期标 准所定义的网络主要考虑的是工频的5 0 h z 6 0 h z 电流，因此这些网络已 不再适用；i e c 6 0 9 9 0 ：19 9 9 定义的网络适用于直流电流和宽频段的交流 1 6 第三章新型接触电流测试仪校准方法的研究 电流( 频率高达1m h z ) ，因此能够更加科学、准确的反映人体在不同频 率电流下的触电效应。 i e c 6 0 9 9 0 ：1 9 9 9 针对3 类接触电流：感知和反应电流、摆脱电流、 电灼伤电流，提出了不同的人体阻抗模拟网络。人体阻抗模拟网络的校 准要求在不同频率下考核网络输出端与输入端的电压比，即网络的频响， 但由于网络固定在接触电流测试仪内部，无法直接测量输出端电压，而 只有接触电流的测试值是可以读取的，因此需要将网络输入端电压等效 转换为接触电流的标准值，并与接触电流测试值进行比较，以达到校准 人体阻抗模拟网络的目的，因此人体阻抗模拟网络校准的关键在于建立 网络输入端电压与接触电流标准值的数学关系。 3 5 1 测量感知和反应电流的人体阻抗模拟网络 测量感知电流和反应电流的人体阻抗模拟网络如图3 2 所示。该网 络模拟人体的电阻抗，并且额外加权以模拟人体对电流的频率效应。咫 模拟人体的内部阻抗，愿和c s 模拟人体和带电体的接触点之间的皮肤阻 抗，冠和c 为加权部分。该网络适用于测量频率高达1 m h z 的接触电流。 感知电流和反应电流的计算方法为网络输出端电压u 的峰值除以r b ( 5 0 0 f 2 ) ，即 i ：坠 5 0 0 ( 3 2 ) 式中：u 一一网络输出端电压峰值，单位伏( v ) ； ，一一接触电流，单位毫安( m a ) 。 网络输出端电压u 可以用输入电压u 来表示，即 u = u k ( 3 3 ) 式中：u 一一网络输入端的电压，单位伏( v ) ； 七一一电压转移比，输出端电压和输入端电压的比值。 根据网络的结构，电压转移比为 广东工业大学硕士学位论文 r s ：1 5 0 0 脚, l b ：5 0 0 t ) ； r - ：1 0 0 0 0 f l c s ：0 2 2 1 峨 c ：0 0 2 2 1 d ：； 图3 2 针对感知电流和反应电流的人体阻抗模拟网络 f i g 3 2s e n s o r yc u r r e n ta n dr e a c t i o nc u r r e n tb o d yi m p e d a n c e 七：! 刍：圣! ! 鱼l( 3 4 ) l z l + z c 、) z , + z s z c sz l + z c 将( 3 4 ) 式中k 代入( 3 3 ) 式，有 u ：队- 阜型坠l ( 3 5 ) l 0 z i + z c l z b + z sf z c sz i + z c 将( 3 5 ) 式代入( 3 2 ) 式，有 ，：旦：呸圣! ! ! 刍上c _( 3 6 ) 5 0 0 0 z l + z c l z b + z sii z c sz l + z c ( 3 6 ) 式为网络输入电压和接触电流标准值的数学关系。将电流标准值 和测试仪的指示值代入( 3 7 ) 式，以考核人体阻抗模拟网络的频响特性。 a i = 如示值一k 准值 ( 3 7 ) 式中：一一该值表示人体阻抗模拟网络的误差，单位毫安( m a ) 。 校准按照以下步骤进行。 1 准备工作将5 7 0 0 校准源和a n 9 6 2 0 h a 钡0 试仪接入接地良好的 额定电源( 2 2 0 v 、5 0 h z ) 。 2 连接测试线使用专用测试线连接校准标准装置和接触电流测 试仪，即接触电流测试仪的电流测量端连接校准标准装置的电压输出端， 实验原理图如下所示。 1 8 第三章新型接触电流测试仪校准方法的研究 图3 - 3 人体阻抗模拟网络的校准 f i g 3 3b o d yi m p e d a n c ec a l i b r a t i o n 3 校准操作首先，进入a n 9 6 2 0 h a 的测试参数预置界面，在模 拟人体网络选项中选择待校网络。随后，5 7 0 0 a 输出电压到a n 9 6 2 0 h a ， 电压的频率范围覆盖2 0 h z im h z 。为了防止电流过大烧坏网络，设置 5 7 0 0 a 输出电压为1 0 v 。 4 测试数据的记录与处理按动a n 9 6 2 0 h a 前面板上的“启动 按钮开始测量，a n 9 6 2 0 h a