电线电缆导体电阻测试仪.doc

电线电缆导体电阻测试仪随着电子技术的飞速发展，数字式测量技术在电线电缆测试领域得到了越来越广泛的应用， 在现有的国家标准中，已经规定了可以采用电桥以外的其它电子测量仪器作为导体直流电阻的测试设备，可以预见在不远的将来，各种高性能的数字式直流电阻测量仪（数字式低阻计）将会逐步取代该领域中双臂电桥的地位，使得测量工作更加快速、准确、方便。上海远中电子仪器厂于 2004 年开始研制 PC36 系列直流电阻测量仪，作为一种电线电缆电性能试验的专用设备，该仪表的设计目标如下：1.表的主要技术性能：测量范围、测量电流、准确度、灵敏度、分辨力等应全面满足国家标准 GB/T3048.2 电线电缆电性能试验方法 第 2 部分：金属材料电阻率试验 及 GB/T3048.4 电线电缆电性能试验方法 第 4 部分：导体直流电阻试验 中对电阻测试设备的各项技术要求。2.为了方便用户操作，在仪表的附加功能中添置了 GB/T3048.2 及 GB/T3048.4 推荐的一些特殊功能及测量方法，如反向电流测量、倍率电流测量、热电势平衡、导线温度校正等功能。3.仪表有几种派生型号，以适应不同规格电线电缆生产厂的需要。仪表的技术指标和功能设置以适应标准的要求为主，以满足用户的需要为主，做到既是充分的又是必要的，力争实现较高的性能价格比。经过一年多时间的研制、试用和改进，该仪表已正式面世 , 其间得到了上海电缆研究所与上海南洋电材有限公司的大力支持和帮助。经测试，仪表的技术性能完全达到了设计目标。本文主要介绍该仪表的特点、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、基本参数以及实际使用效果。1 主要技术性能 1.1 测量范围及分辨力 在 GB/T3048.2 5.2.1 条规定了导体电阻测量的下限值为 10 -5 ，这个看似简单的要求给仪表的设计带来了新的挑战， 10 -5 数量级的电阻是个什么概念？截面在 172mm 2 至 1724mm 2 范围内的 1m 长的铜导线在 20 时的电阻值就落在 10 -5 数量级范围内 （ 10.099.9 ) ， 考虑到GB/T3048.2 中电阻率测试允许误差 0.15% 及 GB/T3048.4 中导体电阻测试允许误差 0.5% 的要求，仪表读数的有效位应不少于 4 位，（ 3 位有效读数在最不利的情况下，最后一位变化 1 个字的量化误差，可能造成 1% 的测量误差），这就要求仪表的最高分辨力达到 10 -8 （ 0.01 ）。综观现有的数字式低阻表 , 水平最高的如 SB2232 型直流电阻测量仪、 ZY9858 型数字微欧计等，其最低量程为 2 m ， 最高分辨力为 0.1 ， 如果测量截面超过 172mm 2 1m 长的铜导线，电阻值在 100 以下， 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。由此可见，现有的数字式低阻表的测量范围和分辨力尚不能满足全系列电线电缆的测量要求，必须进一步提高。 PC36 系列直流电阻测量仪设置了 200 量程 , 是现有产品的十分之一 , 该量程的分辨力为 0.01 ，是现有产品的十倍，当被测电阻大于或等于 10 -5 时，仪表保证有 4 位以上的有效读数，可以满足 全系列电线电缆的测量要求 。1.2 测量灵敏度 电线电缆测试人员都知道，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，根据欧姆定律： R=U / I ，在 I = 10A 的测量电流下，仪表的电阻测量分辨力要达到 0.01 ，仪表的电位端电压灵敏度必须达到 0.1 V , 比现有的数字式低阻表的最高电压灵敏度 1 V 提高了 10 倍。为了达到这个目标，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 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。PC36系列直流电阻测量仪（数字式低阻表，数字式微欧计，数字式电桥）执行标准：Q/AEXJ3名称基本参数适用范围出厂价主要功能特点PC36A直流电阻测量仪范围：0.01-199.99电流：0.707mA-14.1A体积：360400133mm重量：12kg全系列电线电缆导体电阻、金属材料电阻率精密测量，分流电阻、接触电阻精密测量。可取代QJ36、QJ19、QJ57等电桥。本厂专利新产品，技术性能全面满足GB/T 3048.4的要求，是电线电缆导体电阻测量专用设备，双臂电桥的更新换代产品。测量灵敏度与分辨力比现有产品提高了10倍，测100mm2截面1m长铜导线电阻，有5位有效读数。可按需要选择测量电流，并根据国家标准的要求特设了倍率电流、反向电流测量，热电势平衡、温度校正等功能。操作简捷、快速精确。准确度等级：0.04、0.05、0.1级，41/2位数字显示，字高35mm，带背光。PC36C直流电阻测量仪测量范围、测量电流、体积、重量与PC36A相同。具有铜、铝导线温度校正功能（15-25）。PC36B直流电阻测量仪范围：0.1-1999.9电流：70.7A-1.41A体积：320280133mm重量：5kg电线电缆导体电阻、金属材料电阻率精密测量，分流电阻、接触电阻精密测量。可取代QJ57、QJ19、QJ23、QJ44等电桥。PC36D直流电阻测量仪测量范围、测量电流、体积、重量与PC36B相同。具有铜、铝导线温度校正功能（15-25）。1.3 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，这是因为被测对象铜线或铝线的电阻率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，在 GB/T3086.4 第 5.6 条中有铜导线测量电流密度不大于 1.0A/ mm 2 的规定；但是测量电流过小又会严重影 响仪表的灵敏度与分辨力，同样对测量准确度不利。本仪表具有 多电流测量功能，各个量程设置了不同的测量电流可供选择，并在仪表面板上标明。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，仪器在“常规”测量状态（常规测量电流）有六档量程，具有测量准确性高、抗干扰性能好的特点；在“低电流”测量状态（低测量电流、高灵敏度）也有六档量程 ，具有较高的测量灵敏度与分辨力。 该性能克服了目前数字表及某些电桥与数字式低阻表测量电流不能调节，而且在某些档位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，例如直径为 0.05mm 的铜导线 , 截面约为 2 10 -3 mm 2 , 1m 的电阻值约为 8.8 ,按 GB/T3086.4 的要求计算 , 该导线的测量电流应不大于 2mA, 在现有数字式低阻表中 , 20 量程的测量电流一般为 10mA, 有的甚至高达 100mA, 大大超过了标准规定的电流范围 , 导线将会严重发热，在本仪表中，则可选择 20 “低电流”量程，测量电流仅位为 1 mA ，完全符合标准的要求。仪表各测量档位的测量电流见表 1表1量程测量状态常规电流低电流20010A2m10A1A20m1A400mA200m400mA100mA2100mA10mA2010mA1mA2001mA100A2000100A1.4 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。与仪表准确度和稳定性密切相关的是作为比例运算基准的一套标准电阻器，该电阻采用精密锰铜材料并经过特殊的老化工艺制成，具有和 BZ3 系列标准电阻相当的很低的温度系数和很高的稳定性，在测量时需要通过大电流的标准电阻被安装在特制的冷却油箱内。仪器的高灵敏度电位输入端采用了低热电势、长寿命的复银切换开关和低热电势的镀金接插件，可以确保测量的准确度与长期稳定性。仪表的基本误差及准确度等级见表 2, 大致比同类产品提高了一个等级，可以满足国家标准中 电阻率测试允许误差 0.15% 以及导体电阻测试允许误差 0.5% 的要求。表2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-(0.08%RX +0.02%Rm)0.12m(0.04%RX +0.01%Rm)0.05(0.08%RX +0.02%Rm)0.120m(0.04%RX +0.01%Rm)0.05(0.08%RX +0.02%Rm)0.1200m(0.04%RX +0.01%Rm)0.05(0.04%RX +0.01%Rm)0.052(0.04%RX +0.01%Rm)0.05(0.04%RX +0.01%Rm)0.0520(0.04%RX +0.01%Rm)0.05(0.04%RX +0.01%Rm)0.05200(0.03%RX +0.01%Rm)0.04(0.04%RX +0.01%Rm)0.052000(0.03%RX +0.01%Rm)0.04-其中 R X ：仪表读数值（电阻示值） R m ：所测量程满度值1.5 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。这是因为 , 在一次测量中，被测导线的加热程度与测量电流引入的能量 E 成正比， E=I 2 R t 。其中： I 为测量电流； R 为导线电阻； t 为测量时间。随着测量时间的增加，导线温度逐渐上升，直至达到热平衡 , 当被测导线截面较大时这是一个十分缓慢的过程，如果在测量开始后的较短时间内就取得读数 , 完成测量 , 由测量电流造成的导体温升从而引起的测量误差将会大幅度降低。2 附加功能简介2.1 倍率电流测量功能 为了方便用户实施 GB/T 3048.4 第 5.6 条中用比例为 1 ： 1.41 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。如果 1.00I ： 1.41I 倍率电流测量的结果判定电流过大，数据无效，则可再一次进行 0.707I ： 1.00I 倍率电流测量（两者的比例仍为 1.41 倍），如变化量小于标准规定的数值，表明在 0.707 I 条件下的测量结果有效，避免了为了降低测量电流而改变量程档位 , 造成测量精度及分辨力的损失。2.2 外部热电势平衡功能 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，在测试夹具上安装导线时，人体也不可避免地会接触到并加热电位结点，由此产生的热电耦电势，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，该方法是 GB/T 3048.2 第 6.5.3 条推荐的方法之一。2.3 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 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耦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，因此，正、反两次测量的平均值，比单次测量结果有更高的准确度与可靠性。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，而在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。2.4 铜、铝导线温度校正功能 当试验环境温度在 15-25 范围内，用户只要将 PC36C 或 PC36D 的温度校正开关设置为环境温度的实际值 ( 步进值为 0.1 ) ，仪表将被测铜线或铝线的电阻值根据 GB/T 3048.4 推荐的公式自动换算到该导线在基准温度 20 时的电阻值，免去了用户温度换算操作，使用更为方便。3 仪表的基本参数见表3参数名称型号PC36APC36CPC36BPC36D量程范围199.99 -1