辛洪政，張 偉，常 毅

(國(guó)家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(北京)，北京 100022)

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四端法測(cè)量在照明產(chǎn)品性能測(cè)試中的意義

辛洪政，張 偉，常 毅

(國(guó)家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(北京)，北京 100022)

四端法測(cè)量電參數(shù)是許多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定要求。從理論上分析了四端法的優(yōu)勢(shì)原因，并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了例證。結(jié)果表明：嚴(yán)格按照四端法實(shí)施測(cè)量，對(duì)于準(zhǔn)確獲得低壓、大電流照明產(chǎn)品的性能參數(shù)意義重大，測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性都會(huì)改善。

四端法；重復(fù)性；準(zhǔn)確性；照明；測(cè)量；性能

引言

GB/T 15043—2008中要求“電壓表的接線必須從燈頭端直接引出”[1]，這也就是通常所說(shuō)的“四端法”。在很多測(cè)試的技術(shù)要求[2]中都明確指明要使用四端法測(cè)試，然而，從筆者參與的多項(xiàng)比對(duì)、能力驗(yàn)證工作所獲得的信息中判斷，很多測(cè)試人員并沒(méi)有真正理解四端法測(cè)試的意義，也存在執(zhí)行上不到位的情況，這些都影響了正確評(píng)價(jià)相關(guān)照明產(chǎn)品的性能指標(biāo)，也影響了比對(duì)、抽查項(xiàng)目中相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的符合性判斷。

電參數(shù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)不足的人員可能不很關(guān)心實(shí)際線路是否真正符合要求；而理解不到位的測(cè)試人員搭建的測(cè)試線路可能與真正的“四端法”還有區(qū)別。因而，有必要對(duì)真正“四端法”和非四端法加以辨析。

1 電參數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)辨析

一般測(cè)試時(shí)都會(huì)有規(guī)定輸入條件，比如“220V 50Hz”、“DC12V”等，這些規(guī)定都是對(duì)樣品的工作條件的要求，首先應(yīng)該滿足。樣品按要求供電后才能進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試。為了能保證樣品在規(guī)定輸入條件下工作，一般需要用到電源、電表和電線等來(lái)搭建測(cè)試線路。設(shè)計(jì)、搭建電參數(shù)測(cè)量電路時(shí)，需要考慮的因素通常包括：設(shè)備(電壓表、電流表)阻抗、線路阻抗、各個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻等。對(duì)這些因素的認(rèn)識(shí)與否以及對(duì)這些因素的影響機(jī)制的了解程度決定了搭建出來(lái)的測(cè)試電路是否滿足測(cè)試方法要求。

1.1 缺少對(duì)應(yīng)考慮的電路設(shè)計(jì)

沒(méi)有太多電參數(shù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的人員搭建的測(cè)試線路可能是圖1或圖2。其搭建測(cè)試線路時(shí)，可能顧及到了設(shè)備阻抗影響，在圖1或圖2之間有選擇。但是，因?yàn)橥ǔＰ阅軠y(cè)試系統(tǒng)，都需要將樣品固定到測(cè)試位置上，測(cè)試位置到電源、電表之間必然有一定的空間距離，為圖省事，把電壓測(cè)量端就近選擇到了電源輸出端。這種回路中，較長(zhǎng)的線路既充當(dāng)載流線也充當(dāng)電壓測(cè)量線，線路阻抗的分壓效應(yīng)明顯，燈頭觸點(diǎn)接觸電阻的影響也沒(méi)有消除。

圖1 測(cè)量電路1Fig.1 Measurement circuit 1

圖2 測(cè)量電路2Fig.2 Measurement circuit 2

1.2 有考慮但不充分的測(cè)量電路設(shè)計(jì)

有一定經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員搭建的測(cè)試回路可能是圖3。這也是最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試回路設(shè)計(jì)，因?yàn)橐话愣荚跍y(cè)試系統(tǒng)中使用燈座來(lái)安裝樣品，而一般的通用燈座上最接近于燈頭的可用接點(diǎn)就是燈座上的接線端子了(圖3中未畫(huà)出)。這種回路中，雖然電壓測(cè)量線較長(zhǎng)，由于電壓測(cè)量線上的電流很小，由(電壓)線路阻抗引起的分壓影響基本被消除了；但是，燈座與燈頭接觸點(diǎn)的接觸電阻的分壓影響卻并沒(méi)有消除，當(dāng)電流較大時(shí)，其影響就會(huì)突現(xiàn)出來(lái)。由于接觸電阻具有隨機(jī)性特點(diǎn)，會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性差。

圖3 測(cè)量電路3Fig.3 Measurement circuit 3

1.3 真正四端法的測(cè)量電路設(shè)計(jì)

真正滿足“電壓表的接線必須從燈頭端直接引出”的四端法接線為圖4。其關(guān)鍵在于：電壓測(cè)量回路與電流測(cè)量回路完全沒(méi)有共用部分，分別都是“從燈頭端直接引出”。這種線路中，電壓測(cè)量回路中的線路阻抗和接觸電阻的影響都被極大的弱化。參數(shù)“燈電壓”測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)可靠。

圖4 測(cè)量電路4Fig.4 Measurement circuit 4

1.4 不同電路的辨析

考慮各項(xiàng)影響因素，圖1至圖4 的等效電路依次為圖5至圖8。

圖5 測(cè)量電路1的等效電路Fig.5 Equal-circuit of measurement circuit 1

圖6 測(cè)量電路2的等效電路Fig.6 Equal-circuit of measurement circuit 2

圖7 測(cè)量電路3的等效電路Fig.7 Equal-circuit of measurement circuit 3

圖8 測(cè)量電路4的等效電路Fig.8 Equal-circuit of measurement circuit 4

圖5至圖8中，iA代表電流表示值，iv代表電壓表分流；RA代表電流表內(nèi)阻，RLINE,A代表載流線路阻抗，RCONT,A代表載流接觸阻抗，RLAMP代表樣品燈阻抗，RV代表電壓表內(nèi)阻，RLINE,V代表電壓測(cè)量線阻抗，RCONT,V代表電壓測(cè)量接觸阻抗。

對(duì)于圖5，流經(jīng)燈的實(shí)際電流i燈與電流表示值iA相同；而燈上實(shí)際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電流表內(nèi)阻分壓、載流線分壓和燈頭接觸分壓，即

(1)

對(duì)于圖6，流經(jīng)燈的實(shí)際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實(shí)際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：載流線分壓和燈頭接觸分壓，即

(2)

對(duì)于圖7，流經(jīng)燈的實(shí)際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實(shí)際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電壓線路阻抗分壓(增項(xiàng))與載流接觸分壓(減項(xiàng))，即

(3)

對(duì)于圖8，流經(jīng)燈的實(shí)際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實(shí)際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電壓線路阻抗分壓(增項(xiàng))與電壓測(cè)量接觸阻抗分壓(增項(xiàng))，即

(4)

上述各式給出了各個(gè)不同測(cè)試線路中的各個(gè)分量對(duì)電參數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響函數(shù)關(guān)系。

2 理論計(jì)算比較與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

2.1 理論計(jì)算比較

搭建的測(cè)試系統(tǒng)用到的設(shè)備、材料有：內(nèi)阻為2MΩ的電壓表，內(nèi)阻為0.025Ω的電流表，總長(zhǎng)12米對(duì)應(yīng)阻抗0.20Ω的載流線，總長(zhǎng)12米對(duì)應(yīng)阻抗0.40Ω的電壓測(cè)量線。

實(shí)際中，接觸電阻是一個(gè)與壓緊程度、接觸面積相關(guān)的不固定量，筆者用微阻儀測(cè)得的燈頭燈座間接觸電阻為0.02Ω到0.06Ω。

若分別按照上述四種電路設(shè)計(jì)搭建測(cè)試線路，針對(duì)“某燈”進(jìn)行測(cè)試，且相應(yīng)電表讀數(shù)都是12.00V，4.000A；分別根據(jù)式(1)～式(4)進(jìn)行差異分析，以接觸電阻為0.02Ω計(jì)算得到差異表1；以接觸電阻為0.06Ω計(jì)算得到差異表2。

從表1、表2的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)線路1、線路2修正量很大，將近10%量級(jí)；線路3修正量約在1%量級(jí)；線路4修正量很小，可以不修正。

(2)在非四端法線路中，載流接觸電阻雖然較小，其影響仍然明顯，其隨機(jī)性也給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)一種隨機(jī)表現(xiàn)。

(3)在四端法線路中，電壓測(cè)量線阻抗雖然也影響電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，但由于其不載流，分壓很小，所以影響微弱。

(4)在四端法線路中，雖然電壓測(cè)量接觸電阻也是變量，但其影響微弱，其隨機(jī)性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也很微弱。

表1 不同線路設(shè)計(jì)下的功率差異分析表(所有接觸電阻取為0.02Ω)Table 1 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.02Ω)

表2 不同線路設(shè)計(jì)下的功率差異分析表(所有接觸電阻取為0.06Ω)Table 2 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.06Ω)

2.2 典型線路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

根據(jù)上述分析，筆者直接將前兩種線路排除掉，針對(duì)線路3和線路4進(jìn)行了比較測(cè)試。測(cè)試在分布光度計(jì)上針對(duì)同一只鹵鎢燈進(jìn)行，控制項(xiàng)目為“電壓12.00V”。線路3的實(shí)現(xiàn)方式是：將特制的四端法試驗(yàn)燈座內(nèi)的電壓測(cè)量線連接到載流端上，來(lái)模擬使用一個(gè)通用燈座。表3和表4分別是采用線路3和線路4獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 采用線路3的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Testing data with measurement circuit 3

表4 采用線路4——四端法接線的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Testing data with measurement circuit 4 applying four-terminal method

從表3與表4可以得出以下結(jié)論：

(1)四端法接線比非四端法接線實(shí)際加載在樣品上的電流要高，說(shuō)明樣品實(shí)際加載的工作電壓也高。

(2)四端法接線可以保證加載電壓的準(zhǔn)確性(符合要求)，進(jìn)而保證樣品性能參數(shù)測(cè)得值的準(zhǔn)確性。

(3)四端法接線獲得的數(shù)據(jù)重復(fù)性遠(yuǎn)高于非四端法接線獲得的數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

對(duì)于照明產(chǎn)品性能測(cè)試，使用完全意義上的四端法進(jìn)行測(cè)試電參數(shù)測(cè)試，會(huì)使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，重復(fù)性更好。

盡管產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中做了相應(yīng)要求，很多測(cè)試人員并沒(méi)有充分理解和重視四端法測(cè)試的意義所在，在實(shí)踐當(dāng)中使用了非四端法的測(cè)試線路。這對(duì)于正確評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能指標(biāo)和各種實(shí)驗(yàn)室比對(duì)工作而言是一個(gè)明顯的不符合項(xiàng)。造成這種情況的原因除了測(cè)試人員經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)原因外，也有可能是設(shè)備制造(供應(yīng))商的經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)識(shí)不足，不知道或不能夠提供符合要求的測(cè)試裝備。希望通過(guò)本文的分析工作，能夠幫助從事照明產(chǎn)品性能測(cè)試及其相關(guān)比對(duì)工作的人員、設(shè)備制造商加深對(duì)此技術(shù)細(xì)節(jié)的理解，推動(dòng)業(yè)界測(cè)量技術(shù)的提升與進(jìn)步。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15043—2008 白熾燈泡光電參數(shù)的測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] IESNA.LM-45-00 Approved Method for Electrical and Photometric Measurements of General Service Incandescent Filament Lamps[S].Illuminating Engineering Society,2000.

The Significance of Four-terminal Method to the Performance Measurement of Lighting Product

Xin Hongzheng,Zhang Wei,Chang Yi

(NationalLightingTestCentre(Beijing)，Beijing100022,China)

Four-terminal method is required in many measurement standards. This article explains the reason for the significance of four-terminal method in theory and practice. The results show that it is important to do a good performance measurement of a lighting product, especially for low-voltage high-current ones. Four-terminal method helps to improve the accuracy and repeatability.

four-terminal method; repeatability; accuracy; lighting; measurement; performance

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.003