朱小明 陸新東 李東波 張 燕 李錦華

(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2.鄭州博天電子技術(shù)有限公司，鄭州 450003)

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標(biāo)準(zhǔn)電阻型接地導(dǎo)通測(cè)試儀檢定裝置的研究

朱小明1陸新東1李東波2張 燕1李錦華1

(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2.鄭州博天電子技術(shù)有限公司，鄭州 450003)

針對(duì)接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定中，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器在原理上與部分被檢儀器不匹配，導(dǎo)致不能夠正常檢測(cè)的問(wèn)題，研制了一種操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性好，適用性更廣的標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定裝置。詳細(xì)介紹了本裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該裝置量傳準(zhǔn)確，性能可靠，可滿足各種接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀的檢定要求。

接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀；檢定裝置；不確定度

0 引言

接地技術(shù)是電氣安全領(lǐng)域基本防護(hù)措施之一，其作用是電氣產(chǎn)品在內(nèi)部電路故障而導(dǎo)致外部金屬殼體帶電時(shí)，通過(guò)限制其金屬殼與接地端之間導(dǎo)通電阻(稱接地導(dǎo)通電阻)，保證帶電體的電壓不超過(guò)安全電壓。為了保證接地電路的有效性，接地電阻的測(cè)量要求采用10A以上的直流或者交流電流進(jìn)行測(cè)量，常采用的儀器是接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀。為保障接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀的可靠性，國(guó)家量值溯源系統(tǒng)要求測(cè)試儀工作電流、電阻測(cè)量準(zhǔn)確度等相關(guān)指標(biāo)符合JJG 984—2004《接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀》檢定規(guī)程要求。

對(duì)接地導(dǎo)通電阻測(cè)試的檢測(cè)，常采用的檢定裝置為模擬電阻器，在近幾年的接地導(dǎo)通測(cè)試儀檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)模擬電阻標(biāo)準(zhǔn)器存在一些問(wèn)題，歸納如下：

1)部分接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀無(wú)法用模擬電阻器檢定裝置檢定。表現(xiàn)為接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀在電流正常升起時(shí)，電阻顯示屏無(wú)示值。

2)部分接地導(dǎo)通測(cè)試儀在檢定過(guò)程中示值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大。

3)模擬電阻器檢定裝置的短期穩(wěn)定性較差。用一臺(tái)導(dǎo)通測(cè)試儀短時(shí)間內(nèi)多次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器同一電阻值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，短期穩(wěn)定性差。

4)模擬電阻器檢定裝置適用于檢測(cè)四端口接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀，無(wú)法檢測(cè)兩端口測(cè)試儀。而實(shí)際使用中，常采用兩端口法。

基于上述現(xiàn)象，可確定模擬電阻型接地導(dǎo)通檢定裝置在檢測(cè)范圍上具有一定局限性。隨著材料和制造工藝的發(fā)展，大功率高準(zhǔn)確度的實(shí)物電阻制造工藝已趨成熟，為采用大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀提供了技術(shù)基礎(chǔ)。由此，提出用實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定方案,解決以上問(wèn)題。

1 標(biāo)準(zhǔn)電阻型接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)JJG 984—2004檢定規(guī)程的要求，檢定接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀主要有4項(xiàng)：電阻示值誤差、報(bào)警預(yù)置誤差、試驗(yàn)電流設(shè)置(調(diào)整)誤差和試驗(yàn)電流波動(dòng)。

基于上述要求，以大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻為基礎(chǔ)，我們研制了一套標(biāo)準(zhǔn)電阻型接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定裝置，其原理框圖如圖1所示。

圖1 電阻型接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定裝置原理框圖

2.1 電阻檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.1.1 電阻示值誤差檢定

國(guó)標(biāo)GB/T 28030—2011要求接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀在10A和25A量程下，都要測(cè)量100mΩ點(diǎn)，因此100mΩ是個(gè)重要設(shè)置點(diǎn)。本套標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)于25A量程，可以設(shè)置10mΩ，30mΩ，50mΩ，80mΩ，100mΩ，150mΩ六個(gè)檔位的電阻值；對(duì)于10A量程，設(shè)置30mΩ，80mΩ，100mΩ，150mΩ，300mΩ，500mΩ六個(gè)檔位的電阻值。這種設(shè)置可以有效的滿足當(dāng)前接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀10A測(cè)量范圍0～600mΩ，25A測(cè)量范圍為0～200mΩ的要求。標(biāo)準(zhǔn)電阻的基本誤差為0.05%，通過(guò)25A電流3min后，電阻誤差不大于0.1%，完全滿足JJG 984—2004檢定規(guī)程對(duì)電阻示值誤差的要求。

2.1.2 報(bào)警預(yù)置誤差檢定

根據(jù)規(guī)程，報(bào)警預(yù)置誤差的檢定可采用標(biāo)準(zhǔn)電阻法和標(biāo)準(zhǔn)電壓源法。使用標(biāo)準(zhǔn)電阻法進(jìn)行電阻調(diào)節(jié)用于報(bào)警預(yù)置誤差時(shí)，電阻調(diào)節(jié)細(xì)，制作困難。因此，我們對(duì)此種方法進(jìn)行改進(jìn)，提出變相標(biāo)準(zhǔn)電阻法，可以精確完成預(yù)置報(bào)警誤差檢定。

變相標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定方法為：標(biāo)準(zhǔn)器值設(shè)定為100mΩ，不斷改變測(cè)試儀預(yù)置報(bào)警電阻值，其電阻調(diào)節(jié)步進(jìn)值為1mΩ，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，直至測(cè)試儀報(bào)警。以第一次報(bào)警值為準(zhǔn)，按照式(1)進(jìn)行示值誤差計(jì)算。

(1)

式中，g 為報(bào)警預(yù)置誤差；R為報(bào)警預(yù)置的電阻值；R0為報(bào)警時(shí)電阻的實(shí)際值。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證變相標(biāo)準(zhǔn)電阻法與規(guī)程中要求的標(biāo)準(zhǔn)電阻法和標(biāo)準(zhǔn)電壓源法檢定結(jié)果完全一致。而變相標(biāo)準(zhǔn)電阻法操作簡(jiǎn)便，成本較低，故報(bào)警預(yù)置誤差的檢定采用變相標(biāo)準(zhǔn)電阻法。

2.2 電流檢測(cè)設(shè)計(jì)

JJG 984—2204規(guī)程中對(duì)試驗(yàn)電流設(shè)置(調(diào)整)誤差和電流波動(dòng)性測(cè)量可以使用電阻電壓法和標(biāo)準(zhǔn)電流表法。標(biāo)準(zhǔn)電流表通過(guò)采樣電阻來(lái)計(jì)算電流，人為的為系統(tǒng)加入一個(gè)負(fù)載電阻，增加了示值誤差。因此，我們采用電阻電壓法，具體設(shè)計(jì)如下:

采集系統(tǒng)使用ADI公司的ADUC845主控芯片進(jìn)行電壓測(cè)量，根據(jù)電阻的選擇計(jì)算電流。其優(yōu)勢(shì)如下：1)24位AD采集，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；2)自帶最大可達(dá)128倍程控放大，可測(cè)量毫伏/微伏級(jí)信號(hào)；3)自帶信號(hào)輸入濾波系統(tǒng)，每秒實(shí)現(xiàn)8次高精度數(shù)據(jù)采集；最終，采用凌特公司的LTC1966芯片對(duì)采集交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換，其有效值轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到0.1%。具體設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 試驗(yàn)電流測(cè)量和波動(dòng)性測(cè)試系統(tǒng)

2.2.1 試驗(yàn)電流設(shè)置(調(diào)整)誤差測(cè)量

進(jìn)行試驗(yàn)電流設(shè)置(調(diào)整)誤差測(cè)量時(shí)，25A采用30mΩ、50mΩ、100mΩ、150mΩ四檔進(jìn)行電流測(cè)量和存儲(chǔ)，10A采用50mΩ、100mΩ、150mΩ、300mΩ四檔進(jìn)行電流測(cè)量和存儲(chǔ)，并通過(guò)液晶屏顯示。如果電流誤差超過(guò)5%，系統(tǒng)蜂鳴器報(bào)警，并提示不合格。

2.2.2 電流波動(dòng)性測(cè)量

進(jìn)行電流波動(dòng)性測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電阻采用100mΩ，使用接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻器通電流1min，時(shí)間間隔5s采集一次數(shù)據(jù)，共采集12次數(shù)據(jù)，并在液晶上顯示采集到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)顯示最大值和最小值，計(jì)算電流波動(dòng)性。

對(duì)指針式測(cè)試儀，基本上都會(huì)有測(cè)試時(shí)間設(shè)置功能，將時(shí)間設(shè)置為1min，電流調(diào)到設(shè)定值，電流檢定模塊也可對(duì)其進(jìn)行誤差和波動(dòng)性測(cè)試。

3 檢定裝置技術(shù)指標(biāo)

電阻檔位：10mΩ、30mΩ、50mΩ、80mΩ、100mΩ、150mΩ、300mΩ、400mΩ、500mΩ、600mΩ;

額定電流：30A;準(zhǔn)確度等級(jí)：0.05級(jí)。

電流測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)量范圍：0～30A，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.1%。

4 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

以2級(jí)的接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀，檢測(cè)100mΩ點(diǎn)為例分析測(cè)量結(jié)果不確定度。

4.1 電阻測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

4.1.1 數(shù)學(xué)模型

ΔR=Rx-RN

式中，ΔR為被檢接地導(dǎo)通測(cè)試儀電阻示值誤差；RN為接地導(dǎo)通校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際電阻值；Rx為接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀表頭顯示值。

4.1.2 方差和靈敏度系數(shù)

4.1.3 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(A類評(píng)定)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻重復(fù)測(cè)量10次的結(jié)果如表1。

計(jì)算得：s=0.048mΩ，取10次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最后結(jié)果，則不確定度為：

自由度ν1=n-1=9。

表1 10次的測(cè)量結(jié)果

4.1.4 標(biāo)準(zhǔn)電阻器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

100mΩ點(diǎn)的最大允許誤差為±0.05mΩ，屬于均勻分布，故：

自由度ν2=∞

4.1.5 數(shù)據(jù)修約引入的不確定度u3

依據(jù)JJG 984—2004檢定規(guī)程的要求，被檢接地導(dǎo)通測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果修約間隔為允許誤差限值的1/10。屬于均勻分布，故：

自由度ν3=∞

4.1.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.1.7 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2,則100mΩ測(cè)量點(diǎn)：

U=0.19×2=0.38mΩ

4.2 電流測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

以25A，5級(jí)為例作測(cè)量不確定度評(píng)定，電流的不確定度評(píng)定與電阻的不確定度評(píng)定類似，因此以表格形式表達(dá)，如表2。

表2 不確定度分析一覽表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電阻接地導(dǎo)通測(cè)試儀檢定裝置，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電流表、標(biāo)準(zhǔn)電阻表對(duì)隨機(jī)抽取的五個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，電阻示值和預(yù)置報(bào)警誤差測(cè)試性能明顯優(yōu)于模擬電阻器；電流值和電流波動(dòng)性能良好，且能夠自動(dòng)記錄和判斷各項(xiàng)指標(biāo)是否合格，避免了人工記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

實(shí)物型標(biāo)準(zhǔn)電阻接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀檢定裝置可以保證各種類型接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀量值傳遞，解決了模擬電阻標(biāo)準(zhǔn)器由于結(jié)構(gòu)原理而導(dǎo)致部分接地導(dǎo)通測(cè)試儀無(wú)法檢定的現(xiàn)象，適用性更廣；在計(jì)量性能的年穩(wěn)定性上，實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻量值穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬電阻；標(biāo)準(zhǔn)器的溯源，實(shí)物電阻可按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定系統(tǒng)表進(jìn)行正常量值溯源。因此，本標(biāo)準(zhǔn)裝置符合檢定規(guī)程要求，且在計(jì)量性能和適用范圍上更加優(yōu)越。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.14