王錫平 侯殿成 沈 晴 鄒成伍

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.蘇州偉銘電子儀表有限公司，蘇州 215132)

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寬溫組合標(biāo)準(zhǔn)電阻設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)*

王錫平1侯殿成2沈 晴1鄒成伍1

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.蘇州偉銘電子儀表有限公司，蘇州 215132)

介紹了所設(shè)計(jì)四線標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)形式、主控框架、功能作用和技術(shù)指標(biāo)，分析了電阻溫度關(guān)系和應(yīng)用參數(shù)配置。詳細(xì)敘述安裝調(diào)試過(guò)程處理調(diào)整電阻線性度以及熱電勢(shì)影響主要處理工藝，給出檢定及實(shí)際使用方式驗(yàn)證比較數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)電阻；加熱溫控；調(diào)試；驗(yàn)證

0 引言

在環(huán)境溫度條件變化較大的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如變電站檢測(cè)蓄電池以及充放電機(jī)的充放電電流、檢定或核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電流源、回路直阻測(cè)試儀等。這些儀器使用極限電流已達(dá)100A，之前受限于經(jīng)典BZ3或BZ6(最大功率分別≤1W、≤3W)型標(biāo)準(zhǔn)電阻功率等因素，大多使用分流器作標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)標(biāo)定電流或電壓。但是工業(yè)級(jí)分流器的0.1級(jí)、非10整數(shù)冪歐姆值、單一阻值以及通電電流效應(yīng)、方向等因素，已不能滿足現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)量?jī)x器的高等級(jí)、線性度、快速測(cè)量等要求。故設(shè)計(jì)能在較寬的環(huán)境溫度條件仍能保證0.01級(jí)，10×0.001歐姆步進(jìn)阻值并可任意組合的大功率實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻，以下均簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)電阻。

1 結(jié)構(gòu)原理技術(shù)指標(biāo)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)原理

對(duì)0.1Ω及以下低值標(biāo)準(zhǔn)電阻，均為四線(端)單值(只)形式，如圖1。四線電阻R定義為節(jié)點(diǎn)n1和n2之間電阻值，如果從C1、C2端作兩線測(cè)量，電阻值應(yīng)為rc1+R+rc2。一般BZ3型0.01Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻rc1+rc2約0.02mΩ，則連接導(dǎo)線電阻的影響就有0.2%，電位端影響更大。因此，四線標(biāo)準(zhǔn)電阻一般是單個(gè)使用，而不作多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)組合。

本設(shè)計(jì)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)電阻如圖2所示。

圖1 四線式標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)原理圖

圖2中，R1為0.01001Ω錳銅材料電阻，稱為主電阻；R2為10只1.001Ω錳銅電阻串聯(lián)，稱調(diào)整電阻。由R1和R2并聯(lián)所得等效電阻R則為0.0100000Ω無(wú)偏差值。通過(guò)繼電器開關(guān)切換，從C1、P1,C2、P2端可以得到0.001～0.01Ω之間以及0Ω任意組合四線電阻值。連接P1端單數(shù)號(hào)或P2端雙數(shù)號(hào)繼電器同時(shí)只能接通任其一。例如，繼電器2和繼電器3接通，則標(biāo)準(zhǔn)電阻電位端P1與P2端輸出0.001Ω等效電阻，繼電器1、2接通則輸出零電阻。顯然，除可以輸出任意組合電阻，還可以不換線輸出等效負(fù)電阻和具有10個(gè)單值0.001Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻。R1、R2參數(shù)是通過(guò)試算、試驗(yàn)以及方便制作確定。例如，用0.010001Ω主電阻和10×10.00Ω調(diào)整電阻并聯(lián)同樣也能得到0.01Ω的無(wú)偏差值，但是制作難度要高的多，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)溫度變化引起溫度增量不易補(bǔ)償問題。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)—繼電器開關(guān)原理圖

1.2 繼電器開關(guān)電路

繼電器開關(guān)電路設(shè)計(jì)成一27×16×5cm開關(guān)箱，面板中間液晶顯示屏，左右分設(shè)兩個(gè)3×4鍵盤，可由手動(dòng)按鍵或上位機(jī)控制箱內(nèi)繼電器陣列動(dòng)作切換標(biāo)準(zhǔn)電阻電位端，同時(shí)LED指示按鍵值。開關(guān)電路由Arm單片機(jī)、繼電器陣列等電路組成，如圖3所示。

圖3 繼電器開關(guān)主控電路框圖

開關(guān)主要控制電路構(gòu)成和功能：繼電器陣列由2×11只磁保持繼電器組成，分別使用單片機(jī)22×2個(gè)端口驅(qū)動(dòng)；液晶顯示屏為11cm、480×272點(diǎn)陣顯示屏，顯示標(biāo)準(zhǔn)電阻電位端號(hào)間標(biāo)稱電阻值和實(shí)際值；RS232-USB轉(zhuǎn)換電路功能為上位機(jī)通過(guò)USB接口控制鍵盤切換，以及10個(gè)單值標(biāo)準(zhǔn)電阻實(shí)際值寫入和讀出，單片機(jī)程序升級(jí)更新。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)電阻主要技術(shù)指標(biāo)

2 電阻溫度關(guān)系分析和應(yīng)用

錳銅合金電阻在一定溫度范圍內(nèi)電阻實(shí)際值近似計(jì)算公式：

Rt=R20[1+a (t-20)+β(t-20)2]

(1)

式中，Rt、R20分別為溫度t℃時(shí)和20℃時(shí)電阻實(shí)際值；a 、β分別為一次和二次項(xiàng)電阻溫度系數(shù)。

從式(1)欲使Rt=R20則需a (t-20)+β(t-20)2=0，設(shè)t1、t2為二次方程的兩個(gè)不相等根，可見除t1=20℃外，可推出t2=20-a /β，即溫度系數(shù)的影響量等于零的另一溫度值。一般容易獲取的錳銅電阻一次項(xiàng)系數(shù)a 在±(5～20)×10-6/℃之間，二次項(xiàng)系數(shù)β在(-0.5～-0.7)×10-6/℃2之間。為敘述簡(jiǎn)便，選a =5、10、15、20，β=-0.5，四組特定數(shù)值代入式(1)試算?？煞治觥⑦x出a =15，β=-0.5這一特定組數(shù)據(jù)段，列于表1。

表1中R1(20)為R1在20℃的實(shí)際值，事實(shí)上式(1)只是近似公式，實(shí)際制作R1時(shí)a 、β值可略有偏差。Rt欄所列為溫度增量補(bǔ)償后等效電阻R值將在第3節(jié)敘述。

從表1數(shù)據(jù)可繪出的拋物線對(duì)稱35℃中心線，且在此溫度±5℃之間曲線最為平坦，電阻值相對(duì)20℃時(shí)有0.01%的恒定增量，但變化量?jī)H為0.001%左右。使用加熱控溫技術(shù)，使封裝于盒內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻始終處于30～40℃的狀態(tài)，從而達(dá)到在10～30℃較寬的環(huán)境溫度使用時(shí)仍能保證0.01級(jí)技術(shù)指標(biāo)的目的。此法和Agilent 3458A數(shù)字多用表、Fluke732B固態(tài)電池的基準(zhǔn)加熱控溫原理基本相同。

表1 溫度對(duì)應(yīng)R1電阻值和增量補(bǔ)償后R值

3 安裝和調(diào)試

標(biāo)準(zhǔn)電阻R安裝于360×160×90金屬盒體，R1裝于盒體下層環(huán)氧樹脂封裝并均勻加熱控溫，R2安裝在盒體上層。試驗(yàn)調(diào)試只需在20℃參考環(huán)境下進(jìn)行，但需考慮到溫度上升后0.01%的增量問題，就可大大簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程。在此只敘述安裝和調(diào)試過(guò)程中所處理解決的3個(gè)主要問題：

1)溫度增量補(bǔ)償：如果需要調(diào)準(zhǔn)到表1Rt欄數(shù)據(jù)，那么在20℃的參考條件下調(diào)整R1為0.0100100Ω，然后配置并聯(lián)電阻R2，很快會(huì)發(fā)現(xiàn)較難配置成等效電阻R=0.0100000Ω的無(wú)偏差值，而如果將R1調(diào)整到0.0100090Ω，則在加熱至30～40℃工作狀態(tài)時(shí)固有0.01%增加量，配置成無(wú)偏差等效電阻容易的多。補(bǔ)償后工作狀態(tài)下溫度對(duì)應(yīng)等效電阻R值列于表1Rt欄。

3)熱電勢(shì)的影響：設(shè)計(jì)當(dāng)初確實(shí)未考慮到熱電勢(shì)影響，因用QJ55比較儀電橋測(cè)量數(shù)據(jù)與送上級(jí)檢定數(shù)據(jù)基本重合，只是在數(shù)字表法測(cè)量驗(yàn)證才被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)試驗(yàn)分析確實(shí)為安裝工藝問題，如圖4。

圖4 消除熱電勢(shì)影響對(duì)照示意圖

圖4(a)，消除熱電勢(shì)前調(diào)整電阻安裝基板澆注于環(huán)氧樹脂表面，加熱器加熱時(shí)產(chǎn)生溫度梯度使得電阻雙數(shù)號(hào)0、2、4、6、8、10端連接點(diǎn)與單數(shù)號(hào)1、3、5、7、9端有5～7℃的溫度差，導(dǎo)致數(shù)字表測(cè)量具有4μV左右的熱電勢(shì)附加誤差。經(jīng)將安裝板懸空、左移，與熱源之間加隔熱板(圖4(b)正視圖未能畫出)。改裝后電阻兩端溫度差減小到1～2℃，這時(shí)數(shù)字表法與電橋法測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致。顯示始終是0～1μV。這也就解釋了QJ55電橋法測(cè)量結(jié)果正確，是因?yàn)槠錅y(cè)量電流換向消除了熱電勢(shì)的影響，故也不易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

4 測(cè)量檢定驗(yàn)證

標(biāo)準(zhǔn)器或測(cè)量?jī)x器除一些試驗(yàn)測(cè)試外最終結(jié)果最好是送上級(jí)檢定機(jī)構(gòu)檢定，以便較完整的比較。因此，該標(biāo)準(zhǔn)電阻使用本院QJ55比較儀電橋裝置、數(shù)字儀表檢定裝置、以及上級(jí)檢定作參考標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量驗(yàn)證，各測(cè)量數(shù)據(jù)列于表2。

表2 測(cè)量驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由表2可知，經(jīng)不同檢定裝置、測(cè)量人員、時(shí)間地點(diǎn)、測(cè)量電流，結(jié)果最大相對(duì)差值0.0022%出現(xiàn)在8mΩ點(diǎn)，滿足0.01級(jí)不確定度核驗(yàn)要求。但是，測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)稱值偏差程度0.008%大于設(shè)計(jì)目標(biāo)，原因就是處理熱電勢(shì)影響增加了調(diào)整電阻的連接導(dǎo)線電阻rac+rbd所致，有待于下一檢定周期前調(diào)整解決，并且已有初步解決方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)量驗(yàn)證，證明標(biāo)準(zhǔn)電阻還可用于檢定核驗(yàn)4～5 1/2位數(shù)字表、標(biāo)準(zhǔn)電流源等儀器的電流或電壓準(zhǔn)確度和線性度。事實(shí)上它和經(jīng)典四端式標(biāo)準(zhǔn)電阻一樣主要是用于標(biāo)定電流或電壓量值。雖用QJ55比較儀電橋檢定該標(biāo)準(zhǔn)電阻值滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度要求，但是測(cè)量檢定的宗旨是盡可能與使用一致，也表明未經(jīng)數(shù)字式儀表核驗(yàn)仍應(yīng)謹(jǐn)慎結(jié)論。同樣，設(shè)計(jì)方法理論上可以運(yùn)用于制作等效電阻0.1、0.001Ω，但還需要實(shí)踐驗(yàn)證。

[1] 付士冀等.高壓開關(guān)設(shè)備導(dǎo)電回路電阻量值溯源路徑及測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)量技術(shù)，2013(10)

[2] 張艷，馬毅.高壓直流電流測(cè)量裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].電測(cè)與儀表，2014(11)

[3] 蘇璠等.直流穩(wěn)壓電源現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù)，2014(1)

[4] Agilent Technologies 3458AMultimeter Calibrationmanual Edition3[M].Agilent Technologies Company,2000：13，22

[5] Fluke Corporation著，汪鐵華譯.校準(zhǔn)—理論與實(shí)現(xiàn)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000

* 課題項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司(ZDK048-2012)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.02