直流電阻測量儀 PC36系列

　　隨著電子技術的飛速發展，數字式測量技術在電線電纜測試領域得到了越來越廣泛的應用， 在現有的標準中，已經規定了可以采用電橋以外的其它電子測量儀器作為導體直流電阻的測試設備，可以預見在不遠的將來，各種高性能的數字式直流電阻測量儀（數字式低阻計）將會逐步取代該領域中雙臂電橋的地位，使得測量工作更加快速、準確、方便。上海遠中電子儀器廠于 2004 年開始研制 PC36 系列直流電阻測量儀，作為一種電線電纜電性能試驗的設備，該儀表的設計目標如下：
　　1.表的主要技術性能：測量范圍、測量電流、準確度、靈敏度、分辨力等應全面滿足《電線電纜電性能試驗方法 第 2 部分：金屬材料電阻率試驗》 及 GB/T3048.4 《電線電纜電性能試驗方法 第 4 部分：導體直流電阻試驗》 中對電阻測試設備的各項技術要求。
　　2.為了方便用戶操作，在儀表的附加功能中添置了 GB/T3048.2 及 GB/T3048.4 推薦的一些特殊功能及測量方法，如反向電流測量、倍率電流測量、熱電勢平衡、導線溫度校正等功能。
　　3.儀表有幾種派生型號，以適應不同規格電線電纜生產廠的需要。儀表的技術指標和功能設置以適應標準的要求為主，以滿足用戶的需要為主，做到既是充分的又是必要的，力爭實現較高的性能價格比。
　　經過一年多時間的研制、試用和改進，該儀表已正式面世 , 其間得到了上海電纜研究所與上海南洋電材有限公司的大力支持和幫助。經測試，儀表的技術性能*達到了設計目標。本文主要介紹該儀表的特點、研制工作中所克服的技術難點、儀表的主要技術性能、附加功能、基本參數以及實際使用效果。
　　1 主要技術性能 1.1 測量范圍及分辨力 在 GB/T3048.2 5.2.1 條規定了導體電阻測量的下限值為 10 -5 Ω，這個看似簡單的要求給儀表的設計帶來了新的挑戰， 10 -5 Ω數量級的電阻是個什么概念？截面在 172mm 2 至 1724mm 2 范圍內的 1m 長的銅導線在 20 ℃ 時的電阻值就落在 10 -5 Ω數量級范圍內 （ 10.0—99.9 μΩ ） ， 考慮到GB/T3048.2 中電阻率測試允許誤差 0.15% 及 GB/T3048.4 中導體電阻測試允許誤差 0.5% 的要求，儀表讀數的有效位應不少于 4 位，（ 3 位有效讀數在zui不利的情況下，zui后一位變化 1 個字的量化誤差，可能造成 1% 的測量誤差），這就要求儀表的zui高分辨力達到 10 -8 Ω（ 0.01 μΩ）。
　　綜觀現有的數字式低阻表 , 水平zui高的如 SB2232 型直流電阻測量儀、 ZY9858 型數字微歐計等，其zui低量程為 2 m Ω，分辨力為 0.1 μΩ， 如果測量截面超過 172mm 2 1m 長的銅導線，電阻值在 100 μΩ以下， 儀表讀數僅有 3 位有效數字，示值僅為該檔量程的 1/20 以下，這顯然是不能符合測量準確度要求的。由此可見，現有的數字式低阻表的測量范圍和分辨力尚不能滿足全系列電線電纜的測量要求，必須進一步提高。 PC36 系列直流電阻測量儀設置了 200 μΩ量程 , 是現有產品的十分之一 , 該量程的分辨力為 0.01 μΩ，是現有產品的十倍，當被測電阻大于或等于 10 -5 Ω時，儀表保證有 4 位以上的有效讀數，可以滿足 全系列電線電纜的測量要求 。
　　1.2 測量靈敏度 電線電纜測試人員都知道，要提高電橋測量結果的分辨力有兩個途徑，其一是加大測量電流，其二是提高電橋的指零裝置 — 檢流器的靈敏度，在數字式低阻表中情況也大致如此。由于電流加熱效應以及標準電阻容許流過電流值的限制，測量電流的提高幅度是有限的，zui大值在 10A 左右，根據歐姆定律： R=U / I ，在 I = 10A 的測量電流下，儀表的電阻測量分辨力要達到 0.01 μΩ，儀表的電位端電壓靈敏度必須達到 0.1 μ V , 比現有的數字式低阻表的zui高電壓靈敏度 1 μ V 提高了 10 倍。為了達到這個目標，本 儀表的設計者采用技術特制了高靈敏、低噪聲的納伏放大器，其電位輸入端的zui高靈敏度為 70.7nV （ 0.0707 μ V ） ，就電壓靈敏度與噪聲特性這一點來說，本儀表已經達到了 6 1/2 位高性能數字電壓表所能達到的水平。高靈敏度放大器的作用就如同給電橋的檢流器前加裝了一臺靈敏度*的光電放大器一樣，實現了測量電流與同類儀表相同，而分辨力卻提高 10 倍的目標。

　　1.3 測量電流的選擇 在電線電纜導體電阻的測量中，選擇合適的測量電流是至關重要的，這是因為被測對象銅線或鋁線的電阻率具有很高的溫度系數，測量電流過大會引起導線發熱，從而造成測量超差，在 GB/T3086.4 第 5.6 條中有銅導線測量電流密度不大于 1.0A/ mm 2 的規定；但是測量電流過小又會嚴重影 響儀表的靈敏度與分辨力，同樣對測量準確度不利。本儀表具有 多電流測量功能，各個量程設置了不同的測量電流可供選擇，并在儀表面板上標明。儀表設有“常規”與“低電流”兩種測量狀態，可以通過面板開關加以選擇，儀器在“常規”測量狀態（常規測量電流）有六檔量程，具有測量準確性高、抗干擾性能好的特點；在“低電流”測量狀態（低測量電流、高靈敏度）也有六檔量程 ，具有較高的測量靈敏度與分辨力。 該性能克服了目前數字表及某些電橋與數字式低阻表測量電流不能調節，而且在某些檔位電流偏大引起被測導體發熱 , 電阻值隨著測量時間的增加向上漂移的缺陷，這一點在微細導線測量時尤為重要，例如直徑為 0.05mm 的銅導線 , 截面約為 2 × 10 -3 mm 2 , 1m 的電阻值約為 8.8 Ω ,按 GB/T3086.4 的要求計算 , 該導線的測量電流應不大于 2mA, 在現有數字式低阻表中 , 20 Ω量程的測量電流一般為 10mA, 有的甚至高達 100mA, 大大超過了標準規定的電流范圍 , 導線將會嚴重發熱，在本儀表中，則可選擇 20 Ω“低電流”量程，測量電流僅位為 1 mA ，*符合標準的要求。

　　儀表各測量檔位的測量電流見表 1

表1

表2

　其中 R X ：儀表讀數值（電阻示值） R m ：所測量程滿度值

　　2.1 倍率電流測量功能 為了方便用戶實施 GB/T 3048.4 第 5.6 條中用比例為 1 ： 1.41 的兩個測量電流分別測試樣電阻值，以判定是否發生溫升超標的方法，本儀表設置有比例為 0.707I ： 1.00I ： 1.41I 三檔電流可供選擇（其中 I 為額定電流），比例電流的切換即刻完成，避免了調節外部電流源的繁瑣操作。如果 1.00I ： 1.41I 倍率電流測量的結果判定電流過大，數據無效，則可再一次進行 0.707I ： 1.00I 倍率電流測量（兩者的比例仍為 1.41 倍），如變化量小于標準規定的數值，表明在 0.707 I 條件下的測量結果有效，避免了為了降低測量電流而改變量程檔位 , 造成測量精度及分辨力的損失。
　　2.2 外部熱電勢平衡功能 在電線電纜導體電阻的測量夾具，其電位端的接觸刀口常用黃銅材料制成，與銅、鋁導線材料之間有較高的接觸熱電勢，在測量過程中由于環境溫度不可能*均衡，在測試夾具上安裝導線時，人體也不可避免地會接觸到并加熱電位結點，由此產生的熱電耦電勢，會對高靈敏度的測量產生干擾，使測量結果發生偏移。
　　為了降低電位端的外部接觸電勢與熱電勢對測量結果的影響，本儀表設置了外部電勢平衡調節裝置，通過平衡調零，可以抵消在測量回路中的熱電耦電勢，該方法是 GB/T 3048.2 第 6.5.3 條推薦的方法之一。
　　2.3 反向電流測量功能 根據 GB/T 3048.4 第 5.5 條規定，當試樣電阻小于 0.1 Ω 時，應將電流反向再測一次，然后取算術平均值。這是消除測量回路中的熱電耦電勢的又一種簡單有效的方法，同時也消除了儀表測量回路自身的電壓零點飄移，因此，正、反兩次測量的平均值，比單次測量結果有更高的準確度與可靠性。在用雙臂電橋電橋測量導體電阻時，該功能是通過切換外部換向閘刀實現的，而在現有的數字式低阻表中，為了防止電感性負載產生的反電勢損壞儀表，其輸入回路往往接有反向保護二極管，因此，是不容許電流反向的，無法實現標準要求的操作。本儀表中采用技術，特殊設計了雙向電流保護電路，既防止了反電勢對儀表的危害，同時又允許進行反向電流測量，并在儀器內部設置了大功率換向繼電器，通過面板開關實施電流換向操作，正、反向讀數瞬時可得，操作簡捷、使用方便。
　　2.4 銅、鋁導線溫度校正功能 當試驗環境溫度在 15-25 ℃范圍內，用戶只要將 PC36C 或 PC36D 的溫度校正開關設置為環境溫度的實際值 （ 步進值為 0.1 ℃ ） ，儀表將被測銅線或鋁線的電阻值根據 GB/T 3048.4 推薦的公式自動換算到該導線在基準溫度 20 ℃時的電阻值，免去了用戶溫度換算操作，使用更為方便。

表3

PC36C 直流電阻測量儀