PC36系列直流电阻测量仪

　　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，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*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 Ω，这个看似简单的要求给仪表的设计带来了新的挑战， 10 -5 Ω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 Ω数量级范围内 （ 10.0—99.9 μΩ ） ， 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zui不利的情况下，zui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zui高分辨力达到 10 -8 Ω（ 0.01 μΩ）。
　　综观现有的数字式低阻表 , 水平zui高的如 SB2232 型直流电阻测量仪、 ZY9858 型数字微欧计等，其zui低量程为 2 m Ω， zui高分辨力为 0.1 μΩ， 如果测量截面超过 172mm 2 1m 长的铜导线，电阻值在 100 μΩ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 μΩ量程 , 是现有产品的十分之一 , 该量程的分辨力为 0.01 μΩ，是现有产品的十倍，当被测电阻大于或等于 10 -5 Ω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，zui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 μΩ，仪表的电位端电压灵敏度必须达到 0.1 μ V , 比现有的数字式低阻表的zui高电压灵敏度 1 μ V 提高了 10 倍。为了达到这个目标，本 仪表的设计者采用技术特制了高灵敏、低噪声的纳伏放大器，其电位输入端的zui高灵敏度为 70.7nV （ 0.0707 μ 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*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。

　　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 Ω ,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 Ω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 Ω“低电流”量程，测量电流仅位为 1 mA ，*符合标准的要求。

　　仪表各测量档位的测量电流见表 1

表1

表2

　其中 R X ：仪表读数值（电阻示值） R m ：所测量程满度值

　　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*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 Ω 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。

表3

PC36C 直流电阻测量仪