隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字式測(cè)量技術(shù)在電線電纜測(cè)試領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 在現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)規(guī)定了可以采用電橋以外的其它電子測(cè)量?jī)x器作為導(dǎo)體直流電阻的測(cè)試設(shè)備，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，各種高性能的數(shù)字式直流電阻測(cè)量?jī)x（數(shù)字式低阻計(jì)）將會(huì)逐步取代該領(lǐng)域中雙臂電橋的地位，使得測(cè)量工作更加快速、準(zhǔn)確、方便。我公司于 2004 年開始研制 PC36 系列直流電阻測(cè)量?jī)x，作為一種電線電纜電性能試驗(yàn)的設(shè)備，該儀表的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：
1.表的主要技術(shù)性能：測(cè)量范圍、測(cè)量電流、準(zhǔn)確度、靈敏度、分辨力等應(yīng)**滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T3048.2 《電線電纜電性能試驗(yàn)方法 第 2 部分：金屬材料電阻率試驗(yàn)》 及 GB/T3048.4 《電線電纜電性能試驗(yàn)方法 第 4 部分：導(dǎo)體直流電阻試驗(yàn)》 中對(duì)電阻測(cè)試設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)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(cè)量方法，如反向電流測(cè)量、倍率電流測(cè)量、熱電勢(shì)平衡、導(dǎo)線溫度校正等功能。
3.儀表有幾種派生型號(hào)，以適應(yīng)不同規(guī)格電線電纜生產(chǎn)廠的需要。儀表的技術(shù)指標(biāo)和功能設(shè)置以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(zhēng)實(shí)現(xiàn)較高的性能價(jià)格比。
經(jīng)過一年多時(shí)間的研制、試用和改進(jìn)，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(jīng)測(cè)試，儀表的技術(shù)性能*達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文主要介紹該儀表的特點(diǎn)、研制工作中所克服的技術(shù)難點(diǎn)、儀表的主要技術(shù)性能、附加功能、基本參數(shù)以及實(shí)際使用效果。
1 主要技術(shù)性能 1.1 測(cè)量范圍及分辨力 在 GB/T3048.2 5.2.1 條規(guī)定了導(dǎo)體電阻測(cè)量的下限值為 10 -5 Ω，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的要求給儀表的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)， 10 -5 Ω數(shù)量級(jí)的電阻是個(gè)什么概念？截面在 172mm 2 至 1724mm 2 范圍內(nèi)的 1m 長(zhǎng)的銅導(dǎo)線在 20 ℃ 時(shí)的電阻值就落在 10 -5 Ω數(shù)量級(jí)范圍內(nèi) （ 10.0—99.9 μΩ ) ， 考慮到GB/T3048.2 中電阻率測(cè)試允許誤差 0.15% 及 GB/T3048.4 中導(dǎo)體電阻測(cè)試允許誤差 0.5% 的要求，儀表讀數(shù)的有效位應(yīng)不少于 4 位，（ 3 位有效讀數(shù)在*不利的情況下，*后一位變化 1 個(gè)字的量化誤差，可能造成 1% 的測(cè)量誤差），這就要求儀表的*高分辨力達(dá)到 10 -8 Ω（ 0.01 μΩ）。
綜觀現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表 , 水平*高的如 SB2232 型直流電阻測(cè)量?jī)x、 ZY9858 型數(shù)字微歐計(jì)等，其*低量程為 2 m Ω， *高分辨力為 0.1 μΩ， 如果測(cè)量截面超過 172mm 2 1m 長(zhǎng)的銅導(dǎo)線，電阻值在 100 μΩ以下， 儀表讀數(shù)僅有 3 位有效數(shù)字，示值僅為該檔量程的 1/20 以下，這顯然是不能符合測(cè)量準(zhǔn)確度要求的。由此可見，現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表的測(cè)量范圍和分辨力尚不能滿足全系列電線電纜的測(cè)量要求，必須進(jìn)一步提高。 PC36 系列直流電阻測(cè)量?jī)x設(shè)置了 200 μΩ量程 , 是現(xiàn)有產(chǎn)品的十分之一 , 該量程的分辨力為 0.01 μΩ，是現(xiàn)有產(chǎn)品的十倍，當(dāng)被測(cè)電阻大于或等于 10 -5 Ω時(shí)，儀表保證有 4 位以上的有效讀數(shù)，可以滿足 全系列電線電纜的測(cè)量要求 。
1.2 測(cè)量靈敏度 電線電纜測(cè)試人員都知道，要提高電橋測(cè)量結(jié)果的分辨力有兩個(gè)途徑，其一是加大測(cè)量電流，其二是提高電橋的指零裝置 — 檢流器的靈敏度，在數(shù)字式低阻表中情況也大致如此。由于電流加熱效應(yīng)以及標(biāo)準(zhǔn)電阻容許流過電流值的限制，測(cè)量電流的提高幅度是有限的，*大值在 10A 左右，根據(jù)歐姆定律： R=U / I ，在 I = 10A 的測(cè)量電流下，儀表的電阻測(cè)量分辨力要達(dá)到 0.01 μΩ，儀表的電位端電壓靈敏度必須達(dá)到 0.1 μ V , 比現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表的*高電壓靈敏度 1 μ V 提高了 10 倍。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，本 儀表的設(shè)計(jì)者采用*新技術(shù)特制了高靈敏、低噪聲的納伏放大器，其電位輸入端的*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(diǎn)來說，本儀表已經(jīng)達(dá)到了 6 1/2 位高性能數(shù)字電壓表所能達(dá)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(tái)靈敏度*的光電放大器一樣，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量電流與同類儀表相同，而分辨力卻提高 10 倍的目標(biāo)。 | | | PC36系列直流電阻測(cè)量?jī)x（數(shù)字式低阻表，數(shù)字式微歐計(jì)，數(shù)字式電橋）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q/AEXJ3 | 型號(hào)、名稱 | 基本參數(shù) | 適用范圍 | 出廠價(jià) | 主要功能特點(diǎn) | | PC36A直流電阻測(cè)量?jī)x | 范圍：0.01μΩ-199.99Ω。
電流：0.707mA-14.1A?！ ?br />體積：360×400×133mm。
重量：12kg | 全系列電線電纜導(dǎo)體電阻、金屬材料電阻率精密測(cè)量，分流電阻、接觸電阻精密測(cè)量?？扇〈?strong>QJ36、QJ19、QJ57等電橋。 | | 本廠磚利新產(chǎn)品，技術(shù)性能**滿足GB/T 3048.4的要求，是電線電纜導(dǎo)體電阻測(cè)量設(shè)備，雙臂電橋的更新?lián)Q代產(chǎn)品。測(cè)量靈敏度與分辨力比現(xiàn)有產(chǎn)品提高了10倍，測(cè)100mm2截面1m長(zhǎng)銅導(dǎo)線電阻，有5位有效讀數(shù)?？砂葱枰x擇測(cè)量電流，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求特設(shè)了倍率電流、反向電流測(cè)量，熱電勢(shì)平衡、溫度校正等功能。操作簡(jiǎn)捷、快速**。準(zhǔn)確度等級(jí)：0.04、0.05、0.1級(jí)，41/2位數(shù)字顯示，字高35mm，帶背光。 | | PC36C直流電阻測(cè)量?jī)x | 測(cè)量范圍、測(cè)量電流、體積、重量與PC36A相同。具有銅、鋁導(dǎo)線溫度校正功能（15-25℃）。 | | | PC36B直流電阻測(cè)量?jī)x | 范圍：0.1μΩ-1999.9Ω。
電流：70.7μA-1.41A。
體積：320×280×133mm。
重量：5kg | 電線電纜導(dǎo)體電阻、金屬材料電阻率精密測(cè)量，分流電阻、接觸電阻精密測(cè)量?？扇〈?strong>QJ57、QJ19、QJ23、QJ44等電橋。 | | | | | |
1.3 測(cè)量電流的選擇 在電線電纜導(dǎo)體電阻的測(cè)量中，選擇合適的測(cè)量電流是至關(guān)重要的，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象銅線或鋁線的電阻率具有很高的溫度系數(shù)，測(cè)量電流過大會(huì)引起導(dǎo)線發(fā)熱，從而造成測(cè)量超差，在 GB/T3086.4 第 5.6 條中有銅導(dǎo)線測(cè)量電流密度不大于 1.0A/ mm 2 的規(guī)定；但是測(cè)量電流過小又會(huì)嚴(yán)重影 響儀表的靈敏度與分辨力，同樣對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度不利。本儀表具有 多電流測(cè)量功能，各個(gè)量程設(shè)置了不同的測(cè)量電流可供選擇，并在儀表面板上標(biāo)明。儀表設(shè)有“常規(guī)”與“低電流”兩種測(cè)量狀態(tài)，可以通過面板開關(guān)加以選擇，儀器在“常規(guī)”測(cè)量狀態(tài)（常規(guī)測(cè)量電流）有六檔量程，具有測(cè)量準(zhǔn)確性高、抗干擾性能好的特點(diǎn)；在“低電流”測(cè)量狀態(tài)（低測(cè)量電流、高靈敏度）也有六檔量程 ，具有較高的測(cè)量靈敏度與分辨力。 該性能克服了目前數(shù)字表及某些電橋與數(shù)字式低阻表測(cè)量電流不能調(diào)節(jié)，而且在某些檔位電流偏大引起被測(cè)導(dǎo)體發(fā)熱 , 電阻值隨著測(cè)量時(shí)間的增加向上漂移的缺陷，這一點(diǎn)在微細(xì)導(dǎo)線測(cè)量時(shí)尤為重要，例如直徑為 0.05mm 的銅導(dǎo)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(jì)算 , 該導(dǎo)線的測(cè)量電流應(yīng)不大于 2mA, 在現(xiàn)有數(shù)字式低阻表中 , 20 Ω量程的測(cè)量電流一般為 10mA, 有的甚至高達(dá) 100mA, 大大超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電流范圍 , 導(dǎo)線將會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，在本儀表中，則可選擇 20 Ω“低電流”量程，測(cè)量電流僅位為 1 mA ，*符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。
儀表各測(cè)量檔位的測(cè)量電流見表 1 。
表 1
量程 | 測(cè)量狀態(tài) | | 常規(guī)電流 | 低電流 | | 200μΩ | ———— | 10A | | 2mΩ | 10A | 1A | | 20mΩ | 1A | 400mA | | 200mΩ | 400mA | 100mA | | 2Ω | 100mA | 10mA | | 20Ω | 10mA | 1mA | | 200Ω | 1mA | 100μA | | 2000Ω | 100μA | ———— |
1.4 測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性 為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性， 儀表采用了**設(shè)計(jì)的數(shù)字比例式測(cè)量電路，其工作原理是通過儀表內(nèi)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，將被測(cè)電阻與儀表內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)電阻作比例運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以 4 1/2 位的方式進(jìn)行顯示。與目前數(shù)字式低阻表常用的恒流源 — 電壓表方式不同，本儀表讀數(shù)的*終表達(dá)式與測(cè)量電流大小無關(guān)，僅與被測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻的電阻值有關(guān)，這一點(diǎn)與電橋的測(cè)原理相仿，因此本儀表具有與雙臂電橋相似的高準(zhǔn)確度與高穩(wěn)定性。由于測(cè)量結(jié)果在一定的范圍內(nèi)與測(cè)量電流大小無關(guān)，也使得儀表的多電流測(cè)量以及倍率電流測(cè)量功能得以實(shí)現(xiàn)。 |
與儀表準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性密切相關(guān)的是作為比例運(yùn)算基準(zhǔn)的一套標(biāo)準(zhǔn)電阻器，該電阻采用精密錳銅材料并經(jīng)過特殊的老化工藝制成，具有和 BZ3 系列標(biāo)準(zhǔn)電阻相當(dāng)?shù)暮艿偷臏囟认禂?shù)和很高的穩(wěn)定性，在測(cè)量時(shí)需要通過大電流的標(biāo)準(zhǔn)電阻被安裝在特制的冷卻油箱內(nèi)。儀器的高靈敏度電位輸入端采用了低熱電勢(shì)、長(zhǎng)壽命的復(fù)銀切換開關(guān)和低熱電勢(shì)的鍍金接插件，可以確保測(cè)量的準(zhǔn)確度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
儀表的基本誤差及準(zhǔn)確度等級(jí)見表 2, 大致比同類產(chǎn)品提高了一個(gè)等級(jí)，可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中 電阻率測(cè)試允許誤差 0.15% 以及導(dǎo)體電阻測(cè)試允許誤差 0.5% 的要求。
表 2
| 量程 | 常規(guī)電流 | 低電流 | | 基本誤差 | 準(zhǔn)確度等級(jí) | 基本誤差 | 準(zhǔn)確度等級(jí) | | 200μΩ | ———— | ----------- | ±(0.08%RX +0.02%Rm) | 0.1 | | 2mΩ | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | ±(0.08%RX +0.02%Rm) | 0.1 | | 20mΩ | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | ±(0.08%RX +0.02%Rm) | 0.1 | | 200mΩ | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | | 2Ω | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | | 20Ω | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | | 200Ω | ±(0.03%RX +0.01%Rm) | 0.04 | ±(0.04%RX +0.01%Rm) | 0.05 | | 2000Ω | ±(0.03%RX +0.01%Rm) | 0.04 | ———— | -------- |
其中 R X ：儀表讀數(shù)值（電阻示值） R m ：所測(cè)量程滿度值
1.5 測(cè)量速度 數(shù)字式測(cè)量?jī)x由于不需要進(jìn)行反復(fù)繁雜的平衡操作，加上數(shù)字直讀的特點(diǎn)，測(cè)量速度快、使用方便的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)電橋所*的，測(cè)量速度的提高除了節(jié)約時(shí)間外，更大的好處是減少了測(cè)量電流對(duì)被測(cè)導(dǎo)線的加熱效應(yīng)，提高了實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與可靠性。這是因?yàn)?, 在一次測(cè)量中，被測(cè)導(dǎo)線的加熱程度與測(cè)量電流引入的能量 E 成正比， E=I 2 × R × t 。其中： I 為測(cè)量電流； R 為導(dǎo)線電阻； t 為測(cè)量時(shí)間。隨著測(cè)量時(shí)間的增加，導(dǎo)線溫度逐漸上升，直至達(dá)到熱平衡 , 當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線截面較大時(shí)這是一個(gè)十分緩慢的過程，如果在測(cè)量開始后的較短時(shí)間內(nèi)就取得讀數(shù) , 完成測(cè)量 , 由測(cè)量電流造成的導(dǎo)體溫升從而引起的測(cè)量誤差將會(huì)大幅度降低。
2 附加功能簡(jiǎn)介
2.1 倍率電流測(cè)量功能 為了方便用戶實(shí)施 GB/T 3048.4 第 5.6 條中用比例為 1 ： 1.41 的兩個(gè)測(cè)量電流分別測(cè)試樣電阻值，以判定是否發(fā)生溫升超標(biāo)的方法，本儀表設(shè)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(diào)節(jié)外部電流源的繁瑣操作。如果 1.00I ： 1.41I 倍率電流測(cè)量的結(jié)果判定電流過大，數(shù)據(jù)無效，則可再一次進(jìn)行 0.707I ： 1.00I 倍率電流測(cè)量（兩者的比例仍為 1.41 倍），如變化量小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，表明在 0.707 I 條件下的測(cè)量結(jié)果有效，避免了為了降低測(cè)量電流而改變量程檔位 , 造成測(cè)量精度及分辨力的損失。
2.2 外部熱電勢(shì)平衡功能 在電線電纜導(dǎo)體電阻的測(cè)量夾具，其電位端的接觸刀口常用黃銅材料制成，與銅、鋁導(dǎo)線材料之間有較高的接觸熱電勢(shì)，在測(cè)量過程中由于環(huán)境溫度不可能*均衡，在測(cè)試夾具上安裝導(dǎo)線時(shí)，人體也不可避免地會(huì)接觸到并加熱電位結(jié)點(diǎn)，由此產(chǎn)生的熱電耦電勢(shì)，會(huì)對(duì)高靈敏度的測(cè)量產(chǎn)生干擾，使測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏移。
為了降低電位端的外部接觸電勢(shì)與熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本儀表設(shè)置了外部電勢(shì)平衡調(diào)節(jié)裝置，通過平衡調(diào)零，可以抵消在測(cè)量回路中的熱電耦電勢(shì)，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(cè)量功能 根據(jù) GB/T 3048.4 第 5.5 條規(guī)定，當(dāng)試樣電阻小于 0.1 Ω 時(shí)，應(yīng)將電流反向再測(cè)一次，然后取算術(shù)平均值。這是消除測(cè)量回路中的熱電耦電勢(shì)的又一種簡(jiǎn)單有效的方法，同時(shí)也消除了儀表測(cè)量回路自身的電壓零點(diǎn)飄移，因此，正、反兩次測(cè)量的平均值，比單次測(cè)量結(jié)果有更高的準(zhǔn)確度與可靠性。在用雙臂電橋電橋測(cè)量導(dǎo)體電阻時(shí)，該功能是通過切換外部換向閘刀實(shí)現(xiàn)的，而在現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表中，為了防止電感性負(fù)載產(chǎn)生的反電勢(shì)損壞儀表，其輸入回路往往接有反向保護(hù)二極管，因此，是不容許電流反向的，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的操作。本儀表中采用磚利技術(shù)，特殊設(shè)計(jì)了雙向電流保護(hù)電路，既防止了反電勢(shì)對(duì)儀表的危害，同時(shí)又允許進(jìn)行反向電流測(cè)量，并在儀器內(nèi)部設(shè)置了大功率換向繼電器，通過面板開關(guān)實(shí)施電流換向操作，正、反向讀數(shù)瞬時(shí)可得，操作簡(jiǎn)捷、使用方便。
2.4 銅、鋁導(dǎo)線溫度校正功能 當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境溫度在 15-25 ℃范圍內(nèi)，用戶只要將 PC36C 或 PC36D 的溫度校正開關(guān)設(shè)置為環(huán)境溫度的實(shí)際值 ( 步進(jìn)值為 0.1 ℃ ) ，儀表將被測(cè)銅線或鋁線的電阻值根據(jù) GB/T 3048.4 推薦的公式自動(dòng)換算到該導(dǎo)線在基準(zhǔn)溫度 20 ℃時(shí)的電阻值，免去了用戶溫度換算操作，使用更為方便。
3 儀表的基本參數(shù)見
表 3
| 參數(shù)名稱 | 型號(hào) | | PC36A | PC36C | PC36B | PC36D | | 量程范圍 | 199.99μΩ -199.99Ω | 1.9999mΩ -1999.9Ω | | *高分辨力 | 0.01μΩ | 0. 1μΩ | | 測(cè)量電流 | 0.707mA-14.1A | 70.7μA-1.41A | | 倍率電流測(cè)量 | 0.707I：1.00I：1.41I | | 雙向電流測(cè)量 | 內(nèi)附電流換向裝置，可進(jìn)行正、反向電流測(cè)量 | | 電阻溫度校正 | ---- | 15.0-25.0℃ | ---- | 15.0-25.0℃ | | 顯示 | 4 1/2 位數(shù)字顯示，字高35mm，量程顯示，單位顯示，帶背光 | | 準(zhǔn)確度等級(jí) | 0.04 級(jí) , 0.05 級(jí) , 0.1 級(jí) | | 電源 | AC 220V （ 1 ± 10% ）， 50Hz （ 1 ± 5%) | | 功耗 | 80VA | 20VA | | 外形尺寸 | 360×133×400（W×H×D），mm | 320×133×280（W×H×D）,mm | | 質(zhì)量（重量） | 12 kg | 5 kg |
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