标准电阻型接地导通测试仪检定装置的研究

朱小明 陆新东 李东波 张 燕 李锦华

(1.河南省计量科学研究院，郑州 450008；2.郑州博天电子技术有限公司，郑州 450003)



标准电阻型接地导通测试仪检定装置的研究

朱小明1陆新东1李东波2张 燕1李锦华1

(1.河南省计量科学研究院，郑州 450008；2.郑州博天电子技术有限公司，郑州 450003)

针对接地导通电阻测试仪检定中，现有标准器在原理上与部分被检仪器不匹配，导致不能够正常检测的问题，研制了一种操作简便，稳定性好，适用性更广的标准电阻检定装置。详细介绍了本装置的结构设计和关键技术的研究，并对其测量结果进行不确定度评定。实验验证该装置量传准确，性能可靠，可满足各种接地导通电阻测试仪的检定要求。

接地导通电阻测试仪；检定装置；不确定度

0 引言

接地技术是电气安全领域基本防护措施之一，其作用是电气产品在内部电路故障而导致外部金属壳体带电时，通过限制其金属壳与接地端之间导通电阻(称接地导通电阻)，保证带电体的电压不超过安全电压。为了保证接地电路的有效性，接地电阻的测量要求采用10A以上的直流或者交流电流进行测量，常采用的仪器是接地导通电阻测试仪。为保障接地导通电阻测试仪的可靠性，国家量值溯源系统要求测试仪工作电流、电阻测量准确度等相关指标符合JJG 984—2004《接地导通电阻测试仪》检定规程要求。

对接地导通电阻测试的检测，常采用的检定装置为模拟电阻器，在近几年的接地导通测试仪检测工作中发现模拟电阻标准器存在一些问题，归纳如下：

1)部分接地导通电阻测试仪无法用模拟电阻器检定装置检定。表现为接地导通电阻测试仪在电流正常升起时，电阻显示屏无示值。

2)部分接地导通测试仪在检定过程中示值与标准值偏差较大。

3)模拟电阻器检定装置的短期稳定性较差。用一台导通测试仪短时间内多次测量标准器同一电阻值，实验数据分散，实验标准偏差较大，短期稳定性差。

4)模拟电阻器检定装置适用于检测四端口接地导通电阻测试仪，无法检测两端口测试仪。而实际使用中，常采用两端口法。

基于上述现象，可确定模拟电阻型接地导通检定装置在检测范围上具有一定局限性。随着材料和制造工艺的发展，大功率高准确度的实物电阻制造工艺已趋成熟，为采用大功率标准电阻检定接地导通电阻测试仪提供了技术基础。由此，提出用实物标准电阻检定接地导通电阻测试仪检定方案,解决以上问题。

1 标准电阻型接地导通电阻测试仪检定装置的设计

根据JJG 984—2004检定规程的要求，检定接地导通电阻测试仪主要有4项：电阻示值误差、报警预置误差、试验电流设置(调整)误差和试验电流波动。

基于上述要求，以大功率标准电阻为基础，我们研制了一套标准电阻型接地导通电阻测试仪检定装置，其原理框图如图1所示。

图1 电阻型接地导通电阻测试仪检定装置原理框图

2.1 电阻检测设计

2.1.1 电阻示值误差检定

国标GB/T 28030—2011要求接地导通电阻测试仪在10A和25A量程下，都要测量100mΩ点，因此100mΩ是个重要设置点。本套标准器对于25A量程，可以设置10mΩ，30mΩ，50mΩ，80mΩ，100mΩ，150mΩ六个档位的电阻值；对于10A量程，设置30mΩ，80mΩ，100mΩ，150mΩ，300mΩ，500mΩ六个档位的电阻值。这种设置可以有效的满足当前接地导通电阻测试仪10A测量范围0～600mΩ，25A测量范围为0～200mΩ的要求。标准电阻的基本误差为0.05%，通过25A电流3min后，电阻误差不大于0.1%，完全满足JJG 984—2004检定规程对电阻示值误差的要求。

2.1.2 报警预置误差检定

根据规程，报警预置误差的检定可采用标准电阻法和标准电压源法。使用标准电阻法进行电阻调节用于报警预置误差时，电阻调节细，制作困难。因此，我们对此种方法进行改进，提出变相标准电阻法，可以精确完成预置报警误差检定。

变相标准电阻检定方法为：标准器值设定为100mΩ，不断改变测试仪预置报警电阻值，其电阻调节步进值为1mΩ，对其进行测试，直至测试仪报警。以第一次报警值为准，按照式(1)进行示值误差计算。

(1)

式中，g 为报警预置误差；R为报警预置的电阻值；R0为报警时电阻的实际值。

经试验验证变相标准电阻法与规程中要求的标准电阻法和标准电压源法检定结果完全一致。而变相标准电阻法操作简便，成本较低，故报警预置误差的检定采用变相标准电阻法。

2.2 电流检测设计

JJG 984—2204规程中对试验电流设置(调整)误差和电流波动性测量可以使用电阻电压法和标准电流表法。标准电流表通过采样电阻来计算电流，人为的为系统加入一个负载电阻，增加了示值误差。因此，我们采用电阻电压法，具体设计如下:

采集系统使用ADI公司的ADUC845主控芯片进行电压测量，根据电阻的选择计算电流。其优势如下：1)24位AD采集，实现高精度测量；2)自带最大可达128倍程控放大，可测量毫伏/微伏级信号；3)自带信号输入滤波系统，每秒实现8次高精度数据采集；最终，采用凌特公司的LTC1966芯片对采集交流电流信号转换，其有效值转换精度可达到0.1%。具体设计如图2所示：

图2 试验电流测量和波动性测试系统

2.2.1 试验电流设置(调整)误差测量

进行试验电流设置(调整)误差测量时，25A采用30mΩ、50mΩ、100mΩ、150mΩ四档进行电流测量和存储，10A采用50mΩ、100mΩ、150mΩ、300mΩ四档进行电流测量和存储，并通过液晶屏显示。如果电流误差超过5%，系统蜂鸣器报警，并提示不合格。

2.2.2 电流波动性测量

进行电流波动性测量时，标准电阻采用100mΩ，使用接地导通电阻测试仪对标准电阻器通电流1min，时间间隔5s采集一次数据，共采集12次数据，并在液晶上显示采集到的数据，自动显示最大值和最小值，计算电流波动性。

对指针式测试仪，基本上都会有测试时间设置功能，将时间设置为1min，电流调到设定值，电流检定模块也可对其进行误差和波动性测试。

3 检定装置技术指标

电阻档位：10mΩ、30mΩ、50mΩ、80mΩ、100mΩ、150mΩ、300mΩ、400mΩ、500mΩ、600mΩ;

额定电流：30A;准确度等级：0.05级。

电流测量系统：测量范围：0～30A，准确度等级：0.1%。

4 测量结果不确定度评定

以2级的接地导通电阻测试仪，检测100mΩ点为例分析测量结果不确定度。

4.1 电阻测量结果不确定度评定

4.1.1 数学模型

ΔR=Rx-RN

式中，ΔR为被检接地导通测试仪电阻示值误差；RN为接地导通校验标准装置实际电阻值；Rx为接地导通电阻测试仪表头显示值。

4.1.2 方差和灵敏度系数

4.1.3 测量重复性引入的标准不确定度分量u1(A类评定)

对标准电阻重复测量10次的结果如表1。

计算得：s=0.048mΩ，取10次测量结果的平均值作为最后结果，则不确定度为：

自由度ν1=n-1=9。

表1 10次的测量结果

4.1.4 标准电阻器误差引入的标准不确定度分量

100mΩ点的最大允许误差为±0.05mΩ，属于均匀分布，故：

自由度ν2=∞

4.1.5 数据修约引入的不确定度u3

依据JJG 984—2004检定规程的要求，被检接地导通测试仪测量结果修约间隔为允许误差限值的1/10。属于均匀分布，故：

自由度ν3=∞

4.1.6 合成标准不确定度

以上各项标准不确定度分量是互不相关的，则合成标准不确定度为：

4.1.7 扩展不确定度

取包含因子k=2,则100mΩ测量点：

U=0.19×2=0.38mΩ

4.2 电流测量结果不确定度评定

以25A，5级为例作测量不确定度评定，电流的不确定度评定与电阻的不确定度评定类似，因此以表格形式表达，如表2。

表2 不确定度分析一览表

5 结束语

本文所设计的标准电阻接地导通测试仪检定装置，经过标准电压表、标准电流表、标准电阻表对随机抽取的五个产品进行检验测试，电阻示值和预置报警误差测试性能明显优于模拟电阻器；电流值和电流波动性能良好，且能够自动记录和判断各项指标是否合格，避免了人工记录和计算数据的错误。

实物型标准电阻接地导通电阻测试仪检定装置可以保证各种类型接地导通电阻测试仪量值传递，解决了模拟电阻标准器由于结构原理而导致部分接地导通测试仪无法检定的现象，适用性更广；在计量性能的年稳定性上，实物标准电阻量值稳定性要远远优于模拟电阻；标准器的溯源，实物电阻可按照国家标准电阻检定系统表进行正常量值溯源。因此，本标准装置符合检定规程要求，且在计量性能和适用范围上更加优越。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.14