1. 引言

回路電阻測試儀和直阻儀是電力設(shè)備設(shè)施檢測的常用設(shè)備?；芈冯娮铚y試儀是用于測量開關(guān)、斷路器、變壓器等設(shè)備的接觸電阻、回路電阻的專用測試設(shè)備，其測試電流為 100 A 或更大的直流電流，也被稱為“接觸電阻測試儀”[1]。直阻儀是用于測量變壓器、互感器、電機(jī)繞組等感性被測對象的直流電阻的專用測試設(shè)備，也被稱為“直流電阻快速測試儀”[2]。

接地導(dǎo)通電阻測試儀是用于測量交流電網(wǎng)供電的電器設(shè)備(如家用電器、電動電熱器具、醫(yī)用電氣設(shè)備及測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備等)的可觸及金屬殼體與該設(shè)備引出的安全接地端(線)之間導(dǎo)通電阻的儀器。

回路電阻測試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測試儀都是測量電阻的儀器[3]，采用典型的四線制測量法，通過輸出一個直流或交流電流，施加于被測體的兩個端鈕之間，并測量電流流過被測體所產(chǎn)生的壓降，然后通過電壓和電流之比得出被測體的電阻值。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，這三類儀器需檢定項目基本一致，本文提出的多功能電阻測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)電阻箱方案，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測量技術(shù)，可模擬連續(xù) 1uΩ~3.75Ω 任意電阻值，能滿足大部分回路電阻測試儀、直阻儀及接地導(dǎo)通電阻測試儀的檢定需求。

2. 技術(shù)原理及其實現(xiàn)

本系統(tǒng)是基于電流型有源模擬器設(shè)計的，采用直流比較儀作為電流轉(zhuǎn)換裝置。依據(jù)《 DL/T 967-2005 回路電阻測試儀與直流電阻快速測試儀檢定規(guī)程》，有源模擬電阻器包括電流型有源模擬電阻器和電壓型有源模擬電阻器。電流型有源模擬電阻器相相比電壓型有源模擬電阻器降低對無源標(biāo)準(zhǔn)電阻器的功率要求，由于沒有實際的電流功耗，避免了無源標(biāo)準(zhǔn)電阻器在大電流測試時溫漂影響[4]。

本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于電流轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計，因需要將被檢測試儀產(chǎn)生高達(dá) 600 A 的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，轉(zhuǎn)換精度直接影響模擬電阻精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀[5]進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，相比傳統(tǒng)的直流比較儀能夠快速捕捉電流的快速變化，且測量頻率范圍寬(見圖 1)

圖1 新型直流比較儀

Fig.1 A improved DC comparator

該直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。S、C 為 A 和 B 共同繞組，S 為磁通檢測繞組，C 為比較儀次級繞組，N4 單獨(dú)繞制在鐵芯 A 上，為激勵繞組。其中鐵芯 A 由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯 B 由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。

圖2 鐵芯B測量電路

Fig.2 Measuring circuit of iron core B

圖2為鐵芯 B 測量電路圖。實現(xiàn)原理：S 線圈檢測磁通經(jīng)過磁通檢測模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，控制功率放大器增大或減少輸出，流經(jīng)次級繞組電流隨之增加或減小，通過不斷的調(diào)節(jié)，最終使得鐵芯 B 達(dá)到磁平衡。系統(tǒng)平衡建立的時間不超過 1μs。通過標(biāo)準(zhǔn)電阻R進(jìn)行電流采樣，測試得到 Us。從而可以計算出IP值。同時磁通信號可作為報警信號等狀態(tài)信號。

式中：k為比例常數(shù)。

3. 系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)是基于電流型有源模擬電阻器原理進(jìn)行拓展設(shè)計的，將被檢測試儀產(chǎn)生的大電流輸入到本系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)換模塊按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，通過精密電阻轉(zhuǎn)換成小電壓，后經(jīng)過電壓采樣及增益模塊放大成比例電壓信號輸入到分壓模塊，由控制器進(jìn)行控制其分壓比，最后經(jīng)過緩沖電路輸出給被測儀器的電壓采樣端，形成測試回路。通過由微控制器控制分壓模塊電路中的分壓比調(diào)節(jié)檢定時檢點(diǎn)電阻的阻值。電壓采樣及程控放大模塊輸出另一路電壓輸入到A/D采樣模塊，由控制器進(jìn)行運(yùn)算出對應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析。原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

Fig.3 Schematic diagram of the system

被檢測試儀輸出大電流 I1 經(jīng)過寬頻直流比較儀轉(zhuǎn)換成小電流 I2

式中 I1—被檢測試儀產(chǎn)生的大電流

k—寬頻直流比較儀變比。

小電流 I2 經(jīng)過精密電阻電路后得到電壓 U2

式中 R—精密電阻的阻值。

電壓 U2 經(jīng)過電壓采樣及增益模塊后得到電壓 U3

式中 k1—U2 經(jīng)過電壓采樣及程控放大模塊電壓信號放大比例系數(shù)。

電壓 U3 送入 A/D 采樣模塊，由控制器運(yùn)算對應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析，經(jīng)過分壓模塊輸出電壓值 U1。

式中 k2—U3 經(jīng)過分壓模塊由控制器設(shè)定的放大比例系數(shù)。

因此被檢電阻測試儀所測得的實際電阻值 R1

系統(tǒng)中精密電阻的阻值 R 為固定值，信號放大比例系數(shù) k1、直流比較儀變比 k 值保持不變。因此檢定時，微控制器控制分壓模塊中的分壓比即 k2 值便可調(diào)節(jié)出不同的檢定電阻阻值。

3.2 硬件設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的實時性比較強(qiáng)，采用最新架構(gòu)嵌入式微處理器加外圍設(shè)計電路搭建的平臺進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.4 Hardware structure of the system

3.2.1 電源模塊

整個電源模塊的設(shè)計采用線性電源，且數(shù)字部分和模擬部分相互隔離，模擬部分各路電源供電也相互隔離或用磁珠相連，減少電源的紋波和噪聲對整個系統(tǒng)的干擾及減少系統(tǒng)之間各部分相互干擾，保證整個系統(tǒng)的高精度及高線性度。

3.2.2 數(shù)字部分

微處理器具體采用新架構(gòu)的微處理器，具有強(qiáng)大的處理能力及豐富的接口，本設(shè)計在其上移植嵌入式實時操作系統(tǒng)來完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)調(diào)度。微處理器內(nèi)部集有設(shè)計中常有的資源，本設(shè)計用到的資源，如圖4 中數(shù)字部分：3 個獨(dú)立的 USART 接口，一個連接顯示模塊，為面板顯示提供人機(jī)界面，工作時顯示出整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況并通過 LCD 上的觸摸屏與用戶進(jìn)行實時交互，一個連接按鍵組，使用戶操作更加方便快捷，一個通過 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)提供連接接口;1 個 IIC 接口，連接存儲芯片來增加存儲空間;2 個 SPI 接口，一個連接模擬部分的 DA 乘法器設(shè)定分壓模塊的放大比例系數(shù)，一個連接模擬部分 A/D 轉(zhuǎn)換器，獲取采樣的電壓信號并運(yùn)算對應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析;部分的 GPIO 接口，控制模擬部分的程控放大及獲取報警狀態(tài)等。

3.2.3 模擬部分

系統(tǒng)在基于電流型有源模擬電阻器原理基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展設(shè)計的，如圖 4 模擬部分：保護(hù)電路：保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)被檢測試儀產(chǎn)生的大電流超過系統(tǒng)所能承受的范圍時，產(chǎn)生報警信號通過 MCU 控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報警，并自動斷開測試回路，保護(hù)系統(tǒng)不被檢測儀產(chǎn)生的大電流損壞;寬頻直流比較儀：將被檢測試儀產(chǎn)生的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流。差分采樣：與精密電阻 R一起將小電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，差分采樣大大降低了前端采樣共模噪聲的干擾;增益：通過 MCU 控制實現(xiàn)電壓信號不同量程下對應(yīng)比例的放大;A/D 轉(zhuǎn)換器：將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過隔離的 SPI 接口送入到 MCU，運(yùn)算出對應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析;DA 乘法器：MCU 通過電氣隔離的 SPI 接口控制 DA 乘法器輸出來調(diào)節(jié)分壓比達(dá)到系統(tǒng)調(diào)節(jié)電阻阻值的目的。

3.3 軟件設(shè)計

本設(shè)計采用實時嵌入式操作系統(tǒng)[6]作為開發(fā)平臺，具體流程如圖 5 所示。

(一)初始化，將操作系統(tǒng)、程序變量及硬件相關(guān)配置進(jìn)行初始化;

(二)創(chuàng)建任務(wù)，包括建立按鍵響應(yīng)任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、顯示任務(wù)、通信任務(wù)、故障處理任務(wù)等;

(三)任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)通過液晶屏、觸摸屏和按鍵旋鈕等和用戶進(jìn)行交互，調(diào)用程序中的相關(guān)任務(wù)線程控制相關(guān)硬件完成電流測量、報警處理、誤差計算、電阻值設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等功能。

圖5 程序流程圖

Fig.5 The program flow chart

4. 系統(tǒng)的測試結(jié)果

4.1 驗證電路

參考《 JJG l66—93 直流電阻器》檢定規(guī)程采用伏安法進(jìn)行校準(zhǔn)，以驗證多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是否符合設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)?？烧{(diào)恒流源提供了測試的電流，量程為 0～600 A;電流轉(zhuǎn)換器和電壓表一起組成了電流測量標(biāo)準(zhǔn)裝置。整個校準(zhǔn)方案測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖 6 所示。

圖6多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置框圖

Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system

4.2 數(shù)據(jù)分析

多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測量。

4.2.1 電流測量誤差

表 1 為 20 A 量程下在不同電流測試時的相對誤差，相對誤差小于 0.011%。

表 2 為 100 A 量程下在不同電流測試時的相對誤差，相對誤差小于 0.01%。

表1 20A量程下在不同電流測試時的誤差

實際電流/A 4.0000 6.0000 8.00009 10.00002 12.0000 14.00004 15.99999 18.00000 20.00015

測量電流/A 3.9996 5.9996 7.9996 9.9996 11.9996 13.9996 15.9997 17.9997 20.0000

誤差

/% -0.0102 -0.0067 -0.0062 -0.0042 -0.0034 -0.0031 -0.0018 -0.0017 -0.0007

表2 100A量程下在不同電流測試時的誤差

實際電流/A 29.9996 40.0001 50.0001 59.9999 70.0008 80.0006 89.9995 100.0019

測量電流/A 29.998 39.998 49.999 59.999 69.999 79.998 89.999 100.001

誤差/% -0.0054 -0.0052 -0.0022 -0.0014 -0.0026 -0.0033 -0.0006 -0.0009

4.2.2 電阻誤差

表3 為 75 mΩ 時不同測試電流下的實際電阻值，其相對誤差小于 0.003%。表4 為固定測試電流 100 A 時模擬大功率電阻不同阻值時的誤差，從表中可看出，其相對誤差都在 0.004% 內(nèi)。這是由于系統(tǒng)采用的器件件如直流比較儀、差分采樣放大器、信號放大器、D/A 轉(zhuǎn)換器等都是高線性度元件，保證系統(tǒng)的高線性度。經(jīng)過多次及不同阻值及電流下的測試驗證，系統(tǒng)模擬輸出電阻準(zhǔn)確度都能在 0.02% 范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

表3 75mΩ在不同輸入電流時的誤差

實際電流/A 29.9996 40.0001 50.0001 59.9999 70.0008 80.0006 89.9995 100.0019

實際電阻/mΩ 74.9996 74.9977 75.0002 75.0002 74.9997 74.9992 75.0016 75.0015

誤差/% -0.0005 -0.003 0.0003 0.0003 -0.0004 -0.0010 0.0021 0.0019

表4 100A測試電流下不同電阻值的誤差

模擬電阻/mΩ 7.5 22.5 30.0 45.0 60.0 67.5 75.0

實際電阻/mΩ 7.5003 22.5001 30.0011 45.0009 60.0006 67.5001 75.0015

誤差/% 0.004 0.0004 0.0037 0.002 0.001 0.0001 0.0019

5. 結(jié)論

本文設(shè)計的多功能電阻測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)在傳統(tǒng)電流型有源模擬電阻器有所創(chuàng)新，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測量技術(shù)，并將三類儀器檢定裝置合并，電阻值可設(shè)置范圍廣，可模擬連續(xù) 1uΩ~3.75Ω 任意電阻值，達(dá)到 10nΩ 的分辨力和 0.02 級的精度;測試電流范圍大，最高可達(dá) 600 A 和 0.02 級的精度，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，滿足三類儀器的檢定要求，已廣泛應(yīng)用于回路電阻測試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測試儀等儀器的檢定工作。