多功能電阻測試儀校準系統設計

陳 昕 ，周哲玲 ，劉 高

（1.汕頭供電局，汕頭515041；2.長沙天恒測控技術有限公司，長沙410100）

回路電阻測試儀和直阻儀是電力設備設施檢測的常用設備。回路電阻測試儀是用于測量開關、斷路器、變壓器等設備的接觸電阻、回路電阻的專用測試設備，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、電機繞組等感性被測對象的直流電阻的專用測試設備，也被稱為“直流電阻快速測試儀”[2]。

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

回路電阻測試儀、直阻儀和接地導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2個端鈕之間，并測量電流流過被測體所產生的壓降，然后通過電壓和電流之比得出被測體的電阻值。根據相關規程要求，這3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系統，摒棄傳統電阻箱方案，采用精密仿真電阻技術和大電流測量技術，可模擬連續 1 μΩ～3.75 Ω 任意電阻值，能滿足大部分回路電阻測試儀、直阻儀及接地導通電阻測試儀的檢定需求。

1 技術原理及其實現

本系統是基于電流型有源模擬器設計的，采用直流比較儀作為電流轉換裝置。依據 《DL/T 967-2005回路電阻測試儀與直流電阻快速測試儀檢定規程》，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比電壓型有源模擬電阻器降低了對無源標準電阻器的功率要求，由于沒有實際的電流功耗，避免了無源標準電阻器在大電流測試時溫漂影響[4]。

本系統中難點在于電流轉換裝置的設計，因需要將被檢測試儀產生高達600 A的大電流按一定比例轉換成小電流，轉換精度直接影響模擬電阻精度。本系統采用新型直流比較儀[5]進行電流轉換，相比傳統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，新型直流比較儀如圖1所示。

該直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。S、C為鐵芯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單獨繞制在鐵芯A上，為激勵繞組。其中鐵芯A由高導磁率軟磁材料制作，鐵芯B由低導磁率鐵氧體材料制作。

如圖2所示為鐵芯B測量電路圖。實現原理為S線圈檢測磁通，經過磁通檢測模塊轉換為電壓信號，控制功率放大器增大或減少輸出，流經次級繞組電流隨之增加或減小，通過不斷的調節，最終使鐵芯B達到磁平衡。系統平衡建立的時間不超過1 μs。通過標準電阻R進行電流采樣，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信號。

圖1 新型直流比較儀Fig.1 Improved DC comparator

式中：k為比例常數。

圖2 鐵芯B測量電路Fig.2 Measuring circuit of iron core B

2 系統的硬件及軟件設計

2.1 系統原理

系統是基于電流型有源模擬電阻器原理進行拓展設計的，將被檢測試儀產生的大電流輸入到本系統的電流轉換模塊按一定比例轉換成小電流，通過精密電阻轉換成小電壓，后經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，由控制器控制其分壓比，最后經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節檢定時檢點電阻的阻值。電壓采樣及程控放大模塊輸出另一路電壓到A/D采樣模塊，由控制器運算出對應的示值電流并做相關分析。原理框圖如圖3所示。

圖3 系統原理框圖Fig.3 Schematic diagram of system

被檢測試儀輸出大電流I1經過寬頻直流比較儀轉換成小電流I2

式中：I1為被檢測試儀產生的大電流；k為寬頻直流比較儀變比。

小電流I2經過精密電阻電路后得到電壓

式中，R為精密電阻的阻值。

電壓U2經過電壓采樣及增益模塊后得到電壓U3：

式中，k1為U2經過電壓采樣及程控放大模塊電壓信號放大比例系數。

電壓U3送入A/D采樣模塊，由控制器運算對應的示值電流及做相關運算分析，經過分壓模塊輸出電壓值U1：

式中，k2為U3經過分壓模塊由控制器設定的放大比例系數。

因此被檢電阻測試儀所測得的實際電阻值R1：

系統中精密電阻的阻值R為固定值，信號放大比例系數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值便可調節出不同的檢定電阻阻值。

2.2 硬件設計

考慮到系統的實時性比較強，采用最新架構嵌入式微處理器加外圍設計電路搭建的平臺進行開發，系統硬件結構框圖如圖4所示。

圖4 系統硬件結構框圖Fig.4 Hardware structure of system

2.2.1 電源模塊

整個電源模塊的設計采用線性電源，且數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的干擾及減少系統之間各部分相互干擾，保證整個系統的高精度及高線性度。

2.2.2 數字部分

微處理器具體采用新架構的微處理器，具有強大的處理能力及豐富的接口，本設計在其上移植嵌入式實時操作系統來完成整個系統的數據處理及相關調度。微處理器內部集成有設計中常用的資源，本設計用到的資源如圖4中數字部分。3個獨立的USART接口，一個連接顯示模塊，為面板顯示提供人機界面，工作時顯示出整個系統的運行情況并通過LCD上的觸摸屏與用戶進行實時交互，一個連接按鍵組，使用戶操作更加方便快捷；一個通過RS232電平轉換芯片與上位機提供連接接口；1個I2C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乘法器設定分壓模塊的放大比例系數，一個連接模擬部分A/D轉換器，獲取采樣的電壓信號并運算對應的示值電流及做相關運算分析；部分的GPIO接口，控制模擬部分的程控放大及獲取報警狀態等。

2.2.3 模擬部分

系統在基于電流型有源模擬電阻器原理基礎上進行拓展設計，如圖4模擬部分。保護電路：保護系統，當被檢測試儀產生的大電流超過系統所能承受的范圍時，產生報警信號通過MCU控制蜂鳴器給用戶發出報警，并自動斷開測試回路，保護系統不被檢測儀產生的大電流損壞；寬頻直流比較儀：將被檢測試儀產生的大電流按一定比例轉換成小電流；差分采樣：與精密電阻R一起將小電流信號轉換成電壓信號，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控制實現電壓信號不同量程下對應比例的放大；A/D轉換器：將電壓信號轉換成數字信號通過隔離的SPI接口送入到 MCU，運算出對應的示值電流及做相關分析；DA乘法器：MCU通過電氣隔離的SPI接口控制DA乘法器輸出來調節分壓比達到系統調節電阻阻值的目的。

2.3 軟件設計

本設計采用實時嵌入式操作系統[6]作為開發平臺，具體流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

1）初始化。將操作系統、程序變量及硬件相關配置進行初始化；

2）創建任務。包括建立按鍵響應任務、數據處理任務、顯示任務、通信任務、故障處理任務等；

3）任務調度。系統通過液晶屏、觸摸屏和按鍵旋鈕等和用戶進行交互，調用程序中的相關任務線程控制相關硬件完成電流測量、報警處理、誤差計算、電阻值設置、參數設置等功能。

3 系統的測試結果

3.1 驗證電路

參考《JJG l66—93直流電阻器》檢定規程采用伏安法進行校準，以驗證多功能校準系統的準確度是否符合設計的技術指標。可調恒流源提供了測試的電流，量程為0～600 A；電流轉換器和電壓表一起組成了電流測量標準裝置。整個校準方案測試系統構成如圖6所示。

圖6 多功能校準系統校準裝置框圖Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system

3.2 數據分析

多功能校準系統校準裝置對系統進行校準測量。

3.2.1 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0.01%。

表1 20 A量程下在不同電流測試時的誤差Tab.1 Error under different current in the range of 20 A

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2 100 A量程下在不同電流測試時的誤差Tab.2 Error under different current in the range of 100 A

3.2.2 電阻誤差

表3為75mΩ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100A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%之內。這是由于系統采用的器件如直流比較儀、差分采樣放大器、信號放大器、D/A轉換器等都是高線性度元件，保證系統的高線性度。

表3 75 mΩ在不同輸入電流時的誤差Tab.3 Error under different input current in the range of 75 mΩ

表4 100 A測試電流下不同電阻值的誤差Tab.4 Error of different resistance with current of 100 A

經過多次不同阻值、不同電流下的測試驗證，系統模擬輸出電阻準確度都能在0.02%范圍內，符合設計要求。

4 結語

本文設計的多功能電阻測試儀校準系統在傳統電流型有源模擬電阻器的基礎上有所創新，采用精密仿真電阻技術和大電流測量技術，并將3類儀器檢定裝置合并，電阻值設置范圍廣，可模擬連續1 μΩ～3.75 Ω 任意電阻值， 達到 10 nΩ 的分辨力和0.02級的精度；測試電流范圍大，最高可達600 A和0.02級的精度，相關技術指標已達到國內行業內領先水平，滿足3類儀器的檢定要求，已廣泛應用于回路電阻測試儀、直阻儀和接地導通電阻測試儀等儀器的檢定工作。

[1]全國電磁計量技術委員會.JJG1052-2009回路電阻測試儀、直阻儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2009.

[2]全國高電壓試驗技術分委會.DL/T967-2005回路電阻測試儀與直流電阻快速測試儀檢定規程[S].北京：中國電力出版社，2005.

[3]李瑞堅.回路電阻測試儀校準方法研究及不確定度評定[J].計量與測試技術，2014，41（5）：35-37.

[4]李寶樹.電磁測量技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]李維波，毛承雄，陸繼明.基于飽和電抗器結構下的新型直流比較儀原理[J].電力系統自動化，2005，29（4）：24-28.

[6]李志明，檀永，徐石明，等.STM32嵌入式系統開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2013.