四端法測量在照明產(chǎn)品性能測試中的意義

辛洪政，張 偉，常 毅

(國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)，北京 100022)

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四端法測量在照明產(chǎn)品性能測試中的意義

辛洪政，張 偉，常 毅

(國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)，北京 100022)

四端法測量電參數(shù)是許多測試標準中的規(guī)定要求。從理論上分析了四端法的優(yōu)勢原因，并以實驗數(shù)據(jù)進行了例證。結(jié)果表明：嚴格按照四端法實施測量，對于準確獲得低壓、大電流照明產(chǎn)品的性能參數(shù)意義重大，測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性和準確性都會改善。

四端法；重復(fù)性；準確性；照明；測量；性能

引言

GB/T 15043—2008中要求“電壓表的接線必須從燈頭端直接引出”[1]，這也就是通常所說的“四端法”。在很多測試的技術(shù)要求[2]中都明確指明要使用四端法測試，然而，從筆者參與的多項比對、能力驗證工作所獲得的信息中判斷，很多測試人員并沒有真正理解四端法測試的意義，也存在執(zhí)行上不到位的情況，這些都影響了正確評價相關(guān)照明產(chǎn)品的性能指標，也影響了比對、抽查項目中相關(guān)評價指標的符合性判斷。

電參數(shù)測量經(jīng)驗不足的人員可能不很關(guān)心實際線路是否真正符合要求；而理解不到位的測試人員搭建的測試線路可能與真正的“四端法”還有區(qū)別。因而，有必要對真正“四端法”和非四端法加以辨析。

1 電參數(shù)測量電路設(shè)計辨析

一般測試時都會有規(guī)定輸入條件，比如“220V 50Hz”、“DC12V”等，這些規(guī)定都是對樣品的工作條件的要求，首先應(yīng)該滿足。樣品按要求供電后才能進行性能參數(shù)測試。為了能保證樣品在規(guī)定輸入條件下工作，一般需要用到電源、電表和電線等來搭建測試線路。設(shè)計、搭建電參數(shù)測量電路時，需要考慮的因素通常包括：設(shè)備(電壓表、電流表)阻抗、線路阻抗、各個觸點的接觸電阻等。對這些因素的認識與否以及對這些因素的影響機制的了解程度決定了搭建出來的測試電路是否滿足測試方法要求。

1.1 缺少對應(yīng)考慮的電路設(shè)計

沒有太多電參數(shù)測量經(jīng)驗的人員搭建的測試線路可能是圖1或圖2。其搭建測試線路時，可能顧及到了設(shè)備阻抗影響，在圖1或圖2之間有選擇。但是，因為通常性能測試系統(tǒng)，都需要將樣品固定到測試位置上，測試位置到電源、電表之間必然有一定的空間距離，為圖省事，把電壓測量端就近選擇到了電源輸出端。這種回路中，較長的線路既充當(dāng)載流線也充當(dāng)電壓測量線，線路阻抗的分壓效應(yīng)明顯，燈頭觸點接觸電阻的影響也沒有消除。

圖1 測量電路1Fig.1 Measurement circuit 1

圖2 測量電路2Fig.2 Measurement circuit 2

1.2 有考慮但不充分的測量電路設(shè)計

有一定經(jīng)驗的測試人員搭建的測試回路可能是圖3。這也是最常見的實驗室測試回路設(shè)計，因為一般都在測試系統(tǒng)中使用燈座來安裝樣品，而一般的通用燈座上最接近于燈頭的可用接點就是燈座上的接線端子了(圖3中未畫出)。這種回路中，雖然電壓測量線較長，由于電壓測量線上的電流很小，由(電壓)線路阻抗引起的分壓影響基本被消除了；但是，燈座與燈頭接觸點的接觸電阻的分壓影響卻并沒有消除，當(dāng)電流較大時，其影響就會突現(xiàn)出來。由于接觸電阻具有隨機性特點，會造成測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性差。

圖3 測量電路3Fig.3 Measurement circuit 3

1.3 真正四端法的測量電路設(shè)計

真正滿足“電壓表的接線必須從燈頭端直接引出”的四端法接線為圖4。其關(guān)鍵在于：電壓測量回路與電流測量回路完全沒有共用部分，分別都是“從燈頭端直接引出”。這種線路中，電壓測量回路中的線路阻抗和接觸電阻的影響都被極大的弱化。參數(shù)“燈電壓”測量結(jié)果更加真實可靠。

圖4 測量電路4Fig.4 Measurement circuit 4

1.4 不同電路的辨析

考慮各項影響因素，圖1至圖4 的等效電路依次為圖5至圖8。

圖5 測量電路1的等效電路Fig.5 Equal-circuit of measurement circuit 1

圖6 測量電路2的等效電路Fig.6 Equal-circuit of measurement circuit 2

圖7 測量電路3的等效電路Fig.7 Equal-circuit of measurement circuit 3

圖8 測量電路4的等效電路Fig.8 Equal-circuit of measurement circuit 4

圖5至圖8中，iA代表電流表示值，iv代表電壓表分流；RA代表電流表內(nèi)阻，RLINE,A代表載流線路阻抗，RCONT,A代表載流接觸阻抗，RLAMP代表樣品燈阻抗，RV代表電壓表內(nèi)阻，RLINE,V代表電壓測量線阻抗，RCONT,V代表電壓測量接觸阻抗。

對于圖5，流經(jīng)燈的實際電流i燈與電流表示值iA相同；而燈上實際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電流表內(nèi)阻分壓、載流線分壓和燈頭接觸分壓，即

(1)

對于圖6，流經(jīng)燈的實際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：載流線分壓和燈頭接觸分壓，即

(2)

對于圖7，流經(jīng)燈的實際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電壓線路阻抗分壓(增項)與載流接觸分壓(減項)，即

(3)

對于圖8，流經(jīng)燈的實際電流i燈與電流表示值iA之間相差流經(jīng)電壓表的分流；而燈上實際加載電壓U燈與電壓表示值UV之間相差的量包括：電壓線路阻抗分壓(增項)與電壓測量接觸阻抗分壓(增項)，即

(4)

上述各式給出了各個不同測試線路中的各個分量對電參數(shù)測試結(jié)果的影響函數(shù)關(guān)系。

2 理論計算比較與實測數(shù)據(jù)比較

2.1 理論計算比較

搭建的測試系統(tǒng)用到的設(shè)備、材料有：內(nèi)阻為2MΩ的電壓表，內(nèi)阻為0.025Ω的電流表，總長12米對應(yīng)阻抗0.20Ω的載流線，總長12米對應(yīng)阻抗0.40Ω的電壓測量線。

實際中，接觸電阻是一個與壓緊程度、接觸面積相關(guān)的不固定量，筆者用微阻儀測得的燈頭燈座間接觸電阻為0.02Ω到0.06Ω。

若分別按照上述四種電路設(shè)計搭建測試線路，針對“某燈”進行測試，且相應(yīng)電表讀數(shù)都是12.00V，4.000A；分別根據(jù)式(1)～式(4)進行差異分析，以接觸電阻為0.02Ω計算得到差異表1；以接觸電阻為0.06Ω計算得到差異表2。

從表1、表2的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)線路1、線路2修正量很大，將近10%量級；線路3修正量約在1%量級；線路4修正量很小，可以不修正。

(2)在非四端法線路中，載流接觸電阻雖然較小，其影響仍然明顯，其隨機性也給測試結(jié)果帶來一種隨機表現(xiàn)。

(3)在四端法線路中，電壓測量線阻抗雖然也影響電壓測量數(shù)據(jù)，但由于其不載流，分壓很小，所以影響微弱。

(4)在四端法線路中，雖然電壓測量接觸電阻也是變量，但其影響微弱，其隨機性對測試結(jié)果的影響也很微弱。

表1 不同線路設(shè)計下的功率差異分析表(所有接觸電阻取為0.02Ω)Table 1 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.02Ω)

表2 不同線路設(shè)計下的功率差異分析表(所有接觸電阻取為0.06Ω)Table 2 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.06Ω)

2.2 典型線路實測數(shù)據(jù)比較

根據(jù)上述分析，筆者直接將前兩種線路排除掉，針對線路3和線路4進行了比較測試。測試在分布光度計上針對同一只鹵鎢燈進行，控制項目為“電壓12.00V”。線路3的實現(xiàn)方式是：將特制的四端法試驗燈座內(nèi)的電壓測量線連接到載流端上，來模擬使用一個通用燈座。表3和表4分別是采用線路3和線路4獲得的測試數(shù)據(jù)。

表3 采用線路3的測試數(shù)據(jù)Table 3 Testing data with measurement circuit 3

表4 采用線路4——四端法接線的測試數(shù)據(jù)Table 4 Testing data with measurement circuit 4 applying four-terminal method

從表3與表4可以得出以下結(jié)論：

(1)四端法接線比非四端法接線實際加載在樣品上的電流要高，說明樣品實際加載的工作電壓也高。

(2)四端法接線可以保證加載電壓的準確性(符合要求)，進而保證樣品性能參數(shù)測得值的準確性。

(3)四端法接線獲得的數(shù)據(jù)重復(fù)性遠高于非四端法接線獲得的數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

對于照明產(chǎn)品性能測試，使用完全意義上的四端法進行測試電參數(shù)測試，會使測試結(jié)果更加準確，重復(fù)性更好。

盡管產(chǎn)品測試標準中做了相應(yīng)要求，很多測試人員并沒有充分理解和重視四端法測試的意義所在，在實踐當(dāng)中使用了非四端法的測試線路。這對于正確評價產(chǎn)品性能指標和各種實驗室比對工作而言是一個明顯的不符合項。造成這種情況的原因除了測試人員經(jīng)驗認識原因外，也有可能是設(shè)備制造(供應(yīng))商的經(jīng)驗與認識不足，不知道或不能夠提供符合要求的測試裝備。希望通過本文的分析工作，能夠幫助從事照明產(chǎn)品性能測試及其相關(guān)比對工作的人員、設(shè)備制造商加深對此技術(shù)細節(jié)的理解，推動業(yè)界測量技術(shù)的提升與進步。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 15043—2008 白熾燈泡光電參數(shù)的測量方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2] IESNA.LM-45-00 Approved Method for Electrical and Photometric Measurements of General Service Incandescent Filament Lamps[S].Illuminating Engineering Society,2000.

The Significance of Four-terminal Method to the Performance Measurement of Lighting Product

Xin Hongzheng,Zhang Wei,Chang Yi

(NationalLightingTestCentre(Beijing)，Beijing100022,China)

Four-terminal method is required in many measurement standards. This article explains the reason for the significance of four-terminal method in theory and practice. The results show that it is important to do a good performance measurement of a lighting product, especially for low-voltage high-current ones. Four-terminal method helps to improve the accuracy and repeatability.

four-terminal method; repeatability; accuracy; lighting; measurement; performance

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.003