多功能电阻测试仪校准体系规划

1.导言

回路电阻测验仪和直阻仪是电力设备设备检测的常用设备。回路电阻测验仪是用于丈量开关、断路器、变压器等设备的触摸电阻、回路电阻的专用测验设备，其测验电流为100 A或更大的直流电流，也被称为“触摸电阻测验仪”[1]。直阻仪是用于丈量变压器、互感器、电机绕组等理性被测目标的直流电阻的专用测验设备，也被称为“直流电阻快速测验仪”[2]。

接地导通电阻测验仪是用于丈量沟通电网供电的电器设备（如家用电器、电动电热用具、医用电气设备及丈量、操控和实验室用电气设备等）的可触及金属壳体与该设备引出的安全接地端（线）之间导通电阻的仪器。

回路电阻测验仪、直阻仪和接地导通电阻测验仪都是丈量电阻的仪器[3]，选用典型的四线制丈量法，通过输出一个直流或沟通电流，施加于被测体的两个端钮之间，并丈量电流流过被测体所发生的压降，然后通过电压和电流之比得出被测体的电阻值。根据相关规程要求，这三类仪器需检定项目根本一同，本文提出的多功能电阻测验仪校准体系，摒弃传统电阻箱计划，选用精细仿真电阻技能和大电流丈量技能，可模仿接连1uΩ~3.75Ω恣意电阻值，能满意大部分回路电阻测验仪、直阻仪及接地导通电阻测验仪的检定需求。

2.技能原理及其完结

本体系是根据电流型有源模仿器规划的，选用直流比较仪作为电流转化设备。根据《DL/T 967-2005回路电阻测验仪与直流电阻快速测验仪检定规程》，有源模仿电阻器包含电流型有源模仿电阻器和电压型有源模仿电阻器。电流型有源模仿电阻器比较较电压型有源模仿电阻器下降对无源规范电阻器的功率要求，因为没有实践的电流功耗，防止了无源规范电阻器在大电流测验时温漂影响[4]。

本体系中难点在于电流转化设备的规划，因需求将被检测验仪发生高达600 A的大电流按必定份额转化成小电流，转化精度直接影响模仿电阻精度。本体系选用新式直流比较仪[5]进行电流转化，比较传统的直流比较仪能够快速捕捉电流的快速改变，且丈量频率规模宽（见图1）

图1新式直流比较仪

Fig.1 A improved DC comparator

该直流比较仪由双铁芯叠加绕线而成。S、C为A和B一同绕组，S为磁通检测绕组，C为比较仪次级绕组，N4独自绕制在铁芯A上，为鼓励绕组。其间铁芯A由高导磁率软磁资料制造，铁芯B由低导磁率铁氧体资料制造。

图2铁芯B丈量电路

Fig.2 Measuring circuit of iron core B

图2为铁芯B丈量电路图。完结原理：S线圈检测磁通通过磁通检测模块转化为电压信号，操控功率扩大器增大或削减输出，流经次级绕组电流随之添加或减小，通过不断的调理，终究使得铁芯B到达磁平衡。体系平衡树立的时刻不超越1μs。通过规范电阻R进行电流采样，测验得到Us。然后能够核算出IP值。一同磁通讯号可作为报警信号等状况信号。

式中：k为份额常数。

3.体系的硬件及软件规划

3.1体系原理

体系是根据电流型有源模仿电阻器原理进行拓宽规划的，将被检测验仪发生的大电流输入到本体系的电流转化模块按必定份额转化成小电流，通过精细电阻转化成小电压，后通过电压采样及增益模块扩大成份额电压信号输入到分压模块，由操控器进行操控其分压比，最终通过缓冲电路输出给被测仪器的电压采样端，构成测验回路。通过由微操控器操控分压模块电路中的分压比调理检守时检核电阻的阻值。电压采样及程控扩大模块输出另一路电压输入到A/D采样模块，由操控器进行运算出对应的示值电流及做相关剖析。原理框图如图3所示。

图3体系原理框图

Fig.3 Schematic diagram of the system

被检测验仪输出大电流I1通过宽频直流比较仪转化成小电流I2

式中I1—被检测验仪发生的大电流

k—宽频直流比较仪变比。

小电流I2通过精细电阻电路后得到电压U2

式中R—精细电阻的阻值。

电压U2通过电压采样及增益模块后得到电压U3

式中k1—U2通过电压采样及程控扩大模块电压信号扩大份额系数。

电压U3送入A/D采样模块，由操控器运算对应的示值电流及做相关运算剖析，通过火压模块输出电压值U1。

式中k2—U3通过火压模块由操控器设定的扩大份额系数。

因而被检电阻测验仪所测得的实践电阻值R1

体系中精细电阻的阻值R为固定值，信号扩大份额系数k1、直流比较仪变比k值坚持不变。因而检守时，微操控器操控分压模块中的分压比即k2值便可调理出不同的检定电阻阻值。

3.2 硬件规划

考虑到体系的实时性比较强，选用最新架构嵌入式微处理器加外围规划电路树立的渠道进行开发，体系硬件结构框图如图4所示。

图4体系硬件结构框图

Fig.4 Hardware structure of the system

3.2.1 电源模块

整个电源模块的规划选用线性电源，且数字部分和模仿部分彼此阻隔，模仿部分各路电源供电也彼此阻隔或用磁珠相连，削减电源的纹波和噪声对整个体系的搅扰及削减体系之间各部分彼此搅扰，确保整个体系的高精度及高线性度。

3.2.2 数字部分

微处理用详细选用新架构的微处理器，具有强壮的处理才能及丰厚的接口，本规划在其上移植嵌入式实时操作体系来完结整个体系的数据处理及相关调度。微处理器内部集有规划中常有的资源，本规划用到的资源，如图4中数字部分：3个独立的USART接口，一个衔接显现模块，为面板显现供给人机界面，作业时显现出整个体系的运转状况并通过LCD上的触摸屏与用户进行实时交互，一个衔接按键组，使用户操作愈加方便快捷，一个通过RS232电平转化芯片与上位机供给衔接接口；1个I%&&&&&%接口，衔接存储芯片来添加存储空间；2个SPI接口，一个衔接模仿部分的DA乘法器设定分压模块的扩大份额系数，一个衔接模仿部分A/D转化器，获取采样的电压信号并运算对应的示值电流及做相关运算剖析；部分的GPIO接口，操控模仿部分的程控扩大及获取报警状况等。

3.2.3模仿部分

体系在根据电流型有源模仿电阻器原理基础上进行拓宽规划的，如图4模仿部分：维护电路：维护体系，当被检测验仪发生的大电流超越体系所能接受的规模时，发生报警信号通过MCU操控蜂鸣器给用户宣布报警，并主动断开测验回路，维护体系不被检测仪发生的大电流损坏；宽频直流比较仪：将被检测验仪发生的大电流按必定份额转化成小电流。差分采样：与精细电阻R一同将小电流信号转化成电压信号，差分采样大大下降了前端采样共模噪声的搅扰；增益：通过MCU操控完结电压信号不同量程下对应份额的扩大；A/D转化器：将电压信号转化成数字信号通过阻隔的SPI接口送入到MCU，运算出对应的示值电流及做相关剖析；DA乘法器：MCU通过电气阻隔的SPI接口操控DA乘法器输出来调理分压比到达体系调理电阻阻值的意图。

3.3软件规划

本规划选用实时嵌入式操作体系[6]作为开发渠道，详细流程如图5所示。

（一）初始化，将操作体系、程序变量及硬件相关装备进行初始化；

（二）创立使命，包含树立按键呼应使命、数据处理使命、显现使命、通讯使命、毛病处理使命等；

（三）使命调度。体系通过液晶屏、触摸屏和按键旋钮等和用户进行交互，调用程序中的相关使命线程操控相关硬件完结电流丈量、报警处理、差错核算、电阻值设置、参数设置等功能。

图5程序流程图

Fig.5 The program flow chart

4.体系的测验成果

4.1验证电路

参阅《JJG l66—93直流电阻器》检定规程选用伏安法进行校准，以验证多功能校准体系的准确度是否契合规划的技能指标。可调恒流源供给了测验的电流，量程为0～600 A；电流转化器和电压表一同组成了电流丈量规范设备。整个校准计划测验体系构成如图6所示。

图6多功能校准体系校准设备框图

Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system

4.2数据剖析

多功能校准体系校准设备对体系进行校准丈量。

4.2.1电流丈量差错

表1为20 A量程下在不同电流测验时的相对差错，相对差错小于0.011%。

表2为100 A量程下在不同电流测验时的相对差错，相对差错小于0.01%。

4.2.2电阻差错

表3为75 mΩ时不同测验电流下的实践电阻值，其相对差错小于0.003％。表4为固定测验电流100 A时模仿大功率电阻不同阻值时的差错，从表中可看出，其相对差错都在0.004％ 内。这是因为体系选用的器材件如直流比较仪、差分采样扩大器、信号扩大器、D/A转化器等都是高线性度元件，确保体系的高线性度。通过屡次及不同阻值及电流下的测验验证，体系模仿输出电阻准确度都能在0.02%规模内，契合规划要求。

5.定论

本文规划的多功能电阻测验仪校准系统在传统电流型有源模仿电阻器有所立异，选用精细仿真电阻技能和大电流丈量技能，并将三类仪器检定设备兼并，电阻值可设置规模广，可模仿接连1uΩ~3.75Ω恣意电阻值，到达10nΩ的分辨力和0.02级的精度；测验电流规模大，最高可达600 A和0.02级的精度，相关技能指标已到达国内行业界领先水平，满意三类仪器的检定要求，已广泛应用于回路电阻测验仪、直阻仪和接地导通电阻测验仪等仪器的检定作业。

参 考 文 献

[1]JJG1052-2009,回路电阻测验仪、直阻仪检定规程[S].

[2] DL/T967-2005,回路电阻测验仪与直流电阻快速测验仪检定规程[S].

[3]李瑞坚.回路电阻测验仪校准办法研讨及不确定度鉴定[J].计量与测验技能，2014，41（5）：35-37.

[4]李宝树.电磁丈量技能[M].北京：中国电力出版社，2007.

[5]李维波，毛承雄，陆继明，等.根据饱满电抗器结构下的新式直流比较仪原理[J].电力体系主动化，2005，29（4）：24-28.

[6]李志明，檀永等.STM32嵌入式体系开发实战攻略[M].北京：机械工业出版社，2013.