CN101021557A - 一种测量微欧级电阻的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决现有微欧级电阻测量仪功率体积大、测量精度低的缺陷，公开了一种用冲击电流测量的方法及相应的装置，由控制单元控制充电回路的开关闭合，放电回路的开关断开，使得充电回路中的可控电源给一个储能电容器充电，然后控制电路断开充电回路的开关，闭合放电回路的开关，并同时给取样单元以触发信号，储能电容器放电产生一冲击电流至待测电阻；取样单元通过放电回路中的电流传感器和电压传感器得到待测电阻上的冲击电流和电压数据，再反馈至控制单元，控制单元读取这些数据，经计算处理得到待测电阻的阻值。按照本发明方法的测量装置，可广泛用于制造便携式高精度的回路电阻测试仪、开关接触电阻测试仪、接地电阻测量仪等。

Description

一种测量微欧级电阻的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量电阻的装置及方法，特别涉及一种测量微欧级电阻的装置及方法。

背景技术

传统测量电阻的方法一般是采用直流恒流源测量，其测量原理非常简单：即用直流恒流源电流通过被测电阻，经信号调理后进行信号采集和A/D(模数转换器)转换，然后计算并输出显示。对于大电流回路来说，由于所测量的电阻可小到微欧级，所以当恒流源输出电流比较小时(小于100A)，所产生的压降也很小，同时由于信噪比也小，故对电阻测量装置的灵敏度(精度)要求很高。传统的基于小恒流源的电阻测量装置要想获得微欧级电阻的高测量精度几乎无法实现，所以必须要让电阻测量装置的恒流源输出电流要大，否则信号电压就可能被淹没在测量噪声中而无法提取出来。因此，传统微欧级电阻测量方法采用直流恒流源测量时，为了提高测量精度，就需要提高输出电流至数百安培，这样一方面势必增加了电流源的功率以及相关元器件的功率和数量，使得测量装置的体积、重量加大；另一方面，由于采用大电流测量，且通电时间长，被测电阻的温度就会升高，根据温升效应，测量误差就会进一步增大。温升效应可用下面的公式组表示：

R_p＝R₀[1+α(T-T₀)]    ①

$T=T_0+\frac{{0.79I}^2}{4{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}{r}_0^2\mathrm{\λ}}\exp (-\frac{1.6r_0}{2\mathrm{\α}\sqrt{t}})$ ②

式①中：R₀-电阻在零负载时的电阻值；R_p-P负载时的电阻值；α-电阻温度系数的一次项；T₀-电阻在零负载时的温度值；T-P负载时的温度值。式②中：T₀-电阻的初始温度；r₀-电阻的半径；α-α＝λ/cr为电阻材料的温度传导系数；λ-为电阻的长度；c-电阻材料的比热；r-电阻材料的密度。

由以上公式组可见，电阻是温度T的函数，而温度T又是电流I和通过电阻时间t的函数，为一种正比关系，即电流通过时间越长，电阻温升越高，从而使得被测电阻的阻值明显改变，严重影响测量的精确度。

发明内容

本发明针对上述传统电阻的测量装置及方法所存在的缺陷，提供了一种具有体积小、轻便的测试装置及一种利用冲击电流快速精确测量微欧级小电阻的方法，可以应用于电力系统接地回路电阻的测试、开关接触电阻测试等领域。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种测量微欧级电阻的装置，包括一个控制单元、一个与控制单元双向信号连接的取样单元、一个可控电源，其特征是，所述可控电源通过一个充电开关K1与一个储能电容器C连接组成充电回路，所述储能电容器C通过一个放电开关K2与待测电阻RL相连组成放电回路，该放电回路中设有一个电流互感器和一个电压互感器连接到所述取样电路，所述充电开关K1和放电开关K2连接到所述控制单元。

上述方案中，所述的可控电源为一个根据待测电阻RL的阻值可调整输出电压档位的直流恒流源；所述的控制单元为一个与人机接口相连的微处理器CPU控制电路；所述的取样单元包括一个电流模数转换器A/D₁及与其相连的电流放大器、一个电压模数转换器A/D₂及与其相连的电压放大器，所述电流放大器的输入连接到电流互感器，所述电压放大器的输入连接到电压互感器；所述的电流模数转换器A/D₁和电压模数转换器A/D₂的转换速率为200KHz。

一种测量微欧级电阻的方法，其特征是，首先由控制单元控制充电回路的开关K1闭合，放电回路的开关K2断开，使得充电回路中的可控电源给一个储能电容器C充电，然后控制电路控制充电回路的开关K1断开，放电回路的开关K2闭合，储能电容器C放电产生一冲击电流至待测电阻RL；控制单元在所述冲击电流产生的同时给取样单元以触发信号，取样单元通过放电回路中的电流传感器和电压传感器得到放电瞬间在待测电阻RL上的冲击电流和电压数据，再反馈至控制单元，控制单元读取该冲击电流和电压数据，经计算处理得到待测电阻RL的电阻值。

上述方案中，所述的可控电源采用一个根据待测电阻RL的阻值可调整输出电压档位的直流恒流源；所述的控制单元采用一个与人机接口相连的微处理器CPU控制电路；所述的取样单元采用一个电流模数转换器A/D₁及电流放大器、一个电压模数转换器A/D₂及电压放大器组成的电路。

本发明基于冲击电流和高速采样的测量方法，有效的降低了微欧级小电阻测试装置的功率和重量，并将温升效应对电阻测量的影响降至最低，提高了测试精度，扩大了测量应用的领域，如：回路电阻测试仪、开关接触电阻测试仪、接地电阻测量仪等，测量的电阻值范围可小至0.1微欧，测量精度可达千分之五。

与现有技术相比，本发明的优点是：1)功率小，采用冲击电流来测量小电阻，则完全不需要大功率器件，构成的测量产品更加轻便。2)温升效应更小，用脉冲电流来测量小电阻，可显著减少通电时间t，当电流脉冲很窄时，可使电阻由于大电流通过造成的温升效应几乎可忽略不计，大大减少了被测电阻温度T的升高，从而减少阻值R的改变，提高测量精度。3)瞬态大电流，瞬态电流可达上千安培，满足目前绝大部分小电阻的测试要求。4)采用冲击电流测试小电阻还具有测试速度快、对被测电阻伤害小、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明测量微欧级小电阻的装置示意图。其中，C为储能电容器；K1为充电开关；K2为放电开关；3为电流传感器；4为电压传感器；RL为待测线路电阻；A/D₁、A/D₂分别为电流模数转换器、电压模数转换器；CPU为微处理器。

图2为本发明冲击电流的位时图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种测量微欧级电阻的装置，包括一个控制单元、一个与控制单元双向信号连接的取样单元和一个可控电源2，控制单元由一个与人机接口1相连的微处理器CPU控制电路组成，取样单元由一个电流模数转换器A/D₁及与其相连的电流放大器5、一个电压模数转换器A/D₂及与其相连的电压放大器6组成；可控电源2为一个根据待测电阻RL的阻值范围可调整输出电压档位的直流恒流源，其通过一个充电开关K1与一个储能电容器C连接组成充电回路，储能电容器C通过一个放电开关K2与待测电阻RL相连组成放电回路，该放电回路中串有一个电流互感器3连接到电流放大器5的输入端，与待测电阻RL并联有一个电压互感器4连接到电压放大器6的输入端；充电开关K1和放电开关K2连接到CPU的控制输入端。

上述装置中，可控电源2的可调输出直流电压档位有1V、20V、50V三档，分别对应测量RL的阻值范围为0.1μΩ～1mΩ、1mΩ～10Ω、10Ω～1kΩ。电流模数转换器A/D₁和电压模数转换器A/D₂采用采样速率为200KHz、型号为ADS7841模数转换器；储能电容器C的容量为100μF，耐压100V；当可控电源2输出20v电压，放电回路可产生近500A的脉冲电流；测量的电阻值分辨率为0.1μΩ，测量精度为千分之五。

一种测量微欧级电阻的方法，采用一个与人机接口1相连的微处理器CPU控制电路运行，测量装置通电后，CPU控制充电回路的开关K1闭合，放电回路的开关K2断开，充电回路中的可控电源2给一个储能电容器C充电，充电时间10秒，即可达到电容器充电电压的80％左右，然后CPU控制开关K1断开，K2闭合，储能电容器C放电产生一电流脉冲，该电流脉冲宽度≤300μS。CPU在电流脉冲产生的同时给取样单元中的A/D₁、A/D₂触发信号，A/D₁通过电流传感器3经电流放大器5得到放电瞬间冲击电流数据；A/D₂通过电压传感器4经电压放大器6得到放电瞬间在待测电阻RL两端的冲击电压数据，A/D₁、A/D₂采用采样速率为200KHz的ADS7841型模数转换器，配合24M振荡频率的CPU，可以确保在电流脉冲期间采集32个数据点。A/D₁、A/D₂将这些数据快速反馈到CPU，CPU读取电流电压数据后，通过数据处理、分析计算得到待测电阻RL的阻值。在测量过程中，根据负载电阻RL的阻值范围，可控电源2的输出电压可以相应进行档位选择和调整。

图2所示为本发明冲击电流的位时图。储能电容C放电在放电回路中产生脉冲电流，电流脉冲上升沿陡峭，下降沿较平缓。脉宽≤300μS，脉冲峰值≤500A。随着负载电阻RL和可控电源参数的变化，波形略有不同。

Claims (8)

1.一种测量微欧级电阻的装置，包括一个控制单元、一个与控制单元双向信号连接的取样单元、一个可控电源，其特征是，所述可控电源通过一个充电开关K1与一个储能电容器C连接组成充电回路，所述储能电容器C通过一个放电开关K2与待测电阻RL相连组成放电回路，该放电回路中设有一个电流互感器和一个电压互感器连接到所述取样电路，所述充电开关K1和放电开关K2连接到所述控制单元。

2.根据权利要求1所述的测量微欧级电阻的装置，其特征是，所述的可控电源为一个根据待测电阻RL的阻值可调整输出电压档位的直流恒流源。

3.根据权利要求1或2所述的测量微欧级电阻的装置，其特征是，所述的控制单元为一个与人机接口相连的微处理器CPU控制电路；所述的取样单元包括一个电流模数转换器A/D₁及与其相连的电流放大器、一个电压模数转换器A/D₂及与其相连的电压放大器，所述电流放大器的输入连接到电流互感器，所述电压放大器的输入连接到电压互感器。

4.根据权利要求3所述的测量微欧级电阻的装置，其特征是，所述的电流模数转换器A/D₁和电压模数转换器A/D₂为转换速率在200KHz以上的模数转换器。

5.一种测量微欧级电阻的方法，其特征是，首先由控制单元控制充电回路的开关K1闭合，放电回路的开关K2断开，使得充电回路中的可控电源给一个储能电容器C充电，然后控制电路控制充电回路的开关K1断开，放电回路的开关K2闭合，储能电容器C放电产生一冲击电流至待测电阻RL；控制单元在所述冲击电流产生的同时给取样单元以触发信号，取样单元通过放电回路中的电流传感器和电压传感器得到放电瞬间在待测电阻RL上的冲击电流和电压数据，再反馈至控制单元，控制单元读取该冲击电流和电压数据，经计算处理得到待测电阻RL的电阻值。

6.根据权利要求5所述的测量微欧级电阻的方法，其特征是，可控电源采用一个根据待测电阻RL的阻值可调整输出电压档位的直流恒流源。

7.根据权利要求5或6所述的测量微欧级电阻的方法，其特征是，所述的控制单元采用一个与人机接口相连的微处理器CPU控制电路；所述的取样单元采用一个电流模数转换器A/D₁及电流放大器、一个电压模数转换器A/D₂及电压放大器组成的电路。

8.根据权利要求7所述的测量微欧级电阻的方法，其特征是，所述的电流模数转换器A/D₁和电压模数转换器A/D₂采用转换速率为200KHz以上的模数转换器。

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