CN102650660B - 一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法,属于电阻计量标准领域。所述四端电阻采用同轴拉线结构,包括外壳(3)和安装在所述外壳(3)内的电阻丝(7)、中心棒(6)、分流盘片(5)和集流盘片(4);所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻RC,通过低电阻率四端电阻RC和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的测量,并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻RC的电容得到所述四端电阻的电容值C。本发明解决了交流电量测量过程中四端电阻角差测量的溯源问题。

Description

—种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法
技术领域
[0001] 本发明属于电阻计量标准领域,具体涉及一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法。
背景技术
[0002] 在通过交流电时,在频率不是很高的情况下,电阻器的等效线路可以用集中参数的电路来表示,即交流电阻可以等效为其直流电阻串联一个残余电感、并联一个分布电容。从物理意义上解释就是当交流电流流过电阻时,交流电压会产生一个相移,这个相移的角度是角频率和时间常数的乘积,频率越高,时间常数越大,则相移越大。从时域上,如果交流电流是一个脉冲电流,那么时间常数就是电压信号升高到63.2%所需要的时间。
[0003] 从1910年至1950年,科学家们提出了多种计算电阻时间常数的方法。其中有一种叫做同轴型时间常数标准,这种方法是把电阻做成同轴线的形状,由于圆筒中电流的流向并不能保证与轴线方向完全平行,因此会带来很大的计算误差。这是英国NPL 20年代的计算结果,普遍在10_7到10_8的量级。由于当时电信号的频率很低,因此这个量级完全可以满足实际应用。上个世纪60年代,中国也研制完成了回线型电阻时间常数计算样品,电阻下限到2欧姆,不确定度提高到了 10-9次方量级。
[0004] 到了 90年代,随着科技的发展,电信号的频率越来越高,为了满足IOOkHz功率测量的需要,澳大利亚计量院匪IA率先研制了盘片结构的时间常数标准,这个标准也是基于计算,实际上就是微电位计用的盘片电阻,尺寸很小,结构简单,便于计算。时间常数的参考的是一只3.9欧姆的盘片电阻,不确定度经计算在5X 10_n量级。然后通过爬台阶的方法扩展至0.1欧姆。
[0005] 从2005年开始,大多数国家都不再采取计算的样品,而是寻求实际测量的方法。欧盟计量组织启动了联合研究计划,开展新一代功率电能测量技术的研究。参加国有英国、法国、瑞典、意大利、奥地利等。比如澳大利亚采用微电位计作为电阻时间常数可计算标准,其基本原理是在一个N型同轴连接器中心面上喷上一层高电阻率材料,电流通过中心轴线向外呈放射性结构。基于功率热电变换器实现电流量程扩展至20A,200kHz。
[0006] 在电阻时间常数方面,意大利在2011年发表文章提出一种测量电阻时间常数的方法,将该领域的研究由计算转向实际测量。在去年的欧洲会议上,瑞典SP提出了一种基于阻抗测量仪(LCR计)的测量方法,这种方法是利用不同电阻的相同电感去修正阻抗电桥的电感测量曲线,通过测量四端电阻等效残余电感的方法计算电阻时间常数。其电阻时间常数标准是将高电阻率材料喷在PCB板上,构成四端回线形结构,在回线两端作为电流输入,同时顺着电流方向,在PCB板另一面引出电压回路,这种结构在一定程度上减小回路间的互感值。基于数字采样的方法实现两通道的同步测量,将电流量扩展至100A、100kHz。但是这种方法修正的不确定度会很大。
发明内容[0007] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题,提供一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法,把时间常数标准建立在测量上,而不是计算上,实现一种参数可测量的时间常数标准。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0009] 一种四端电阻,其采用同轴拉线结构,包括外壳3和安装在所述外壳3内的电阻丝
7、中心棒6、分流盘片5和集流盘片4 ;
[0010] 所述外壳3为圆筒结构,其两端分别作为电流端和电压端,在电流端安装有电流端端盖2,在电压端安装有电压端端盖1,所述电流端端盖2和电压端端盖I分别将外壳3的两端封闭。
[0011] 在所述电流端端盖2和电压端端盖I的中心均设有N型头,所述中心棒6的两端分别固定在电流端端盖2和电压端端盖I的N型头的芯9上;所述中心棒6位于所述外壳3的轴线上。
[0012] 所述分流盘片5和集流盘片4分别位于所述中心棒6的两端;
[0013] 所述集流盘片4的外缘固定在所述电压端端盖I上,所述集流盘片4的中心开有孔,所述中心棒6从该孔中穿过,中心棒6与集流盘片4不接触;
[0014] 所述分流盘片5固定在中心棒6上靠近电流端端盖2的一端;所述中心棒6穿过所述分流盘片5并与之接触;
[0015] 所述电阻丝7安装在所述分流盘片5和集流盘片4之间,所述电阻丝7均与中心棒6平行并在圆周上均布,所述电阻丝7的两端分别固定在所述分流盘片5和集流盘片4上。
[0016] 所述中心棒6、外壳3、电流端端盖2和电压端端盖I均采用铜材料制成;所述电阻丝7采用高电阻率的铜丝制成。因为康铜丝容易焊接且电阻率较高,因此实施例中选用康铜丝制作四端电阻的电阻丝。
[0017] 所述电压端端盖I上的N型头的芯9作为电压端的高电位端,外壳3作为电压端的低电位端;电流经电流端端盖2上的N型头的芯9流入,通过中心棒6流到分流盘片5上,再经过电阻丝7流到集流盘片4上,然后通过电压端端盖I流到外壳3上,最后通过外壳3流到电流端端盖2上的N型头的皮8上,构成电流回路。
[0018] 一种测量所述四端电阻时间常数的方法,所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻Rc,通过低电阻率四端电阻Rc和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的测量,并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻Rc的电容得到所述四端电阻的电容值C。
[0019] 所述方法包括以下步骤:
[0020] (I)保持四端电阻的几何尺寸和结构不变,仅将电阻丝7的材料换成纯铜的,制作成低电阻率四端电阻Rc;
[0021] (2)选取损耗角小于0.02弧度的四端互感M ;
[0022] (3)将所述四端互感M和标准电阻民直接串联,然后与交流电源连接形成回路;用交流电压表分别测得标准电阻Rs和四端互感M两端电压Urs和UM,根据回路电流相等,由公式(I)计算出四端互感M的互感值M:[0023]
Figure CN102650660BD00061
[0024] 式(I)中,ω为角频率即ω = 2 π f ;
[0025] (4)将四端互感M和标准电阻Rs直接串联在电路上,测量四端互感M的正交分量Umi后,用所述低电阻率四端电阻Rc替换四端互感M,测量低电阻率四端电阻Rc的正交分量Ucy,由公式⑵计算出低电阻率四端电阻Rc的电感值L:
Figure CN102650660BD00062
[0027] (5)将低电阻率四端电阻R。两端的电流回路断开,保持步骤(3)中回路的其它结构不变,此时低电阻率四端电阻Rc处构成了四端电容C ;测量所述四端电容C的电压Uc和标准电阻Rs的Urs,由公式(3)计算低电阻率四端电阻Rc的电容值C:
Figure CN102650660BD00063
[0029] (6)根据步骤⑷得到的电感值L和步骤(5)得到的电容值C,由公式(4)计算得到所述四端电阻时间常数τ:
Figure CN102650660BD00064
[0031] 式(4)中的R是指低电阻率四端电阻Rk的直流阻值。
[0032] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明提出并研制的同轴多根拉线式结构四端电阻Rk时间常数标准,大大改善了高频特性,并用铜线替代的方法实现了等效电感的精密测量,通过将四端电阻的电流回路断开来对电容进行测量,根据公式(4)计算出四端电阻Rk的时间常数。本发明解决了交流电量测量过程中四端电阻角差测量的溯源问题,为国防军工、航空航天、冶金机械等领域提供了可靠的技术保证。
附图说明
[0033] 图1是本发明同轴拉线结构的四端电阻的结构示意图。图中,I为电压端端盖;2为电流端端盖;3为外壳;4为集流盘片;5为分流盘片;6为中心棒;7为电阻丝;8为N型头的皮;9为N型头的芯。
[0034] 图2是具有如图1所示的结构的低电阻率与高电阻率四端电阻的向量图。
[0035] 图3是低电阻率四端电阻与四端互感的向量图。
[0036] 图4是本发明方法中的四端互感测量线路图。
[0037] 图5是本发明方法中的四端电阻的电感值测量线路图。
[0038] 图6是本发明方法中的四端电阻的电容值测量线路图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0040] 本发明提出了一种四端电阻时间常数标准结构设计新思路,同时在时间常数定值上也进行了创新。
[0041] 如图1所示,本发明设计了一种同轴拉线结构的四端电阻RK。首先在容易实现焊接和加工的前提下,根据电阻材料横截面积所通过的额定电流大小来确定电阻丝的根数和几何尺寸,中间采用中心棒6作为固定分流盘片5 (又称为分散电流盘片)和集流盘片4 (又称为汇集电流盘片)之间距离的支架,所述中心棒6采用横截面为对称形状的铜棒(如横截面为圆形的铜棒),本实施例的中心棒6采用铜支架;然后将电阻丝7均匀焊接在分流盘片5和集流盘片4之间,采用铜材料的圆筒外壳3作为电流的回路,外壳3的两端也采用铜材料的端盖,一端作为电流端,位于该端的端盖为电流端端盖2,另一端作为电压端,位于该端的端盖为电压端端盖1,同时将固定分流盘片5的中心棒6的两端分别焊接到两端盖的N型头的芯上。集流盘片4固定在电压端端盖I上,电流经电流端的N型头的芯流入,通过中心棒6流到分流盘片5后放射性的流到电阻丝7上,通过电阻丝7流到集流盘片4上,集流盘片4与电压端端盖I导通,然后电流通过外壳3流到电流端的N型头的皮上,构成电流回路。由于中心棒6直接连接电流端端盖和电压端端盖的N型头的芯9,所以电压端N型头的芯作为电压端的高电位端,外壳3作为电压端的低电位端。图1中Nv代表四端电阻电压输出的N型头,N1代表四端电阻电流输入的N型头。
[0042] 这种结构相对于现有的计算标准结构具有如下的优点:
[0043] (I)该结构的整体稳定性好,而且容易实现;
[0044] (2)重复性好,结构不一致引起的测量误差较少;
[0045] (3)等效残余电感量小;
[0046] (4)分布电容较小;
[0047] (5)结构中因介质损耗产生的影响小,主要就是空气介质,没有其他多余的绝缘骨架,具有较好的频率特性;
[0048] (6)外圆柱体铜壳作为屏蔽壳,减少了外界磁场的f禹合。
[0049] 测量该四端电阻的时间常数的方法如下:
[0050] 以IA同轴四端电阻时间常数标准为例,本实施例中采用高电阻率康铜线构成IA四端电阻&,其阻值为I欧姆,而等效残余电感值在nH级,那么其感抗值相对于电阻分量来说是非常小,这给测量提出了较高的要求,受测量仪表自身的准确度、分辨率及实部分量的影响,目前LCR计和直角坐标测量仪(即锁相放大器)无法满足这种测量要求。对于同轴四端电感来说,其虚部量相对于纯铜线的引线电阻值还是一个小量,同时两者是正交分量,目前我国所建立的电感基准主要是解决两端电感值溯源,同时也无法满足高频小电感的绝对测量,如果采用锁相放大器对其直接测量,则测量仪表本身的准确度将是一项最主要的不确定度分量,同时也没有溯源性。时间常数是一个物理量,时间常数标准是用本发明的方法测量并计算所选取四端电阻Rk的时间常数作为该电阻的时间常数标准,四端电阻的时间常数可以直接溯源到该时间常数标准上
[0051] 根据相同几何尺寸和封装结构,不同电阻率构成的四端电阻具有相同的残余电感值,也就是说只要结构保证相同就可以保证时间常数一样。本发明采用低电阻率纯铜线来替换高电阻率康铜线而构成相应四端电阻&,这样将被测对象从电阻分量较大的同轴四端电阻Rk转换成阻抗值分量和感抗值分量接近的点端电阻&,从而降低了对测量仪表的分辨率要求及其实部分量所带来的附加影响,两者的向量图如图2所示,横坐标表示四端电阻的实部,纵坐标表示四端电阻的虚部,Rc表示纯铜线构成的四端电阻的实部,j«Lc表示纯铜线构成的四端电阻的虚部,Rk表示康铜线构成的四端电阻的实部,j«LK表示康铜线构成的四端电阻的虚部。由图2可以看出相同结构的纯铜线构成的四端电阻Rc的实部远远小于康铜线构成的四端电阻Rk的实部,纯铜线构成的四端电阻&的实部更接近其虚部,大大提高了用直角坐标仪测量虚部的灵敏度。
[0052] 本发明提出了一种测量四端电阻Rk的电感值的新思路,将四端电阻Rk的电阻丝换成纯铜线构成的四端电阻Rc,根据四端电阻Rc的电感值大小,选取与其比较接近的互感结构。基于替代法利用对四端互感的测量实现对四端电阻&电感值的准确测量,测得电感值后再通过计算得到时间常数,向量图如图3所示,图3中,横坐标表示四端电阻(或四端互感)的实部,纵坐标表示四端电阻(或四端互感)的虚部,Rc表示纯铜线构成四端电阻Rc的实部,j ω Lc表示纯铜线构成四端电阻的虚部,Rm表示四端互感的实部,j ω Lm表示四端互感的虚部。从图3可以看出所采取的四端互感的互感值和前面设计的四端电阻Rc的虚部分量在一个数量级上,这样采用该四端互感来对四端电阻的虚部分量定值就能保证四端电阻Rk残余电感测量的准确度。低电阻率四端电阻Rc的电感值不能用电流电压法测量得到,因此采用损耗角小于0.02弧度的四端互感M替代测量低电阻率四端电阻Rc的电感值。
[0053] 下面以I Ω四端电阻为例来阐述本发明实现四端电阻时间常数测量的方法。
[0054] 首先根据图1所示,本实施例中根据焊接的可操作性及电阻丝7自身发热特性,确定电阻丝根数为18根(也可以设计成其他数量),选取电阻率较高的材料如康铜材料构成电阻丝,根据康铜材料的电阻率和横截面积所允许通过的电流,选取长度为105.3mm,线径为0.06mm,来制作I Ω四端电阻Rk,然后将上述电阻丝7的材料由康铜换成纯铜,其他几何尺寸及结构保持不变,制作四端电阻R。。
[0055] 如图4所示,直接测量四端互感M,将四端互感M溯源到交流电阻标准上。采用四端电阻和四端互感相互替换的方法,通过电阻丝替换的方法测量正交分量来精确测量四端电阻的电感L,将电流回路断开的四端电阻和四端互感相互替换的方法,通过测量两者的正交分量来精确测量四端电阻的电容C,从而计算四端电阻时间常数τ。具体实施分以下几个步骤:
[0056] 1.将四端互感M(普通的互感线圈)和标准电阻Rs直接串联在电路上,如图4所示。用高精度交流电压表5790Α分别测得标准电阻Rs和四端互感M两端电压Urs和UM,根据回路电流相等,由公式(I)计算出四端互感的互感值M:
[0057]
Figure CN102650660BD00081
[0058] (I)式中,ω为角频率即ω = 2ττ f„
[0059] 2.将四端互感M和标准电阻Rs直接串联在电路上,用锁相放大器7280(也就是直角坐标仪,其作用就是测量电阻上的虚部分量)测量四端互感M的正交分量Umi后,用纯铜线构成的四端电阻&替换四端互感M,如图5所示(图5中的双箭头就是表示替换),测量四端电阻Rc的正交分量Ucy,由公式(2)计算出四端电阻&的电感值L。
Figure CN102650660BD00082
[0061 ] 理想状态下步骤I和步骤2中的四端互感值Um是相同的,由于互感损耗角的存在,使得两者有非常微小的差异,步骤I中是将互感值溯源到交流电压上,为以后直接用Um提供的依据。此处的Umi用直角坐标仪是为了更准确的计算纯铜线构成的四端电阻的残余电感。
[0062] 3.将四端电阻R。的电流回路断开,保持结构不变,构成了四端电容C。同轴四端电阻时间常数标准中残余电感是主要分量,而分布电容也是一项不容忽视的影响因素,由于是对于小电流四端电阻来说,那么如果对其结构中所存在的电容测量也是至关重要的。将同轴四端电阻时间常数标准的18根康铜线剪断,保持引线位置不变,通过实验线路直接测量其结构中的分布电容大小。
[0063] 如图6中将四端电容C与阻值为I Ω的标准电阻Rs串联在线路中,测量四端电容的电压Uc和标准电阻Rs的电压Uks,由公式(3)计算四端电阻的电容值C,ω为角频率即ω
[0064]
Figure CN102650660BD00091
[0065] 4.对于四端电阻时间常数,其电感和电容主要是由结构尺寸决定,在相同结构尺寸,相同线径,不同电阻率材料构成四端电阻的电感值和电容值是一致的。可以通过测量低电阻率四端电阻的电感值来确定相同结构的高电阻率四端电阻的电感值,本实施例中是先测量纯铜四端电阻的电感值和电容值得到康铜四端电阻的电感值和电容值,因为结构相同时,纯铜四端电阻的电感值和电容值和康铜四端电阻的电感值和电容值是相等的。再由公式⑷计算出标准四端电阻的时间常数τ。
[0066]
Figure CN102650660BD00092
[0067] 式(4)中的R是指四端电阻Rc的直流阻值。
[0068] 本发明所述四端电阻时间常数测量的方法解决了交流电流测量过程中四端电阻角差无法溯源的问题,同时为今后建立宽频交流功率电能国家标准奠定了基础。
[0069] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式,对于本领域内的技术人员而言,在本发明公开了应用方法和原理的基础上,很容易做出各种类型的改进或变形,而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种四端电阻,其特征在于:所述四端电阻采用同轴拉线结构,包括外壳(3)和安装在所述外壳⑶内的电阻丝(7)、中心棒(6)、分流盘片(5)和集流盘片⑷; 所述外壳(3)为圆筒结构,其两端分别作为电流端和电压端,在电流端安装有电流端端盖(2),在电压端安装有电压端端盖(I),所述电流端端盖(2)和电压端端盖(I)分别将外壳⑶的两端封闭; 在所述电流端端盖(2)和电压端端盖(I)的中心均设有N型头,所述中心棒(6)的两端分别固定在电流端端盖⑵和电压端端盖⑴的N型头的芯(9)上;所述中心棒(6)位于所述外壳(3)的轴线上; 所述分流盘片(5)和集流盘片(4)分别位于所述中心棒(6)的两端; 所述集流盘片(4)的外缘固定在所述电压端端盖(I)上,所述集流盘片(4)的中心开有孔,所述中心棒(6)从该孔中穿过,中心棒(6)与集流盘片(4)不接触; 所述分流盘片(5)固定在中心棒(6)上靠近电流端端盖(2)的一端;所述中心棒(6)穿过所述分流盘片(5)并与之接触; 所述电阻丝(7)安装在所述分流盘片(5)和集流盘片(4)之间,所述电阻丝(7)均与中心棒(6)平行并在圆周上均布,所述电阻丝(7)的两端分别固定在所述分流盘片(5)和集流盘片⑷上。
2.根据权利要求1所述的四端电阻,其特征在于:所述中心棒(6)、外壳(3)、电流端端盖(2)和电压端端盖⑴均采用铜材料制成;所述电阻丝(7)采用高电阻率的铜丝制成。
3.根据权利要求2所述的四端电阻,其特征在于:所述电压端端盖(I)上的N型头的芯(9)作为电压端的高电位端,外壳(3)作为电压端的低电位端;电流经电流端端盖(2)上的N型头的芯(9)流入,通过中心棒(6)流到分流盘片(5)上,再经过电阻丝(7)流到集流盘片(4)上,然后通过电压端端盖(I)流到外壳(3)上,最后通过外壳(3)流到电流端端盖(2)上的N型头的皮⑶上,构成电流回路。
4.一种测量权利要求3所述的四端电阻时间常数的方法,其特征在于:所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻Rc,通过低电阻率四端电阻Rc和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的测量,并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻Rc的电容得到所述四端电阻的电容值C。
5.根据权利要求4所述的测量四端电阻时间常数的方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤: (1)保持四端电阻的几何尺寸和结构不变,仅将电阻丝(7)的材料换成纯铜的,制作成低电阻率四端电阻Rc; (2)选取损耗角小于0.02弧度的四端互感M ; (3)将所述四端互感M和标准电阻Rs直接串联,然后与交流电源连接形成回路;用交流电压表分别测得标准电阻Rs和四端互感M两端电压Urs和UM,根据回路电流相等,由公式(I)计算出四端互感M的互感值M:
Figure CN102650660BC00021
式⑴中,ω为角频率即ω=2 Ji f ;(4)将四端互感M和标准电阻Rs直接串联在电路上,测量四端互感M的正交分量Umi后,用所述低电阻率四端电阻Rc替换四端互感M,测量低电阻率四端电阻Rc的正交分量UCY,由公式(2)计算出低电阻率四端电阻Rc的电感值L:
Figure CN102650660BC00031
(5)将低电阻率四端电阻R。两端的电流回路断开,保持步骤(3)中回路的其它结构不变,此时低电阻率四端电阻Rc处构成了四端电容C ;测量所述四端电容C的电压Uc和标准电阻Rs的Urs,由公式(3)计算低电阻率四端电阻Rc的电容值C:
Figure CN102650660BC00032
(6)根据步骤(4)得到的电感值L和步骤(5)得到的电容值C,由公式(4)计算得到所述四端电阻时间常数τ:
Figure CN102650660BC00033
式⑷中的R是指低电阻率四端电阻Rc的直流阻值。
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