CN111679102A - 长形均匀电阻六端接线高精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种长形均匀电阻六端接线高精度测量方法，属于电力工业输送电技术领域，所述方法用于微小电阻高精度测试仪，该测试仪包括恒流源、第一电压表和第二电压表，所述方法包括：步骤1：将恒流源的两个电流接线端连接在待测金属样品的两端，将第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端均连接在待测金属样品的中部；步骤2：记录恒流源的电流I，测得第一电压表的电压U1、第二电压表的电压U2、电压U1所在接线端之间的长度L1、电压U2所在接线端之间的长度L2、待测金属样品截面积S；步骤3：根据公式计算得到待测金属样品的电阻率ρ。本发明能够在避免电流换向情况下，实现去除附加电势，从而达到微小电阻高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于电力工业输送电技术领域，特别是涉及一种适用于电力电缆、导线、电工圆铝杆等用微小电阻高精度测试仪的长形均匀电阻六端接线高精度测量方法。
背景技术
长形均匀电阻是指截面形状各异的，长度远大于截面尺度的导电性物体。常见的各种导线、电工圆铝杆、电缆等都属于这类物体。
微小电阻通常指电阻大小处于1μΩ到几百μΩ之间。在科学研究中经常用到微小电阻测试，比较先进的测试方法是四端接线法。四端接线法测得电阻还包括测试回路温差电势和化学附加电势的影响，为了消除这些附加电势，必须辅助以电流换向方式。
采用直流四端接线法，可以消除引线和接触电阻。但是，采集的电压信号除了样品的欧姆压降，还包括回路中不同连接线所引入的温差电势。由于测量回路温差电势与电流方向无关，根据公式1a、1b可以消除附加电势影响：
U+＝IR+V0 (1a)
U-＝-IR+V0 (1b)
以实验开始时的电流方向为正，测得的样品两端电压为U+，然后电流反向，测得的电压为U-。由于附加电势V0的大小与电流方向无关，利用公式1a和1b的方程组解出待测电阻R，消除了V0影响，从而提高了R测量值的精度。测试原理如图1所示。
电力电缆和接续条等电力金具的质量检测经常遇到微小电阻测试，按照电力行业标准DL/T 845.4-2004(电阻测量装置通用技术条件第4部分：回路电阻测试仪)要求，通常使用回路电阻测试仪执行测试任务。为了达到分辨率在1μΩ，回路电阻测试仪直流电流输出不小于100A。该标准还规定，最小电流持续时间不小于1min。
回路电阻测试仪的基本原理也是四端接线法。虽然增大测试电流可以在一定程度上掩盖附加电势的影响，但并没有有效消除附加电势。国家标准GBT 2317.3-2008(电力金具试验方法第3部分：热循环试验)指出测试回路附加电势大约为零点几到几个μV左右，附加电势所引进的测试误差可能达到10μΩ。为了减小这一误差，该国家标准推荐使用电流换向法。当前技术条件下，对于小的测试电流，例如500mA以下，实现电流换向比较容易，但是对于100A以上大电流，在保持电流稳定前提下，电流换向实现起来比较困难。所以，电力系统所使用的回路电阻测试仪一般没有电流换向功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种长形均匀电阻六端接线高精度测量方法，在避免电流换向情况下，实现去除附加电势，从而达到微小电阻高精度测量。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种长形均匀电阻六端接线高精度测量方法，用于微小电阻高精度测试仪，所述微小电阻高精度测试仪包括恒流源、第一电压表和第二电压表，所述方法包括：
步骤1：将恒流源的两个电流接线端连接在待测金属样品的两端，将第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端分别连接在待测金属样品的中部；
步骤2：记录恒流源的电流I，测得第一电压表的电压U1、第二电压表的电压U2、电压U1所在接线端之间的长度L1、电压U2所在接线端之间的长度L2、待测金属样品截面积S；
步骤3：根据如下公式计算得到待测金属样品的电阻率ρ：
根据本发明优选的，所述步骤3还包括：根据如下公式计算得到待测金属样品的电阻值R：
其中，L为待测金属样品的长度。
根据本发明优选的，所述第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端为跨接关系。
根据本发明优选的，所述第一电压表和第二电压表共用其中一个电压接线端。
根据本发明优选的，所述恒流源为PF66M型数字多用表或Keithley2400数字万用表。
根据本发明优选的，所述第一电压表和第二电压表为一体结构的双通道电压表。
根据本发明优选的，所述双通道电压表为Keithley 2182A纳伏表。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对电力系统测试样品都是长形均匀电阻的特点，发明了一种六端接线法，在避免电流换向情况下，实现去除附加电势，从而达到微小电阻高精度测量。该发明不仅适用于涉及微小电阻的科学研究，尤其是可以解决电力系统大电流测试中存在的电流不能换向缺陷，提高电阻测试精度。
附图说明
图1为现有技术中有电流换向的四端接线法的原理图；
图2为本发明的长形均匀电阻六端接线高精度测量方法一个实施例的原理图；
图3为本发明的长形均匀电阻六端接线高精度测量方法另一实施例的原理图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种长形均匀电阻六端接线高精度测量方法，用于微小电阻高精度测试仪，如图2所示，所述微小电阻高精度测试仪包括恒流源、第一电压表(即图中的电压表1)和第二电压表(即图中的电压表2)，所述方法包括：
步骤1：将恒流源的两个电流接线端连接在待测金属样品的两端，将第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端分别连接在待测金属样品的中部；
步骤2：记录恒流源的电流I，测得第一电压表的电压U1、第二电压表的电压U2、电压U1所在接线端之间的长度L1、电压U2所在接线端之间的长度L2、待测金属样品截面积S；
步骤3：根据如下公式计算得到待测金属样品的电阻率ρ：
本发明的原理详细说明如下：
在图2中，有两个电流接线端，四个电压接线端。电压表1和2测得数值分别是U1和U2，对应的电阻数值分别是R1和R2。I是电流，V0是附加电势。各物理量之间关系由公式2a和2b描述。如果在测量中使用相同材料的接线端子，可以认为V0在两对电压接线端子之间的性质相同，数值相等。
U1＝IR1+V0 (2a)
U2＝-IR2+V0 (2b)
根据普通物理有关内容，如果一个导体的截面积为S，长度为L，这段导体的电阻为R，那么这种导体电阻率为ρ，并存在公式(3)的关系：
如果测得电压U1和U2所在接线端之间的长度L1和L2，以及样品截面积S，利用欧姆定律并且通过公式(2)的两部分相减，可以消除附加电势V0，得到电阻率如公式(4)所示。
再使用公式(3)可以得到所需电阻值。
长形均匀电阻六端接线高精度测量法是一种新的微小电阻测量方法。通常的电流换向四端接线法虽然可以有效消除测试回路中附加电动势影响，但是，不适于大电流测试。而电力行业电阻测试使用大电流有很多优势，本发明可以在不进行电流换向情况下，通过附加一对电压接线端，引入了参考电压，进而消除附加电势。
本发明来源于我们对于测试回路附加电势性质和变化规律的深入研究。在保持测试回路温差非常小的情况下，附加电势与电流方向无关，这是电流换向四端接法物理基础。测试回路所在环境温度均匀，并且接线端子材料、环境湿度和气氛一致时，附加电势与接线的重复操作无关，这是六端接线高精度测量法的物理基础。
本发明主要适用于长形并且截面延长度方向一致，电阻率保持一致的样品。这正是电力行业测试中样品的常态。
图2中给出的两个电压表在四个电压接线端上的跨接方式，只是三种不共接线端跨接方式中的一种。如果把四个电压接线端从左到右标记为a、b、c和d，那么另外两种跨接方式分别为：1)U1＝Uac,U2＝Ubd；2)U1＝Ubc,U2＝Uad，一种非跨接方式为：U1＝Uab,U2＝Ucd。经验表明，跨接方式使L1-L2较大，则测量精度较高。还有12种有一个公共电压接线端的电压接线方式。当使用双通道电压表时，如果存在公共接线端，a、b、c和d这四个接线端可以去掉一个，从整体来看，就变成了五端接线法，如图3所示。从原理上来说，图3中的两个电压表也可以是独立的，只要它们精度一致并且精度高，也可以达到目的。
本发明的核心理论是公式(4)。在公式(4)中，涉及6个量的测量，截面积S、电流I、两个电压和两个长度。两类几何量S和长度L的测量，很容易进行高精度测量。由于两个电压和电流都是同一个瞬时测量的，所以，恒流源有微小噪音对电阻率计算精度影响不到，这降低了对于恒流源的要求。
本发明保持高精度的关键因素是两个电压的测量。如果使用两个独立电压表，很难保证两个电压信号的同步性，所以电流源的微小波动，可能会造成较大误差。为此目的，本发明推荐双通道电压表，有内部电路保证两通道电压信号同步性。
本发明给出一个具体配置，可以参考如下：
高精度电流源可以使用现有商品化数字电流表。例如PF66M型数字多用表是采用单片微机技术和高精度运算放大器及高稳定性电压基准组成的便携式精密仪器。仪器能输出精度优于0.02％的电流信号，其测量结果采用七位VFD显示，显示结果还可以通过RS-232标准接口输出机外和计算机连接。表1是它的具体电流指标。
表1 PF66M型数字多用表具体电流指标
该仪器适宜在科研、工业、教育等各个领域内使用。性价比很高，满足测量精度要求。
再例如Keithley 2400数字万用表。其核心参数为，功率范围：20～1000W，电流范围：10pA～10A，0.012％精度。在350μs之内就可以完成接触检测验证与报告，有利于保持高速生产效率。吉时利2400专为那些要求紧密结合激励源和测量功能，要求精密电压源并同时进行电流与电压测量的测试应用而设计的。所有源表均由一个精密的、低噪声、高稳定的带回读功能的直流电源和一个低噪声、高重复性、高输入阻抗的51/2位多功能表组成，形成了紧凑的单通道直流参数测试仪。其功能相当于电压源、电流源、电压表、电流表和电阻表的综合体。通信、半导体、计算机、汽车与医疗行业的元件与模块制造商都将发现，源表仪器对于各种特征分析与生产过程测试都极具实用价值。该电流表价格昂贵，精度也高于PF66M电流表。
双通道电压表推荐使用Keithley 2182A纳伏表，其核心参数为：
量程10mV时，分辨率1nV。Delta模式测量，配合程控电流源反转极性进行低阻测试，可达24Hz和30nV P-P噪声，多次读数平均还可进一步降低噪声。双通道输入，可测量电压、温度或未知电阻与参考电阻的比例，内置热电偶线性化和冷端补偿功能。
电压表和电流表都优选具有RS-232接口与计算机通讯，以方便组成自动测试和数据显示系统。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种长形均匀电阻六端接线高精度测量方法，用于微小电阻高精度测试仪，其特征在于，所述微小电阻高精度测试仪包括恒流源、第一电压表和第二电压表，所述方法包括：
步骤1：将恒流源的两个电流接线端连接在待测金属样品的两端，将第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端分别连接在待测金属样品的中部；
步骤2：记录恒流源的电流I，测得第一电压表的电压U1、第二电压表的电压U2、电压U1所在接线端之间的长度L1、电压U2所在接线端之间的长度L2、待测金属样品截面积S；
步骤3：根据如下公式计算得到待测金属样品的电阻率ρ：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：根据如下公式计算得到待测金属样品的电阻值R：
其中，L为与R对应的金属样品长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电压表的两个电压接线端和第二电压表的两个电压接线端为跨接关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电压表和第二电压表共用其中一个电压接线端。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述恒流源为PF66M型数字多用表或Keithley 2400数字万用表。
6.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述第一电压表和第二电压表为一体结构的双通道电压表。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述双通道电压表为Keithley 2182A纳伏表。
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