四端法测量在照明产品性能测试中的意义

辛洪政，张 伟，常 毅

(国家电光源质量监督检验中心(北京)，北京 100022)



四端法测量在照明产品性能测试中的意义

辛洪政，张 伟，常 毅

(国家电光源质量监督检验中心(北京)，北京 100022)

四端法测量电参数是许多测试标准中的规定要求。从理论上分析了四端法的优势原因，并以实验数据进行了例证。结果表明：严格按照四端法实施测量，对于准确获得低压、大电流照明产品的性能参数意义重大，测试数据的重复性和准确性都会改善。

四端法；重复性；准确性；照明；测量；性能

引言

GB/T 15043—2008中要求“电压表的接线必须从灯头端直接引出”[1]，这也就是通常所说的“四端法”。在很多测试的技术要求[2]中都明确指明要使用四端法测试，然而，从笔者参与的多项比对、能力验证工作所获得的信息中判断，很多测试人员并没有真正理解四端法测试的意义，也存在执行上不到位的情况，这些都影响了正确评价相关照明产品的性能指标，也影响了比对、抽查项目中相关评价指标的符合性判断。

电参数测量经验不足的人员可能不很关心实际线路是否真正符合要求；而理解不到位的测试人员搭建的测试线路可能与真正的“四端法”还有区别。因而，有必要对真正“四端法”和非四端法加以辨析。

1 电参数测量电路设计辨析

一般测试时都会有规定输入条件，比如“220V 50Hz”、“DC12V”等，这些规定都是对样品的工作条件的要求，首先应该满足。样品按要求供电后才能进行性能参数测试。为了能保证样品在规定输入条件下工作，一般需要用到电源、电表和电线等来搭建测试线路。设计、搭建电参数测量电路时，需要考虑的因素通常包括：设备(电压表、电流表)阻抗、线路阻抗、各个触点的接触电阻等。对这些因素的认识与否以及对这些因素的影响机制的了解程度决定了搭建出来的测试电路是否满足测试方法要求。

1.1 缺少对应考虑的电路设计

没有太多电参数测量经验的人员搭建的测试线路可能是图1或图2。其搭建测试线路时，可能顾及到了设备阻抗影响，在图1或图2之间有选择。但是，因为通常性能测试系统，都需要将样品固定到测试位置上，测试位置到电源、电表之间必然有一定的空间距离，为图省事，把电压测量端就近选择到了电源输出端。这种回路中，较长的线路既充当载流线也充当电压测量线，线路阻抗的分压效应明显，灯头触点接触电阻的影响也没有消除。

图1 测量电路1Fig.1 Measurement circuit 1

图2 测量电路2Fig.2 Measurement circuit 2

1.2 有考虑但不充分的测量电路设计

有一定经验的测试人员搭建的测试回路可能是图3。这也是最常见的实验室测试回路设计，因为一般都在测试系统中使用灯座来安装样品，而一般的通用灯座上最接近于灯头的可用接点就是灯座上的接线端子了(图3中未画出)。这种回路中，虽然电压测量线较长，由于电压测量线上的电流很小，由(电压)线路阻抗引起的分压影响基本被消除了；但是，灯座与灯头接触点的接触电阻的分压影响却并没有消除，当电流较大时，其影响就会突现出来。由于接触电阻具有随机性特点，会造成测试数据的重复性差。

图3 测量电路3Fig.3 Measurement circuit 3

1.3 真正四端法的测量电路设计

真正满足“电压表的接线必须从灯头端直接引出”的四端法接线为图4。其关键在于：电压测量回路与电流测量回路完全没有共用部分，分别都是“从灯头端直接引出”。这种线路中，电压测量回路中的线路阻抗和接触电阻的影响都被极大的弱化。参数“灯电压”测量结果更加真实可靠。

图4 测量电路4Fig.4 Measurement circuit 4

1.4 不同电路的辨析

考虑各项影响因素，图1至图4 的等效电路依次为图5至图8。

图5 测量电路1的等效电路Fig.5 Equal-circuit of measurement circuit 1

图6 测量电路2的等效电路Fig.6 Equal-circuit of measurement circuit 2

图7 测量电路3的等效电路Fig.7 Equal-circuit of measurement circuit 3

图8 测量电路4的等效电路Fig.8 Equal-circuit of measurement circuit 4

图5至图8中，iA代表电流表示值，iv代表电压表分流；RA代表电流表内阻，RLINE,A代表载流线路阻抗，RCONT,A代表载流接触阻抗，RLAMP代表样品灯阻抗，RV代表电压表内阻，RLINE,V代表电压测量线阻抗，RCONT,V代表电压测量接触阻抗。

对于图5，流经灯的实际电流i灯与电流表示值iA相同；而灯上实际加载电压U灯与电压表示值UV之间相差的量包括：电流表内阻分压、载流线分压和灯头接触分压，即

(1)

对于图6，流经灯的实际电流i灯与电流表示值iA之间相差流经电压表的分流；而灯上实际加载电压U灯与电压表示值UV之间相差的量包括：载流线分压和灯头接触分压，即

(2)

对于图7，流经灯的实际电流i灯与电流表示值iA之间相差流经电压表的分流；而灯上实际加载电压U灯与电压表示值UV之间相差的量包括：电压线路阻抗分压(增项)与载流接触分压(减项)，即

(3)

对于图8，流经灯的实际电流i灯与电流表示值iA之间相差流经电压表的分流；而灯上实际加载电压U灯与电压表示值UV之间相差的量包括：电压线路阻抗分压(增项)与电压测量接触阻抗分压(增项)，即

(4)

上述各式给出了各个不同测试线路中的各个分量对电参数测试结果的影响函数关系。

2 理论计算比较与实测数据比较

2.1 理论计算比较

搭建的测试系统用到的设备、材料有：内阻为2MΩ的电压表，内阻为0.025Ω的电流表，总长12米对应阻抗0.20Ω的载流线，总长12米对应阻抗0.40Ω的电压测量线。

实际中，接触电阻是一个与压紧程度、接触面积相关的不固定量，笔者用微阻仪测得的灯头灯座间接触电阻为0.02Ω到0.06Ω。

若分别按照上述四种电路设计搭建测试线路，针对“某灯”进行测试，且相应电表读数都是12.00V，4.000A；分别根据式(1)～式(4)进行差异分析，以接触电阻为0.02Ω计算得到差异表1；以接触电阻为0.06Ω计算得到差异表2。

从表1、表2的数据可以得出以下结论：

(1)线路1、线路2修正量很大，将近10%量级；线路3修正量约在1%量级；线路4修正量很小，可以不修正。

(2)在非四端法线路中，载流接触电阻虽然较小，其影响仍然明显，其随机性也给测试结果带来一种随机表现。

(3)在四端法线路中，电压测量线阻抗虽然也影响电压测量数据，但由于其不载流，分压很小，所以影响微弱。

(4)在四端法线路中，虽然电压测量接触电阻也是变量，但其影响微弱，其随机性对测试结果的影响也很微弱。

表1 不同线路设计下的功率差异分析表(所有接触电阻取为0.02Ω)Table 1 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.02Ω)

表2 不同线路设计下的功率差异分析表(所有接触电阻取为0.06Ω)Table 2 Power difference with different circuit (all the contact resistance is 0.06Ω)

2.2 典型线路实测数据比较

根据上述分析，笔者直接将前两种线路排除掉，针对线路3和线路4进行了比较测试。测试在分布光度计上针对同一只卤钨灯进行，控制项目为“电压12.00V”。线路3的实现方式是：将特制的四端法试验灯座内的电压测量线连接到载流端上，来模拟使用一个通用灯座。表3和表4分别是采用线路3和线路4获得的测试数据。

表3 采用线路3的测试数据Table 3 Testing data with measurement circuit 3

表4 采用线路4——四端法接线的测试数据Table 4 Testing data with measurement circuit 4 applying four-terminal method

从表3与表4可以得出以下结论：

(1)四端法接线比非四端法接线实际加载在样品上的电流要高，说明样品实际加载的工作电压也高。

(2)四端法接线可以保证加载电压的准确性(符合要求)，进而保证样品性能参数测得值的准确性。

(3)四端法接线获得的数据重复性远高于非四端法接线获得的数据。

3 总结

对于照明产品性能测试，使用完全意义上的四端法进行测试电参数测试，会使测试结果更加准确，重复性更好。

尽管产品测试标准中做了相应要求，很多测试人员并没有充分理解和重视四端法测试的意义所在，在实践当中使用了非四端法的测试线路。这对于正确评价产品性能指标和各种实验室比对工作而言是一个明显的不符合项。造成这种情况的原因除了测试人员经验认识原因外，也有可能是设备制造(供应)商的经验与认识不足，不知道或不能够提供符合要求的测试装备。希望通过本文的分析工作，能够帮助从事照明产品性能测试及其相关比对工作的人员、设备制造商加深对此技术细节的理解，推动业界测量技术的提升与进步。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 15043—2008 白炽灯泡光电参数的测量方法[S].北京：中国标准出版社，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