宽温组合标准电阻设计和实现*

王锡平 侯殿成 沈 晴 邹成伍

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.苏州伟铭电子仪表有限公司，苏州 215132)



宽温组合标准电阻设计和实现*

王锡平1侯殿成2沈 晴1邹成伍1

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.苏州伟铭电子仪表有限公司，苏州 215132)

介绍了所设计四线标准电阻结构形式、主控框架、功能作用和技术指标，分析了电阻温度关系和应用参数配置。详细叙述安装调试过程处理调整电阻线性度以及热电势影响主要处理工艺，给出检定及实际使用方式验证比较数据。

标准电阻；加热温控；调试；验证

0 引言

在环境温度条件变化较大的生产现场，如变电站检测蓄电池以及充放电机的充放电电流、检定或核验标准电流源、回路直阻测试仪等。这些仪器使用极限电流已达100A，之前受限于经典BZ3或BZ6(最大功率分别≤1W、≤3W)型标准电阻功率等因素，大多使用分流器作标准器来标定电流或电压。但是工业级分流器的0.1级、非10整数幂欧姆值、单一阻值以及通电电流效应、方向等因素，已不能满足现代数字化测量仪器的高等级、线性度、快速测量等要求。故设计能在较宽的环境温度条件仍能保证0.01级，10×0.001欧姆步进阻值并可任意组合的大功率实物标准电阻，以下均简称标准电阻。

1 结构原理技术指标

1.1 标准电阻结构原理

对0.1Ω及以下低值标准电阻，均为四线(端)单值(只)形式，如图1。四线电阻R定义为节点n1和n2之间电阻值，如果从C1、C2端作两线测量，电阻值应为rc1+R+rc2。一般BZ3型0.01Ω标准电阻rc1+rc2约0.02mΩ，则连接导线电阻的影响就有0.2%，电位端影响更大。因此，四线标准电阻一般是单个使用，而不作多个串联或并联组合。

本设计串并联结构标准电阻如图2所示。

图1 四线式标准电阻结构原理图

图2中，R1为0.01001Ω锰铜材料电阻，称为主电阻；R2为10只1.001Ω锰铜电阻串联，称调整电阻。由R1和R2并联所得等效电阻R则为0.0100000Ω无偏差值。通过继电器开关切换，从C1、P1,C2、P2端可以得到0.001～0.01Ω之间以及0Ω任意组合四线电阻值。连接P1端单数号或P2端双数号继电器同时只能接通任其一。例如，继电器2和继电器3接通，则标准电阻电位端P1与P2端输出0.001Ω等效电阻，继电器1、2接通则输出零电阻。显然，除可以输出任意组合电阻，还可以不换线输出等效负电阻和具有10个单值0.001Ω的标准电阻。R1、R2参数是通过试算、试验以及方便制作确定。例如，用0.010001Ω主电阻和10×10.00Ω调整电阻并联同样也能得到0.01Ω的无偏差值，但是制作难度要高的多，同时还会出现温度变化引起温度增量不易补偿问题。

图2 标准电阻结构—继电器开关原理图

1.2 继电器开关电路

继电器开关电路设计成一27×16×5cm开关箱，面板中间液晶显示屏，左右分设两个3×4键盘，可由手动按键或上位机控制箱内继电器阵列动作切换标准电阻电位端，同时LED指示按键值。开关电路由Arm单片机、继电器阵列等电路组成，如图3所示。

图3 继电器开关主控电路框图

开关主要控制电路构成和功能：继电器阵列由2×11只磁保持继电器组成，分别使用单片机22×2个端口驱动；液晶显示屏为11cm、480×272点阵显示屏，显示标准电阻电位端号间标称电阻值和实际值；RS232-USB转换电路功能为上位机通过USB接口控制键盘切换，以及10个单值标准电阻实际值写入和读出，单片机程序升级更新。

1.3 标准电阻主要技术指标

2 电阻温度关系分析和应用

锰铜合金电阻在一定温度范围内电阻实际值近似计算公式：

Rt=R20[1+a (t-20)+β(t-20)2]

(1)

式中，Rt、R20分别为温度t℃时和20℃时电阻实际值；a 、β分别为一次和二次项电阻温度系数。

从式(1)欲使Rt=R20则需a (t-20)+β(t-20)2=0，设t1、t2为二次方程的两个不相等根，可见除t1=20℃外，可推出t2=20-a /β，即温度系数的影响量等于零的另一温度值。一般容易获取的锰铜电阻一次项系数a 在±(5～20)×10-6/℃之间，二次项系数β在(-0.5～-0.7)×10-6/℃2之间。为叙述简便，选a =5、10、15、20，β=-0.5，四组特定数值代入式(1)试算。可分析、选出a =15，β=-0.5这一特定组数据段，列于表1。

表1中R1(20)为R1在20℃的实际值，事实上式(1)只是近似公式，实际制作R1时a 、β值可略有偏差。Rt栏所列为温度增量补偿后等效电阻R值将在第3节叙述。

从表1数据可绘出的抛物线对称35℃中心线，且在此温度±5℃之间曲线最为平坦，电阻值相对20℃时有0.01%的恒定增量，但变化量仅为0.001%左右。使用加热控温技术，使封装于盒内标准电阻始终处于30～40℃的状态，从而达到在10～30℃较宽的环境温度使用时仍能保证0.01级技术指标的目的。此法和Agilent 3458A数字多用表、Fluke732B固态电池的基准加热控温原理基本相同。

表1 温度对应R1电阻值和增量补偿后R值

3 安装和调试

标准电阻R安装于360×160×90金属盒体，R1装于盒体下层环氧树脂封装并均匀加热控温，R2安装在盒体上层。试验调试只需在20℃参考环境下进行，但需考虑到温度上升后0.01%的增量问题，就可大大简化调试过程。在此只叙述安装和调试过程中所处理解决的3个主要问题：

1)温度增量补偿：如果需要调准到表1Rt栏数据，那么在20℃的参考条件下调整R1为0.0100100Ω，然后配置并联电阻R2，很快会发现较难配置成等效电阻R=0.0100000Ω的无偏差值，而如果将R1调整到0.0100090Ω，则在加热至30～40℃工作状态时固有0.01%增加量，配置成无偏差等效电阻容易的多。补偿后工作状态下温度对应等效电阻R值列于表1Rt栏。

3)热电势的影响：设计当初确实未考虑到热电势影响，因用QJ55比较仪电桥测量数据与送上级检定数据基本重合，只是在数字表法测量验证才被发现，经试验分析确实为安装工艺问题，如图4。

图4 消除热电势影响对照示意图

图4(a)，消除热电势前调整电阻安装基板浇注于环氧树脂表面，加热器加热时产生温度梯度使得电阻双数号0、2、4、6、8、10端连接点与单数号1、3、5、7、9端有5～7℃的温度差，导致数字表测量具有4μV左右的热电势附加误差。经将安装板悬空、左移，与热源之间加隔热板(图4(b)正视图未能画出)。改装后电阻两端温度差减小到1～2℃，这时数字表法与电桥法测量数据基本一致。显示始终是0～1μV。这也就解释了QJ55电桥法测量结果正确，是因为其测量电流换向消除了热电势的影响，故也不易发现设计缺陷。

4 测量检定验证

标准器或测量仪器除一些试验测试外最终结果最好是送上级检定机构检定，以便较完整的比较。因此，该标准电阻使用本院QJ55比较仪电桥装置、数字仪表检定装置、以及上级检定作参考标准测量验证，各测量数据列于表2。

表2 测量验证数据

由表2可知，经不同检定装置、测量人员、时间地点、测量电流，结果最大相对差值0.0022%出现在8mΩ点，满足0.01级不确定度核验要求。但是，测量数据与标称值偏差程度0.008%大于设计目标，原因就是处理热电势影响增加了调整电阻的连接导线电阻rac+rbd所致，有待于下一检定周期前调整解决，并且已有初步解决方案。

5 结束语

经测量验证，证明标准电阻还可用于检定核验4～5 1/2位数字表、标准电流源等仪器的电流或电压准确度和线性度。事实上它和经典四端式标准电阻一样主要是用于标定电流或电压量值。虽用QJ55比较仪电桥检定该标准电阻值满足设计准确度要求，但是测量检定的宗旨是尽可能与使用一致，也表明未经数字式仪表核验仍应谨慎结论。同样，设计方法理论上可以运用于制作等效电阻0.1、0.001Ω，但还需要实践验证。

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[2] 张艳，马毅.高压直流电流测量装置的应用现状与研究进展[J].电测与仪表，2014(11)

[3] 苏璠等.直流稳压电源现场检定装置设计[J].计量技术，2014(1)

[4] Agilent Technologies 3458AMultimeter Calibrationmanual Edition3[M].Agilent Technologies Company,2000：13，22

[5] Fluke Corporation著，汪铁华译.校准—理论与实现[M].北京：中国计量出版社，2000

* 课题项目：国网浙江省电力公司(ZDK048-2012)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.02