接触电流测试仪校准技术的研究*

陈志雄 王 实 梁琼崇 张晓芬

(工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心，广州 510610)



接触电流测试仪校准技术的研究*

陈志雄 王 实 梁琼崇 张晓芬

(工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心，广州 510610)

研究了采用GB/T 12113—2003测量网络的接触电流测试仪校准技术。分析了测试线分布电感对传输阻抗校准的影响机制，指出电压表高频共模抑制能力的不足将带来显著误差。提出了通过基本误差和频率附加误差来校准接触电流示值误差的方法。基于DDS、I-V转换和隔离测量等技术，研制了一款多功能的接触电流校准仪，能够实现测量网络的自动扫频校准，以及接触电流示值误差的快速校准，满足接触电流测试仪的校准需要。

接触电流；校准；示值误差；测量网络；输入阻抗；传输阻抗

0 引言

GB/T 12113—2003《接触电流和保护导体电流的测量方法》为高频电流的电击防护规定了测量网络和测试方法，要求接触电流(以往也通称为“泄漏电流”)的测量频率范围到1MHz。目前，业界对接触电流测试仪的校准方法仍未达成共识。传统泄漏电流测试仪的校准方法是考察网络的直流电阻值和时间常数，并在50Hz频率下校准泄漏电流的示值误差[1-3]。倪华等人[4]使用LCR表、数字多用表、电子电压表和无感高频电阻器等仪器，来校准接触电流测量网络的输入阻抗和传输阻抗；但使用多台仪器搭建的校准系统中，过多连接线间的分布参数将引入较大的不确定度分量。针对采用GB/T 12113—2003测量网络的接触电流测试仪，本研究探讨了该类测试仪的校准方法，并研制了一种可编程、多功能的接触电流校准仪。

1 接触电流的测量原理

根据电流对人体的生理效应，GB/T 12113—2003提供了三个测量网络。目前，各种设备标准普遍使用其中的“加权接触电流(感知电流或反应电流)测量网络”来测量接触电流[5]，其原理如图1所示。图1中虚线左侧是模拟人体阻抗的测量网络，右侧是电压测量电路，这两部分是接触电流测试仪的核心模块。测试仪对网络的输出响应电压(图1中U1或U2)进行测量，然后除以人体阻抗500Ω，换算成对应的接触电流指示值。设备标准中规定的接触电流限值一般指的是反应电流。低频下反应电流的通用阈值为0.5mA[6]。

图1 接触电流的测量原理示意图

2 校准工作中存在的问题

2.1 校准接触电流示值误差的必要性

接触电流的测量值是被测电气设备安全与否的判定依据。接触电流测试仪的示值与测量网络和电压测量电路的特性密切相关，是两者特性的综合体现；其测量范围一般从微安至数十毫安，技术指标在DC～1MHz频率范围内分频段给出。虽然GB/T 12113—2003附录L给出了通过“输入阻抗”和“传输阻抗”来校准测量网络的方法，但并未给出接触电流示值误差的校准方法。如何对接触电流测试仪进行全面、有效地校准，仍需要进一步研究。

2.2 分布电感对传输阻抗校准的影响

在高频下校准网络的传输阻抗特性时，必须考虑测试线的分布电感，其等效电路如图2所示。图2中电压表以电压源的低端作为信号地(图中的“SGND”)。1m测试线上分布电感的典型值约为1μH。当传输高频电流时，低端测试线分布电感上将产生显著的电压降，使得被测信号U2实际上叠加在一个同频率的共模电压之上。假设电压源输出为5V，对图2系统进行SPICE仿真；在1MHz频率下，低端测试线分布电感(1μH)上的压降UB为65.796mV，响应电压U2为3.616mV，共模电压UB是U2的18.2倍。

图2 传输特性校准系统的等效示意图

各种数字多用表均无法准确测量含有高频共模电压的信号。GB/T 12113—2003附录G.2要求电压表的共模抑制在1MHz时至少为40dB，但即便使用了这样的电压表，SPICE仿真结果表明U2的测量值也会偏大18.2%。因此，如何消除高频共模电压的影响是传输阻抗校准必须解决的问题。此外，部分接触电流测试仪未提供网络响应电压的输出端口，如何校准此类测试仪的传输阻抗也需要进行研究。

3 接触电流示值误差的校准

3.1 示值误差的直接校准法

直接校准法是使用标准信号源在测量网络的输入端施加激励电压，然后将接触电流示值与标准网络的理想值进行比较，判断是否满足规定的技术指标。由于测量网络的频率衰减特性，使用标准信号源对示值误差进行全量程和全频率范围的校准是难以实现的。DC～1MHz频率范围内，图1网络的UAB/U2比值为4～1382；在高频段要求信号源必须输出高电压并提供很大的电流，大大超出了常用标准信号源的驱动能力。因此，示值误差的直接校准法不具有可操作性。

3.2 示值的基本误差和频率附加误差

虽然现有的接触电流测试仪普遍将测量网络和电压测量电路集成在一起，但GB/T 12113—2003中使用的却是独立的电压表。鉴于GB/T 12113—2003附录G对电压表性能的描述，有理由推断该标准中交流电压测量使用的是电子电压表类仪器。接触电流测试仪和电子电压表都具有量程范围宽、频率跨度大的特点，两者的技术指标表达方式上也有很高的相似度。因此，可以参照JJG 782—1992《低频电子电压表检定规程》来校准接触电流测试仪的示值误差，具体包括两个项目：基本误差和频率附加误差。

交流电流对人体的效应，以电气装置中最常用频率(50Hz或60Hz)电流效应的有关研究结果为依据[6]。因此，首先在工频下校准接触电流各个量程的“基本误差”。其次，GB/T 12113—2003网络的U1通道没有频率衰减特性，将测试仪的测量通道切换到U1，在DC～1MHz频率范围内校准1mA电流点的“频率附加误差”，从而对电压测量电路的频响特性进行考察，所需的激励电压为0.5～2V。

3.3 无响应输出端口的传输阻抗校准

传输阻抗的校准也可以通过计算输入激励电压US和输出电压U2的传输电压比，然后与GB/T 12113—2003附录表L.5的标准值进行比较。对于未提供响应电压输出端口的测试仪，完成接触电流示值误差校准后，可以使用间接的校准法：将测量网络和电压测量电路作为一个整体，在网络的输入端施加一定的激励信号，读取被校测试仪的电流示值，再按KTR=(500×I示值)/US式计算传输电压比。绝大部分接触电流测试仪的测量下限可达10μA。表1给出了根据GB/T 12113—2003附录表L.5计算的激励电压值。

表1 校准传输电压比的激励电压

4 接触电流校准仪的关键技术和核心模块设计

4.1 基于DDS技术的接触电流校准仪

为满足接触电流测试仪的校准需要，本研究采用直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技术研制了一种接触电流校准仪。不管是测量网络还是示值误差的校准，都需要在DC～1MHz的十余个频率点进行，工作量非常繁重。本研究研制的校准仪基于DDS技术设计可编程电压发生器，能够依次产生不同频率的激励信号，从而实现各种自动扫频校准功能。

4.2 输入阻抗的自动扫频校准

接触电流校准仪使用“三端”阻抗测量法对网络的输入阻抗进行测量，其原理如图3所示。通过两条专用测试线(一端是BNC，另一端是香蕉头)将校准仪的测量端口和被校网络相连接，专用测试线的屏蔽层接地，可大大降低测试线间分布电容CP对输入阻抗测量的影响。接触电流校准仪采用I-V转换电路测量激励电流IS，与US相除得到网络的输入阻抗。DDS电压发生器依次产生DC、20Hz、50Hz……500kHz和1MHz的激励电压，校准仪能够对输入阻抗进行自动扫频校准。

图3 输入阻抗的测量原理图

4.3 采用隔离测量技术实现传输特性的校准

接触电流校准仪采用隔离测量技术校准网络的传输特性，其原理如图4所示。校准仪通过隔离电源为UR测量模块供电，UR测量电路的信号地(图4中的“ISO”)与被校网络共地，测试线上的共模电压不会对UR的测量产生影响。虽然UR测量模块与MCU之间需要增加额外的隔离I/O通讯电路，但从根本上解决了共模电压的抑制问题。隔离式UR测量模块与DDS电压发生器配合，也可以实现传输电压比的自动扫频校准。

图4 隔离式响应电压的测量原理图

5 校准仪的主要功能和技术指标

5.1 主要功能

1)测量网络分析功能：能够在DC～1MHz范围内对网络的输入阻抗和传输电压比进行自动扫频校准；2)高伴随电压的标准电流源：伴随电压可达50V的电流源，能够在10μA～25mA范围内直接驱动GB/T 12113—2003的测量网络，对接触电流示值的基本误差进行校准；3)标准电压源：可产生DC～1MHz标准电压，对接触电流示值的频率附加误差进行校准；4)可编程功能：通过预存电压和电流的参数，由“快捷输出键”可以实现所有标准信号的快速输出。

5.2 技术指标

SB9020A型接触电流校准仪的主要技术指标见表2。

表2 校准仪的主要技术指标

6 结论

采用GB/T 12113—2003测量网络的接触电流测试仪，其电流示值与测量网络及电压测量电路的特性密切相关，应在DC～1MHz频率范围内分别进行校准。通过基本误差和频率附加误差来校准接触电流的示值误差，可以兼顾其测量范围宽和频率跨度大的特点；在此基础上，对无响应电压输出端口的测试仪也可间接实现传输特性的校准。本研究采用隔离测量技术解决了传输阻抗校准中的高频共模电压抑制问题，所研制的校准仪能够满足接触电流测试仪的校准需要。GB 9706.1—2007规定了一个专用于医用电气设备的漏电流测量网络，其测量带宽也是1MHz，采用该网络的医用泄漏电流测试仪可参照本研究的方法进行校准。

[1] 王景元，冒依群.一种漏电流测量仪表校准器[J].计量学报，1995，16(3)

[2] 陈传岭，卫亚博.泄漏电流测量仪校准方法的研究[J].计量技术，2008(10)

[3] 何洪波，孔慧超.一种新型的泄漏电流测试仪检定装置[J].电测与仪表，2011，48(6)

[4] 倪华，金雷鸣.接触电流测量中使用的模拟人体网络的校准[J].上海计量测试，2010(4)

[5] 陈志雄.浅析接触电流与泄漏电流的内在联系[J].计量技术，2014(5)

[6] GB/T 13870.1-2008，电流通过人体的效应 第1部分 通用要求[S]

国防科工局计量科研项目资助(项目编号J122010A002)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.12