陳志雄 王 實 梁瓊崇 張曉芬

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心，廣州 510610)

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接觸電流測試儀校準技術(shù)的研究*

陳志雄 王 實 梁瓊崇 張曉芬

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心，廣州 510610)

研究了采用GB/T 12113—2003測量網(wǎng)絡(luò)的接觸電流測試儀校準技術(shù)。分析了測試線分布電感對傳輸阻抗校準的影響機制，指出電壓表高頻共模抑制能力的不足將帶來顯著誤差。提出了通過基本誤差和頻率附加誤差來校準接觸電流示值誤差的方法?；贒DS、I-V轉(zhuǎn)換和隔離測量等技術(shù)，研制了一款多功能的接觸電流校準儀，能夠?qū)崿F(xiàn)測量網(wǎng)絡(luò)的自動掃頻校準，以及接觸電流示值誤差的快速校準，滿足接觸電流測試儀的校準需要。

接觸電流；校準；示值誤差；測量網(wǎng)絡(luò)；輸入阻抗；傳輸阻抗

0 引言

GB/T 12113—2003《接觸電流和保護導體電流的測量方法》為高頻電流的電擊防護規(guī)定了測量網(wǎng)絡(luò)和測試方法，要求接觸電流(以往也通稱為“泄漏電流”)的測量頻率范圍到1MHz。目前，業(yè)界對接觸電流測試儀的校準方法仍未達成共識。傳統(tǒng)泄漏電流測試儀的校準方法是考察網(wǎng)絡(luò)的直流電阻值和時間常數(shù)，并在50Hz頻率下校準泄漏電流的示值誤差[1-3]。倪華等人[4]使用LCR表、數(shù)字多用表、電子電壓表和無感高頻電阻器等儀器，來校準接觸電流測量網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗和傳輸阻抗；但使用多臺儀器搭建的校準系統(tǒng)中，過多連接線間的分布參數(shù)將引入較大的不確定度分量。針對采用GB/T 12113—2003測量網(wǎng)絡(luò)的接觸電流測試儀，本研究探討了該類測試儀的校準方法，并研制了一種可編程、多功能的接觸電流校準儀。

1 接觸電流的測量原理

根據(jù)電流對人體的生理效應，GB/T 12113—2003提供了三個測量網(wǎng)絡(luò)。目前，各種設(shè)備標準普遍使用其中的“加權(quán)接觸電流(感知電流或反應電流)測量網(wǎng)絡(luò)”來測量接觸電流[5]，其原理如圖1所示。圖1中虛線左側(cè)是模擬人體阻抗的測量網(wǎng)絡(luò)，右側(cè)是電壓測量電路，這兩部分是接觸電流測試儀的核心模塊。測試儀對網(wǎng)絡(luò)的輸出響應電壓(圖1中U1或U2)進行測量，然后除以人體阻抗500Ω，換算成對應的接觸電流指示值。設(shè)備標準中規(guī)定的接觸電流限值一般指的是反應電流。低頻下反應電流的通用閾值為0.5mA[6]。

圖1 接觸電流的測量原理示意圖

2 校準工作中存在的問題

2.1 校準接觸電流示值誤差的必要性

接觸電流的測量值是被測電氣設(shè)備安全與否的判定依據(jù)。接觸電流測試儀的示值與測量網(wǎng)絡(luò)和電壓測量電路的特性密切相關(guān)，是兩者特性的綜合體現(xiàn)；其測量范圍一般從微安至數(shù)十毫安，技術(shù)指標在DC～1MHz頻率范圍內(nèi)分頻段給出。雖然GB/T 12113—2003附錄L給出了通過“輸入阻抗”和“傳輸阻抗”來校準測量網(wǎng)絡(luò)的方法，但并未給出接觸電流示值誤差的校準方法。如何對接觸電流測試儀進行全面、有效地校準，仍需要進一步研究。

2.2 分布電感對傳輸阻抗校準的影響

在高頻下校準網(wǎng)絡(luò)的傳輸阻抗特性時，必須考慮測試線的分布電感，其等效電路如圖2所示。圖2中電壓表以電壓源的低端作為信號地(圖中的“SGND”)。1m測試線上分布電感的典型值約為1μH。當傳輸高頻電流時，低端測試線分布電感上將產(chǎn)生顯著的電壓降，使得被測信號U2實際上疊加在一個同頻率的共模電壓之上。假設(shè)電壓源輸出為5V，對圖2系統(tǒng)進行SPICE仿真；在1MHz頻率下，低端測試線分布電感(1μH)上的壓降UB為65.796mV，響應電壓U2為3.616mV，共模電壓UB是U2的18.2倍。

圖2 傳輸特性校準系統(tǒng)的等效示意圖

各種數(shù)字多用表均無法準確測量含有高頻共模電壓的信號。GB/T 12113—2003附錄G.2要求電壓表的共模抑制在1MHz時至少為40dB，但即便使用了這樣的電壓表，SPICE仿真結(jié)果表明U2的測量值也會偏大18.2%。因此，如何消除高頻共模電壓的影響是傳輸阻抗校準必須解決的問題。此外，部分接觸電流測試儀未提供網(wǎng)絡(luò)響應電壓的輸出端口，如何校準此類測試儀的傳輸阻抗也需要進行研究。

3 接觸電流示值誤差的校準

3.1 示值誤差的直接校準法

直接校準法是使用標準信號源在測量網(wǎng)絡(luò)的輸入端施加激勵電壓，然后將接觸電流示值與標準網(wǎng)絡(luò)的理想值進行比較，判斷是否滿足規(guī)定的技術(shù)指標。由于測量網(wǎng)絡(luò)的頻率衰減特性，使用標準信號源對示值誤差進行全量程和全頻率范圍的校準是難以實現(xiàn)的。DC～1MHz頻率范圍內(nèi)，圖1網(wǎng)絡(luò)的UAB/U2比值為4～1382；在高頻段要求信號源必須輸出高電壓并提供很大的電流，大大超出了常用標準信號源的驅(qū)動能力。因此，示值誤差的直接校準法不具有可操作性。

3.2 示值的基本誤差和頻率附加誤差

雖然現(xiàn)有的接觸電流測試儀普遍將測量網(wǎng)絡(luò)和電壓測量電路集成在一起，但GB/T 12113—2003中使用的卻是獨立的電壓表。鑒于GB/T 12113—2003附錄G對電壓表性能的描述，有理由推斷該標準中交流電壓測量使用的是電子電壓表類儀器。接觸電流測試儀和電子電壓表都具有量程范圍寬、頻率跨度大的特點，兩者的技術(shù)指標表達方式上也有很高的相似度。因此，可以參照JJG 782—1992《低頻電子電壓表檢定規(guī)程》來校準接觸電流測試儀的示值誤差，具體包括兩個項目：基本誤差和頻率附加誤差。

交流電流對人體的效應，以電氣裝置中最常用頻率(50Hz或60Hz)電流效應的有關(guān)研究結(jié)果為依據(jù)[6]。因此，首先在工頻下校準接觸電流各個量程的“基本誤差”。其次，GB/T 12113—2003網(wǎng)絡(luò)的U1通道沒有頻率衰減特性，將測試儀的測量通道切換到U1，在DC～1MHz頻率范圍內(nèi)校準1mA電流點的“頻率附加誤差”，從而對電壓測量電路的頻響特性進行考察，所需的激勵電壓為0.5～2V。

3.3 無響應輸出端口的傳輸阻抗校準

傳輸阻抗的校準也可以通過計算輸入激勵電壓US和輸出電壓U2的傳輸電壓比，然后與GB/T 12113—2003附錄表L.5的標準值進行比較。對于未提供響應電壓輸出端口的測試儀，完成接觸電流示值誤差校準后，可以使用間接的校準法：將測量網(wǎng)絡(luò)和電壓測量電路作為一個整體，在網(wǎng)絡(luò)的輸入端施加一定的激勵信號，讀取被校測試儀的電流示值，再按KTR=(500×I示值)/US式計算傳輸電壓比。絕大部分接觸電流測試儀的測量下限可達10μA。表1給出了根據(jù)GB/T 12113—2003附錄表L.5計算的激勵電壓值。

表1 校準傳輸電壓比的激勵電壓

4 接觸電流校準儀的關(guān)鍵技術(shù)和核心模塊設(shè)計

4.1 基于DDS技術(shù)的接觸電流校準儀

為滿足接觸電流測試儀的校準需要，本研究采用直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)研制了一種接觸電流校準儀。不管是測量網(wǎng)絡(luò)還是示值誤差的校準，都需要在DC～1MHz的十余個頻率點進行，工作量非常繁重。本研究研制的校準儀基于DDS技術(shù)設(shè)計可編程電壓發(fā)生器，能夠依次產(chǎn)生不同頻率的激勵信號，從而實現(xiàn)各種自動掃頻校準功能。

4.2 輸入阻抗的自動掃頻校準

接觸電流校準儀使用“三端”阻抗測量法對網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗進行測量，其原理如圖3所示。通過兩條專用測試線(一端是BNC，另一端是香蕉頭)將校準儀的測量端口和被校網(wǎng)絡(luò)相連接，專用測試線的屏蔽層接地，可大大降低測試線間分布電容CP對輸入阻抗測量的影響。接觸電流校準儀采用I-V轉(zhuǎn)換電路測量激勵電流IS，與US相除得到網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。DDS電壓發(fā)生器依次產(chǎn)生DC、20Hz、50Hz……500kHz和1MHz的激勵電壓，校準儀能夠?qū)斎胱杩惯M行自動掃頻校準。

圖3 輸入阻抗的測量原理圖

4.3 采用隔離測量技術(shù)實現(xiàn)傳輸特性的校準

接觸電流校準儀采用隔離測量技術(shù)校準網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，其原理如圖4所示。校準儀通過隔離電源為UR測量模塊供電，UR測量電路的信號地(圖4中的“ISO”)與被校網(wǎng)絡(luò)共地，測試線上的共模電壓不會對UR的測量產(chǎn)生影響。雖然UR測量模塊與MCU之間需要增加額外的隔離I/O通訊電路，但從根本上解決了共模電壓的抑制問題。隔離式UR測量模塊與DDS電壓發(fā)生器配合，也可以實現(xiàn)傳輸電壓比的自動掃頻校準。

圖4 隔離式響應電壓的測量原理圖

5 校準儀的主要功能和技術(shù)指標

5.1 主要功能

1)測量網(wǎng)絡(luò)分析功能：能夠在DC～1MHz范圍內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗和傳輸電壓比進行自動掃頻校準；2)高伴隨電壓的標準電流源：伴隨電壓可達50V的電流源，能夠在10μA～25mA范圍內(nèi)直接驅(qū)動GB/T 12113—2003的測量網(wǎng)絡(luò)，對接觸電流示值的基本誤差進行校準；3)標準電壓源：可產(chǎn)生DC～1MHz標準電壓，對接觸電流示值的頻率附加誤差進行校準；4)可編程功能：通過預存電壓和電流的參數(shù)，由“快捷輸出鍵”可以實現(xiàn)所有標準信號的快速輸出。

5.2 技術(shù)指標

SB9020A型接觸電流校準儀的主要技術(shù)指標見表2。

表2 校準儀的主要技術(shù)指標

6 結(jié)論

采用GB/T 12113—2003測量網(wǎng)絡(luò)的接觸電流測試儀，其電流示值與測量網(wǎng)絡(luò)及電壓測量電路的特性密切相關(guān)，應在DC～1MHz頻率范圍內(nèi)分別進行校準。通過基本誤差和頻率附加誤差來校準接觸電流的示值誤差，可以兼顧其測量范圍寬和頻率跨度大的特點；在此基礎(chǔ)上，對無響應電壓輸出端口的測試儀也可間接實現(xiàn)傳輸特性的校準。本研究采用隔離測量技術(shù)解決了傳輸阻抗校準中的高頻共模電壓抑制問題，所研制的校準儀能夠滿足接觸電流測試儀的校準需要。GB 9706.1—2007規(guī)定了一個專用于醫(yī)用電氣設(shè)備的漏電流測量網(wǎng)絡(luò)，其測量帶寬也是1MHz，采用該網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)用泄漏電流測試儀可參照本研究的方法進行校準。

[1] 王景元，冒依群.一種漏電流測量儀表校準器[J].計量學報，1995，16(3)

[2] 陳傳嶺，衛(wèi)亞博.泄漏電流測量儀校準方法的研究[J].計量技術(shù)，2008(10)

[3] 何洪波，孔慧超.一種新型的泄漏電流測試儀檢定裝置[J].電測與儀表，2011，48(6)

[4] 倪華，金雷鳴.接觸電流測量中使用的模擬人體網(wǎng)絡(luò)的校準[J].上海計量測試，2010(4)

[5] 陳志雄.淺析接觸電流與泄漏電流的內(nèi)在聯(lián)系[J].計量技術(shù)，2014(5)

[6] GB/T 13870.1-2008，電流通過人體的效應 第1部分 通用要求[S]

國防科工局計量科研項目資助(項目編號J122010A002)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.12