多功能电阻测试仪校准系统设计

回路电阻测试仪和直阻仪是电力设备设施检测的常用设备。回路电阻测试仪是用于测量开关、断路器、变压器等设备的接触电阻、回路电阻的专用测试设备，其测试电流为100 A或更大的直流电流，也被称为“接触电阻测试仪”[1]。直阻仪是用于测量变压器、互感器、电机绕组等感性被测对象的直流电阻的专用测试设备，也被称为“直流电阻快速测试仪”[2]。

接地导通电阻测试仪是用于测量交流电网供电的电器设备（如家用电器、电动电热器具、医用电气设备及测量、控制和实验室用电气设备等）的可触及金属壳体与该设备引出的安全接地端（线）之间导通电阻的仪器。

回路电阻测试仪、直阻仪和接地导通电阻测试仪都是测量电阻的仪器[3]，采用典型的四线制测量法，通过输出一个直流或交流电流，施加于被测体的两个端钮之间，并测量电流流过被测体所产生的压降，然后通过电压和电流之比得出被测体的电阻值。根据相关规程要求，这三类仪器需检定项目基本一致，本文提出的多功能电阻测试仪校准系统，摒弃传统电阻箱方案，采用精密仿真电阻技术和大电流测量技术，可模拟连续1uΩ~3.75Ω任意电阻值，能满足大部分回路电阻测试仪、直阻仪及接地导通电阻测试仪的检定需求。

2.技术原理及其实现

本系统是基于电流型有源模拟器设计的，采用直流比较仪作为电流转换装置。依据《DL/T 967-2005回路电阻测试仪与直流电阻快速测试仪检定规程》，有源模拟电阻器包括电流型有源模拟电阻器和电压型有源模拟电阻器。电流型有源模拟电阻器相相比电压型有源模拟电阻器降低对无源标准电阻器的功率要求，由于没有实际的电流功耗，避免了无源标准电阻器在大电流测试时温漂影响[4]。

本系统中难点在于电流转换装置的设计，因需要将被检测试仪产生高达600 A的大电流按一定比例转换成小电流，转换精度直接影响模拟电阻精度。本系统采用新型直流比较仪[5]进行电流转换，相比传统的直流比较仪能够快速捕捉电流的快速变化，且测量频率范围宽（见图1）

图1新型直流比较仪

Fig.1 A improved DC comparator

该直流比较仪由双铁芯叠加绕线而成。S、C为A和B共同绕组，S为磁通检测绕组，C为比较仪次级绕组，N4单独绕制在铁芯A上，为激励绕组。其中铁芯A由高导磁率软磁材料制作，铁芯B由低导磁率铁氧体材料制作。

图2铁芯B测量电路

Fig.2 Measuring circuit of iron core B

图2为铁芯B测量电路图。实现原理：S线圈检测磁通经过磁通检测模块转换为电压信号，控制功率放大器增大或减少输出，流经次级绕组电流随之增加或减小，通过不断的调节，最终使得铁芯B达到磁平衡。系统平衡建立的时间不超过1μs。通过标准电阻R进行电流采样，测试得到Us。从而可以计算出IP值。同时磁通信号可作为报警信号等状态信号。

式中：k为比例常数。

3.系统的硬件及软件设计

3.1系统原理

系统是基于电流型有源模拟电阻器原理进行拓展设计的，将被检测试仪产生的大电流输入到本系统的电流转换模块按一定比例转换成小电流，通过精密电阻转换成小电压，后经过电压采样及增益模块放大成比例电压信号输入到分压模块，由控制器进行控制其分压比，最后经过缓冲电路输出给被测仪器的电压采样端，形成测试回路。通过由微控制器控制分压模块电路中的分压比调节检定时检点电阻的阻值。电压采样及程控放大模块输出另一路电压输入到A/D采样模块，由控制器进行运算出对应的示值电流及做相关分析。原理框图如图3所示。

图3系统原理框图

Fig.3 Schematic diagram of the system

被检测试仪输出大电流I1经过宽频直流比较仪转换成小电流I2

式中I1—被检测试仪产生的大电流

k—宽频直流比较仪变比。

小电流I2经过精密电阻电路后得到电压U2

式中R—精密电阻的阻值。

电压U2经过电压采样及增益模块后得到电压U3

式中k1—U2经过电压采样及程控放大模块电压信号放大比例系数。

电压U3送入A/D采样模块，由控制器运算对应的示值电流及做相关运算分析，经过分压模块输出电压值U1。

式中k2—U3经过分压模块由控制器设定的放大比例系数。

因此被检电阻测试仪所测得的实际电阻值R1

系统中精密电阻的阻值R为固定值，信号放大比例系数k1、直流比较仪变比k值保持不变。因此检定时，微控制器控制分压模块中的分压比即k2值便可调节出不同的检定电阻阻值。

3.2 硬件设计

考虑到系统的实时性比较强，采用最新架构嵌入式微处理器加外围设计电路搭建的平台进行开发，系统硬件结构框图如图4所示。

图4系统硬件结