接觸電流測試儀校準(zhǔn)技術(shù)的研究*

陳志雄 王 實(shí) 梁瓊崇 張曉芬

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所計(jì)量檢測中心，廣州 510610)

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接觸電流測試儀校準(zhǔn)技術(shù)的研究*

陳志雄 王 實(shí) 梁瓊崇 張曉芬

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所計(jì)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(zhǔn)技術(shù)。分析了測試線分布電感對傳輸阻抗校準(zhǔn)的影響機(jī)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(zhǔn)接觸電流示值誤差的方法。基于DDS、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(zhǔn)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)測量網(wǎng)絡(luò)的自動掃頻校準(zhǔn)，以及接觸電流示值誤差的快速校準(zhǔn)，滿足接觸電流測試儀的校準(zhǔn)需要。

接觸電流；校準(zhǔn)；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(hù)導(dǎo)體電流的測量方法》為高頻電流的電擊防護(hù)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(zhǔn)方法仍未達(dá)成共識。傳統(tǒng)泄漏電流測試儀的校準(zhǔn)方法是考察網(wǎng)絡(luò)的直流電阻值和時(shí)間常數(shù)，并在50Hz頻率下校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)方法，并研制了一種可編程、多功能的接觸電流校準(zhǔn)儀。

1 接觸電流的測量原理

根據(jù)電流對人體的生理效應(yīng)，GB/T 12113—2003提供了三個(gè)測量網(wǎng)絡(luò)。目前，各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)普遍使用其中的“加權(quán)接觸電流(感知電流或反應(yīng)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(yīng)電壓(圖1中U1或U2)進(jìn)行測量，然后除以人體阻抗500Ω，換算成對應(yīng)的接觸電流指示值。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的接觸電流限值一般指的是反應(yīng)電流。低頻下反應(yīng)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(zhǔn)工作中存在的問題

2.1 校準(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)方法。如何對接觸電流測試儀進(jìn)行全面、有效地校準(zhǔn)，仍需要進(jìn)一步研究。

2.2 分布電感對傳輸阻抗校準(zhǔn)的影響

在高頻下校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸阻抗特性時(shí)，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(dāng)傳輸高頻電流時(shí)，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(shí)際上疊加在一個(gè)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(jìn)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(yīng)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(zhǔn)系統(tǒng)的等效示意圖

各種數(shù)字多用表均無法準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)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(yīng)電壓的輸出端口，如何校準(zhǔn)此類測試儀的傳輸阻抗也需要進(jìn)行研究。

3 接觸電流示值誤差的校準(zhǔn)

3.1 示值誤差的直接校準(zhǔn)法

直接校準(zhǔn)法是使用標(biāo)準(zhǔn)信號源在測量網(wǎng)絡(luò)的輸入端施加激勵(lì)電壓，然后將接觸電流示值與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的理想值進(jìn)行比較，判斷是否滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。由于測量網(wǎng)絡(luò)的頻率衰減特性，使用標(biāo)準(zhǔn)信號源對示值誤差進(jìn)行全量程和全頻率范圍的校準(zhǔn)是難以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)信號源的驅(qū)動能力。因此，示值誤差的直接校準(zhǔn)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(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，兩者的技術(shù)指標(biāo)表達(dá)方式上也有很高的相似度。因此，可以參照J(rèn)JG 782—1992《低頻電子電壓表檢定規(guī)程》來校準(zhǔn)接觸電流測試儀的示值誤差，具體包括兩個(gè)項(xiàng)目：基本誤差和頻率附加誤差。

交流電流對人體的效應(yīng)，以電氣裝置中最常用頻率(50Hz或60Hz)電流效應(yīng)的有關(guān)研究結(jié)果為依據(jù)[6]。因此，首先在工頻下校準(zhǔn)接觸電流各個(gè)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(zhǔn)1mA電流點(diǎn)的“頻率附加誤差”，從而對電壓測量電路的頻響特性進(jìn)行考察，所需的激勵(lì)電壓為0.5～2V。

3.3 無響應(yīng)輸出端口的傳輸阻抗校準(zhǔn)

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

表1 校準(zhǔn)傳輸電壓比的激勵(lì)電壓

4 接觸電流校準(zhǔn)儀的關(guān)鍵技術(shù)和核心模塊設(shè)計(jì)

4.1 基于DDS技術(shù)的接觸電流校準(zhǔn)儀

為滿足接觸電流測試儀的校準(zhǔn)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(zhǔn)儀。不管是測量網(wǎng)絡(luò)還是示值誤差的校準(zhǔn)，都需要在DC～1MHz的十余個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行，工作量非常繁重。本研究研制的校準(zhǔn)儀基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)可編程電壓發(fā)生器，能夠依次產(chǎn)生不同頻率的激勵(lì)信號，從而實(shí)現(xiàn)各種自動掃頻校準(zhǔn)功能。

4.2 輸入阻抗的自動掃頻校準(zhǔn)

接觸電流校準(zhǔn)儀使用“三端”阻抗測量法對網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)儀采用I-V轉(zhuǎn)換電路測量激勵(lì)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(lì)電壓，校準(zhǔn)儀能夠?qū)斎胱杩惯M(jìn)行自動掃頻校準(zhǔn)。

圖3 輸入阻抗的測量原理圖

4.3 采用隔離測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸特性的校準(zhǔn)

接觸電流校準(zhǔn)儀采用隔離測量技術(shù)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，其原理如圖4所示。校準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)傳輸電壓比的自動掃頻校準(zhǔn)。

圖4 隔離式響應(yīng)電壓的測量原理圖

5 校準(zhǔn)儀的主要功能和技術(shù)指標(biāo)

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(jìn)行自動掃頻校準(zhǔn)；2)高伴隨電壓的標(biāo)準(zhǔn)電流源：伴隨電壓可達(dá)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(jìn)行校準(zhǔn)；3)標(biāo)準(zhǔn)電壓源：可產(chǎn)生DC～1MHz標(biāo)準(zhǔn)電壓，對接觸電流示值的頻率附加誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；4)可編程功能：通過預(yù)存電壓和電流的參數(shù)，由“快捷輸出鍵”可以實(shí)現(xiàn)所有標(biāo)準(zhǔn)信號的快速輸出。

5.2 技術(shù)指標(biāo)

SB9020A型接觸電流校準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 校準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)

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(yīng)在DC～1MHz頻率范圍內(nèi)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。通過基本誤差和頻率附加誤差來校準(zhǔn)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(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，對無響應(yīng)電壓輸出端口的測試儀也可間接實(shí)現(xiàn)傳輸特性的校準(zhǔn)。本研究采用隔離測量技術(shù)解決了傳輸阻抗校準(zhǔn)中的高頻共模電壓抑制問題，所研制的校準(zhǔn)儀能夠滿足接觸電流測試儀的校準(zhǔn)需要。GB 9706.1—2007規(guī)定了一個(gè)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(jìn)行校準(zhǔn)。

[1] 王景元，冒依群.一種漏電流測量儀表校準(zhǔn)器[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，1995，16(3)

[2] 陳傳嶺，衛(wèi)亞博.泄漏電流測量儀校準(zhǔn)方法的研究[J].計(jì)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(zhǔn)[J].上海計(jì)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(jì)量技術(shù)，2014(5)

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

國防科工局計(jì)量科研項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號J122010A002)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.12