測(cè)量兆歐表中值電壓和開(kāi)路電壓的一種方法

李濤，高博，張華鋒

(中國(guó)人民解放軍92957部隊(duì)，浙江舟山316000)

測(cè)量兆歐表中值電壓和開(kāi)路電壓的一種方法

李濤，高博，張華鋒

(中國(guó)人民解放軍92957部隊(duì)，浙江舟山316000)

提出了一種僅用一臺(tái)通用高阻標(biāo)準(zhǔn)器和臺(tái)式數(shù)字多用表來(lái)完成兆歐表中值電壓和開(kāi)路電壓的計(jì)量方法。通過(guò)調(diào)節(jié)高阻標(biāo)準(zhǔn)器的阻值以及改變和數(shù)字多用表的連接方式，組合出所需的測(cè)量電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，靈活度高，減低了成本，提高了設(shè)備的使用率。

電學(xué)計(jì)量;兆歐表;中值電壓測(cè)量;開(kāi)路電壓測(cè)量

0 引言

根據(jù)JJG 622－1997《絕緣電阻表(兆歐表)檢定規(guī)程》的要求，示值誤差、中值電阻端鈕電壓和開(kāi)路端鈕電壓是必測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)JJG 1005－2005《電子式絕緣電阻表檢定規(guī)程》的要求，示值誤差、開(kāi)路測(cè)量電壓是必測(cè)項(xiàng)目。這樣檢定一臺(tái)兆歐表至少要用到高電阻標(biāo)準(zhǔn)器(例如ZX79D+)、靜電電壓表(高輸入阻抗電壓表)，或是高電阻標(biāo)準(zhǔn)器(例如ZX79D+)、帶電壓測(cè)量?jī)x的高電阻標(biāo)準(zhǔn)器(例如ZX124C)，給使用、維護(hù)、溯源、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都帶來(lái)諸多不便［1］。

本文介紹一種使用一臺(tái)高電阻標(biāo)準(zhǔn)器(如ZX79D+)和一臺(tái)通用的數(shù)字電壓表完成中值電阻端鈕電壓和開(kāi)路端鈕電壓項(xiàng)目的測(cè)量方法，因示值誤差的檢定與一般方法沒(méi)有異同，本文不再贅述。

1 以往方法存在的問(wèn)題

測(cè)量中值端鈕電壓或開(kāi)路端鈕電壓的兩種方法如圖1所示。測(cè)量方法一:使用一臺(tái)高輸入阻抗的電壓測(cè)量設(shè)備靜電電壓表進(jìn)行電壓測(cè)量，使用高阻標(biāo)準(zhǔn)器提供中值阻值，特點(diǎn)是可以提供的中值電阻范圍大，不足是增加一臺(tái)靜電電壓表。測(cè)量方法二:使用專(zhuān)用的中值電壓測(cè)量設(shè)備ZX124C完成測(cè)量，特點(diǎn)是方法直接，不足是增加了一臺(tái)ZX124C設(shè)備。ZX124C輸出的中值電阻數(shù)量不多，時(shí)常需要借助ZX79D+完成中值電阻值的設(shè)置，ZX124C除電壓測(cè)量功能外，其他功能與ZX79D+相重復(fù)，且量值點(diǎn)較少。

圖1 中值端鈕電壓、開(kāi)路端鈕電壓的兩種測(cè)量方法示意圖

這樣的方法帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:一是必須配備兩臺(tái)高電阻標(biāo)準(zhǔn)器(如ZX79D+和ZX124C)，標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)量多，給溯源和維護(hù)等帶來(lái)不便，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的功能、量值重復(fù)，造成浪費(fèi)，兩臺(tái)體積、重量較大的設(shè)備攜帶到現(xiàn)場(chǎng)不方便;二是根據(jù)檢定規(guī)程要求，高輸入阻抗電壓表的測(cè)量誤差不大于±1.5%，輸入阻抗是中值電阻的20～50倍，兆歐表的中值電阻一般為1～200 MΩ，開(kāi)路電壓范圍一般為50～5000 V，電壓表的輸入阻抗應(yīng)能達(dá)到20～10000 MΩ。通常情況下，僅有靜電電壓表能夠測(cè)量寬電壓范圍的高阻抗電壓表。采用靜電電壓表能滿(mǎn)足測(cè)量要求，但是靜電電壓表的應(yīng)用范圍較窄，基本成為“專(zhuān)用設(shè)備”，利用率不高。

2 測(cè)量方法

中值電阻端鈕電壓是指兆歐表指示值為刻度盤(pán)的中心刻度時(shí)，兆歐表端鈕輸出的電壓。開(kāi)路電壓可以理解為兆歐表端鈕開(kāi)路時(shí)，或兆歐表指示值超出最高有數(shù)字的刻度、同時(shí)可以小于無(wú)窮大刻度時(shí)，電子式兆歐表按規(guī)定要求顯示示值時(shí)，兆歐表端鈕輸出的電壓。根據(jù)上述的理解，本文使用輸入阻抗為10 MΩ的數(shù)字電壓表，與高阻標(biāo)準(zhǔn)器(ZX79D)共同測(cè)量中值端鈕電壓和開(kāi)路端鈕電壓。根據(jù)中值電阻的不同，采用三種相應(yīng)的測(cè)量方法［2］。

當(dāng)中值電阻為10 MΩ時(shí)，直接用數(shù)字電壓表測(cè)量兆歐表端鈕電壓，這時(shí)數(shù)字電壓表的輸入阻抗作為兆歐表的被測(cè)電阻，數(shù)字電壓表的測(cè)量值為中值電阻端鈕電壓。該方法是利用數(shù)字表的輸入阻抗，用數(shù)字表直接測(cè)量端鈕電壓，方法簡(jiǎn)單、直接，電壓最高測(cè)量值一般不超過(guò)1000 V。

當(dāng)中值電阻小于10 MΩ時(shí)，測(cè)量方法如圖2所示，將高阻標(biāo)準(zhǔn)器與數(shù)字電壓表并聯(lián)接到被測(cè)兆歐表的端鈕上，調(diào)節(jié)高阻標(biāo)準(zhǔn)器，使被測(cè)兆歐表指示值為中值電阻值，數(shù)字電壓表的測(cè)量值為中值端鈕電壓。該方法可以完成較低中值電阻兆歐表的測(cè)量，電壓最高測(cè)量值一般不超過(guò)1000 V。

圖2 中值電阻小于10 MΩ測(cè)量示意框圖

當(dāng)中值電阻大于10 MΩ時(shí)，測(cè)量方法如圖3所示，將高阻標(biāo)準(zhǔn)器與數(shù)字電壓表串聯(lián)接到被測(cè)兆歐表的端鈕上，調(diào)節(jié)高阻標(biāo)準(zhǔn)器，使被測(cè)兆歐表指示值為中值電阻值，讀取數(shù)字電壓表的測(cè)量值，按式(1)計(jì)算中值電阻端鈕電壓。該方法可以完成較高中值電阻兆歐表的測(cè)量，電壓最高測(cè)量值一般可以測(cè)量到高阻標(biāo)準(zhǔn)器的最高電壓使用上限。

圖3 中值電阻大于10 MΩ測(cè)量示意框圖

根據(jù)串聯(lián)電阻的分壓關(guān)系可得

經(jīng)過(guò)變換可得

式中:uzo為兆歐表的中值電阻端鈕電壓，V;us為數(shù)字電壓表的測(cè)量值，V;Rb為高阻標(biāo)準(zhǔn)器的電阻值，MΩ;Ri為數(shù)字電壓表的輸入阻抗，MΩ。

根據(jù)上述原理，可以設(shè)計(jì)一種較為通用的測(cè)量方法，如圖4所示。將高阻標(biāo)準(zhǔn)器、一個(gè)分壓電阻Rf串聯(lián)接到兆歐表的端鈕上，數(shù)字電壓表連接到分壓電阻兩端。分壓電阻阻值取1 MΩ，設(shè)置數(shù)字電壓表的輸入阻抗大于1000 MΩ，如34401數(shù)字多用表輸入電阻可以設(shè)置為大于10 GΩ，或分壓電阻阻值取1.11 MΩ，設(shè)置數(shù)字電壓表的輸入阻抗為10 MΩ，調(diào)節(jié)高阻標(biāo)準(zhǔn)器，使被測(cè)兆歐表指示值為中值電阻值，讀取數(shù)字電壓表的測(cè)量值，按式(1)計(jì)算中值電阻端鈕電壓。其中Ri=Rf=1 MΩ。由于高阻標(biāo)準(zhǔn)器的分壓作用，使1 MΩ分壓電阻的電壓降不大于50 V，滿(mǎn)足一般精密電阻的使用技術(shù)條件，為了減小測(cè)量誤差和減少測(cè)量不確定度分析的繁瑣，分壓電阻的誤差不大于±0.1%。該方法是一種通用的測(cè)量方法，其中值電阻最小值為1 MΩ，電壓最高測(cè)量值一般可以測(cè)量到高阻標(biāo)準(zhǔn)器的最高電壓使用上限。

圖4 端鈕電壓測(cè)量方法示意圖

開(kāi)路端鈕電壓的測(cè)量可根據(jù)實(shí)際情況，采用圖3或圖4所示方法。測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)高阻標(biāo)準(zhǔn)器的阻值，使被檢模擬兆歐表的示值超出最高有數(shù)字的刻度，電子式兆歐表按規(guī)定要求顯示示值，讀取數(shù)字電壓表的測(cè)量值，仿照中值電阻端鈕電壓的計(jì)算方法，按式(1)計(jì)算開(kāi)路端鈕電壓。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，難以使兆歐表端鈕完成開(kāi)路。這種方法滿(mǎn)足檢定規(guī)程對(duì)輸入阻抗大于中值電阻20倍的要求。如果將分壓電阻Rf與數(shù)字電壓表的輸入阻抗并聯(lián)值提高到100 MΩ，數(shù)字電壓表輸入端最大輸入電壓控制小于2 V，則整個(gè)電壓測(cè)量部分在測(cè)量最高電壓5000 V時(shí)，輸入阻抗可以高達(dá)10 GΩ，這時(shí)兆歐表的端鈕就接近開(kāi)路了。

3 測(cè)量不確定度分析

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)保證數(shù)字表的輸入阻抗值準(zhǔn)確。類(lèi)似于34401數(shù)字多用表，僅在10 V以下量程的輸入阻抗能設(shè)置成大于10 GΩ，所以在高輸入阻抗情況下運(yùn)用時(shí)，必須使34401數(shù)字多用表的測(cè)量電壓不大于20 V，即保證其工作在10 V以下量程。數(shù)字電壓表的10 MΩ輸入阻抗可以通過(guò)溯源得到準(zhǔn)確量值，也可以使用溯源過(guò)的電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，得到輸入阻抗的準(zhǔn)確值。為了減小測(cè)量誤差和減少測(cè)量不確定度分析的繁瑣，輸入阻抗的誤差在±(0.1% ～0.5%)范圍內(nèi)為宜。

使用數(shù)字電壓表直接測(cè)量兆歐表的端鈕時(shí)，電壓測(cè)量不確定度主要來(lái)自于數(shù)字電壓表的測(cè)量誤差和測(cè)量的重復(fù)性。使用四位半以上的數(shù)字表的測(cè)量誤差一般不大于±0.1%，測(cè)量重復(fù)性數(shù)值更小，所以滿(mǎn)足檢定規(guī)程測(cè)量誤差不大于±1.5%的要求。

使用高阻標(biāo)準(zhǔn)器與數(shù)字表串聯(lián)的工作方式時(shí)，電壓測(cè)量不確定度來(lái)自于數(shù)字電壓表的測(cè)量誤差、高阻標(biāo)準(zhǔn)器阻值誤差、分壓電阻的阻值誤差、數(shù)字電壓表的輸入阻抗誤差，以及測(cè)量的重復(fù)性。數(shù)字表的輸入阻抗誤差不大于±0.1%，分壓電阻的誤差為±0.1%，高阻標(biāo)準(zhǔn)器的誤差范圍為±(0.2% ～1.0%)。數(shù)字表的輸入阻抗和高阻標(biāo)準(zhǔn)器的誤差是電壓測(cè)量不確定度的主要來(lái)源，其他可以忽略不計(jì)。經(jīng)過(guò)合成后最大約為±1.2%。所以滿(mǎn)足檢定規(guī)程測(cè)量誤差小于±1.5%的要求。當(dāng)高阻標(biāo)準(zhǔn)器的誤差大于±1.0%時(shí)，測(cè)量不確定度的來(lái)源主要就是高阻標(biāo)準(zhǔn)器，但是這主要應(yīng)用于開(kāi)路端鈕電壓的測(cè)量，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度要求已經(jīng)不高了，為了降低測(cè)量誤差，可以使用高阻標(biāo)準(zhǔn)器的修正值，以滿(mǎn)足測(cè)量要求［3－4］。

采用該方法測(cè)試過(guò)50臺(tái)模擬式兆歐表，10臺(tái)電子式絕緣電阻表，測(cè)試過(guò)程正常，并且與使用ZX124C絕緣電阻表多功能試驗(yàn)箱的測(cè)量結(jié)果相比較，測(cè)量結(jié)果基本一致。用該方法和ZX124C測(cè)量上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值，測(cè)量值如表1所示。

表1 開(kāi)路電壓測(cè)量值 V

4 結(jié)束語(yǔ)

該方法使用一臺(tái)高阻標(biāo)準(zhǔn)器和一臺(tái)通用的數(shù)字電壓表完成兆歐表主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試原理科學(xué)，測(cè)試過(guò)程中均使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明，實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，測(cè)量準(zhǔn)確度高，減低了成本，提高了設(shè)備的使用率，測(cè)量方法與計(jì)量檢定規(guī)程不沖突，是一種值得推廣的測(cè)試方法。

［1］楊會(huì)民，陳珺，薛冰.絕緣電阻表的檢定、校驗(yàn)及維修［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2011(5):46－48.

［2］趙應(yīng)林.探究萬(wàn)用電表歐姆擋的中值電阻［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2010(5):99.

［3］申莉，李俊，曹作群.電子式絕緣電阻表測(cè)量不確定度的分析與評(píng)定［J］.電測(cè)與儀表，2010(8):146－149.

［4］李樹(shù)松.絕緣電阻表(兆歐表)測(cè)量不確定度評(píng)定報(bào)告［J］.江蘇現(xiàn)代計(jì)量，2013(12): 36－38.

A M easurement M ethod for M edian Voltage and Open Circuit Voltage of M eggers

LITao，GAO Bo，ZHANG Huafeng
(No.92957 of PLA，Zhoushan 316000，China)

The article puts forward a newmethod tomeasure themedian voltage and open circuit voltage ofmeggers，by only using a general－purpose high resistance standard and a desktop digitalmultimeter.We got the right circuit through adjusting the high resistance standard and changing the connection with the digitalmultimeter.The experimental results show that thismethod is practical，easy to operate，fullof high flexibility，reduces the cost and improves the efficiency of the equipment.

electricalmetrology;megger;measurement ofmedian voltage;measurement of open circuit voltage

TB971

A

1674－5795(2015)01－0042－03

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.10

2014－09－09;

2014－11－03

李濤(1960－)，男，遼寧本溪人，高級(jí)工程師，碩士研究生導(dǎo)師，從事計(jì)量測(cè)試工作。