实现准确测量绕组热态电阻的方法分析

实现准确测量绕组热态电阻的方法分析

张泽铭

广州广电计量检测股份有限公司广东广州510656

摘要：温升（发热）测试是电器产品安全测试中应用最广、使用频率最高的测试之一。对于采用具有绕组结构的部件的电器产品，使用电阻变化法测温升具有准确度高，受测试点影响小的特点。因此电阻变化法应该被广泛的应用于具有线圈、绕组等结构的部件的温升测量。本文从实际出发分析出实现样品发热稳定后热态直流电阻的准确、快速测量的方法，从而保证电阻变化法测温升中的测量准确度。

关键词：电阻变化法；温升测试；巡检仪；4线法

1、电阻变化法测温升的基本原理

电阻变化法测温升是测量绕组导体在发热后电阻值的变化量，按其变化规律来测算出绕组导体的温度。经科学验证，绕组阻值的增加量与绕组导体温度之间存在着确定的函数关系。对于铜线圈来说，线圈的温升值的计算公式是：

式中：

∆t——温升值；

R1——在环境温度t1下的电阻，单位是欧姆；

R2——当达到稳定状态时的电阻，单位是欧姆；

X——对铜绕组线为234.5；

t1——试验开始时的环境温度，单位是摄氏度；

t2——试验结束时的环境温度，单位是摄氏度。

电阻变化法公式中稳态热电阻是绕组的总体电阻，因此通过公式测算得出的是绕组导体的平均温度。按安全检测标准IEC60065中的提法，使用电阻变化法测得的绕组线温升要比使用热电偶测得的绕组线表面温升高10K。

2、常用测量导体电阻值的方法

测量电阻的方法很多，常用的有三种：

一种用万用表欧姆档直接测量电阻，优点是简捷方便，缺点是测量误差较大，整个测量过程的相对误差最大可达±5%左右；

另一种是用伏安法（4线法）测量电阻，优点是测量误差较小，精度约在±1%以内，缺点是间接测量，需计算修正。根据欧姆定律U=IR，即R=U/I只要用电压表测出电阻两端的电压，用电流表测出通过电阻的电流，就可以求出电阻值，这就是伏安法（4线法）测电阻的工作原理。原理非常简单，但在实际测量电路中，由于电流表的内阻不可能为零，电压表的内阻不可能为无穷大，就不可避免的改变了电路原来的状态，给测量结果带来了误差。所以在实际电路应用中，都必需对测得的数据进行计算修正。而随着现在电子科技的发展，现代的自动测量仪器已经完美的解决了数值修正的问题，测量精度达到±0.5%以内。

再一种是电桥法测量电阻，优点是测量精度最高，可精确到±0.1%以下，缺点是不简便，程序步骤较复杂。要达到精确测量线圈电阻，只能使用高精度的数字电桥。

另外，有一种在绕组带电状态下测量绕组温升的仪器，使用方便，但由于带电测线圈电阻在目前的技术条件下尚未达到所需要的精确度，所以不采用直接带电测量线圈的电阻而得到其温升的仪器作为试验结果。

3、现用方法的缺点

数字电桥只能在断电的环境下才能开展测量，由于它对电流非常敏感，因此绕组从电源断开后还需短路几秒钟（实际操作一般是5秒）再接到电桥上测电阻，以避免残余电量损坏电桥的测量电路。而且人工接线操作也需要一定的时间。也正是由于以上原因，我们没办法得到断电瞬间T0时刻的绕组电阻值R2。只能通过间接的方法来得出R2。

在INTERTEK的谢秀杰的《电阻法测温的原理及数学计算》中已经介绍了对电阻法测温所获得数据的处理及数学计算，及回归方程应用于热态线圈电阻的推算。该文章中，也说明了INTERTEK检测机构是使用数字直流电桥来进行线圈电阻测量，以电子秒表来计时。

在使用电阻测温法时，我们公司正在使用的方法与INTERTEK的方法类似，也是通过万用表或数字直流电桥读绕组的热态电阻，人工记录数据，使用电子秒表确定从断电到读出第一个阻值的时间间隔，并用电子秒表确定以后的读取间隔。这个过程通常都需要2个人的配合。这种记录方式通常都会出现以下缺点：读取阻值的时间点把握不准，时间间隔不能做到完全相同，读数位数不能太多否则容易读错阻值，容易记录错误，浪费人力。

从此得出结论为使用人工记数的方式不能准确、快速地记录各时间间隔点的阻值数据，在遇到需要读取多个绕组的热态电阻值时更是完全无法应对。

4、改良方法

4.1测试值的精度

在日常使用中，所要检测的电阻值的范围很宽，从最小的1欧左右到最大的几百欧都有测试需求。根据前面的电阻法的计算公式，较大的电阻值的小数位情况对结果的影响不大，以数百欧的电阻值为例，只要保证有效位数为5位即可。但对于较小的电阻值，如1欧左右的绕组电阻，则必需要读出4位以上的小数才能保证计算结果的准确性。为了保证所测得的电阻值的精度，必需采用分辨率达到4位小数的测量仪器。在实验室的现有仪器中，能达到这一精度等级的有数字直流电桥及安捷伦的数字多用巡检仪。其中直流数字电桥的有效小数位为3位，其具有毫欧级档位，能保证测量1欧级的电阻值的有效位数。安捷伦的数字多用巡检仪的最小档位为百欧，其具体6位半的小数位，也能保证测量1欧级的电阻值的有效位数。

4.2间隔时间的准确性

使用电子秒表来计时用在这个场合将导致时间差。

首先考虑同一人手持秒表并读取测量仪器的显示值，经试验分析，操作人员从看秒表到目光转移到测量仪表的反应时间都大于0.4秒，而且每一次读数的反应时间都不一样，这样会造成每次的读数时间间隔不相等。这种情况下每读10个数都会在记录过程中出现错误记录1-2个的情况。然后，考虑一人手持秒表报读数的时刻，另一人专注读数并记录，由于提示时间不一及个人反应时间不一样，这种情况也会造成每次的读数时间间隔不相等。

所以必需改为使用电子仪器在一定的时间间隔内自动记录读数。

4.3数值自动记录

为了避免人为读数过程中的错读、误读、忘记等情况的发生，最好是采用仪器自动采集数据的形式来记录数据。安捷伦的数字多用巡检仪能实现定时自动采集数据的功能，自动采集的时间间隔可调，这正好符合了电阻法中需要断电后在固定的时间间隔土采集电阻值的要求。时间间隔可根据不同的样品特性及其接上检测探头的操作难度而作适当的更改。如结构简单、容易接线的样品可将间隔调为5秒以内，而结构复杂、不容易接线的样品可将该间隔时间调为10秒。

4.4仪器选用及设置

综上所述，实验室现有设备中，同时满足3个改进条件的只有安捷伦的数字多用巡检仪，我们因此选用此设备作为电阻值的记录仪器，接下来就是对其进行设置。

硬件上，首先要把34901A的检测通道接成4线电阻的方式。这个步骤需要一次占用2个通道，1与11通道，分别作为source通道与sense通道。并且为了巡检仪不影响测试中的样品，也考虑到接线的方便性，需要4根适当长度的测试线。为了使测试结果不包括夹子部分的电阻值，这里还需要一种两个夹持边不导通的4线法专用夹具，把该夹具的两边分别连接到source通道的H/L端与sense通道的对应的H/L端。

软件上，需把对应的通道的检测功能改为4线电阻模式，并选择合适的小数位数。

在自动扫描时间间隔的设置上，首先要用秒表粗略记录测试人员在操作整个接线过程所需要的时间，包括从样品断电到把全部夹具夹到待测端子上的时间。然后在此基础上加上1至2秒的意外时间，再把该处理后的操作时间作为巡检仪的自动扫描时间。这样就不会因为一小点意外而导致温升测试重新进行。

5、结论

经过检测仪器的更换、测试夹具的合理配置、对检测仪器进行合理的设置及操作方法的

适当培训后，现在我司在使用电阻法测量绕组温升时基本都能实现断电后热态直流电阻的准确快速测试，为软件推断结果提供良好的原始数据。