专利名称：一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法
技术领域：
本发明属于电阻计量标准领域，具体涉及ー种四端电阻及測量四端电阻时间常数的方法。
背景技术：
在通过交流电时，在频率不是很高的情况下，电阻器的等效线路可以用集中參数的电路来表示，即交流电阻可以等效为其直流电阻串联ー个残余电感、并联ー个分布电容。从物理意义上解释就是当交流电流流过电阻时，交流电压会产生ー个相移，这个相移的角度是角频率和时间常数的乘积，频率越高，时间常数越大，则相移越大。从时域上，如果交流电流是ー个脉冲电流，那么时间常数就是电压信号升高到63. 2%所需要的时间。从1910年至1950年，科学家们提出了多种计算电阻时间常数的方法。其中有一种叫做同轴型时间常数标准，这种方法是把电阻做成同轴线的形状，由于圆筒中电流的流向井不能保证与轴线方向完全平行，因此会带来很大的计算误差。这是英国NPL 20年代的计算结果，普遍在10_7到10_8的量级。由于当时电信号的频率很低，因此这个量级完全可以满足实际应用。上个世纪60年代，中国也研制完成了回线型电阻时间常数计算样品，电阻下限到2欧姆，不确定度提高到了 10-9次方量级。到了 90年代，随着科技的发展，电信号的频率越来越高，为了满足IOOkHz功率测量的需要，澳大利亚计量院匪IA率先研制了盘片结构的时间常数标准，这个标准也是基于计算，实际上就是微电位计用的盘片电阻，尺寸很小，结构简单，便于计算。时间常数的參考的是ー只3. 9欧姆的盘片电阻，不确定度经计算在5X 10_n量级。然后通过爬台阶的方法扩展至0.1欧姆。从2005年开始，大多数国家都不再采取计算的样品，而是寻求实际测量的方法。欧盟计量组织启动了联合研究计划，开展新一代功率电能测量技术的研究。參加国有英国、法国、瑞典、意大利、奥地利等。比如澳大利亚采用微电位计作为电阻时间常数可计算标准，其基本原理是在ー个N型同轴连接器中心面上喷上ー层高电阻率材料，电流通过中心轴线向外呈放射性结构。基于功率热电变换器实现电流量程扩展至20A，200kHz。在电阻时间常数方面，意大利在2011年发表文章提出ー种测量电阻时间常数的方法，将该领域的研究由计算转向实际测量。在去年的欧洲会议上，瑞典SP提出了ー种基于阻抗测量仪(LCR计)的測量方法，这种方法是利用不同电阻的相同电感去修正阻抗电桥 的电感测量曲线，通过测量四端电阻等效残余电感的方法计算电阻时间常数。其电阻时间常数标准是将高电阻率材料喷在PCB板上，构成四端回线形结构，在回线两端作为电流输入，同时顺着电流方向，在PCB板另一面引出电压回路，这种结构在一定程度上减小回路间的互感值。基于数字采样的方法实现两通道的同步测量，将电流量扩展至100A、100kHz。但是这种方法修正的不确定度会很大
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种四端电阻及測量四端电阻时间常数的方法，把时间常数标准建立在測量上，而不是计算上，实现ー种參数可测量的时间常数标准本发明是通过以下技术方案实现的ー种四端电阻，其采用同轴拉线结构，包括外壳3和安装在所述外壳3内的电阻丝7、中心棒6、分流盘片5和集流盘片4 ；所述外壳3为圆筒结构，其两端分别作为电流端和电压端，在电流端安装有电流端端盖2，在电压端安装有电压端端盖1，所述电流端端盖2和电压端端盖I分别将外壳3的两端封闭。在所述电流端端盖2和电压端端盖I的中心均设有N型头，所述中心棒6的两端分别固定在电流端端盖2和电压端端盖I的N型头的芯9上；所述中心棒6位于所述外壳3的轴线上。所述分流盘片5和集流盘片4分别位于所述中心棒6的两端；所述集流盘片4的外缘固定在所述电压端端盖I上，所述集流盘片4的中心开有孔，所述中心棒6从该孔中穿过，中心棒6与集流盘片4不接触；所述分流盘片5固定在中心棒6上靠近电流端端盖2的一端；所述中心棒6穿过所述分流盘片5并与之接触；所述电阻丝7安装在所述分流盘片5和集流盘片4之间，所述电阻丝7均与中心棒6平行并在圆周上均布，所述电阻丝7的两端分别固定在所述分流盘片5和集流盘片4上。所述中心棒6、外壳3、电流端端盖2和电压端端盖I均采用铜材料制成；所述电阻丝7采用高电阻率的铜丝制成。因为康铜丝容易焊接且电阻率较高，因此实施例中选用康铜丝制作四端电阻的电阻丝。所述电压端端盖I上的N型头的芯9作为电压端的高电位端，外壳3作为电压端的低电位端；电流经电流端端盖2上的N型头的芯9流入，通过中心棒6流到分流盘片5上，再经过电阻丝7流到集流盘片4上，然后通过电压端端盖I流到外壳3上，最后通过外壳3流到电流端端盖2上的N型头的皮8上，构成电流回路。ー种测量所述四端电阻时间常数的方法，所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻Rc，通过低电阻率四端电阻Rc和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的測量，并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻Rc的电容得到所述四端电阻的电容值C。所述方法包括以下步骤(I)保持四端电阻的几何尺寸和结构不变，仅将电阻丝7的材料换成纯铜的，制作成低电阻率四端电阻Rc;(2)选取损耗角小于0. 02弧度的四端互感M ;(3)将所述四端互感M和标准电阻Rs直接串联，然后与交流电源连接形成回路；用交流电压表分别测得标准电阻Rs和四端互感M两端电压Urs和UM，根据回路电流相等，由公式(I)计算出四端互感M的互感值M :
权利要求
1.ー种四端电阻，其特征在于所述四端电阻采用同轴拉线结构，包括外壳(3)和安装在所述外壳⑶内的电阻丝(7)、中心棒(6)、分流盘片(5)和集流盘片⑷； 所述外壳(3)为圆筒结构，其两端分别作为电流端和电压端，在电流端安装有电流端端盖(2)，在电压端安装有电压端端盖(I)，所述电流端端盖(2)和电压端端盖(I)分别将外壳(3)的两端封闭。
2.根据权利要求I所述的四端电阻，其特征在于在所述电流端端盖(2)和电压端端盖⑴的中心均设有N型头，所述中心棒(6)的两端分别固定在电流端端盖⑵和电压端端盖⑴的N型头的芯(9)上；所述中心棒(6)位于所述外壳(3)的轴线上； 所述分流盘片(5)和集流盘片(4)分别位于所述中心棒￠)的两端； 所述集流盘片(4)的外缘固定在所述电压端端盖(I)上，所述集流盘片(4)的中心开有孔，所述中心棒(6)从该孔中穿过，中心棒￠)与集流盘片(4)不接触； 所述分流盘片(5)固定在中心棒(6)上靠近电流端端盖(2)的一端；所述中心棒(6)穿过所述分流盘片(5)并与之接触； 所述电阻丝(7)安装在所述分流盘片(5)和集流盘片(4)之间，所述电阻丝(7)均与中心棒(6)平行并在圆周上均布，所述电阻丝(7)的两端分别固定在所述分流盘片(5)和集流盘片⑷上。
3.根据权利要求2所述的四端电阻，其特征在于所述中心棒(6)、外壳(3)、电流端端盖⑵和电压端端盖⑴均采用铜材料制成；所述电阻丝(7)采用高电阻率的铜丝制成。
4.根据权利要求3所述的四端电阻，其特征在干所述电压端端盖(I)上的N型头的芯(9)作为电压端的高电位端,外壳(3)作为电压端的低电位端；电流经电流端端盖(2)上的N型头的芯(9)流入，通过中心棒(6)流到分流盘片(5)上，再经过电阻丝(7)流到集流盘片(4)上，然后通过电压端端盖(I)流到外壳(3)上，最后通过外壳(3)流到电流端端盖(2)上的N型头的皮⑶上，构成电流回路。
5.ー种测量权利要求4所述的四端电阻时间常数的方法，其特征在于所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻Rc，通过低电阻率四端电阻Rc和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的测量，并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻Rc的电容得到所述四端电阻的电容值C。
6.根据权利要求5所述的测量四端电阻时间常数的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 (1)保持四端电阻的几何尺寸和结构不变，仅将电阻丝(7)的材料换成纯铜的，制作成低电阻率四端电阻Rc; (2)选取损耗角小于0.02弧度的四端互感M ; (3)将所述四端互感M和标准电阻Rs直接串联，然后与交流电源连接形成回路；用交流电压表分别测得标准电阻Rs和四端互感M两端电压Urs和UM，根据回路电流相等，由公式(I)计算出四端互感M的互感值M Ulkjf mxURS s(1); 式⑴中，O为角频率即CO = 2 31 f ;(4)将四端互感M和标准电阻Rs直接串联在电路上，測量四端互感M的正交分量Umi后，用所述低电阻率四端电阻Rc替换四端互感M，測量低电阻率四端电阻Rc的正交分量UCY，由公式⑵计算出低电阻率四端电阻Rc的电感值L :
全文摘要
本发明提供了一种四端电阻及测量四端电阻时间常数的方法，属于电阻计量标准领域。所述四端电阻采用同轴拉线结构，包括外壳(3)和安装在所述外壳(3)内的电阻丝(7)、中心棒(6)、分流盘片(5)和集流盘片(4)；所述方法采用低电阻率的电阻丝来替换所述四端电阻中的高电阻率的电阻丝形成低电阻率四端电阻RC，通过低电阻率四端电阻RC和四端互感M相互替换来实现对所述四端电阻的电感值L的测量，并通过测量电流回路断开的低电阻率四端电阻RC的电容得到所述四端电阻的电容值C。本发明解决了交流电量测量过程中四端电阻角差测量的溯源问题。
文档编号G01R27/02GK102650660SQ20121014907
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者刘文芳, 张德实, 张江涛, 潘仙林, 王彪, 谷扬, 马雪锋, 黄洪涛 申请人:中国计量科学研究院