CN113848523A - 一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置，采用基于极值测量、数据存储、快速采样的高精度校准方法，并通过以压敏电阻和直流电阻共同作为负载、以电压击穿模拟装置模拟击穿状态的对其实际使用状态的模拟，代替常规的用于恒定波的测量方法、读数方法、采样方法，消除只加载具有固定阻值线性电阻的传统计量方法无法测得所需参数的弊端，并同时保证了测量的准确度。本发明解决了脉冲型防雷元件测试仪的校准问题，特别是满足了对快速瞬时信号的准确测量，以及对测试仪实际使用状态的模拟，改进了传统计量的负载加载方式，实现了对脉冲型防雷元件测试仪恒流电流、起始动作电压、泄漏电流和直流击穿电压参数的准确计量校准。

Description

一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置

技术领域

本发明涉及电学校准技术领域，具体为一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置。

背景技术

脉冲型防雷元件测试仪输出量为快速瞬时信号，由于检测速度快而得到了广泛使用。其检测金属氧化物压敏电阻器MOV时分为下面两个自动连续进行的步骤，无法间断：首先，测试仪恒流源产生电流施加在MOV上并从低值快速上升至1mA恒流电流时，测试仪测得MOV两端的电压即为起始动作电压，该电压通常小于2000V，限值无法预置，升压时间通常小于400ms。之后，测试仪恒压源立即将0.75倍起始动作电压施加在MOV上，并快速测量此时流过MOV的泄漏电流，该电流通常小于20μA，此步骤持续时间通常也小于400ms。检测气体放电管GDT时，测试仪产生直流电压并以一定的上升速率(一般为100V/s)升至GDT发生击穿，此时测试仪记录的击穿前的最大电压即为GDT的直流击穿电压。检测时的电压、电流波形如图1-3所示。其校准方法与普通持续波型测试仪存在显著差异。

当校准测试仪的恒流电流和起始动作电压时，一方面，与普通恒定波型防雷元件测试仪的恒定波不同，被测量变为冲击电流峰值及相应的冲击电压峰值。针对恒定波的校准方法与校准设备无法准确测量脉冲冲击波并读取测量数据，而虽然适用于脉冲波的示波器采样速率快且有极值测量功能，但由于准确度较低，无法满足要求。另一方面，由于电压限值无法设置，若不加载负载，回路中的电流为零，为试图使回路中的电流达到1mA恒流电流，测试仪输出电压将持续上升直至达到其额定最大输出电压，无法实现对所选校准点的校准，因此，校准起始动作电压时，适用于限值可预置型测试仪的电压表直接测量法不再适用。

对于其泄漏电流，一方面，如果校准时使用阻值低于额定电压与恒流电流之比的线性电阻，则流过该电阻的电流将达到750μA，有些测试仪由于超量限而不显示电流值，即使能够显示电流值，也由于电流远超实际使用情况而没有校准意义；而若加载高阻线性电阻，测试仪受其额定电压限制，输出电流将不能达到1mA，会因自动保护而停止输出无法继续正常工作。因此，与普通恒定波型防雷元件测试仪仅使用线性负载校准泄漏电流不同，只加载线性负载无法使测试仪产生正常范围漏电流。

另一方面，从图2看出，泄漏电流值小于一次连续测量过程中的电流最大值且持续时间小于400ms，所以针对普通恒定波型防雷元件测试仪的校准方法与校准设备无法准确测量瞬时波并读取测量数据，亦不能使用测量仪表的极值功能且人工来不及读取数据。

对于直流击穿电压，若不能模拟击穿状态，由于电压限值无法设置，测试仪输出电压将持续增加至最大输出电压，无法实现对所选校准点的校准。

为此，提出一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法及校准装置，解决了普通恒定波型防雷元件测试仪的校准方法与设备不适用于校准脉冲型防雷元件测试仪的问题，实现对脉冲型防雷元件测试仪的恒流电流、起始动作电压、泄漏电流和直流击穿电压参数的准确校准。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，基于校准装置，

校准装置包括：直流电压表、直流电流表、可调节阻值大小的负载电阻、压敏电阻以及电压击穿模拟装置；

校准方法包括以下步骤：

起始动作电压校准：将负载电阻与具有最大值测量保持功能的直流电流表依次串联接在测试仪正负极两端，开启测试仪的压敏电压功能，改变负载电阻的大小，使负载电阻两端电压调整至预定校准点，读取直流电流表测量出的电流最大值，将电流最大值与负载电阻当前阻值相乘，求出起始动作电压实际值，通过改变负载电阻的大小，使负载电阻两端电压调整至不同的校准点；

恒流电流校准：将负载电阻与具有最大值测量保持功能的直流电流表依次串联联接在测试仪正负极两端，将负载电阻阻值调整至0.5MΩ，开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表测量出的恒流电流最大值作为恒流电流实际值；

泄漏电流校准：将负载电阻与压敏电阻并联，再与具有数据存储功能的直流电流表串联接在测试仪两端，根据压敏电阻的压敏电压、泄漏电流以及校准点电流的大小，计算负载电阻阻值，调节负载电阻至该阻值，开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表测量并记录的多个电流数据，计算其中若干个泄漏电流数据的平均值作为泄漏电流实际值；

直流击穿电压校准：将具有最大值测量保持功能的直流电压表与电压击穿模拟装置并联，再与测试仪电压输出端并联，控制电压击穿模拟装置的动作电压使测试仪输出电压上升至校准点时触发电压击穿模拟装置发生击穿，读取直流电压表测量出的最大直流击穿电压值，作为直流击穿电压实际值。

在一些实施例中，在校准起始动作电压、恒流电流以及直流击穿电压时，将直流电压表、直流电流表采样间隔Δt设置成不大于2ms且不大于测试仪最大允许误差绝对值MPEV与信号上升时间T乘积的1/4。在校准泄漏电流校准时，将直流电流表采样间隔Δt设置成不大于测试仪泄漏电流测量过程持续时间T的1/10。

在一些实施例中，校准装置还包括：直流电阻分压器；

直流击穿电压校准包括：

预先判断校准点对应的直流击穿电压的电压大小；

若判断到直流击穿电压的电压超过预定阈值，将直流电阻分压器一次端与电压击穿模拟装置并联，再与测试仪电压输出端并联，将直流电阻分压器的二次端与直流电压表并联；

读取直流电压表测量出的最大直流击穿电压值包括：将直流电压表测量出的最大直流击穿电压值乘以直流电阻分压器的分压倍率k，求出直流击穿电压实际值。

在一些实施例中，计算多个泄漏电流数据的平均值之前，还包括：

剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据。

本申请另一方面提供了一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，包括：直流电压表、直流电流表、可调节阻值大小的负载电阻、压敏电阻以及电压击穿模拟装置，其中，

负载电阻与直流电流表串联，组成用于校准测试仪起始动作电压的始动作电压校准模块；

负载电阻与直流电流表串联，并且将负载电阻阻值调整至0.5MΩ，组成用于校准测试仪恒流电流的恒流电流校准模块；

负载电阻与压敏电阻并联并且与直流电流表串联，组成用于校准测试仪泄漏电流的泄漏电流校准模块；

电压击穿模拟装置与直流电压表并联，组成用于校准测试仪击穿电压的第一直流击穿电压校准模块。

在一些实施例中，直流电流表还包括：存储模块，用于存储直流电流表在校准泄漏电流过程中检测到的电流值。

在一些实施例中，还包括：计算装置，与存储模块连接，用于获取存储模块中的多个电流值，剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据，并且计算剩余的泄漏电流数据的平均值。

在一些实施例中，还包括：直流电阻分压器，直流电阻分压器一次端与电压击穿模拟装置并联，二次端与直流电压表并联，组成用于校准测试仪超过预定阈值的击穿电压的第二直流电压击穿校准模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了脉冲型防雷元件测试仪的校准问题，特别是满足了对快速瞬时信号的准确测量，以及对测试仪实际使用状态的模拟，改进了传统计量的负载加载方式，实现了对脉冲型防雷元件测试仪恒流电流、起始动作电压、泄漏电流和直流击穿电压参数的准确计量校准。

附图说明

图1为背景技术中检测MOV的电压波形；

图2为背景技术中检测MOV的电流波形；

图3为背景技术中检测GDT的电压波形；

图4为步骤1中起始动作电压、步骤2中恒流电流校准接线图；

图5为步骤3中泄漏电流校准接线图；

图6为步骤4中直流击穿电压小于1000V时校准接线图；

图7为步骤4中直流击穿电压大于等于1000V时校准接线图；

图8为实施例三中电流测量数据图表；

图9为不同校准模块的组合图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，采用基于极值测量、数据存储、快速采样的高精度校准方法，并通过以压敏电阻和直流电阻共同作为负载、以电压击穿模拟装置模拟击穿状态的对其实际使用状态的模拟，代替常规的用于恒定波的测量方法、读数方法、采样方法消除只加载具有固定阻值线性电阻的传统计量方法无法测得所需参数的弊端，并同时保证了测量的准确度；该方法具体包括以下四个步骤：

步骤1：使用具有最大值测量保持功能、快速准确采样功能的直流电流表、直流负载电阻对起始动作电压进行校准；

步骤2：使用具有最大值测量保持功能、快速准确采样功能的直流电流表、直流负载电阻对恒流电流进行校准；

步骤3：使用具有快速准确采样功能及数据存储功能的直流电流表、直流负载电阻、压敏电阻对泄漏电流进行校准；

步骤4：使用具有最大值测量保持功能、快速准确采样功能的直流电压表、电压击穿模拟装置、直流电阻分压器对直流击穿电压进行校准；

其中，步骤1具体为：

校准接线图如图4所示，其中，开启直流电流表最大值测量保持功能，设置其采样间隔Δt小于2ms，且小于测试仪最大允许误差绝对值MPEV与信号上升时间T乘积的1/4，即：

直流电流表的采样间隔的设置，通过调整其积分时间的NPLC值实现；

根据欧姆定律U＝IR，已知I＝1mA，通过改变负载电阻的大小，取值范围为200kΩ～2MΩ，使负载电阻两端电压调整至所需的校准点；

开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表最大值I₀，乘以负载电阻阻值R，即为起始动作电压实际值U_n。

其中，步骤2具体为：

校准接线如图4所示，直流电流表开启最大值测量保持功能，直流电流表的采样间隔Δt不大于2ms，且不大于测试仪最大允许误差绝对值MPEV与信号上升时间T乘积的1/4，即：

直流电流表的采样间隔的设置，通过调整其积分时间的NPLC值实现；

出于安全考虑，负载电阻取0.5MΩ使其通过1mA电流时两端电压约为500V，开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表最大值即为恒流电流实际值。

其中，步骤3具体为：

校准接线如图5所示，直流电流表开启数据存储功能，直流电流表的采样间隔Δt小于测试仪泄漏电流测量过程持续时间T的1/10，即：

预先使用压敏电阻测试仪测量压敏电阻的压敏电压U_N与漏电流I_L，将负载电阻与压敏电阻并联，再与直流电流表串联接在测试仪两端，负载电阻阻值R_Z按公式

进行计算，通过变换负载电阻阻值，使泄漏电流达到校准点I附近；

开启测试仪压敏电压功能，直流电流表将本次测量过程的全部数据记录到其存储器中；选用USB存储器、USB接口、串行接口、网络接口、GPIB接口、直流电流表显示器多种方式将数据转存至计算机；

利用计算机剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据。

最后将剩余的泄漏电流数据求平均值，得到泄漏电流实际值。

其中，步骤4具体为：

校准接线图如图6-7所示，根据电压大小选择图6、图7中的一种接线方法，其中，直流电压表开启最大值测量保持功能，直流电压表的采样间隔Δt小于测试仪最大允许误差绝对值MPEV与信号上升时间T乘积的1/4，即：

直流电压表的采样间隔的设置，通过调整其积分时间的NPLC值实现；

控制电压击穿模拟装置的动作电压，使测试仪输出电压调整至所需的校准点附近后发生击穿；

开启测试仪放电管功能，读取直流电压表最大值U₀，对于1000V以下电压，即为直流击穿电压实际值U_n；

对于1000V及以上电压，乘以直流电阻分压器的分压倍率k，即为直流击穿电压实际值：U_n＝kU₀。

本申请另一方面提供了一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，包括直流电压表、直流电流表、直流负载电阻、压敏电阻、直流电阻分压器和电压击穿模拟装置。

直流电压表、直流电流表、可调节阻值大小的负载电阻、压敏电阻以及电压击穿模拟装置，其中，

负载电阻与直流电流表串联，组成用于校准测试仪起始动作电压的始动作电压校准模块；

负载电阻与直流电流表串联，并且将负载电阻阻值调整至0.5MΩ，组成用于校准测试仪恒流电流的恒流电流校准模块；

负载电阻与压敏电阻并联并且与直流电流表串联，组成用于校准测试仪泄漏电流的泄漏电流校准模块；

电压击穿模拟装置与直流电压表并联，组成用于校准测试仪击穿电压的第一直流击穿电压校准模块。

具体的，直流电流表还包括：存储模块，用于存储直流电流表在校准泄漏电流过程中检测到的电流值。

具体的，还包括：计算装置，与存储模块连接，用于获取存储模块中的多个电流值，剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据，并且计算泄漏电流数据的平均值。

具体的，还包括：直流电阻分压器，直流电阻分压器一次端与电压击穿模拟装置并联，二次端与直流电压表并联，组成用于校准测试仪超过预定阈值的击穿电压的第二直流电压击穿校准模块。

具体的，请参阅图9，可以通过多个开关将上述的多个校准模块组合为一体，通过控制不同开关的闭合，使对应装置进行连接，从而组合出对应的校准模块。

优选的，直流电压表，测量范围为(0～1000)V，用于测量1000V以内直流击穿电压的电压值，或用于直流电阻分压器的二次端，测量分压后的1000V以上直流击穿电压的电压值；

直流电流表，测量范围1μA～1mA，用于测量起始动作电压、恒流电流、泄漏电流；

直流电阻，用做测量起始动作电压、恒流电流与泄漏电流时的负载；

压敏电阻，用做测量泄漏电流时的负载；

直流电阻分压器，测量范围(0～2000)V，用于按照其分压比，将直流击穿电压成比例缩小，拓展直流电压表1000V以上的电压测量范围；

电压击穿模拟装置，电压动作范围(0～2000)V，用于模拟气体放电管GDT的击穿状态。

其中，直流电压表还同时具有下列三个功能指标：具有极值测量保持功能、采样间隔不大于测试仪MPE绝对值与信号上升时间T乘积的1/4、高速采样时的准确度不低于被测测试仪准确度的1/4；

其中，直流电流表还同时具有下列四个功能指标：具有极值测量保持功能、具有数据存储功能、采样间隔不大于测试仪MPE绝对值与信号上升时间T乘积的1/4、高速采样时的准确度不低于被测测试仪准确度的1/4；

其中，直流电阻在10kΩ～2MΩ范围内能允许通过1mA直流电流，在2MΩ以上范围内能承受2kV直流电压。

下面通过实例，对本发明进行进一步详细描述：

实施例一

校准一台起始动作电压最大允许误差为±2％，升压时间400ms的脉冲型防雷元件测试仪的起始动作电压，按照图4所示连接各仪器。

一个直流电流表积分时间的NPLC值与采样间隔的关系的实例如表1所示，调整其积分时间的NPLC值为0.06，使其采样间隔调整为不大于2ms。

表1NPLC值与采样间隔的关系

使用的直流电阻分压器的分压倍率k为10000。

根据欧姆定律U＝IR，已知I＝1mA，通过改变负载电阻的大小，使测试仪输出电压调整至所需的校准点。

开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表最大值I₀，乘以负载电阻阻值R，即为起始动作电压实际值U_n。

按上述步骤，得到一组校准值，如表2所示：

表2起始动作电压校准结果

实施例二

校准一台起恒流电流最大允许误差为±0.5％，升流时间400ms的脉冲型防雷元件测试仪的恒流电流，按照图4所示连接各仪器。

调整直流电流表积分时间的NPLC值为0.02，使其采样间隔调整为不大于0.5ms。

负载电阻取0.5MΩ。

开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表最大值即为恒流电流实际值。

按上述步骤，得到校准值：恒流电流标称值为1mA，实际值为1.003mA。

实施例三

校准一台泄漏电流最大允许误差为±2％，泄漏电流测量过程持续时间200ms的脉冲型防雷元件测试仪的泄漏电流，按照图5所示连接各仪器。

调整直流电流表积分时间的NPLC值为1，使其采样间隔调整为不大于20ms。

通过改变负载电阻的大小，使测试仪输出泄漏电流调整至所需的校准点。

开启测试仪压敏电压功能，直流电流表将本次测量过程的全部数据记录到其存储器中；通过网络接口将数据以CSV文件格式转存至计算机；在MS Excel软件中将全部数据以折线图的形式绘制成图表，如图8所示，显示整个测量过程的电流变化曲线。两虚线竖线之间的部分为泄漏电流测量数据，需要保留，其余数据则需要剔除。最后对剩余数据求平均值，得到泄漏电流实际值。

按上述步骤，得到一组校准值，如表3(泄漏电流校准结果)所示：

表3

实施例四

校准一台直流击穿电压最大允许误差为±2％，升压速度100V/s的脉冲型防雷元件测试仪的直流击穿电压，按照图6、图7所示连接各仪器。

调整直流电压表积分时间的NPLC值为0.2，使其采样间隔调整为不大于5ms。

使用的直流电阻分压器的分压倍率k为10000。

控制电压击穿模拟装置的动作电压，使测试仪输出电压调整至所需的校准点附近后发生击穿。

开启测试仪放电管功能，读取直流电压表最大值U₀，对于1000V以下电压，即为直流击穿电压实际值U_n；对于1000V及以上电压，乘以直流电阻分压器的分压倍率k，即得到直流击穿电压实际值：U_n＝kU₀。

按上述步骤，得到一组校准值，如表4所示：

表4直流击穿电压校准结果

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，其特征在于，基于校准装置，

所述校准装置包括：直流电压表、直流电流表、可调节阻值大小的负载电阻、压敏电阻以及电压击穿模拟装置；

所述校准方法包括以下步骤：

起始动作电压校准：将负载电阻与具有最大值测量保持功能的直流电流表依次串联接在测试仪正负极两端，开启测试仪的压敏电压功能，改变负载电阻的大小，使负载电阻两端电压调整至预定校准点，读取直流电流表测量出的电流最大值，将电流最大值与负载电阻当前阻值相乘，求出起始动作电压实际值；

恒流电流校准：将负载电阻与具有最大值测量保持功能的直流电流表依次串联联接在测试仪正负极两端，将负载电阻阻值调整至0.5MΩ，开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表测量出的恒流电流最大值作为恒流电流实际值；

泄漏电流校准：将负载电阻与压敏电阻并联，再与具有数据存储功能的直流电流表串联接在测试仪两端，根据压敏电阻的压敏电压、泄漏电流以及校准点电流的大小，计算负载电阻阻值，调节负载电阻至该阻值，开启测试仪压敏电压功能，读取直流电流表测量并记录的多个电流数据，计算其中若干个泄漏电流数据的平均值作为泄漏电流实际值；

直流击穿电压校准：将具有最大值测量保持功能的直流电压表与电压击穿模拟装置并联，再与测试仪电压输出端并联，控制电压击穿模拟装置的动作电压使测试仪输出电压上升至校准点时触发电压击穿模拟装置发生击穿，读取直流电压表测量出的最大直流击穿电压值，作为直流击穿电压实际值。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，其特征在于，在校准所述起始动作电压、所述恒流电流以及所述直流击穿电压时，所述直流电压表、所述直流电流表采样间隔Δt不大于2ms且不大于测试仪最大允许误差绝对值MPEV与信号上升时间T乘积的1/4，准确度不低于被测测试仪准确度的1/4。在校准所述泄漏电流校准时，所述直流电流表采样间隔Δt不大于测试仪泄漏电流测量过程持续时间T的1/10，准确度不低于被测测试仪准确度的1/4。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，其特征在于，所述校准装置还包括：直流电阻分压器；

所述直流击穿电压校准包括：

预先判断所述校准点对应的直流击穿电压的电压大小；

若判断到所述直流击穿电压的电压超过预定阈值，将直流电阻分压器一次端与电压击穿模拟装置并联，再与测试仪电压输出端并联，将直流电阻分压器的二次端与直流电压表并联；

所述读取直流电压表测量出的最大直流击穿电压值包括：将直流电压表测量出的最大直流击穿电压值乘以直流电阻分压器的分压倍率k，求出直流击穿电压实际值。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准方法，其特征在于，所述计算多个泄漏电流数据的平均值之前，还包括：

剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据。

5.一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，其特征在于：包括：直流电压表、直流电流表、可调节阻值大小的负载电阻、压敏电阻以及电压击穿模拟装置，其中，

所述负载电阻与直流电流表串联，组成用于校准测试仪起始动作电压的始动作电压校准模块；

所述负载电阻与直流电流表串联，并且将负载电阻阻值调整至0.5MΩ，组成用于校准测试仪恒流电流的恒流电流校准模块；

所述负载电阻与压敏电阻并联并且与所述直流电流表串联，组成用于校准测试仪泄漏电流的泄漏电流校准模块；

所述电压击穿模拟装置与所述直流电压表并联，组成用于校准测试仪击穿电压的第一直流击穿电压校准模块。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，其特征在于，所述直流电流表还包括：存储模块，用于存储直流电流表在校准泄漏电流过程中检测到的电流值。

7.根据权利要求6所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，其特征在于，还包括：计算装置，与所述存储模块连接，用于获取存储模块中的多个电流值，剔除泄漏电流测量阶段之外的无用数据，并且计算剩余的泄漏电流数据的平均值。

8.根据权利要求5-7任意一项所述的一种脉冲型防雷元件测试仪的校准装置，其特征在于，还包括：直流电阻分压器，所述直流电阻分压器一次端与电压击穿模拟装置并联，二次端与直流电压表并联，组成用于校准测试仪超过预定阈值的击穿电压的第二直流电压击穿校准模块。

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