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◆ PC36系列直流電阻測量儀 ◆
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隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字式測量技術(shù)在電線電纜測試領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用， 在現(xiàn)有的國家標準中，已經(jīng)規(guī)定了可以采用電橋以外的其它電子測量儀器作為導體直流電阻的測試設備，可以預見在不遠的將來，各種高性能的數(shù)字式直流電阻測量儀（數(shù)字式低阻計）將會逐步取代該領(lǐng)域中雙臂電橋的地位，使得測量工作更加快速、準確、方便。上海遠中電子儀器廠（現(xiàn)為太歐電子）于 2004 年開始研制 PC36系列直流電阻測量儀作為一種電線電纜電性能試驗的專用設備，該儀表的設計目標如下︰
1.表的主要技術(shù)性能︰測量範圍、測量電流、準確度、靈敏度、分辨力等應**滿足國家標準 GB/T3048.2 《電線電纜電性能試驗方法 第 2 部分︰金屬材料電阻率試驗》 及 GB/T3048.4 《電線電纜電性能試驗方法 第 4 部分︰導體直流電阻試驗》 中對電阻測試設備的各項技術(shù)要求。
2.為了方便用戶操作，在儀表的附加功能中添置了 GB/T3048.2 及 GB/T3048.4 推薦的一些特殊功能及測量方法，如反向電流測量、倍率電流測量、熱電勢平衡、導線溫度校正等功能。
3.儀表有幾種派生型號，以適應不同規(guī)格電線電纜生產(chǎn)廠的需要。儀表的技術(shù)指標和功能設置以適應標準的要求為主，以滿足用戶的需要為主，做到既是充分的又是必要的，力爭實現(xiàn)較高的性能價格比。
經(jīng)過一年多時間的研制、試用和改進，該儀表于2005年正式面世 , 其間得到了上海電纜研究所與上海南洋電材有限公司的大力支持和幫助。經(jīng)測試，儀表的技術(shù)性能完全達到了設計目標。本文主要介紹該儀表的特點、研制工作中所克服的技術(shù)難點、儀表的主要技術(shù)性能、附加功能、基本參數(shù)以及實際使用效果。
1 主要技術(shù)性能 1.1 測量範圍及分辨力 在 GB/T3048.2 5.2.1 條規(guī)定了導體電阻測量的下限值為 10 -5 Ω，這個看似簡單的要求給儀表的設計帶來了新的挑戰(zhàn)， 10 -5 Ω數(shù)量級的電阻是個什麼概念？截面在 172mm 2 至 1724mm 2 範圍內(nèi)的 1m 長的銅導線在 20 ℃ 時的電阻值就落在 10 -5 Ω數(shù)量級範圍內(nèi) （ 10.0—99.9 μΩ ) ， 考慮到GB/T3048.2 中電阻率測試允許誤差 0.15% 及 GB/T3048.4 中導體電阻測試允許誤差 0.5% 的要求，儀表讀數(shù)的有效位應不少于 4 位，（ 3 位有效讀數(shù)在*不利的情況下，*後一位變化 1 個字的量化誤差，可能造成 1% 的測量誤差），這就要求儀表的*高分辨力達到 10 -8 Ω（ 0.01 μΩ）。
綜觀現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表 , 水平*高的如 SB2232 型直流電阻測量儀、 ZY9858 型數(shù)字微歐計等，其*低量程為 2 m Ω， *高分辨力為 0.1 μΩ， 如果測量截面超過 172mm 2 1m 長的銅導線，電阻值在 100 μΩ以下， 儀表讀數(shù)僅有 3 位有效數(shù)字，示值僅為該檔量程的 1/20 以下，這顯然是不能符合測量準確度要求的。由此可見，現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表的測量範圍和分辨力尚不能滿足全系列電線電纜的測量要求，必須進一步提高。 PC36 系列直流電阻測量儀設置了 200 μΩ量程 , 是現(xiàn)有產(chǎn)品的十分之一 , 該量程的分辨力為 0.01 μΩ，是現(xiàn)有產(chǎn)品的十倍，當被測電阻大于或等于 10 -5 Ω時，儀表保證有 4 位以上的有效讀數(shù)，可以滿足 全系列電線電纜的測量要求 。
1.2 測量靈敏度 電線電纜測試人員都知道，要提高電橋測量結(jié)果的分辨力有兩個途徑，其一是加大測量電流，其二是提高電橋的指零裝置 — 檢流器的靈敏度，在數(shù)字式低阻表中情況也大致如此。由于電流加熱效應以及標準電阻容許流過電流值的限制，測量電流的提高幅度是有限的，*大值在 10A 左右，根據(jù)歐姆定律︰ R=U / I ，在 I = 10A 的測量電流下，儀表的電阻測量分辨力要達到 0.01 μΩ，儀表的電位端電壓靈敏度必須達到 0.1 μ V , 比現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表的*高電壓靈敏度 1 μ V 提高了 10 倍。為了達到這個目標，本 儀表的設計者采用*新技術(shù)特制了高靈敏、低噪聲的納伏放大器，其電位輸入端的*高靈敏度為 70.7nV ( 0.0707 μ V ) ，就電壓靈敏度與噪聲特性這一點來說，本儀表已經(jīng)達到了 6 1/2 位高性能數(shù)字電壓表所能達到的水平。高靈敏度放大器的作用就如同給電橋的檢流器前加裝了一臺靈敏度極高的光電放大器一樣，實現(xiàn)了測量電流與同類儀表相同，而分辨力卻提高 10 倍的目標。
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PC36系列直流電阻測量儀（數(shù)字式低阻表，數(shù)字式微歐計，數(shù)字式電橋）執(zhí)行標準︰Q/AEXJ3
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名稱
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基本參數(shù)
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適用範圍
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出廠價
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主要功能特點
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PC36A直流電阻測量儀
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範圍︰0.01μΩ-199.99Ω
電流︰0.707mA-14.1A
體積︰360×400×133mm
重量︰12kg
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全系列電線電纜導體電阻、金屬材料電阻率精密測量，分流電阻、接觸電阻精密測量。可取代QJ36、QJ19、QJ57等電橋。
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本廠專利新產(chǎn)品，技術(shù)性能**滿足GB/T 3048.4的要求，是電線電纜導體電阻測量專用設備，雙臂電橋的更新?lián)Q代產(chǎn)品。測量靈敏度與分辨力比現(xiàn)有產(chǎn)品提高了10倍，測100mm2截面1m長銅導線電阻，有5位有效讀數(shù)。可按需要選擇測量電流，並根據(jù)國家標準的要求特設了倍率電流、反向電流測量，熱電勢平衡、溫度校正等功能。操作簡捷、快速精確。準確度等級︰0.04、0.05、0.1級，41/2位數(shù)字顯示，字高35mm，帶背光。
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PC36C直流電阻測量儀
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測量範圍、測量電流、體積、重量與PC36A相同。具有銅、鋁導線溫度校正功能（15-25℃）。
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PC36B直流電阻測量儀
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範圍︰0.1μΩ-1999.9Ω
電流︰70.7μA-1.41A
體積︰320×280×133mm
重量︰5kg
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電線電纜導體電阻、金屬材料電阻率精密測量，分流電阻、接觸電阻精密測量。可取代QJ57、QJ19、QJ23、QJ44等電橋。
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PC36D直流電阻測量儀
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測量範圍、測量電流、體積、重量與PC36B相同。具有銅、鋁導線溫度校正功能（15-25℃）。
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1.3 測量電流的選擇 在電線電纜導體電阻的測量中，選擇合適的測量電流是至關(guān)重要的，這是因為被測對象銅線或鋁線的電阻率具有很高的溫度系數(shù)，測量電流過大會引起導線發(fā)熱，從而造成測量超差，在 GB/T3086.4 第 5.6 條中有銅導線測量電流密度不大于 1.0A/ mm 2 的規(guī)定；但是測量電流過小又會嚴重影 響儀表的靈敏度與分辨力，同樣對測量準確度不利。本儀表具有 多電流測量功能，各個量程設置了不同的測量電流可供選擇，並在儀表面板上標明。儀表設有“常規(guī)”與“低電流”兩種測量狀態(tài)，可以通過面板開關(guān)加以選擇，儀器在“常規(guī)”測量狀態(tài)（常規(guī)測量電流）有六檔量程，具有測量準確性高、抗干擾性能好的特點；在“低電流”測量狀態(tài)（低測量電流、高靈敏度）也有六檔量程 ，具有較高的測量靈敏度與分辨力。 該性能克服了目前數(shù)字表及某些電橋與數(shù)字式低阻表測量電流不能調(diào)節(jié)，而且在某些檔位電流偏大引起被測導體發(fā)熱 , 電阻值隨著測量時間的增加向上漂移的缺陷，這一點在微細導線測量時尤為重要，例如直徑為 0.05mm 的銅導線 , 截面約為 2 × 10 -3 mm 2 , 1m 的電阻值約為 8.8 Ω ,按 GB/T3086.4 的要求計算 , 該導線的測量電流應不大于 2mA, 在現(xiàn)有數(shù)字式低阻表中 , 20 Ω量程的測量電流一般為 10mA, 有的甚至高達 100mA, 大大超過了標準規(guī)定的電流範圍 , 導線將會嚴重發(fā)熱，在本儀表中，則可選擇 20 Ω“低電流”量程，測量電流僅位為 1 mA ，完全符合標準的要求。
儀表各測量檔位的測量電流見表 1
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表1
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量程
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測量狀態(tài)
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常規(guī)電流
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低電流
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200μΩ
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————
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10A
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2mΩ
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10A
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1A
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20mΩ
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1A
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400mA
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200mΩ
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400mA
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100mA
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2Ω
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100mA
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10mA
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20Ω
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10mA
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1mA
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200Ω
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1mA
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100μA
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2000Ω
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100μA
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————
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1.4 測量準確度與穩(wěn)定性 為了提高測量準確度與穩(wěn)定性， 儀表采用了創(chuàng)新設計的數(shù)字比例式測量電路，其工作原理是通過儀表內(nèi)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，將被測電阻與儀表內(nèi)置的標準電阻作比例運算，並將運算結(jié)果以 4 1/2 位的方式進行顯示。與目前數(shù)字式低阻表常用的恆流源 — 電壓表方式不同，本儀表讀數(shù)的*終表達式與測量電流大小無關(guān)，僅與被測電阻與標準電阻的電阻值有關(guān)，這一點與電橋的測原理相仿，因此本儀表具有與雙臂電橋相似的高準確度與高穩(wěn)定性。由于測量結(jié)果在一定的範圍內(nèi)與測量電流大小無關(guān)，也使得儀表的多電流測量以及倍率電流測量功能得以實現(xiàn)。與儀表準確度和穩(wěn)定性密切相關(guān)的是作為比例運算基準的一套標準電阻器，該電阻采用精密錳銅材料並經(jīng)過特殊的老化工藝制成，具有和 BZ3 系列標準電阻相當?shù)暮艿偷臏囟认禂?shù)和很高的穩(wěn)定性，在測量時需要通過大電流的標準電阻被安裝在特制的冷卻油箱內(nèi)。儀器的高靈敏度電位輸入端采用了低熱電勢、長壽命的復銀切換開關(guān)和低熱電勢的鍍金接插件，可以確保測量的準確度與長期穩(wěn)定性。
儀表的基本誤差及準確度等級見表 2, 大致比同類產(chǎn)品提高了一個等級，可以滿足國家標準中 電阻率測試允許誤差 0.15% 以及導體電阻測試允許誤差 0.5% 的要求。
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表2
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量程
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常規(guī)電流
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低電流
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基本誤差
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準確度等級
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基本誤差
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準確度等級
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200μΩ
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————
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-----------
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±(0.08%RX +0.02%Rm)
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0.1
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2mΩ
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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±(0.08%RX +0.02%Rm)
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0.1
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20mΩ
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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±(0.08%RX +0.02%Rm)
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0.1
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200mΩ
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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2Ω
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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20Ω
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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200Ω
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±(0.03%RX +0.01%Rm)
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0.04
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±(0.04%RX +0.01%Rm)
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0.05
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2000Ω
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±(0.03%RX +0.01%Rm)
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0.04
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————
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--------
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其中 R X ︰儀表讀數(shù)值（電阻示值） R m ︰所測量程滿度值
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1.5 測量速度 數(shù)字式測量儀由于不需要進行反復繁雜的平衡操作，加上數(shù)字直讀的特點，測量速度快、使用方便的優(yōu)勢是傳統(tǒng)電橋所望塵莫及的，測量速度的提高除了節(jié)約時間外，更大的好處是減少了測量電流對被測導線的加熱效應，提高了實際測得數(shù)據(jù)的準確度與可靠性。這是因為 , 在一次測量中，被測導線的加熱程度與測量電流引入的能量 E 成正比， E=I 2 × R × t 。其中︰ I 為測量電流； R 為導線電阻； t 為測量時間。隨著測量時間的增加，導線溫度逐漸上升，直至達到熱平衡 , 當被測導線截面較大時這是一個十分緩慢的過程，如果在測量開始後的較短時間內(nèi)就取得讀數(shù) , 完成測量 , 由測量電流造成的導體溫升從而引起的測量誤差將會大幅度降低。
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2 附加功能簡介
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2.1 倍率電流測量功能 為了方便用戶實施 GB/T 3048.4 第 5.6 條中用比例為 1 ︰ 1.41 的兩個測量電流分別測試樣電阻值，以判定是否發(fā)生溫升超標的方法，本儀表設置有比例為 0.707I ︰ 1.00I ︰ 1.41I 三檔電流可供選擇（其中 I 為額定電流），比例電流的切換即刻完成，避免了調(diào)節(jié)外部電流源的繁瑣操作。如果 1.00I ︰ 1.41I 倍率電流測量的結(jié)果判定電流過大，數(shù)據(jù)無效，則可再一次進行 0.707I ︰ 1.00I 倍率電流測量（兩者的比例仍為 1.41 倍），如變化量小于標準規(guī)定的數(shù)值，表明在 0.707 I 條件下的測量結(jié)果有效，避免了為了降低測量電流而改變量程檔位 , 造成測量精度及分辨力的損失。
2.2 外部熱電勢平衡功能 在電線電纜導體電阻的測量夾具，其電位端的接觸刀口常用黃銅材料制成，與銅、鋁導線材料之間有較高的接觸熱電勢，在測量過程中由于環(huán)境溫度不可能完全均衡，在測試夾具上安裝導線時，人體也不可避免地會接觸到並加熱電位結(jié)點，由此產(chǎn)生的熱電耦電勢，會對高靈敏度的測量產(chǎn)生干擾，使測量結(jié)果發(fā)生偏移。
為了降低電位端的外部接觸電勢與熱電勢對測量結(jié)果的影響，本儀表設置了外部電勢平衡調(diào)節(jié)裝置，通過平衡調(diào)零，可以抵消在測量回路中的熱電耦電勢，該方法是 GB/T 3048.2 第 6.5.3 條推薦的方法之一。
2.3 反向電流測量功能 根據(jù) GB/T 3048.4 第 5.5 條規(guī)定，當試樣電阻小于 0.1 Ω 時，應將電流反向再測一次，然後取算術(shù)平均值。這是消除測量回路中的熱電耦電勢的又一種簡單有效的方法，同時也消除了儀表測量回路自身的電壓零點飄移，因此，正、反兩次測量的平均值，比單次測量結(jié)果有更高的準確度與可靠性。在用雙臂電橋電橋測量導體電阻時，該功能是通過切換外部換向閘刀實現(xiàn)的，而在現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表中，為了防止電感性負載產(chǎn)生的反電勢損壞儀表，其輸入回路往往接有反向保護二極管，因此，是不容許電流反向的，無法實現(xiàn)標準要求的操作。本儀表中采用專利技術(shù)，特殊設計了雙向電流保護電路，既防止了反電勢對儀表的危害，同時又允許進行反向電流測量，並在儀器內(nèi)部設置了大功率換向繼電器，通過面板開關(guān)實施電流換向操作，正、反向讀數(shù)瞬時可得，操作簡捷、使用方便。
2.4 銅、鋁導線溫度校正功能 當試驗環(huán)境溫度在 15-25 ℃範圍內(nèi)，用戶只要將 PC36C 或 PC36D 的溫度校正開關(guān)設置為環(huán)境溫度的實際值 ( 步進值為 0.1 ℃ ) ，儀表將被測銅線或鋁線的電阻值根據(jù) GB/T 3048.4 推薦的公式自動換算到該導線在基準溫度 20 ℃時的電阻值，免去了用戶溫度換算操作，使用更為方便。
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3 儀表的基本參數(shù)見
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表3
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參數(shù)名稱
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型號
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PC36A
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PC36C
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PC36B
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PC36D
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量程範圍
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0.01μΩ -199.99Ω
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1.9999mΩ -1999.9Ω
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*高分辨力
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0.01μΩ
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0. 1μΩ
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測量電流
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0.707mA-14.1A
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70.7μA-1.41A
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倍率電流測量
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0.707I︰1.00I︰1.41I
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雙向電流測量
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內(nèi)附電流換向裝置，可進行正、反向電流測量
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電阻溫度校正
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15.0-25.0℃
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15.0-25.0℃
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顯示
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4 1/2 位數(shù)字顯示，字高35mm，量程顯示，單位顯示，帶背光
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準確度等級
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0.04 級 , 0.05 級 , 0.1 級
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電源
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AC 220V （ 1 ± 10% ）， 50Hz （ 1 ± 5%)
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功耗
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80VA
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20VA
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外形尺寸
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360×133×400（W×H×D），mm
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320×133×280（W×H×D）,mm
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質(zhì)量（重量）
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12 kg
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5 kg
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