1、开放环境中微小电阻测量回路伴随电势特性刘辉1，秦敬玉2，周超1，贾然1，张洋1，孙学武3，谷廷坤4(1 国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002;2 山东大学 材料液固态结构演变与加工教育部重点实验室，济南 250061;3 国网山东省电力公司物资公司，济南 250001;4 山东大学 电气工程学院，济南 250061)摘要:不同于真空密闭洁净环境，电阻测量回路的导线和样品表面在开放环境中会吸附氧化性气体、酸性气体、水分子以及灰尘等物质。研究发现，测量回路伴随电势随时间变化曲线呈现出温差电势和化学电势两种效应;化学电势绝对值随时间呈现非单调衰减。此化学电势由金属结点上两个金属界面与
2、吸附的水分子和其它化学物质所形成。通过分析 0 01 和 0 1 两个标准电阻测量时，回路伴随电势随时间变化，发现测试开始阶段化学电势占据主导地位，绝对值大约是 0 4 V 1 0 V，在一段时间后衰减到一个很小数值，此时回路的伴随电势以温差电势为主，绝对值大约在0 1 V 0 2 V。化学电势衰减到稳定数值的时间可能受环境湿度影响较大，典型的时间大约在 2 000 s 3 000 s 之间。研究结果对于精密电阻测量及其相关测试系统设计和测试规范指定有参考价值。关键词:微小电阻测试;接触电势;温差电势;表面吸附;化学电势DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04
3、020中图分类号:TM934 1文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0139-05Characteristic of adjoint electrodynamic potentials of micro resistancemeasuring circuit in open environmentLiu Hui1，Qin Jingyu2，Zhou Chao1，Jia an1，Zhang Yang1，Sun Xuewu3，Gu Tingkun4(1 State Grid Shandong Electric Power esearch Institute，Ji nan 25
4、0002，China 2 Key Laboratory forLiquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials，Ministry of Education，Shandong University，Ji nan 250061，China 3 State Grid Shandong Electric Power Company，Ji nan 250001，China4 School of Electrical Engineering，Shandong University，Ji nan 250061，China)Abstra
5、ct:Different from the clean vacuum environment，the junction of the resistance measuring circuit absorbs oxidizinggas，acid gas，water molecules，dust and other substances in the open environment It is found that the thermoelectric andchemical electrodynamic potentials of the measuring circuit have diff
6、erent behaviors with the time The absolute value ofthe chemical potential has a non-monotonic decay with time The chemical electrodynamic potential is formed within twometal interfaces on the metal knots by adsorbing water molecules and other chemicals By analyzing 0 01 and 0 1 oftwo standard resist
7、ance measuring circuit with potential changes over time，it is found that the chemical electrodynamic po-tential is dominant at the beginning of the test，and the absolute value is about 0 4 V 1 0 V，which decays to a ver-y small value after a period of time At this time，the adjoint electrodynamic pote
8、ntials of the circuit are mainly thermoe-lectric potential，and the absolute value is about 0 1 V 0 2 V The time of chemical electrodynamic potential decayto stable value may be greatly affected by environmental humidity，and the typical time is about 2 000 3 000 secondsThe research results are valuab
9、le for the design and specification of precision resistance measurement and the designationof test systemKeywords:micro-resistance test，contact potential，thermoelectric potential，surface adsorption，chemical potential基金项目:国家自然科学基金资助项目(51731007)931第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Me
10、asurement InstrumentationApr15，20230引言在电力、电子高科技领域领域，经常需要精密测量金属样品的微小电阻，比如说 数量级的电阻测量1-4。在这种测量中，经常使用的测量方式是电压表内接法测量方法，所采用的数学模型如公式(1)所示。U+=I+V0U=I+V0(1)式中 I 是实验所用电流，由恒流源提供;是样品电阻。以实验开始时的电流方向为正，测得的样品两端电压为 U+，然后电流反向，测得的电压为 U，U+和U为代数值;V0是伴随欧姆压降的电势，文中称为伴随电势。V0的正负号的参考方向是电流方向，与电流正方向一致，则取正值，否则取负值;它的大小与电流方向无关，这是公
11、式(1)的基本假设。公式(1)是一个关于 和 V0的二元一次方程方程组。通过电流换向的方式，可以去掉伴随电势影响，提高 测量值的精度。图 1 是使用电流换向的直流四端接线法测试回路示意图。在实际的实验平台上，换向继电器和数据采集之间的时间关系由软件来设定。图 1电流换向直流四端接线法示意图Fig 1Sketch of polar changing direct currentfour-terminal wiring method为了提高 测量精度，可以使用大电流，例如 10到几百安培进行测量5。在大电流情况下，虽然 很小，公式(1)右边第二项与第一项数值相比也处于次要地位，甚至可以忽略;同时
12、U+和 U的测量值精度也足够高，所以测得的 具有较高精度。但是，大测试电流必然导致 上焦耳热功率较大，温度升高显著，这就造成了 的额外误差。使用小电流(mA 数量级)测试，可以忽略焦耳热对电阻测量数值的影响。但是这种情况下 V0成为影响测试精度关键因素。在文献中关于 V0的称呼也有多种，比如“热电势”、“杂散热电势”和“温差电势”、“金属接触电势”等1-3，6，由于实验表明它还与金属结点的化学吸附有关，所以文中称之为伴随电势。目前，对于 V0与时间和环境湿度关系很少有人讨论。这对于开发高精度微小电阻测试系统，消除制约测试精度的因素是不利的。文中主要讨论微小电阻测试过程中回路伴随电势 V0的变化
13、规律，给出它取值的数量级，试图揭示它的物理本质，为正确认识环境对测试精度的影响提供帮助。1实验方案文中的测试方案是电压表内接的四端电路1(如图 1 所示)，电压回路导线总长度大约 2 m 6 m。测试仪器为 PF66M 电流源(基本误差优于 0 01%，最小分辨率 10 A)和 KEITHLEY 2182A 纳伏表，电流换向装置由固态继电器和输入输出卡实现，如图 2 所示。数据采集间隔是 4 s;对相邻的两个数据利用公式(1)求出 和 V0。本实验中所有连线的接头都是鳄鱼夹夹持，测试样品是阻值分别为 0 1 和 0 01 的 BZ3 型直流标准电阻7，精度都是 0 01 级。整套设备安放在一个
14、5 m 8 m 的房间。温度的测量使用 K 型热电偶，放置在电压回路接近电压表的位置。图 2高精度微小电阻实验平台结构示意图Fig 2Sketch of small resistance measurementsystem with high precision图 3 是实验现场一部分。左面是根据图 2 制作的高精度微小电阻测试仪，右面实验台上放置的是 BZ3型标准电阻和电子温湿度计。TP-01 K 型热电偶放置在标准电阻旁边。图 3实验现场照片Fig 3A photo of the experiment site041第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月
15、15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，20232结果与讨论图 4 是 0 01 直流标准电阻在 0 1 mA 电流测试得到的 V0。可以看到，V0随时间发生比较复杂的变化。除了曲线上的噪声外，在 2 500 s 之前，V0由正 0 4 V减小到大约 0 4 V 最小值，然后再逐渐增大。此后，V0基本上在 0 1 V 附近小幅度振荡，除了 3 200左右的有关的突变。这个突变与温度 时间曲线在相同时刻大约0 2 幅度的扰动相关。V0在2 500 s 之前的变化，根据公式(1)很难理解，因为式(1)右面两项都没有时间因素。如果式(1)的 V
16、0是时间的缓慢变化的函数，公式(1)可以理解为瞬时(比如 8 s 内，两个采样间隔)成立，则可以消除这个矛盾。图 40 01 直流标准电阻的测量结果，测量电流 0 1 mA，环境相对湿度 31%Fig 4Data for 0 01 DC standard resistance by 0 1 mAtesting current with relative humidity of 31%上述现象与实际测试回路金属结点数目无关。经典电子理论对于单个金属 金属结点的接触电势给出式(2)的形式:EAB(T)=kBTelnnAnB(2)式中 kB、e、T 分别是玻尔兹曼常数、电子电量和金属-金属结点所处绝对温度;nA和 nB分别是金属 A 和 B的自由电子密度。根据公式(2)可以证明，只要测试回路中各处温度都相等，无论线路有多少段导线组成，整个回路的温差电势为零。如果其中一部分和另外一部分节点出现了温度差，则温差电势就不为零;温差越大，则这个温差电势就越大。这样可以把图 4 在 3 200 s 处 V0的突变与温度扰动的关系，理解为测温热电偶附近的一个温度扰动，带来了电阻测量回路中 N 个金属结点