CN101408598A

CN101408598A - 一种交流溯源直流校正方法

Info

Publication number: CN101408598A
Application number: CNA2008100291232A
Authority: CN
Inventors: 邹至刚; 赵祥林; 贺艳平
Original assignee: Yangcheng Science & Technology Industry Co Ltd Guangzhou City
Current assignee: Guangzhou GENY Electric Co., Ltd.; Yunnan (Group) China Electric Power Test & Research Institute; Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: CN101408598B

Abstract

本发明公开了一种△型直流溯源直流校正方法，通过外加稳定交流电压源，交流电压输出经电压分压器形成电压通道，从该电压通道获得电压回路的变换低电压值；稳定交流电压源的交流电压输出经高精度电阻连接电流互感器形成电流通道，从该电流通道通过阻抗变换获得代表电流的测量电压值；精密稳压直流基准电压和上述测得的电压回路的变换电压值接入带自校正的交直流电压比较器获得电压源稳定输出的正弦电压；再在获得上述结果的基础上，结合接入交直流电压比较器中获得的测量电压值，获得电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差，并将这些误差补偿参量储存，用于以后的电流测量的阻抗变换误差补偿。本发明误差源少、电气结构简单且精度高。

Description

一种交流溯源直流校正方法

技术领域

本发明涉及一种校正技术，是涉及一种Δ型交流溯源直流的校正方法。

背景技术

在工频交流量测量过程中，由于频率变化以及分布参数、器件的交流参数和温度特性影响，很难保证电压、电流、功率测量的高精度和长期稳定性。特别在对小电流进行低阻抗测量时，更是带来非常大的误差。

已有的实验室采用的交流→直流溯源方法如图1所示，图中，功率比较器的工作原理是基于电流比较仪技术和直流电压溯源技术。直流电压溯源技术是通过交直流电压比较仪将系统的工作电压交流100V溯源到直流电压标准U_R，以保证测量的准确度。

程控电压源和程控电流源由数字式信号源及功率电路组成，功率比较仪的输入电压经过RC移相器后，分别产生同相电流I_R和正交电流I_C输入到功率比较器。被测表电流I与I_R、I_C在功率比较器中进行比较，其差值电流I₀通过反馈回路调整程控电流源大小，从而改变被测表中的电流，最终在功率比较仪的自动平衡和反馈回路的作用下，实现被测电流与交流电压，RC和电流比较仪匝数的确定的数学关系。该个系统的不确定度为25ppm。

上述方法处理步骤多，大致包含以下八个环节，①直流参考标准；②直流稳定电源；③直流分压器；④交直流电压有效值比较器；⑤交流电压产生可移相电流；⑥功率平衡比较器；⑦电压扩展器；⑧电流扩展器。各个环节共存在八种误差源Kε，若平均分配其误差，则整个直流溯源校正过程的误差不确定度为

\sqrt{8} \times Kϵ \approx 2.8 \times Kϵ .

实际上，标准电流的产生是通过标准电阻R与C产生的，该项误差较难控制，特别是电容C的敏感温度特性，使得使用环境温度控制的要求极为严格。若误差种类愈少，系统的不确定度就愈小。比如若误差源压缩至四种，则系统不确改定为2×Kε。

此种方法由于环节多达八种，误差源多，即各种等级精度的仪表通过一级级对比方法来完成标准的传递，如果一个环节出现问题，则会出现较大的误差；校准过程容易出错，非常麻烦。设备庞大，操用复杂，不能移动，不适于作为日常工作基准。

另外由于测量交流电流的仪器往往需从测量mA至数百安培，K_I的不确定性在测量范围内的不确定度往往比其他类型误差源大1-2个数量级，宽量限误差小的电流变换器体积大而根本无法实现仪器的便携式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种误差源少、电气结构简单且精度高的Δ型交流溯源直流的校正方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：一种Δ型直流溯源直流校正方法，在小型仪器中实现将交流测量值直接溯源到直流电压，通过高精度的直流参考基准来直接对要进行溯源的装置进行校准。

上述将交流测量值直接溯源到直流电压的步骤如下：

(1)对要进行溯源的装置外加的稳定交流电压源，

(2)稳定交流电压源的交流电压输出经电压分压器形成电压通道；从该电压通道获得电压回路的变换低电压值；

(3)稳定交流电压源的交流电压输出经高精度电阻连接电流互感器形成电流通道；从该电流通道通过阻抗变换获得代表电流的测量电压值；

(4)采用精密稳压直流基准电压和上述测得的电压回路的变换电压值接入带自校正的交直流电压比较器获得电压源稳定输出的正弦电压；

(5)在步骤4获得结果的基础上，结合接入交直流电压比较器的电流通道中获得的测量电压值，获得电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差(即

的大小与方向)，用于以后的电流测量的阻抗变换误差补偿。

上述步骤2、3中稳定交流电压源的交流电压输出高端同时接到电压分压器高端及精密电阻的一端，精密电阻的另一端连接电流互感器的高端，稳定交流电压源的交流电压输出低端同时接到电压分压器低端及电流互感器的低端。这样，当电流互感器的一次阻抗很小或等效归算入精密电阻时，可以得到一个标准的电压和一个标准的电流输入，而且由于高精度电阻的无感抗无电容设计，使得电压与电流的相位是标准的零角度。

上述步骤5中的电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差采用DSP数字信号处理器进行误差计算得出并储存。

上述步骤5中的高精度电阻为无感抗无电容设计。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点

1.本发明方法采用的标准器件少，误差源少，方便用于电压电流功率精密测量，避免了电压U、I及功率P必须有更高精度的交流仪器(高精度的标准电能表)整机校准；

2.电气结构简单，实现校正仪器的小型化，可以做到校正仪器的便携式；

3、小电流测量精度比已有技术提高一个量级；

4、交流电流可以在小型仪器实现溯源从mA级扩展至数百安培。

附图说明

图1是现有的交流→直流溯源方法；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图2，本发明方法中采用直流基准电压源，稳定交流电压源、电压分压器、高精度电阻、电流互感器、带双路自校正的交直流电压比较器和DSP数字信号处理器来处理，其中的直流参考基准电压源、稳定交流电压源、高精度电阻、带自校正的交直流电压比较器选用标准器件，高精度电阻为无感抗无电容设计，交直流电压比较器双路自校正为零位和满度校正。标准器件能够标定或自检测高精度的直流参考基准与高精度电阻，可以用现有的八位半数字电压表简单标定或比对直流电源，高稳定度的交流分压器可以用精密的感应分压器校准。

其中稳定交流电压源的交流电压输出高端同时接到电压分压器高端及精密电阻的一端，精密电阻的另一端连接电流互感器的高端，稳定交流电压源的交流电压输出低端同时接到电压分压器低端及电流互感器的低端；这样，当电流互感器的一次阻抗很小或等效归算入精密电阻时，可以得到一个标准的电压和一个标准的电流输入，而且由于高精度电阻的无感抗无电容设计，使得电压与电流的相位是标准的零角度。

对要进行溯源的装置的校正过程为：外加的稳定交流电压源的交流电压输出经电压分压器形成电压通道，从该电压通道获得电压回路的变换低电压值；稳定交流电压源的交流电压输出经高精度电阻连接电流互感器形成电流通道，从该电流通道通过阻抗变换获得代表电流的测量电压值；精密稳压直流基准电压和上述测得的电压回路的变换电压值接入带自校正的交直流电压比较器获得电压源稳定输出的正弦电压；

再在获得上述结果的基础上，结合接入交直流电压比较器中获得的测量电压值，采用DSP数字信号处理器进行误差计算获得电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差(即

的大小与方向)，并将这些误差补偿参量储存；用于以后的电流测量的阻抗变换误差补偿。

在图2中稳定交流电压源的输出值，U_A是电流回路的测量电压值。U_V是电压回路的测量电压值，R是高精度纯电阻，温度系数0.1ppm/℃。

在校准过程中，对仪表外加的稳定交流电压，

电压通道：

{\overset{\cdot}{U}}_{V} = {\overset{\cdot}{K}}_{U} \times \overset{\cdot}{U} - - - (2)

电流通道：

{\overset{\cdot}{U}}_{A} = {\overset{\cdot}{K}}_{I} \times \frac{\overset{\cdot}{U}}{R} - - - (3)

交直流电压比较器为双路带自校正电路及DSP完成。

由U_R值测得

是DSP通过A/D转换读数值。

由(2)式得：

\overset{\cdot}{U} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{V}}{{\overset{\cdot}{K}}_{U}} = \frac{U_{R} / U_{reading}}{{\overset{\cdot}{K}}_{U}} \times K - - - (4)

K_U——电阻分压比

K——A/D转换比例，U_R可以高精度直流数字电压表标定。

由于K_U电阻可以精确测定，K比例为一常数，所以

通过电压通道可以精确测量。

电流通道：

{\overset{\cdot}{U}}_{A} = {\overset{\cdot}{K}}_{I} \times \frac{\overset{\cdot}{U}}{R} = \frac{U_{R}}{I_{reading}} \times K

则

{\overset{\cdot}{K}}_{I} = \frac{U_{R} \times K \times R}{I_{reading} \times U} - - - (5)

式中：

是DSP通过A/D读数值，从而得到最难标定

的11大小与方向，即电流互感器的比差和角差。这样在一个固定的电流互感器档位

下通过这种进行了溯源到直流标准。将

的大小和方向的结果存入DSP中就能以简便的形式完成直流→交流量的(U、I、P)校准过程。

以上过程如流程图3所示，从上述的处理过程可以看出：

a.精密稳直流参考电压①与U_V在交直流比较器④比较溯源，而不是原有技术的高压溯源。省去了高稳定的直流稳压源和高精度的直流电压分压器.

b.交流电压U通过K_U得到了直流溯源，因为K_U在实际使用过程中，测量范围窄而且往往是在额定点工作，误差小而且长期稳定性好。

c.U通过R得到标准校正电流I，用于校正K_I的通道误差.这里，应用了通道分布参量相移线性不变原理.省去了原有技术的交流标准电容。

d.溯源的结果：从U_R出发得到了U、I的准确值，并由于K_I的校正，精确的功率P问题得以解决。

用本发明方法在实际使用中的一个数据记录如下：

1.用不确定度约3ppm八位半数字电压表测定U_R值为9.9999V

2.用不确定1ppm的感应分压器标定K_U得到比值误差f＝0.001％和相位误差δ＝0.02′。由于是低电压校准，附加误差估计值约5ppm。

3.用16位的精密模数转换器，带动态满度校准及零位校准，其满度的转换统计值偏差约

\frac{1}{4} LSB = 5 ppm .

4.相位误差δ＝0.02′在功率P测量时与电流通道的K_I相位差合并修正。

5.作为仪器的实际控制指标，可以预期交流电压电流测量不确定度≤15ppm/年、功率不确定度≤40ppm/年。

通过以上数据记录，可以得出本发明对计量的量值传递具有重大的实际应用价值，对提高我国目前计量水平有较大的推动作用。

Claims

1、一种Δ型交流溯源直流校正方法，其特征在于：在小型仪器中实现将交流测量值直接溯源到直流电压，并通过高精度的直流参考基准来直接对要进行溯源的装置进行校准。

2、根据权利要求1所述的一种Δ型直流溯源直流校正方法，其特征在于：将交流测量值直接溯源到直流电压的步骤如下：

(1)对要进行溯源的装置外加的稳定交流电压源，

(5)在步骤4获得结果的基础上，结合接入交直流电压比较器的电流通道中获得的测量电压值，获得电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差(即的大小与方向)，用于以后的电流测量的阻抗变换误差补偿。

3、根据权利要求2所述的一种Δ型直流溯源直流校正方法，其特征在于：上述步骤2、3中稳定交流电压源的交流电压输出高端同时接到电压分压器高端及精密电阻的一端，精密电阻的另一端连接电流互感器的高端，稳定交流电压源的交流电压输出低端同时接到电压分压器低端及电流互感器的低端。

4、根据权利要求2所述的一种Δ型直流溯源直流校正方法，其特征在于：上述步骤5中的电流互感器及二次负载等效阻抗的合成比差和角差采用DSP数字信号处理器进行误差计算得出并储存。

5、根据权利要求2所述的一种Δ型直流溯源直流校正方法，其特征在于：上述步骤5中的高精度电阻为无感抗无电容设计。