CN102749505B - 一种电压比例测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电压比例测量方法和测量装置，该方法是在通用双通道数字化仪的基础上增加通道切换模块和数据处理模块，通过通道自动切换和误差合成，在很大程度上消除数字电压表两个通道的不一致性，从而提高电压比例测量的准确度。用本方法设计的电压比例测量装置主要包括逻辑控制模块、通道切换模块、双通道AD转换模块和计算机虚拟仪器模块四部分。在频率为60Hz至10kHz范围内，本测量装置的误差不大于1×10-6，在50Hz下装置的比值差小于1×10-6，相位差小于1×10-7rad，具有良好的重复性和稳定性。将本装置与适当的V/V或I/V相结合，即可用于校准电压、电流互感器以及测量阻抗和导纳。
Description
技术领域
本发明涉及电测领域，尤其涉及一种电压比例精密测量方法及装置。
背景技术
在高电压大电流的测量和计量领域，必须使用电压互感器和电流互感器将被测量按照一定的比例转换至二次测量设备的量程范围内。为了确保上述测量结果的准确可靠，互感器都必须按照相关规程的规定进行定期校验，即在不同的工作电流或电压、负荷及变比下进行多点测量，不仅测试工作量繁重，而且要求有较高的测量准确度。因此提高互感器校验设备的自动化程度、准确度和稳定度成为本电测领域的重要课题之一。
互感器校验仪通常采用差动平衡比较法或非平衡差动测量原理，这种校验仪的优点是对其本身的准确度要求不高，因为该校验仪读数误差是被测互感器误差的误差。采用差动平衡比较法的HEJ型互感器校验仪的分辨力可达1×10-8，准确度为1%，可用以校验0.0001级及以下的互感器，但是这种校验仪需要人工手动调节，检零平衡困难，使用不便。采用微机技术的非平衡差动式校验仪，通过对被测互感器二次回路与标准互感器二次回路的差动信号和标准互感器二次回路工作信号的测试，根据误差定义公式计算得到互感器的误差，为了保证测量的准确度，此类校验仪采用了多级放大、滤波、鉴相、波形变换、锁相和整形等一套极为复杂的采样脉冲形成电路。此类校验仪的工作效率较传统电工式校验仪有所提高，其缺点是电路复杂、调试难度大，当差动信号较小时测量准确度和稳定性欠佳，重复测量的一致性差，一般仅适用于检验0.01级以下的互感器。
有鉴于此，本发明提出一种应用双通道数字化仪、通道切换技术和虚拟仪器技术的电压比例测量方法，应用该方法设计的测量装置使用时不要求标准互感器和被试互感器的变比相同，工作频带宽，不仅具有较高的测量准确度及良好的稳定性和重复性，而且功能丰富、自动化程度高，应用灵活方便。
发明内容
本发明的目的是：针对电工式差动平衡比较法校验仪和采用微机技术的非平衡差动式校验仪均不能兼顾高测量效率和高准确度的问题，本发明旨在提供一种新的电压比例测量方法和测量装置，以实现互感器高效精密校验。
本发明所采用的技术方案是：一种电压比例测量装置，由逻辑控制模块、通道切换模块、双通道AD转换模块和计算机虚拟仪器模块四部分组成，其特征在于：
所述逻辑控制模块向通道切换模块和双通道AD转换模块提供同步和采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序；
所述通道切换模块根据逻辑控制模块的控制信号，按照一定的频率对双通道AD转换模块的两个通道进行切换，同时其中的运算放大器可将被测信号转换到数字电压表的量程范围内；
所述双通道AD转换模块将经过通道切换模块转换的被测信号转换成数字信号，该数字信号通过数据线传送至计算机虚拟仪器模块；
所述计算机虚拟仪器模块经过数据的预处理和离散傅里叶变换后，分别求得通道切换前后两输入信号基波的幅值比例和相位差，然后按照公式（1）进行误差合成，从而求得最终的测量结果。
公式（1）
如上所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述通道切换模块由输入缓冲电路、高速CMOS开关、高速精密差分放大电路和输出缓冲电路组成，同时具备了阻抗匹配、通道切换和扩大量程的作用。
如上所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述计算机虚拟仪器模块采用Labview软件设计，能够根据设定的采样周期和通道切换周期，将切换前和切换后的数据分割成两组，并删除开关动作时所采集到的有干扰的数据，然后根据设定的采样速率，将采集的数据重构成时域信号，供离散傅里叶变换使用。
如上所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述双通道AD转换模块选用的型号是NI PXI-5922。
本发明还提供一种电压比例测量方法，其特征在于，采用如上所述的电压比例测量装置，所述测量方法的步骤如下：
采用所述逻辑控制模块向通道切换模块和双通道AD转换模块提供同步和采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序；
采用所述通道切换模块根据逻辑控制模块的控制信号，按照一定的频率对双通道AD转换模块的两个通道进行切换，同时其中的运算放大器可将被测信号转换到数字电压表的量程范围内；
采用所述双通道AD转换模块将经过通道切换模块转换的被测信号转换成数字信号，该数字信号通过数据线传送至计算机虚拟仪器模块；
所述计算机虚拟仪器模块经过数据的预处理和离散傅里叶变换后，分别求得通道切换前后两输入信号基波的幅值比例和相位差，然后按照公式（1）进行误差合成，从而求得最终的测量结果。
公式（1）
如上所述的电压比例测量方法，其特征在于，采用如下的数据处理方法：1）将采集到的数据分为通道交换前和交换后两组；2）分别求得交换前后的电压比例和；3）求出合成比例，作为电压比例的测量结果。
本发明的有益效果是：本发明提供的测量电压比例的方法和装置能够有效提高通用双通道数字电压表（数字化仪）的比例测量准确度，可用于开发电压比例误差测量装置。通过选用不同特点的双通道数字电压表、数字化仪和数据采集卡，即可实现高精度测量、宽频率范围测量等不同用途。该装置与精密V/V、I/V相结合，即可用来校准普通电压、电流互感器。其测量准确度比一般采用测差原理的数字式互感器校验仪更高，且不要求标准互感器与被测互感器的变比相同。同时该系统可采用计算机进行数据处理，使得这种测量装置的使用更加灵活方便，实现更多功能，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的电压比例测量装置的原理示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
图1中的标记：1—通道切换模块， 2—逻辑控制模块，3—双通道AD转换模块， 4—计算机虚拟仪器模块。
本发明实施例提供的一种电压比例测量装置，由逻辑控制模块、通道切换模块、双通道AD转换模块和计算机虚拟仪器模块四部分组成。
所述逻辑控制模块向通道切换模块和双通道AD转换模块提供同步和采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序；
所述通道切换模块根据逻辑控制模块的控制信号，按照一定的频率对双通道AD转换模块的两个通道进行切换，同时其中的运算放大器可将被测信号转换到数字电压表的量程范围内；
所述双通道AD转换模块将经过通道切换模块转换的被测信号转换成数字信号，该数字信号通过数据线传送至计算机虚拟仪器模块；
所述计算机虚拟仪器模块经过数据的预处理和离散傅里叶变换后，分别求得通道切换前后两输入信号基波的幅值比例和相位差，然后按照公式（1）进行误差合成，从而求得最终的测量结果。
公式（1）
所述通道切换模块由输入缓冲电路、高速CMOS开关、高速精密差分放大电路和输出缓冲电路组成，同时具备了阻抗匹配、通道切换和扩大量程的作用。
所述计算机虚拟仪器模块采用Labview软件设计，能够根据设定的采样周期和通道切换周期，将切换前和切换后的数据分割成两组，并删除开关动作时所采集到的有干扰的数据，然后根据设定的采样速率，将采集的数据重构成时域信号，供离散傅里叶变换使用。
所述通道切换模块的核心是COMS开关芯片，其可根据逻辑控制单元的电平信号实现通断操作，从而快速准确的按照一定周期对两个输入信号的通道进行交换。此外通道切换模块还采用自举电容构成的自举电路来增大电路的输入阻抗，采用精密放大电路扩大装置的测量范围。
所述逻辑控制模块由多级分频电路组成，分频电路将输入的高速时钟信号转换为一定周期的采样触发信号和通道切换信号。逻辑控制模块的输入信号须与AD转换模块的时钟脉冲信号相同，以确保采样触发信号、通道切换信号和采样时钟信号的同步，减小系统的相位测量误差。
所述双通道AD转换模块可以根据需要选择市场上通用的数字化仪器或仪表，本发明选用NI PXI-5922作为AD转换模块，其优点是具有24位分辨率和50kHz~15MHz的采样速度，兼备较高的采样速度和测量准确度两个优点，而且能够非常方便的用虚拟仪器设计软件Labview进行控制。
所述计算机虚拟仪器模块采用Labview软件设计，虚拟仪器首先根据设定的参数对PXI-5922的采样速率、采样周期、时钟信号和触发方式等进行初始化，然后进入主循环，依次执行数据的采集、预处理、离散傅里叶变换、误差计算以及结果的显示和保存等任务。数据的预处理主要是指在使用通道切换装置时，根据设定的采样周期和通道切换周期，将切换前和切换后的数据分割成两组，并删除开关动作时所采集到的有干扰的数据，然后根据设定的采样速率，将采集的数据重构成时域信号，供离散傅里叶变换（DFT）使用。误差计算是指按照公式（1）的方法，首先分别计算切换前后的比值差和相位差，然后将切换前后的误差进行合成，求得最终的测量结果。
所述的电压比例测量方法，采用如下的数据处理方法：1）将采集到的数据分为通道交换前和交换后两组；2）分别求得交换前后的电压比例和；3）求出合成比例，作为电压比例的测量结果。
本发明提供的一种电压比例测量方法和测量装置，该方法是在通用双通道数字化仪（包括数字电压表）的基础上增加通道切换模块和数据处理模块，通过通道自动切换和误差合成，在很大程度上消除数字电压表两个通道的不一致性，从而提高电压比例测量的准确度。用本方法设计的电压比例测量装置主要包括逻辑控制模块、通道切换模块、双通道AD转换模块和计算机虚拟仪器模块四部分。在频率为60Hz至10kHz范围内，本测量装置的误差不大于1×10-6，在50Hz下装置的比值差小于1×10-6，相位差小于1×10-7rad，具有良好的重复性和稳定性。将本装置与适当的V/V或I/V相结合，即可用于校准电压、电流互感器以及测量阻抗和导纳。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种电压比例测量装置，由逻辑控制模块、通道切换模块、双通道AD转换模块和计算机虚拟仪器模块四部分组成，其特征在于：
所述逻辑控制模块向通道切换模块和双通道AD转换模块提供同步和采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序；
所述通道切换模块根据逻辑控制模块的控制信号，按照一定的频率对双通道AD转换模块的两个通道进行切换，同时其中的运算放大器可将被测信号转换到数字电压表的量程范围内；
所述双通道AD转换模块将经过通道切换模块转换的被测信号转换成数字信号，该数字信号通过数据线传送至计算机虚拟仪器模块；
所述计算机虚拟仪器模块经过数据的预处理和离散傅里叶变换后，分别求得通道切换前后两输入信号基波的幅值比例 和相位差，然后按照公式（1）进行误差合成，从而求得最终的测量结果和；
公式（1）。
2.根据权利要求1所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述通道切换模块由输入缓冲电路、高速CMOS开关、高速精密差分放大电路和输出缓冲电路组成，同时具备了阻抗匹配、通道切换和扩大量程的作用。
3.根据权利要求1所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述计算机虚拟仪器模块采用Labview软件设计，能够根据设定的采样周期和通道切换周期，将切换前和切换后的数据分割成两组，并删除开关动作时所采集到的有干扰的数据，然后根据设定的采样速率，将采集的数据重构成时域信号，供离散傅里叶变换使用。
4.根据权利要求1所述的电压比例测量装置，其特征在于，所述双通道AD转换模块选用的型号是NI PXI-5922。
5.一种电压比例测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的电压比例测量装置，所述测量方法的步骤如下：
采用所述逻辑控制模块向通道切换模块和双通道AD转换模块提供同步和采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序；
采用所述通道切换模块根据逻辑控制模块的控制信号，按照一定的频率对双通道AD转换模块的两个通道进行切换，同时其中的运算放大器可将被测信号转换到数字电压表的量程范围内；
采用所述双通道AD转换模块将经过通道切换模块转换的被测信号转换成数字信号，该数字信号通过数据线传送至计算机虚拟仪器模块；
所述计算机虚拟仪器模块经过数据的预处理和离散傅里叶变换后，分别求得通道切换前后两输入信号基波的幅值比例和相位差，然后按照公式（1）进行误差合成，从而求得最终的测量结果和；
公式（1）。
6.根据权利要求5所述的电压比例测量方法，其特征在于，采用如下的数据处理方法：1）将采集到的数据分为通道交换前和交换后两组；2）分别求得交换前后的幅值比例和相位差；3）求出合成误差和，作为电压比例的测量结果。
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