CN1043817C

CN1043817C - 测量电压的方法和装置

Info

Publication number: CN1043817C
Application number: CN92114562A
Authority: CN
Inventors: 米查尔·C·穆若曼
Original assignee: Abb Power T&d
Current assignee: Abb Power T&d; ABB Inc USA
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2007-12-21
Also published as: WO1993017347A1; EP0627084A1; DE69229639D1; EP0627084A4; CA2130093A1; EP0627084B1; MX9206349A; DE69229639T2; CA2130093C; CN1075551A; AU3128793A; US5256979A; RU2143120C1; ES2135420T3; AU659259B2; BR9207089A

Abstract

利用分压网络测量未知电压的方法，电阻值的不确定性不影响测量。未知电压分成三部分电压，对部分电压进行测量，在此基础上计算出未知电压。未知电压由包含有第一、第二及第三电组器的分压器分压，测出第一、第一及第三电阻两端的电压(Vo₁、Vo₂及、Vo₃)。根据解出的方程求出未知电压V_1N。

Description

测量电压的方法和装置

本发明总的来说涉及电压测量技术领域，更具体地说涉及电子功率表中使用的电压测量技术。

在电子功率表中，必须准确测量具有较大幅度或至少较大平均值或RMS值的电压。一种方法是用电阻分压器将电压分为可以用常规电压测量装置如模拟-数字转换器(ADC)的电压范围。但是，用传统方法得到的测量精度是受到分压器的电阻值的不确定性所限制的。电阻值的精度可受许多因素的影响，包括温度影响和过压条件的影响。此外，电阻值的初始精度也不是十分理想的。

因此，本发明的目的就是利用分压器网络提供精确测量未知电压(V_IN)的技术，在该方法中，电阻值的不确定性(例如由温度变化引起的)并不影响测量。根据本发明的方法，包括的步骤为，将未知电压分成至少三部分电压，测量这些部分的电压并在这些部分的电压基础上计算出未知电压。

在最佳实施例中，将未知电压分压的步骤包括，利用包括第一，第二，第三电阻器装置的分压器将未知电压分压的步骤，测量部分电压的步骤包括测量第一电阻器装置上的第一电压(Vo₁)第二电阻器装置上的第二电压(Vo₂)，第三电阻器装置上的第三电压(Vo₃)。

计算未知电压的步骤包括按照下述等式计算V_IN：

V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]

另外，也可以利用下述任一等式计算V_IN：V_IN=Vo₁/K1

V_IN=Vo₂/K2

V_IN=Vo₃/K3

其中K1,K2和K3分别为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数，在另一个实施例中，K1,K2和K3可以用下述等式计算出来：K1=[(Vo₁×Vo₃)十(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)K3=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)另外，K1,K2及K3也可以从下面的等式计算出来；K1=R₂/(R₁+R₂)K2=R₃/(R₁+R₃)K3=R₂×R₃/(R₁×R₂+R₁×R₃+R₂×R₃)

其中R₁,R₂和R₃分别代表第一、第二和第三电阻器装置的近似的电阻值。

本发明的另一个实施例进一步包括在未知电压的若干个周期中，测Vo₁,Vo₂和Vo₃的若干个样值步骤。

在另一个实施例中，还包括记录样值Vo₁,Vo₂和Vo₃的测量顺序的步骤。

在另一个实施例中，还包括计算K1,K2和K3的平均值的步骤。

在最佳实施例中Vo₁,Vo₂和Vo₃中的每个都是在大约2.4KHz被取样的。

本发明的另一个实施例还包括对样值交错的步骤。

另一个实施例还包括对K1,K2和K3低通滤波的步骤。

本发明还包括一个装置，包括将未知电压分成至少三个部分电压的分压装置，用于测量这些部分电压的测量装置，根据部分电压用于计算未知电压的计算装置。

按照本发明的电子功率表包括用于将未知电压分成至少三部分电压(Vo₁,Vo₂,Vo₃)的分压装置，测量装置，包括一个模数转换器，用于测量部分电压及将数字化，计算装置用于利用下述等式计算未知电压：V_IN=Vo₁/K1V_IN=Vo₂/K2V_IN=Vo₃/K3V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]其中K1,K2和K3分别为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数。本发明的其它特征将通过结合本发明最佳实施例进行描述。

图1是一个分压器的示意图。图2为本发明功率表的方框图。

众所周知，对具有N个未知量的一组N个联立方程求解可解出N个未知量中的每一个未知量。本发明就是将这一概念应用到利用分压器对电压的测量上。

图1示出了一个电阻分压器网络10，包括开关S₁,S₂和电阻R₁,R₂,R₃。开关S₁,S₂可以视为用于下述目的的理想开关。从下述的三个方程中可以计算出输出电压Vo₁，下述三个方程对应于分压器的三个状态(如下所述在功率表应用中，应当避免S₁和S₂同时断开的条件)；

条件1:S₁闭合

(1)Vo₁=V_IN×R₂/(R₁+R₂)

条件2:S₂闭合

(2)Vo₂=V_IN×R₃/(R₁+R₃)

条件3:S₁及S₂闭合

(3)Vo₃=V_2N×R₂11R₃/(R₁+R₂11R₃)=V_IN×R₂×R₃/(R₁×R₂+R₁×R₃+R₂×R₃)

利用分压器测量未知电压通常的方法是利用条件1。对输出电压Vo₁进行测量，R₁和R₂假定是已知的。在本例中，未知电压于是即可按照方程1求出。在未知电压是很高的场合，这种方法是特别有用的。当然，只有当R₁和R₂已知达到所需精度，才能足够知道V_IN与测量到的电压V_IN的关系。

本发明省去了电阻必须是已知的要求。按照本发明，通过测量上述三种条件下的输出电压Voi，可以得到一组三个联立的方程。首先闭合S₁测量输出电压Vo₁，然后断开开关S₁闭合开关S₂测量Vo₂，最后闭合S₁和S₂测量Vo₃。注意未知量V_IN,R₁,R₂，和R₃在三个输出电压的测量当中必须是常量以便得到直正的联立方程组。对于电阻来说，这种假定是安全的，因为电阻值变化的时间常数与测量时间相比是相当长的。如果输入电压是交流(AC)信号，则在瞬时的基础上不是恒定的，然而在RMS或平均的基础上在测量三个输出电压时却可以假定的是恒定的。这种假定的有效性在下面进行讨论。

由于我们的主要目的是确定与三个电阻值无关的V_IN值，将对方程组求解以求出三个描述输入电压V_IN和三个输出电压Vo₁,Vo₂和Vo₃之间关系的增益项。

首先，方程1和2化简为将R₂和R₃表示为R₁,V_IN,Vo₁和Vo₂的函数：(4)R₂=R₁×Vo₁/(V_IN-Vo₁)(5)R₃=R₁×Vo₂/(V_IN-Vo₂)

其次，方程3化简为将V_IN表示成Vo₃,R₁,R₂和R₃的函数。

(6)V_IN=Vo₃×(R₁/R₃+R₁/R₂+1)

然后将方程(4)和(5)代入方程(6)将V_IN表示成Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数。

(7)V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]

在某些程度上来说，我们已经达到目的，因为已经得到了与电阻值无关又是可精确测量的电压的函数的V_IN的关系。但是如果知道输入电压与每个各自的输出电压的关系对需要连续知道输入电压电平的功率表应用来说是更为有利的。在本说明书中，这些关系对Vo₁,Vo₂和Vo₃来说分别为K1,K2和K3。K1,K2和K3由下式确定：V_IN=K1×Vo₁V_IN=K2×Vo₂V_IN=K3×Vo₃

从方程(1)中可知，K1为R₁和R₂的函数。

(8)K1=R₂/(R₁+R₂)

将方程(4)和(7)代入方程(8)，K1可表示为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数：

(9)K1=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)

同理，K2和K3也可表示为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数：

(10)K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)

(11)K3=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)

由于希望R₁,R₂和R₃的值变化较慢，因此，K1,K2和K3也希望变化较慢。本发明利用这种情况的优点使RMS或平均输入电压变化带来的问题减至最小。根据本发明，RMS或平均输出电压是在每种条件下线电压的一个周期内测量的，即需要线电压的三个周期去求解一个方程组。在连续的基础上，在线电压的每三个周期计算出K1,K2和K3。此外，在许多周期上求K1,K2和K3的平均值以使输入电压V_IN的随机变化的影响减至最小。

另外，利用的三个条件的顺序也可改变使输入电压的系统改变的影响减至最小。

图2为利用本发明的上述技术的功率表的方框图。下面简要描述该功率表以描述本发明的最佳实施例，该表的进一步情况提供于美国专利No 申请日，现列于于此作为参考。

图2所示的功率表包括三个图1所述的类型的电阻分压器网络10A,10B,10C；一个ADC/DSP(模数转换器/数字信号处理器)芯片12；一个微控制器14(例如Mitsubishi Model 50428微控制器)，三个电流传感器16A,16B,16C；一个可接受范围为96-528V的输入的12V开关电源18；一个5V线性电源20；一个非易失电源22，当5V电源20不工作时它转接到电池24(这一点对于跟踪一天的实际时间的用表时间是特别有用的)；一个2.5V精确电压基准26；一个LCD显示器28；一个32.768KHz振荡器(当断电或到微控制器14(下面讨论)的120 Hz线不工作时用于保持时间)；一个6.2208MHz振荡器32向芯片12内的ADC(未示出)提供定时信号而其信号被1.5除以向微控器14提供4.1472MHz；时钟信号；一个2K字节EEPROM34用于存储表类型识别数据，该数据可由块口12装入；一个串联的通讯线35；一个选择连接器36；一个光通讯端口38可用于阅读该表。

标有“PFail(A)”的线用于向微控制器14输入指示电源断电和A相电压存在或不存在的信号。标有“B相”的线用于当B相电压存在时输入指示信号。标有“120Hz(C)”的线用于输入指示C相是压存在的信号并输入一个微控制器14用于定时的120Hz(2倍于60Hz的线频率)信号。(A相，B相，C相代表三相发电系统中产生的三个电压。)标有“Whr Del”有“Whr Rec”的线分别载有指示传递和接收的互一时的信号。标有“Varhr Del”和“Varhr Rec”的线分别载有指示传递和接收的视在功率的信号。标的“4.1472MHz”的线载有到微处理器的时钟信号。

在附后的权利要求中描述的本发明的范围并不限于上述的具体实施例。例如，分压器网络10A,10B,10C可设在ADC/DSP块12之内。这样可以减少部件的数目，但则需要分压器电流进入芯片，这是所不希望的。在块12外部设置上述的分压器时，每相则需两个外部驱动线(一个用于每个开关S₁、S₂)块12另外需要6个引线。此外，应当注意到，如果分压器10A、10B、10C在块12内部并且开关S1和S2都在同时断开，输出电压Vo₁(=V_IN)可大到足以损坏该芯片，最后，本发明并不限于使用电阻分压器，其它类型的分压器或者甚至分流器也可以使用。

Claims

1．一种测量未知电压(V_1N)方法，包括下列步骤：

(a)将所述未知电压分成至少三部分电压；

(b)测量所述部分电压；以及

(c)在所述部分电压的基础上计算所述未知电压；其中：

步骤(a)包括利用一个包含第一，第二及第三电阻器装置(R₁,R₂,R₃)和第一及第二开关(S₁,S₂)的分压器对未知电压分压，所述第一电阻(R₁)一端与未知电压端连接，另一端连于测量端(Vo)，所述第二电阻(R₂)与第一开关(S₁)串联后，一端接地，另一端连于测量端，同样，所述第三电阻(R₃)与第二开关(S₂)串联后，一端接地，另一端连于测量端；以及

步骤(b)包括闭合第一开关，断开第二开关来测量第二电阻器装置两端的第一电压(Vo₁)，断开第一开关，闭合第二开关来测量第三电阻器装置两端的第二电压(Vo₂)，以及同时闭合第一及第二开关测量第二和第三电阻器装置并联后两端的第三电压(Vo₃)；

步骤(c)包括按照下述等式计算所述未知电压：

V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]。

2．权利要求1的方法，其中步骤(c)包括按照下述至少一个等式计算所述未知电压的步骤：V_IN=Vo₁/K1V_IN=Vo₂/K2V_IN=Vo₃/K3V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]，

其中K1、K2和K3分别为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数。

3．权利要求2的方法，还包括按照下列等式计算K1,K2及K3的步骤：K1=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)K3-[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)

4．权利要求2的方法，还包括按照下列方程计算K1,K2及K3的步骤：K1=R₂/(R₁+R₂)K2=R₃/(R₁+R₃)K3=R₂×R₃/(R₁×R₂+R₁×R₃+R₂×R₃)

其中R₁,R₂及R₃分别代表所述第一，第二及第三电阻器装置的近似电阻值。

5．权利要求2的方法，还包括在所述未知电压的多个周期内测量Vo₁,Vo₂及Vo₃的多个样本的步骤。

6．权利要求5的方法，还包括记录样值Vo₁,Vo₂及Vo₃被测量的顺序的步骤。

7．权利要求5的方法，还包括计算K1,K2及K3的平均值的步骤。

8．权利要求5的方法，其中每个Vo₁,Vo₂及Vo₃是在大约2.4KHz处理被取样的。

9．权利要求5的方法，还包括对所述样值的交错步骤。

10．权利要求5的方法，还包括对K1,K2及K3低通滤波的步骤。

11．权利要求2的方法，还包括下述步骤：

在所述未知电压的多个周期中测量每个Vo₁,Vo₂及Vo₃的多个样值；

按照下述等式计算K1,K2及K3：K1=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)

K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)

K3=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)；及

对K1,K2及K3低通滤波。

12．一种测量未知电压(V_IN)的装置，包括：

(a)分压器装置，用于将所述未知电压分成至少三部分电压；

(b)测量装置，用于测量所述部分电压；及

(c)计算装置，用于在所述部分电压的基础上计算所述未知电压；其中：

所述的分压器装置包括第一，第二及第三电阻器装置(R₁,R₂,R₃)和第一及第二开关(S₁,S₂)，所述第一电阻(R₁)一端与未知电压端连接，另一端连于测量端(Vo)，所述第二电阻(R₂)与第一开关(S₁)串联后，一端接地，另一端连于测量端，同样，所述第三电阻(R₃)与第二开关(S₂)串联后，一端接地，另一端连于测量端；及

所述的测量装置包括测量第二电阻器装置两端第一电压(Vo₁)的装置，测量第三电阻器装置两端第二电压(Vo₂)的装置，及测量第二和第三电阻器装置并联后两端第三电压(Vo₃)的装置；

所述的计算装置包括按照下述等式计算所述未知电压的装置：

V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]。

13．权利要求12的装置，其中所述的计算装置包括按照下述等式中的至少一个计算所述未知电压的装置：

V_IN=Vo₁/K1

V_IN=Vo₂/K2

V_IN=Vo₃/K3

V_IN=Vo₁×Vo₂×Vo₃/[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]，

其中K1、K2和K3分别为Vo₁,Vo₂和Vo₃的函数。

14．权利要求13的装置，还包括按照下述等式计算K1、K2和K3的装置：

K1=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)

K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)

K3=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)；

15．权利要求13的装置，还包括按照下述等式计算K1、K2和K3的装置：K1=R₂/(R₁+R₂)K2=R₃/(R₁+R₃)K3=R₂×R₃/(R₁×R₂+R₁×R₃+R₂×R₃)

16．权利要求13的装置，还包括在所述未知电压的多个周期中测量每个Vo₁,Vo₂及Vo₃的多个样值的装置。

17．权利要求16的装置，还包括记录样值Vo₁,Vo₂及Vo₃被测量的顺序的装置。

18．权利要求16的装置，还包括计算K1,K2及K3的平均值的装置。

19．权利要求16的装置，还包括在大约2.4kHz对每个Vo₁,Vo₂及Vo₃取样的装置。

20．权利要求16的装置，还包括交错所述样值的装置。

21．权利要求16的装置，还包括对K1,K2及K3低通滤波的装置。

22．权利要求13的装置，还包括：

在所述未知电压的多个周期中测量Vo₁,Vo₂及Vo₃的多个样值的装置；

按照下述等式计算K1,K2及K3的装置：K1=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₂×Vo₃)K2=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₃)K3=[(Vo₁×Vo₃)+(Vo₂×Vo₃)-(Vo₁×Vo₂)]/(Vo₁×Vo₂)；及

对K1,K2及K3低通滤波的装置。