CN104730342B - 交流电阻时间常数的测量电路和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电阻时间常数的测量电路和测量方法，其中，交流电阻时间常数的测量电路包括：惠斯通电桥结构，所述惠斯通电桥结构的第一节点和第二节点通过一隔离变压器与一电源连接，所述第一节点与一相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表的参考端连接。通过所述相位表测量所述标准电容器和所述被测交流电阻端电压的相位差，基于所述标准电容器的损耗因数，即可计算出所述被测交流电阻的时间常数。电路连接简单，测量过程方便快捷，准确度高，适合工业化应用。

Description

交流电阻时间常数的测量电路和测量方法

技术领域

本发明涉及交流阻抗精密测量领域，尤其是一种交流电阻时间常数的测量电路和测量方法。

背景技术

电气工程、电子技术等领域的实际应用中，大量涉及到对交流电量的测量，交流电压、电流、功率等的测量均与交流电阻密切相关。由于分布电容、残余电感及互感耦合等的影响，交流电阻具有一定的频率误差，即在不同频率下的阻值发生变化。交流电阻的精密测量对提高交流电量的测量准确度具有重要意义。

从1910年至1950年，科学家们提出了多种计算电阻时间常数的方法。其中有一种叫做同轴型时间常数标准，这种方法是把电阻做成同轴线的形状，由于圆筒中电流的流向并不能保证与轴线方向完全平行，因此会带来很大的计算误差。这是英国NPL 20年代的计算结果，普遍在10^-7到10^-8的量级。由于当时电信号的频率很低，因此这个量级完全可以满足实际应用。上个世纪60年代，中国也研制完成了回线型电阻时间常数计算样品，电阻下限到2姆，不确定度降低到了10^-9次方量级。

到了90年代，随着科技的发展，电信号的频率越来越高，为了满足100kHz功率测量的需要，澳大利亚计量院NMIA率先研制了盘片结构的时间常数标准，这个标准也是基于计算，实际上就是微电位计用的盘片电阻，尺寸很小，结构简单，便于计算。时间常数的参考的是一只3.9欧姆的盘片电阻，不确定度经计算在5×10^-11量级。然后通过爬台阶的方法扩展至0.1欧姆。

从2005年开始，大多数国家都不再采取计算的样品，而是寻求实际测量的方法。欧盟计量组织启动了联合研究计划，开展新一代功率电能测量技术的研究。参加国有英国、法国、瑞典、意大利、奥地利等。比如澳大利亚采用微电位计作为电阻时间常数可计算标准，其基本原理是在一个N型同轴连接器中心面上喷上一层高电阻率材料，电流通过中心轴线向外呈放射性结构。基于功率热电变换器实现电流量程扩展至20A，200kHz。

在电阻时间常数方面，意大利在2011年发表文章提出一种测量电阻时间常数的方法，将该领域的研究由计算转向实际测量。瑞典SP提出了一种基于阻抗测量仪(LCR计)的测量方法，这种方法是利用不同电阻的相同电感去修正阻抗电桥的电感测量曲线，通过测量四端电阻等效残余电感的方法计算电阻时间常数。其电阻时间常数标准是将高电阻率材料喷在PCB板上，构成四端回线形结构，在回线两端作为电流输入，同时顺着电流方向，在PCB板另一面引出电压回路，这种结构在一定程度上减小回路间的互感值。基于数字采样的方法实现两通道的同步测量，将电流量扩展100A、100kHz。但是这种方法修正的不确定度会很大。

由此可见，对于交流电阻时间常数的测量，目前的测量方法比较单一，多依赖于计算电阻时间常数标准，而标准器的制作工艺、测量电路等均极其复杂，近几年出现的几种测量方法均可获得较高的准确度，但是测量过程繁琐，无法满足工业需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流电阻时间常数的测量电路和测量方法，以解决测量电路复杂、测量过程繁琐，而无法满足工业需求的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种交流电阻时间常数的测量电路，包括：电源；

隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的两端与所述电源连接；

电桥结构，包括桥路平衡调节支路和测量支路，所述桥路平衡调节支路和测量支路通过第一节点和第二节点并联，所述第一节点和第二节点分别连接于所述隔离变压器的次级绕组的两端；所述测量支路包括一标准电容器和一被测交流电阻，所述标准电容器的第一端与所述第一节点连接，所述标准电容器的第二端通过一第四节点与所述被测交流电阻串联后连接至所述第二节点；

相位表，所述第一节点与所述相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表的参考端连接；

指零仪，所述第四节点通过所述指零仪接地。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电桥结构为惠斯通电桥结构。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述惠斯通电桥结构中的所述桥路平衡调节支路包括；

第一电容器，所述第一电容器的第一端与所述第一节点连接，所述第一电容器的第二端与一第一电位器的第一端连接；

第二电位器，所述第二电位器的第一端与所述第一电位器的第二端通过一第三节点连接，所述第三节点接地，所述第二电位器的第二端与所述第二节点连接。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述第一电位器的电阻值小于所述第二电位器的电阻值，所述第一电位器用于补偿所述第一电容器的损耗。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述第二电位器电阻值可调节，用于调节所述惠斯通电桥结构的桥路平衡。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电桥结构还可为开尔文电桥结构。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组的比例为1:1。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电源输出的电源信号为交流正弦电压信号。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述被测交流电阻为两端电阻，所述被测交流电阻的第一端与所述第四节点连接，所述被测交流电阻的另一端与所述第二节点连接。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述被测交流电阻为四端电阻，所述被测交流电阻的两个电流端分别连接于所述第四节点和所述第二节点，所述被测交流电阻的两个电位端分别连接于所述指零仪和所述相位表的参考端。

一种交流电阻时间常数的测量方法，包括以下步骤：

在所述电源的频率下测量所述标准电容器的电容值和损耗因数；

调节所述桥路平衡调节支路，使所述电桥结构的桥路平衡；

读取所述相位表输入端的相位值和参考端的相位值

计算出所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差

计算出所述被测交流电阻的时间常数τ：

其中：δ为所述标准电容的损耗因数，π为圆周率，f为所述电源的频率。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量方法中，利用所述指零仪监控所述第四节点的电压，当所述第四节点的电压值为零时，所述电桥结构的桥路平衡。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量方法中，利用电容电桥测量所述标准电容在所述电源的频率下的电容值和损耗因数。

优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量方法中，所述标准电容器的损耗因数角为θ_C，θ_C＝tanδ，δ为所述标准电容的损耗因数。。

在本发明提供的交流电阻时间常数的测量电路和测量方法中，通过所述相位表测量的所述标准电容器和所述被测交流电阻端电压的相位差，和所述标准电容器的损耗因数，即可计算出所述被测交流电阻的时间常数。电路连接简单，测量过程方便快捷，准确度高，适合工业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例1中交流电阻时间常数的测量电路的电路图；

图2为本发明实施例1中交流电阻时间常数的测量方法的流程图；

图3为本发明实施例1中标准电容器和被测交流电阻电压信号相位关系图；

图4为本发明实施例2中交流电阻时间常数的测量电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

本实施例提供了一种交流电阻时间常数的测量电路，如图1所示，其中被测交流电阻R_X为两端电阻，包括：

电源U，隔离变压器T，所述隔离变压器T的初级绕组的两端与所述电源U连接；电桥结构，所述电桥结构的第一节点A和第二节点B分别连接于所述隔离变压器T的次级绕组的两端；

相位表101，所述第一节点A与所述相位表101的输入端连接，所述第二节点B与所述相位表101的参考端连接，所述第一节点A和所述第二节点B与所述相位表之间通过屏蔽线103连接。

所述电桥结构包括，桥路平衡调节支路和测量支路，所述测量支路包括：

标准电容器C_N，所述标准电容器C_N的第一端与所述第一节点A连接；

被测交流电阻R_X，所述标准电容器C_N的第二端通过一第四节点N与所述被测交流电阻R_X串联后连接至所述第二节点B；

指零仪102，所述第四节点N通过所述指零仪102接地。

所述电桥结构可以是惠斯通电桥结构也可以开尔文电桥结构。在本实施例中，所述电桥结构为惠斯通电桥结构。

所述电源U为激励电源，为测量电路输出交流正弦电压信号。

所述隔离变压器T的初级绕组和次级绕组的比例为1:1。所述隔离变压器T用于将所述电源U输出信号的参考地与所述电桥结构的参考地隔离。

具体的，所述惠斯通电桥结构包括：

第一电容器C₁，所述第一电容器C₁的第一端与所述第一节点连接，所述第一电容器C₁的第二端与一第一电位器R₁的第一端连接；

第二电位器R₂，所述第二电位器R₂的第一端与所述第一电位器R₁的第二端通过一第三节点M连接，所述第三节点M接地，所述第二电位器R₂的第二端与所述第二节点B连接；

标准电容器C_N，所述标准电容器C_N的第一端与所述第一节点A连接，所述标准电容器C_N的第二端通过一第四节点N与一被测交流电阻R_X串联后连接至所述第二节点B，所述第四节点N通过一指零仪102接地。所述被测交流电阻R_X的第一端与所述第四节点N连接，所述被测交流电阻R_X的第二端与所述第二节点B连接。

所述第一电位器R₁的电阻值较小，小于所述第二电位器R₂的电阻值，所述第一电位器R₁用于补偿所述第一电容器C₁的损耗。所述第二电位器R₁用于调节所述惠斯通电桥的平衡。

而当所述惠斯通电桥平衡时，有R₂C₁＝R_XC_N。 (1)

利用如上所述的交流电阻时间常数的测量电路实现对所述被测交流电阻的时间常数进行测量的具体方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：在所述电源U的频率下测量所述标准电容C_N的电容值和损耗因数。

具体的，在所述电源的频率下，利用电容电桥电路测得所述标准电容C_N的电容值C_N和损耗因数δ。

S2：调节所述桥路平衡调节支路，使所述电桥结构的桥路平衡。

即调节所述桥路平衡调节支路中的第二电位器R₂，使得所述惠斯通电桥的桥路平衡。在调节所述第二电位器R₂的过程中，监控所述指零仪102的值。所述指零仪102用于检测所述第四节点N的电压，当所述惠斯通电桥的桥路平衡时，所述第四节点N应该是接地的，也就是说，当所述惠斯通电桥的桥路平衡时，所述第四节点N的电压为零。当所述指零仪102的示数为零时，则表明所述第四节点N的电压值为零，即所述惠斯通电桥的桥路达到平衡。

S3：读取所述相位表输入端的相位值和参考端的相位值

当步骤S2中的示数指零仪102指零后，也就是说当所述惠斯通电桥的桥路达到平衡后，读取所述相位表101中输入端的相位值和参考端的相位值而与所述相位表101的输入端连接的是所述标准电容器C_N上的电压V_C，与所述相位表101的参考端连接的是所述被测交流电阻R_X上的电压V_R，因此，表示的是所述标准电容器C_N上电压的的相位值，表示的是所述被测交流电阻R_X上电压的相位值。

S4：计算出所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差

利用步骤S3中所获取的所述标准电容器C_N上电压V_C的相位值以及所述被测交流电阻R_X上电压V_R的相位值即可计算出两电压之间的相位差

S5：计算出所述被测交流电阻的时间常数τ。

根据测量得到的所述标准电容C_N的损耗因数δ以及所述相位差即可计算出所述被测交流电阻R_X的时间常数τ：

其中：δ为所述标准电容的损耗因数，π为圆周率，f为所述电源的频率。

具体推导如下：

所述被测交流电阻R_X的阻值R_X用复变函数表示如下：

其中，R表示直流电阻，为角频率，τ为时间常数，电阻时间常数引起的相位θ_R为：

其中

f表示的是频率，即所述电源U当前的频率。

由图3可知，

而θ_C＝tanδ≈δ (7)

θ_C为所述标准电容器C_N的损耗因数角。

结合考虑上式(4)、(5)、(6)和(7)，即可计算得出所述被测交流电阻R_X的时间常数τ：

其中：δ为所述标准电容的损耗因数，π为圆周率，f为所述电源的频率，为所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差。即根据所述标准电容C_N的损耗因数、所述被测交流电阻R_X的工作电源的频率以及所述标准电容C_N和所述被测交流电阻R_X电压之间的相位差，即可计算出所述被测交流电阻R_X的时间常数。

实施例2

本实施例提供了一种交流电阻时间常数的测量电路，其中被测交流电阻R_X为一四端电阻，如图4所示，包括：

电源U’，隔离变压器T’，所述隔离变压器T’的初级绕组的两端与所述电源U’连接；电桥结构，所述电桥结构的第一节点A’和第二节点B’分别连接于所述隔离变压器T’的次级绕组的两端；

相位表201，所述第一节点A’与所述相位表201的输入端连接，所述第二节点B’与所述相位表201的参考端连接，所述第一节点A’和所述第二节点B’与所述相位表之间通过屏蔽线203连接；

所述电桥结构包括，桥路平衡调节支路和测量支路，所述测量支路包括：

标准电容器C’_N，所述标准电容器C’_N的第一端与所述第一节点A’连接；

被测交流电阻R’_X，所述标准电容器C’_N的第二端通过一第四节点N’与所述被测交流电阻R’_X串联后连接至所述第二节点B’；

指零仪202，所述第四节点N通过所述指零仪202接地。

所述电桥结构可以是惠斯通电桥结构也可以开尔文电桥结构。在本实施例中，所述电桥结构为惠斯通电桥结构。

具体的，所述惠斯通电桥结构包括：

第一电容器C’₁，所述第一电容器C’₁的第一端与所述第一节点A’连接，所述第一电容器C’₁的第二端与一第一电位器R’₁的第一端连接；

第二电位器R’₂，所述第二电位器R’₂的第一端与所述第一电位器R’₁的第二端通过一第三节点M’连接，所述第三节点M’接地，所述第二电位器R’₂的第二端与所述第二节点B’连接；

标准电容器C’_N，所述标准电容器C’_N的第一端与所述第一节点A’连接，所述标准电容器C’_N的第二端通过一第四节点N’与一被测交流电阻R’_X串联后连接至所述第二节点B’，所述第四节点N’通过一指零仪202接地。所述被测交流电阻R’_X的两个电流端与所述标准电容器串联连接，即所述被测交流电阻R’_X的两个电流端分别与所述第四节点N’、所述第二节点B’连接，而所述被测交流电阻R’_X的两个电压端分别与所述指零仪202和所述相位表201的参考端连接。

本实施例的其他部分均与实施例相同，在此不再赘述。

综上，在本发明实施例提供的交流电阻时间常数的测量电路和测量方法中，通过所述相位表测量的所述标准电容器和所述被测交流电阻端电压的相位差，和所述标准电容器的损耗因数，即可计算出所述被测交流电阻的时间常数。电路连接简单，测量过程方便快捷，准确度高，适合工业化应用。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，包括：

电源；

隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的两端与所述电源连接；

电桥结构，包括桥路平衡调节支路和测量支路，所述桥路平衡调节支路和测量支路通过第一节点和第二节点并联，所述第一节点和第二节点分别连接于所述隔离变压器的次级绕组的两端；所述测量支路包括一标准电容器和一被测交流电阻，所述标准电容器的第一端与所述第一节点连接，所述标准电容器的第二端通过一第四节点与所述被测交流电阻串联后连接至所述第二节点；

相位表，所述第一节点与所述相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表的参考端连接；

指零仪，所述第四节点通过所述指零仪接地。

2.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电桥结构为惠斯通电桥结构。

3.如权利要求2所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述惠斯通电桥结构中的所述桥路平衡调节支路包括：

第一电容器，所述第一电容器的第一端与所述第一节点连接，所述第一电容器的第二端与一第一电位器的第一端连接；

第二电位器，所述第二电位器的第一端与所述第一电位器的第二端通过一第三节点连接，所述第三节点接地，所述第二电位器的第二端与所述第二节点连接。

4.如权利要求3所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述第一电位器的电阻值小于所述第二电位器的电阻值，所述第一电位器用于补偿所述第一电容器的损耗。

5.如权利要求3所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述第二电位器电阻值可调节，用于调节所述惠斯通电桥结构的桥路平衡。

6.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电桥结构还可为开尔文电桥结构。

7.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组的比例为1:1。

8.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电源输出的电源信号为交流正弦电压信号。

9.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述被测交流电阻为两端电阻，所述被测交流电阻的第一端与所述第四节点连接，所述被测交流电阻的另一端与所述第二节点连接。

10.如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述被测交流电阻为四端电阻，所述被测交流电阻的两个电流端分别连接于所述第四节点和所述第二节点，所述被测交流电阻的两个电位端分别连接于所述指零仪和所述相位表的参考端。

11.一种利用如权利要求1-10中任一所述的交流电阻时间常数的测量电路对交流电阻的时间参数进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述电源的频率下测量所述标准电容器的电容值和损耗因数；

调节所述桥路平衡调节支路，使电桥结构的桥路平衡；

读取所述相位表输入端的相位值和参考端的相位值

计算出所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差

计算出所述被测交流电阻的时间常数τ：

其中：δ为所述标准电容的损耗因数，π为圆周率，f为所述电源的频率。

12.如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，利用所述指零仪监控所述第四节点的电压，当所述第四节点的电压值为零时，所述电桥结构的桥路平衡。

13.如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，利用电容电桥测量所述标准电容在所述电源的频率下的电容值和损耗因数。

14.如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，所述标准电容器的损耗因数角为θ_C，θ_C＝tanδ，δ为所述标准电容的损耗因数。