CN105301320A - 一种交流阻抗电桥 - Google Patents

Abstract

一种交流阻抗电桥，包括：标准电流互感器、微伏表、电源及标准电阻和被测电阻，其特征在于：还包括用于接地的电流互感器和电阻，其中，标准电流互感器的一次侧绕组、接地电流互感器的一次侧绕组及被测电阻串联，标准电阻并联在标准电流互感器二次侧，接地电阻并联在接地电流互感器二次侧，接地电阻的低电位端接地，高电位端与被测电阻、标准电阻在电桥中的低电位端连接，微伏表连接在被测电阻在电桥中的高电位端与地之间。

Description

一种交流阻抗电桥

技术领域

本发明属于电学计量领域，具体涉及一种高准确度电流互感器式交流阻抗电桥以及用该电桥校准电阻的方法。

背景技术

电学计量领域对于交流低值电阻的校准具有明确的需求，主要有四个方面，一、交流电流的测量方法是被测电流通过分流器(取样电阻)产生交流电压，由交流电压与分流器电阻的比值换算出交流电流值，随着被测电流的增大，分流器电阻的量值变小，其频率变差也应很小，需通过校准确定其量值，即需要对低值电阻在交流条件下校准；二、交流功率的测量基础是要得到交流电压和交流电流的量值，交流电流的准确测量依赖于交流低值电阻的校准，由于交流功率分为有功功率和无功功率，分流器电阻的虚部分量附加产生无功功率，因此需要通过校准确定分流器电阻的虚部分量，即低值电阻还需要校准虚部分量；三、脉冲电流的测量也通常是将其通过分流器电阻转换为电压后由示波器测得，其中的关键就是分流器电阻虚部分量引入的延时要小，同样需要通过校准得到分流器电阻的时间常数；四、RLC测量仪低值电阻量程的校准需要已知实部分量和虚部分量的交流标准电阻。但是，交流低值电阻的校准是电学计量领域的难题，问题之一是由于交流低值电阻校准过程中的电流较大，因此通常采用电流互感器式交流阻抗电桥，但在测量过程中指零仪的共模干扰和泄漏及电流互感器的匝间泄漏电流使得交流阻抗电桥的测量准确度较低，难以满足高准确度的校准要求，成为制约交流低值电阻量值溯源的瓶颈。

参见图1，其为一种现有交流阻抗电桥电路，电路上串接电流互感器CTo的一次侧以及被测电阻Rx，电流互感器的二次侧连接一标准电阻Ro，标准电阻Ro和被测电阻Rx在电桥中的高端之间连接微伏表(例如采用锁相放大器原理)，Ro和Rx在电桥中的低端相连，并且接地。其中Ro与Rx的比值与标准电流互感器CTo的变流比相等。

工作时，电路中有电流通过，从而在Ro及Rx的两端形成压差，用微伏表测得Rx和Ro之间的微差电压除以标准电阻Ro上的电压，即可得到Rx的误差。但该电路实现起来有两个很难克服的困难：

1、图中微伏表有1V的浮地电压，测量精度要达到10^-6量级，对微伏表的共模抑制比要求10^-7量级，同时微伏表自身的泄漏电流应很小，目前国际上还找不到这种指标的微伏表。

2、电流互感器CTo一次侧A、B两端都有电压，一次侧绕组和二次侧绕组、地间的寄生电容会引入误差，而且这个引入误差又随被测电阻阻值和电流变化，因此CTo制作和校准很困难。

图2是第二种现有交流阻抗电桥电路，其与图1不同在于被测电阻Rx和标准电阻Ro的在电桥中高电位端短接，Rx在电桥中的低电位端接地，微伏表连接在Ro和Rx在电桥中的低电位端之间。通过测量Rx和Ro左端之间的微小压差，并与Ro上的电压相比可以得到Rx的误差。

该克服了微伏表有浮地电压的问题，但没有解决CTo一次绕组有电压的问题。由于互感器二次绕组没有接地点，系统的抗干扰性能较差，不适合做高等级量传使用

图3是另一种现有交流阻抗电桥电路，该电路与图2电路的不同点在于，被测电阻Rx的在电桥中的低电位端不接地，而是由标准电阻Ro在电桥中的低电位端接地。其中电流互感器CTo二次侧接地，而微伏表没有接地，该传递电路解决了CTo一次绕组电压问题，但没有解决微伏表浮地电压问题。

此外，图中I₁＝I₂+I_d，由于泄漏电流I_d的存在，I₁不等于I₂，即流过CTo一次绕组和被测电阻的电流不相等，相当于流过Rx和Ro的电流不相等。需要更复杂的方法监测并调整线路使I_d＝0，才能实现测量。

总结以上，围绕现有的测试原理有四个问题需要注意和克服：

1、微伏表浮地电压的共模抑制和泄漏问题

2、互感器一次绕组电压引入寄生电容误差

3、互感器二次绕组没有接地点引起的测试稳定性问题地线中电流不能影响误差

发明内容

本发明的目的在于克服现有交流阻抗电桥的缺陷，本发明围绕克服共模干扰和泄漏电流及电流互感器匝间电容的影响提出了解决方案和实施途径。具体而言，本发明提供一种交流阻抗电桥及电阻校准方法，标准电流互感器、第一微伏表、电源，其特征在于：还包括被测电阻、标准电阻，以及用于接地的电流互感器和电阻，其中，标准电流互感器的一次侧绕组、接地电流互感器的一次侧绕组及被测电阻串联，标准电阻并联在标准电流互感器二次侧，接地电阻并联在接地电流互感器二次侧，接地电阻的低电位端接地，接地电阻的高电位端与被测电阻、标准电阻在电桥中的低电位端连接，第一微伏表连接在被测电阻在电桥中的高电位端与地之间，这种结构使得被测电阻、标准电阻在电桥中的高电位端和标准电流互感器的一次侧绕组的低电位端的电压接近于零，即被测电阻、标准电阻在电桥中的高电位端等效接地，且减小了电流互感器匝间寄生电容的影响。

进一步地，其中，还包括第二微伏表，连接于标准电阻在电桥中的高电位端与地之间，即两块微伏表均接地，不存在浮地测量。

进一步地，其中，标准电流互感器的一次侧与二次侧的电流比值和标准电阻与被测电阻的标称值的阻值比相同。

进一步地，其中，接地电流互感器的一次侧与二次侧的电流比值和接地电阻与被测电阻的标称值的阻值比相同。

进一步地，其中，标准电阻与被测电阻的标称阻值比为1：1至100:1之间。

进一步地，其中，被测电阻标称值为1Ω，标准电阻为10Ω，标准电流互感器一次侧电流为1A，二次侧电流为0.1A。

进一步地，其中，接地电阻使用阻容网络替代，具体为多个电阻串联，电阻上并联有电容，使得补偿电压与被测电阻上的压降基本相等，其中的虚部分量基本为零。

进一步地，其中，微伏表采用锁相放大器。

发明效果：

由于标准互感器的一次侧的A端电压为零，保证了互感器的使用状态与校准状态一致，基本没有附加寄生电容产生的误差。

第一微伏表uV1的高端接电桥的E点和第二微伏表uV2的高端接电桥的F点，其量值均近似0V(小于0.1mV)，即地电平，解决了微伏表浮地电压的共模抑制问题。

标准电流互感器CTo的二次绕组通过接地电流互感器Rd直接接地，保证了整体系统的稳定性

I₁同时流过标准电流互感器CTo的一次侧绕组和被测电阻Rx，地线中电流Id不会造成图3那种分流，不会影响误差；

而且，通过两块微伏表分别测量E、F的对地电压U₁和U₂，并通过计算两者间的微小电压差U_EF＝U₁-U₂，得到E、F间的电压，除以1V即可得到被测电阻Rx的误差。采用两块微伏表测量结果的相减，避免了一块微伏表的误差问题，这种连接克服了微伏表自身泄漏引入的误差。

本发明的交流阻抗电桥，标准电阻和被测电阻在电桥中高电位端等效接地，采用两个微伏表，测量标准电阻和被测电阻的对地电压极小，大幅降低了共模干扰和测试过程中的泄漏电流。在被测电阻在电桥中的高端等效接地时，与其相连的标准电流互感器低端也同样等效接地，使互感器匝间电容的影响大幅降低，比例精度提高。两方面的改善使电流互感器式交流阻抗电桥的整体准确度大幅提升。

附图说明

图1是第一现有技术电路图。

图2是第二现有技术电路图。

图3是第三现有技术电路图。

图4是本发明校准电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

图中，Rx-被测电阻；Ro-标准电阻；Rd–接地电阻；CTo-标准电流互感器；CTd-接地电流互感器；uV-微伏表；A-标准电流互感器低端；B-标准电流互感器高端；C-被测电阻在电桥中的低电位端；D-标准电阻在电桥中的低电位端；E-第一微伏表的测量点；F-第二微伏表的测量点；。

参见图4，示出了本发明用于校准电阻的交流阻抗电桥，其中在电路中串联有接地电流互感器CTd的一次侧、标准电流互感器CTo的一次侧及被测电阻Rx，标准电流互感器CTo的二次侧并联一标准电阻Ro，接地电流互感器CTd的二次侧并联一接地电阻Rd。其中标准电阻Ro和被测电阻Rx标称值的阻值比与标准电流互感器CTo的变流比相同。接地电阻Rd和被测电阻Rx标称值的阻值比与接地电流互感器CTo的变流比相同。优选地，接地电阻Rd的标称值与标准电阻Ro的阻值相同，接地电流互感器CTd与标准电流互感器CTo的变流比相同。例如被测电阻标称值为1Ω，接地电阻和标准电阻均为10Ω，标准电流互感器CTo和接地电流互感器CTd的变流比也相同。

被测电阻Rx在电桥中低电位端C点、标准电阻Ro在电桥中的低电位D点与接地电阻Rd的高电位端连接，第一微伏表uV1连接在电桥中的E点与地之间，第二伏表uV2连接在电桥中的F点与地之间。接地电阻Rd的低电位端与地连接。

这样，工作时，由于被测电阻Rx低电位端、标准电阻Ro低电位端与接地电阻Rd的高电位端连接，且接地电阻Rd的低电位端接地，进而在接地电阻的高电位端形成接地互感器二次侧电流流过接地电阻Rd产生的电压，例如0.1A*10Ω即1V，则被测电阻Rx低端C及标准电阻Ro低端D的电位被钳位为1V电压。由于电阻的比例关系和电流的比例关系，接地电阻Rd上的电压降与被测电阻Rx和标准电阻Ro的压降基本相同，接地电阻Rd低端接地，在优选方案中，标准电阻Ro和被测电阻Rx在电桥中的高端电位近似于0V，同样，标准电流互感器的A端、第一微伏表uV1的测量点E的电压均近似于0V，第二微伏表uV2的测量点F电压也近似为0V。

由于标准互感器CTo的一次侧的A端电压为零，保证了互感器的使用状态与校准状态一致，使匝间寄生电容引入的误差极小。

第一微伏表uV1的测量点E和第二微伏表uV2的测量点F均近似0V(小于0.1mV)，即地电平，解决了微伏表浮地电压的共模抑制问题。

标准电流互感器CTo的二次绕组通过接地电流互感器Rd直接接地，保证了整体系统的稳定性

I₁同时流过标准电流互感器CTo的一次侧绕组和被测电阻Rx，地线中电流Id不会造成图3那种分流，不会影响误差；

而且，通过两块微伏表分别测量E、F的对地电压U₁和U₂，并通过计算两者间的微小电压差U_EF＝U₁-U₂，得到E、F间的电压，除以1V即可得到被测电阻Rx的误差。采用两块微伏表测量结果的相减，抵消了单块微伏表的误差问题，这种连接克服了微伏表自身泄露引入的误差。

上面方案解决了多个技术问题，但是对于本领域技术人员来说，可以知道，当只需解决其中部分问题时，可以忽略掉其中部分手段。例如可以省略掉标准电阻在电桥中高电位点连接的微伏表。或者采用两个微伏表，但是省略掉接地互感器及接地电阻。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种交流阻抗电桥，包括：标准电流互感器、第一微伏表、电源，其特征在于：还包括标准电阻、被测电阻，以及用于接地的电流互感器和电阻，其中，标准电流互感器的一次侧绕组、接地电流互感器的一次侧绕组及被测电阻串联，标准电阻并联在标准电流互感器二次侧，接地电阻并联在接地电流互感器二次侧，接地电阻的低电位端接地，高电位端与被测电阻、标准电阻的在电桥中的低电位端连接，第一微伏表连接在被测电阻在电桥中的高端与地之间，这种结构使得被测电阻、标准电阻在桥路中的高端电位和标准电流互感器一次侧绕组低端电位接近于零，即被测电阻、标准电阻在电桥中的高电位端等效接地，且减小了标准电流互感器匝间寄生电容等的影响。

2.根据权利要求1所述的交流阻抗电桥，其特征在于：还包括第二微伏表，连接在标准电阻在电桥中的高电位端与地之间，即两块微伏表均进行了接地，不存在浮地测量等。

3.根据权利要求1所述的交流阻抗电桥，其特征在于：标准电流互感器的一次侧与二次侧的电流比值和标准电阻与被测电阻的标称值的阻值比相同。

4.根据权利要求1-3任一项所述的交流阻抗电桥，其特征在于，接地电流互感器的一次侧与二次侧的电流比值和接地电阻与被测电阻的标称值的阻值比相同。

5.根据权利要求4所述的交流阻抗电桥，其特征在于：标准电阻与被测电阻的标称阻值比为1:1至100:1之间。

6.根据权利要求5所述的交流阻抗电桥，其特征在于，被测电阻标称值为1Ω，标准电阻为10Ω，标准电流互感器一次侧电流为1A，二次侧电流为0.1A。

7.根据权利要求1-3任一项所述的交流阻抗电桥，其特征在于，接地电阻使用阻容网络替代，具体为多个电阻串联，电阻上并联有电容，使得补偿电压中的虚部分量基本为零。

8.根据权利要求1-3任一项所述的交流阻抗电桥，其特征在于，微伏表采用锁相放大器。

9.一种电阻校准方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的交流阻抗电桥对被测电阻进行校准。