CN107315159B - 一种大电容的溯源电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大电容的溯源电路及方法，其特征在于：包括双路信号源U1、U2、指零仪、分流器和双路数据采集系统，其中所述双路信号源的第一路信号源U1连接的第一驱动及隔离电路A1、与第二路信号源U2连接的第二驱动及隔离电路A2，第一驱动及隔离电路A1和第二驱动及隔离电路A2输出端分别连接被测电容和分流器中得一端，被测电容另一端和分流器另一端连接指零仪的信号端；第一驱动及隔离电路A1或第二驱动及隔离电路A2输出端还连接指零仪的参考端；其中，双路数据采集系统的两个通路分别连接在被测电容和分流器的两端。

Description

一种大电容的溯源电路及方法
技术领域
本发明涉及一种直流电流表，尤其涉及便携式直流大电流表，其用于满足直流大电流源，如直流电焊机、磁粉探伤仪等设备的现场测试及校准需求。
背景技术
目前大电容的校准方法较少，主要原因是大电容的阻抗小，小电压的比例测量较为困难。目前的校准方法主要依靠小电压测量的准确度，导致测量指标不高，需要解决小电压比例及小电压相位的测量准确度，进而解决大电容的溯源问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供新型的一种大电容的溯源电路及方法，具体而言提供一种一种大电容的溯源电路，其特征在于：包括双路信号源U1、U2、指零仪、分流器和双路数据采集系统，其中所述双路信号源的第一路信号源U1连接的第一驱动及隔离电路A1、与第二路信号源U2连接的第二驱动及隔离电路A2，第一驱动及隔离电路A1和第二驱动及隔离电路A2输出端分别连接被测电容和分流器中得一端，被测电容另一端和分流器另一端连接指零仪的信号端；第一驱动及隔离电路A1或第二驱动及隔离电路A2输出端还连接指零仪的参考端；其中，双路数据采集系统的两个通路分别连接在被测电容和分流器的两端。
进一步地，其特征在于：所述分流器为鼠笼分型流器。
进一步地，其特征在于：所述指零仪包括锁相放大器或相角电压表构。
进一步地，其特征在于：所述驱动及隔离电路包括大电流驱动芯片及隔离信号变压器。
本发明还提供一种一种大电容溯源方法，其特征在于：采用上述任一方案所述的溯源电路，其中，所述方法包括，调节双路信号源U1、U2输入一定幅值与相位的电压，随后调整指零仪使得指零仪指零，此时流经被测电容及分流器的电流相等，此时由双路数据采集系统测量被测电容两端的电压及分流器两端的电压比即为被测电容与分流器的阻抗比，从而把电容溯源至分流器上。
进一步地，其特征在于：所述调节双路信号源的过程如下：
1)根据被测电容及分流器的阻抗计算得出指零仪指零时U1及U2的值作为初始值；
2)保持U1不变，调节U2的幅值，使得指零仪的同相分量最小；
3)保持U1不变，调节U2的相位，使得指零仪的正交分量最小；
重复2)，3)步骤，使得指零仪最终指零。
本发明方案采用分流器作为标准器，使用等电压测量时电压互易通道的方法解决了小电压比例准确测量的问题；根据被测电容与标准分流器阻抗幅值基本一致的特性，使用互易采样通路的方法解决小电压比例测量不准的问题。
附图说明
图1是本发明系统框图。
图2是本发明简化分析电路模型。
图3是本发明信号采集模块电路图。
图4本发明基于双重磁检测原理的电流传感器框图。
具体实施方式
参见图1，示出了本发明大电容溯源方法的原理图，其中的电路双路信号源U1、U2、指零仪、分流器和双路数据采集系统，其中双路信号源的第一路信号源U1连接的第一驱动及隔离电路A1、与第二路信号源U2连接的第二驱动及隔离电路A2，第一驱动及隔离电路A1和第二驱动及隔离电路A2输出端分别连接被测电容和分流器中得一端，被测电容另一端和分流器另一端连接指零仪的信号端；第一驱动及隔离电路A1或第二驱动及隔离电路A2输出端还连接指零仪的参考端；其中，双路数据采集系统的两个通路分别连接在被测电容和分流器的两端，用于检测被测大电容、分流器两侧的电压。
其中，双路信号源U1、U2可由商用的双路信号源或相位源组成；驱动及隔离电路A1、A2由大电流驱动芯片及隔离信号变压器等组成；指零仪由锁相放大器或相角电压表构成；双路数据采集系统：由高精度数据采样卡构成。
调节双路信号源的原理如下：
把被测电容与标准分流器相比较，通过调节两路正弦信号源的幅值与相位，使被测电感与标准阻抗流过相同的电流，此时两信号源的幅值比为Vb/Vt，相位差为φ，调节此两路信号的目的为使电容与分流器连接点处的漏电流为零，达到平衡的目的。图2为简化电路模型。
Ut与Ub为两信号源，设信号源Ut＝A cos(ωt)，
Figure BDA0001346738110000031
被测电容Zt上的电压信号
Figure BDA0001346738110000032
标准分流器Zb上的信号
Figure BDA0001346738110000033
则在Ut和Ub的作用下，e点电平为：
Figure BDA0001346738110000034
则误差电流ID为：
Figure BDA0001346738110000035
根据平衡条件ID＝0，得
ZbUt-ZtUb＝0
当电桥不平衡时，ID不为零，此时，需要调节信号源Ub的幅值与相位，使ID趋于零，因此，该模型的输入变量为Ub，输出变量为误差电平Ud，由于Ub与Ub成比例关系，因此由上式可得，桥路误差电平Ud与Ub成线性关系。
因此，电桥输入输出关系可表示为：
Ud＝k1Ub+k2
其中k1、k2为待定系数。可以使用直接电桥平衡法完成电桥的自动平衡。
操作中调节双路信号源的方法如下：
1.根据被测电容及分流器的阻抗计算得出指零仪指零时U1及U2的值作为初始值；
2.保持U1不变，调节U2的幅值，使得指零仪的同相分量最小；
3.保持U1不变，调节U2的相位，使得指零仪的正交分量最小；
4.重复2，3步骤，使得指零仪最终指零。
大电容溯源的难度在于大电容阻抗低，测量时两端的电压小，导致电压比例测量不准确，本系统优选采用鼠笼分型流器作为标准器，使用等电压测量时电压互易通道的方法解决了小电压比例准确测量的问题。下表为分流器与电容的幅值比较。
表1电容及分流器幅值
频率 电容 分流器 电容 分流器 电容 分流器
100Hz 10mF 5A 1mF 500mA 100μF 50mA
幅值(Ω) 0.1592 0.16 1.592 1.6 15.92 16
由上表可知，部分大电容与分流器的阻抗幅值十分相近，所以可以把大电容溯源至分流器上，如溯源其他电容值的电容器，可先制作阻抗幅值一致的分流器作为标准使用。
下面结合图3-4具体说明本发明的实施方式。
如图3所示，使用数据采集系统的1通道采样大电容两端电压，2通道采样分流器两端电压。
而后如图4所示交换测量通道，使用2通道采样大电容两端电压，1通道采样分流器两端电压，有如下公式：
Figure BDA0001346738110000041
Figure BDA0001346738110000042
式中：
VC1----被测电容在1通道的示值；
VR1----分流器在2通道的示值；
Figure BDA0001346738110000043
----被测电容两端电压值；
Figure BDA0001346738110000044
----分流器两端的电压值；
A1、A2----采集卡1通道及2通道的增益；
之后交换测试通道，可得出
Figure BDA0001346738110000045
Figure BDA0001346738110000046
VC2----被测电容在2通道的示值；
VR2----分流器在1通道的示值；
由以上四式可得出，
Figure BDA0001346738110000051
同理，对于相位，有
θ1＝θC-θR+Δ (6)
θ2＝θC-θR-Δ (7)
式中：θ1、θ2为采集系统测量的两通道间的相角差；
θC、θR为被测电容及分流器阻抗角(为元器件的固有属性)；
Δ为采集系统相位的固有误差；
可得出
Figure BDA0001346738110000052
式中：θ为电容及电阻之间相位差。
得出两电压幅值相位比后根据分流器的交流电阻值易得出电容值：
Figure BDA0001346738110000053
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 (1)

1.一种大电容溯源方法，其特征在于：采用的溯源电路包括双路信号源U1、U2、指零仪、分流器和双路数据采集系统，其中所述双路信号源的第一路信号源U1连接第一驱动及隔离电路A1、第二路信号源U2连接第二驱动及隔离电路A2，第一驱动及隔离电路A1和第二驱动及隔离电路A2输出端分别连接被测电容和分流器中的一端，被测电容另一端和分流器另一端连接指零仪的信号端；第一驱动及隔离电路A1或第二驱动及隔离电路A2输出端还连接指零仪的参考端；其中，双路数据采集系统的两个通路分别连接在被测电容和分流器的两端；其中，双路信号源U1、U2由商用的双路信号源或相位源组成；所述驱动及隔离电路包括大电流驱动芯片及隔离信号变压器；所述分流器为鼠笼分型流器，所述指零仪包括锁相放大器或相角电压表，
其中，所述方法包括，调节双路信号源U1、U2输入一定幅值与相位的电压，随后调整指零仪使得指零仪指零，此时流经被测电容及分流器的电流相等，此时由双路数据采集系统测量被测电容两端的电压及分流器两端的电压比即为被测电容与分流器的阻抗比，从而把电容溯源至分流器上；所述调节双路信号源的过程如下：
1)根据被测电容及分流器的阻抗计算得出指零仪指零时第一路信号源U1及第二路信号源U2的值作为初始值；
2)保持第一路信号源U1不变，调节第二路信号源U2的幅值，使得指零仪的同相分量最小；
3)保持第一路信号源U1不变，调节第二路信号源U2的相位，使得指零仪的正交分量最小；
4)重复2)，3)步骤，使得指零仪最终指零。
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