CN107525526B

CN107525526B - 提供关于传递函数的不确定性的测量结果的设备和方法

Info

Publication number: CN107525526B
Application number: CN201610957878.3A
Authority: CN
Inventors: J·E·D·赫维茨; S·A·A·达内斯; W·M·J·霍兰德; J·斯图尔特
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN112964280B; US20170363664A1; JP2017223641A; CN107525526A; EP3400451A1; US10459013B2; CN112964280A; WO2017218042A1; EP3400451B1; JP6777557B2

Abstract

本公开提供关于传递函数的不确定性的测量结果的设备和方法。本发明公开了改进转换性能的差分放大器。在一些实施例中，差分放大器可以分别在第一和第二晶体管分支接收正和负输入信号；响应于正和负的输入信号，提供动态偏置电流提供给第一和第二晶体管分支；且分别在第二和第一晶体管分支提供正和负输出信号。

Description

提供关于传递函数的不确定性的测量结果的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于估计测量设备的传递函数的设备，而且还涉及提供对与对传递函数的估计相关的确定性(或不确定性)的估计。还公开了一种用于提供传递函数中的确定性的估计的方法。对确定性(或不确定性)的估计可被用于控制估计的传递函数如何被使用或者其如何被修改或更新。

背景技术

通常期望的是测量现实世界的变量。现实世界的变量可以是温度、压力、电压、电流等。在许多情况下，提供用于测量现实世界的变量的测量系统可将现实世界的变量变换成另一变量，另一变量通常是电信号。例如，在测量电压(该电压可能是一个相当高的电压)时，通常期望将电压传递通过一个电势分压器以便将其变换成适合于后续处理的电压范围，例如经由模数转换器。因此，这个电势分压器具有一个传递函数，不仅依照它在直流DC(0Hz)下的衰减，而且依照传递函数如何随频率变化。类似地，如果将要测量的是电流，可以使用分流器或电流变换器或其它电流测量装置来测量它。同样，分流器、变换器等具有传递特征，使得输入电流被变换成输出值。该输出值随后可被后续处理电路再次处理。信号路径中的其它组件，例如变量增益放大器和模数转换器，也影响了该信号，而且信号处理链路整体，从传感器到模数转换器，可由组合的传递函数表示。

呈现出传递函数的换能器、电路和其它组件的提供意味着输出信号现在是未知输入信号的函数，其被看作是"测得的"，因为其代表了将被测量的量、以及测量电路的传递函数。因此，更大的不确定性已经被引入输出结果。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于估计至少一个测量设备的传递函数的传递函数设备，其中测量设备估计被测量的值，其中向被测量作出已知微扰，而且测量设备的输出被估计来识别对已知微扰的响应，而且其中传递函数设备估计对测量设备的传递函数中的不确定性的估计。

优选地，被测量是换能器中的电流和换能器的被测节点的电压中的至少一个。因此，可以提供经由换能器提供它们的功率的一个多个负载所消耗的功率的估计、以及功率测量的确定性或不确定性的估计。

可针对信号处理链路整体或者其一部分来确定传递函数。在信号链路的其它部分具有可靠的或者已知的/校准的传递函数时，针对信号处理链路的一部分来估计传递函数，可能是恰当的。

有利地，传递函数设备包含在电度表中。

根据本发明的第二方面，提供了一种提供被测量中的信任度值的方法，其中被测量由具有传递函数的测量设备处理，所述方法包括提供被测量的信任度值的估计。

有利地，信任度值基于传递函数的确定性的估计。

附图说明

现在参考附图，仅仅通过非限制性示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示意地图示出电子电度功率表内的组件；

图2示意地图示出电势分压器以考虑其传递函数可能不是公知的；

图3示意地图示出WO2014/072773中描述的用于克服未知传递函数的问题的设备的一个实施例；

图4示意地表示了WO2014/072773中公开的用于测量电压和波形的第二设备；

图5示意地图示出来自图4的设备的输出信号V₀；

图6示意地图示出WO2013/038176中描述的电流测量设备；

图7示出了传递设备的信道中的分量的框图；

图8示出了传递函数的估计相对于时间的演变；以及

图9示出了传递函数中的不确定性相对于时间的演变。

具体实施方式

图1示意地图示出功率测量设备10，其可形成为对例如居住或经营场所的供电点处安装的耗电测量计(也称为电度表)的一部分。在该示例中，具有火线14和中性导线16的单相输电干线交流电源12为负载18供电。本领域技术人员公知的是，负载的耗能量取决于火线14和中性导线16之间的电压、负载汲取的电流、以及针对正弦电压电流的交流电压波形和交流电流波形之间的相位角。对于更复杂的波形，例如其中汲取的电流量中存在大量谐波分量，应该通过保持消耗的瞬态功率的动求和来测量功耗。

为了测量电流，在该示例中，功率测量设备10具有分流电阻器20，其具有在负载18和供电电源12之间的电源火线所表示的导电路径中的标称已知电阻。通常，分流电阻具有非常低的数值，一般处于毫欧之类的数量级。分流电阻器20上的电压降正比于通过它的电流。结果就是，分流电阻可被看作是具有电流电压传递函数。由此，布置用于测量分流电阻器20上的电压以及提供其输出给信号处理电路24的电压测量设备22可以可靠地执行对导线14中的电流的估计，假设电阻器20的电阻是公知的，或者更确切地，假设项目20和22的传递函数是公知的。测量设备22可包括可编程的增益放大器以改变应用至电流信号的增益从而允许具有最适度的动态范围的模数转换器应付从非常小到非常大的电流范围而不损失分辨率，至少就更小的电流而言是这样。

此外，电压测量设备26被提供用于测量火线14和中性导线16之间的电压差。在其中电压一般处于115至250伏特RMS的范围内的国内环境中，由此其可能经历超出300伏特的峰值电压。由此，电压测量设备26通常包括电势分压器(这将参考图2更详细地进行描述)，从而将输入电压变换从输电干线电压域变换成更小的电压域，更小的电压域更适合于例如被电压测量设备26内的模数转换器进行信号捕获。电压测量设备可包括可编程电压衰减器和/或可编程放大器，以使得测量电路的信号设计可被用于具有不同电源电压的设施或国家中。来自的电压测量设备26和电流测量设备20、22、24电压和电流的瞬态测量可被提供给计算单元28，其适合于计算负载18从电源12获得的均方根功率，而且选择性地将其与收费标准进行相乘，使得运行负载18的消费者可以被适当地针对他们已经从供电电源12接收到的能量的量进行收费。计算单元28可与实时时钟30关联，使得每个电压和电流测量可针对功耗的真实适当计算在时域中适当分配。

图2示意地图示出用于从导线14接收输入电压Vin而且参考导线16处提供的中性电压来将其向下划分的电势分压器35的电阻器。在该示例中，第一和第二电阻器40和42串联在导线14和16之间。相同的电流流经每个电阻器，因此输出电压Vo可通过下式关联至输入电压Vin

Vo＝Vin R2/R1+R2

其中R1是电阻器40的值，R2是电阻器42的值。因此，电势分压器具有由电阻器R1和R2的相对值设置的传递函数。为了精确地获知电压，必须精确地获知电势分压器的传递函数。

确定传递函数的方式是本领域已知的，而且已经在WO2014/072733和WO2013/038176中予以了描述，读者可以参考它们来使得公开文本能够实现如何估计电压和电流传递函数。然而，为了便于参考，这些专利申请的示例被包含在此。

在WO2014/072733中，电压测量电路的传递函数可通过几个方案确定。一个方案如图3所示，提供两个电阻器50和52，它们具有精确已知的数值(R_int1和R_int2)使得要么可以形成具有外部电阻的电势分压器R_ext，其表示图2中的第一电阻器40。通过在串联开关60和62的控制下在电阻器40和电阻器50之间、以及随后在电阻器40和电阻器52之间形成连续的电势分压器，不同的划分比例形成，而且假设电阻器50和52的值是公知的，则电势分压器的传递函数可被确定。开关60和62在校准期间在反相下被驱动，而在正常使用下，一个开关，例如SW1接通，而另一个断开，由此保持电势分压器的划分比例名义上地恒定。

诸如齐纳二极管65之类的保护装置可被提供来限制例如由于开关60和62中的一个失效而可能出现在电阻器50和52上的最大电压(前向以及反向)，虽然它们很可能被实现为场效应晶体管。输出电压V₀被ADC 68测量。

另一方案如图4所示，其连续地修改电势分压器上的电压。最方便的是通过修改在R2和局部接地之间作用的电压来执行。这种布置如图4所示，其中电阻器40和42同样被串联布置来产生电势分压器。然而未连接至电阻器40的电阻器42端部可依次接地，要么通过第一开关70直接接地，要么通过与第二开关72串联的电压源74接地。因此，如图5所示，通过依次切换开关S1和S2，电势分压器的输出处的电压被调制。假设电压74的值已知处于确定性的预定水平(由设计人员指定)，则设定第二电阻器42的值是已知的，那么电压分压器的传递函数可被确定。而且，遵循的是，如果电压74可提供两个或者更多可控制的输出电压，则电阻器40和42形成的电势分压器的传递函数可被确定，而无需知道任一电阻器40或42的值。输出电压Vo随后被提供给模数转换器68以便在提供给诸如数字滤波器24之类的后续电路之前被转换成数字域。电压源和开关可关联至例如运算放大器，以形成用于电阻器42的接地电压。

此处描述的技术或者WO2014/072733中公开的其它技术可互换地在实践本发明时使用而且适合于单相或者多相系统。

类似地，如参考图1注意到的，电流测量电路的传递函数也需要是已知的。

一种适当的设备如图6所示。此处，如之前参考图1所示，分流电阻器20连接在源12和负载18之间的火线的电流流通路径中。分流电阻器20上的电压被电压测量电路22(例如模数转换器的形式)测量。为了确定电流测量路径的传递函数，电流测量电路80被提供，其包括可控制的电流源/电流吸收器，能够以可控方式传递附加电流通过电阻器20。电阻器20的电阻非常低，因此易于由于其触点的杂质而改变，所以该值可能非常不确定。该附加电流(该值时公知的而且可控的)引起电阻器20上的相应的电压变化，这可被模数转换器22测量而且随后该信息可被用于确定电流测量路径的传递函数。在图5所示的布置中，电路80在电阻器的一端注入电流而且在另一端去除它。因此，在该布置中，电流可以是双向的。然而，在另一些布置中，连接可仅仅针对电阻器20的负载端，使得电流被汲取通过电阻器。

可控电流源80可例如按照基本上二进制方式操作，使得其要么接通要么断开。然而，如WO2013/038176中阐述的那样，电流源可被调制成用于更好分辨率的多个电流值，参见例如其中的图17c。

因此，电压测量域和电流测量域中的传递函数可被估计，或者在电度表使用时估计这些传递函数的至少足够的数据可被获取。

在使用时，应用至电压测量电路和电流测量装置中的微扰一般在已知频率下提供，以及在基于其不是基本电源的谐波或负载频率的假设选择的频率下提供。然而，负载18的性能是未知的，而且它可能有电噪声。例如，负载可能是具有存在噪声的开关模式电源的大计算机负载，可包括荧光照明，或者可以是连接至负载的装置总体。结果就是，电流波形和电压波形的频谱由于噪声朝着电源回传导线而可能干扰传递函数的确定。实际上，来自负载的谐波代表了可能使传递函数的估计变化的微扰频率下的噪声。

传递函数的连续估计中的变化和/或相对于微扰信号的噪声可被用来确定信任度的水平，或者相反地处在不确定性的水平，在传递函数中并因此在使用设备的电流、电压或功率测量中。可以通过查看预定数量的传递函数估计中的变化，随后通过使用诸如T测试或标准偏差之类的统计工具来分析这些值之间的散步来确定不确定性，由此提供信任度或不确定性的估计。而且，信任度或不确定性(其中一个很可能另一个的相对面)的测量可被用于确定什么时候微扰频率是不合适的，例如由于它们正被干扰，而且可导致变化，这针对微扰频率可以是一个预定改变或者这可以是搜索频谱以找到一个相对安静的地方的结果。

在一些实施例中，加权可被应用来降低虚假结果的影响。因此，输入信号或传递函数的估计的测量值和一组或平均值之间的差，在适当情况下，可被用来加权测量值，其中在后续计算中更大的差分配有更小的权重。后续计算可包括更新传递函数的估计或修改测量设备，例如通过调节信号路径中的放大器增益或者通过调节在模数转换之后应用的缩放系数。增益变化或缩放系数变化可用来将系统对微扰信号的响应设置为预定值，从而确保电流和/或电压测量保持对于目的而言足够精确。

用于改变微扰频率的所述阈值可以是固定的，或者它可以是基于确定性或不确定性的之前的估计的动态的。

输出信任度的测量对于网络操作人员是有利的，因为这可能会使得诊断操作被执行。例如，如果来自一个或多个功率计单元的信任度的测量显示了随时间的系统性的变化，例如使得在一天的特定时间，信任度较高，但是在一天的其它时间，信任度较低，则电源操作人员可推断有噪声的负载正被使用。可提示进一步的调查以确定负载对于连接至网络而言是否是可接受的负载。而且，在评估消费者的账单时，信任度的测量也可被使用，信任度的测量关联至相应的功率测量从而确保电源操作人员或供应商不会违反与对消费者收费过高相关的法规要求。

沿传递函数的测量输出信任度的测量可允许决定是否应用传递函数来改变测量系统的操作或者调节缩放或校正因子。例如当信任度超过一个特定值时，传递函数的测量可被当作足够精确可用于存储为校准值，或者被直接应用作为用于传递函数的动态补偿的实时追踪算法的一部分。因此，如果传递函数看起来错了，例如由于信号处理期间提取的电流微扰信号的尺寸重复预期值的例如99.3％而且与该信号相关的不确定性的估计大约为0.1％，则设备可更新缩放因子为100/99.3＝1.007，使得电流的测量保持精确。

图7示意地图示出总体标记为100的传递函数测量设备内的功能模块，而且构成了本发明的实施例。设备100响应于诸如可包含在图1的模块26中的ADC 68或图1的模块22表示的与电流测量通道相关的ADC之类的ADC的输出。ADC的输出可要求信号调节，例如缩放、窗口处理或均衡以便适应于ADC性能中的变化和/或对齐数据以用于后续处理，尤其是其中数据可在多个通道(每个通道类似或等同于图7所示的通道)中被采集，如同在多相系统中的情况那样。信号调节可由模块110在数字域中执行。调节来自模块110的信号随后可被提供给提取电路120，其用于提取测量设备提供的微扰信号。在该情况下，提取可被看作是在微扰信号附近对输入信号进行带通滤波具有相同含义，由此提供微扰信号的测量给传递函数计算器130和不确定性计算器140。不确定性计算器可直接利用来自提取器120的微扰信号工作，如果传递函数可被假设或者其可附加地或者替换地利用来自传递函数计算器的输出工作。

不确定性估计器可确定微扰信号的变化的值或幅度和/或微扰信号对其它信号的相对功率，作为估计不确定性的估计中的不确定性的下限的方式。而且，由于组件公差或ADC分辨率而导致的下限可在不确定性估计器中编程。

来自模块120的过滤的信号也可被提供给累加器150，其可作为低通滤波器，例如用于将一系列瞬态电压或电流测量相加成较大时间段内的总计值，从而降低下游处理的计算负担。

虽然在图7中仅仅示出了一个通道，类似通道可被提供以使得功率计可测量电源的单个相位中主导的电压和电流。可针对电源的每个其它相位所要求的每个附加测量提供附加通道。

在操作中，当传递测量设备接通，其需要一点时间来正确地估计出传递函数以及传递函数中的误差。传递函数估计相对于时间的演变如图8所示。针对给定回合的传递函数估计由实线示出，而链线表示两个精确度极限。图8以及图9中的水平链线160表示针对测量设备的绝对精确度极限。这是通过制造、测试和使用由信号源的精确度极限(即，激励信号的尺寸的不确定性)确定的。例如，不确定性可能是由于测量源的测试设备的有限分辨率，或者是由于组件回流时的应力导致的值的变化，或者是由于源中由于温度和未知温度系数导致的变化。该误差在给定系统中定义。另一极限162是例如模拟处理链内的任意放大器和ADC内的从有限信噪比开始的汇聚期间的精确度极限。由于存在噪声导致的不确定性开始较大，但是朝着绝对精确度极限渐近，而且最终超出，如果噪声是不相关的而且传递函数的计算方法未被截取(例如通过有限长度的有漏洞的积分器)。如果在相同噪声条件下进行另一回合，其会具有不同响应，但是处于汇聚极限162设置的极限内。

图9示出了相对于时间的总误差、汇集误差和绝对误差的演变，同样是传递函数中的误差，其代表了不确定性，可以以相对大的值开始但是随时间减小，同样朝向绝对精确度极限渐近。

可以基于传递函数的在先估计(这可能是加权估计的动求和的合成值)和传递函数的值的新估计之间的差来更新传递函数的估计。该差可根据不确定性的估计被加权并随后加至合成值以产生新合成值。如果不确定性的估计太大，可禁止更新处理，或者修改更新处理来使汇聚更慢或者使用缺省值作为初始值。作为替换方案，应用至传递函数的估计步长尺寸可被设置为预定值，即增大或减小传递函数的参数一个预定值，其中该值的尺寸可以是不确定性的估计以及已经应用的更新的次数的函数。如前面陈述的那样，作为替换方案，信号处理链路的传递函数的估计可保持不变(例如，在它的"制造"值下)而且在决定校正因子是否被允许更新、以及多大的权重应该被分配给近期测量时，可利用被用作控制因子的不确定性的估计来周期性地更新校正因子。

而且，不确定性的估计的值可被用于导致微扰信号频率的变化和/或微扰信号幅度的变化，从而改进微扰信号的可观察性。

此处描述的设备可单独在数字域中利用专用应用或者利用结合处理器单元运行的适当代码实施。处理器不需要快速运行，而且时钟速度将是几十个MHz，远远足够用来执行实时要求的计算任务。在测试时，发明人已经建立并运行了精确度为0.2％的功率测量系统。从冷启动开始，系统已经估计传递函数在30秒之后处于0.5％内，而且在128秒内改进至0.5％的精确度。在该情况下，"冷启动"指的是该系统没有保有电势分压器或电流测量传感器的传递函数的之前估计的任何知识。

如果系统具有先前估计的记录，则传递函数或不确定性或校正因子的估计中的突然变化可表示故障状态(其可包括攻击测量设备的恶意试图)，其可被标记以引起注意。数据可被存储或传递以便进行分析，这可检查传递函数、不确定性值或校正因子随时间的演变以查找故障、篡改或影响功率计的操作的其它事件。

因此，可以提供一种用于估计传递函数的优良或信任度的系统而且提供一种测量设备，例如电压测量设备、电流测量设备和/或功率测量设备，其中被测量的值和该值的信任度的估计可被输出。

在此呈现的权利要求具有适合于在US PTO提交的单项从属的格式，但是其应该被考虑成每个权利要求可从属于相同类型的任意其它在先的权利要求，除非明显不可行。

Claims

1.一种传递函数设备，用于估计测量设备的传递函数，测量设备估计被测量的值，其中传递函数设备估计测量设备的传递函数或者与测量设备相关联的校正因子，传递函数设备被配置为：

提取由测量设备提供的微扰信号；

将一系列估计的被测量的值相加成一时间段内的总计值；

在不同的第一和第二时间点，基于微扰信号和总计值估计相应的测量设备的第一和第二传递函数；

计算第一和第二传递函数之间的差；

确定第一和第二传递函数的至少一个中的不确定性或校正因子；以及

基于所述差以及校正因子或不确定性，执行与测量设备相关联的行动，该行动包括调整测量设备的操作或标记故障状态以引起注意中的至少一个。

2.如权利要求1所述的传递函数设备，其中通过对一组结果应用标准偏差计算来计算所述不确定性。

3.如权利要求1所述的传递函数设备，其中传递函数设备进一步被配置为：基于第一或第二传递函数之间的差以及被形成为第一或第二传递函数的加权估计的动求和的合成值，更新第一和第二传递函数，其中所述差被根据所述不确定性加权然后加到所述合成值以产生新的合成值。

4.如权利要求1所述的传递函数设备，其中要么a)对校正因子的估计和校正因子的合成值之间的差被用于确定在修改合成值时将被应用至对校正因子的估计的权重；要么b)在不确定性的估计低于更新阈值时利用校正因子的新估计来重写校正因子的旧估计。

5.如权利要求1所述的传递函数设备，其中当不确定性以比预定阈值速率更大的速率变化或者超过一个阈值时，所述不确定性被用于修改微扰信号或者用于启动微扰信号中的变化。

6.如权利要求5所述的传递函数设备，其中所述阈值是基于不确定性的之前的估计的动态阈值。

7.如权利要求5所述的传递函数设备，其中所述阈值是一个预定阈值。

8.如权利要求5所述的传递函数设备，其中微扰信号中的变化包括改变微扰信号的频率和幅度中的至少一个。

9.如权利要求8所述的传递函数设备，其中微扰信号的频率被改变为具有降低的噪声和谐波能量的频率。

10.如权利要求1所述的传递函数设备，其中测量设备被布置用于测量电压和电流中的至少一个。

11.如权利要求1所述的传递函数设备，其中传递函数被处理器分析来执行标定检验、故障诊断和篡改检测中的至少一个。

12.如权利要求1所述的传递函数设备，其中传递函数被传送至远程实体以便分析来执行标定检验、故障诊断和篡改检测中的至少一个。

13.如权利要求1所述的传递函数设备，其中不确定性被用于控制下述中的至少一个：传递函数的修改或更新；可有效地采用传递函数的应用；校正因子的修改或更新；以及是否利用缺省值来代替传递函数的估计。

14.如权利要求13所述的传递函数设备，其中如果不确定性的估计超过阈值数值，则禁止对传递函数或校正因子的更新。

15.如权利要求1所述的传递函数设备，其中测量设备包括电度表。

16.如权利要求15所述的传递函数设备，其包含在电度表内或者与电度表组合，其中对电源的相位中的电流以及电源的相位的电压的估计是根据针对电压变送器和电流变送器的传递函数或校正因子的估计形成的。

17.如权利要求15所述的传递函数设备，其包含在电度表内或者与电度表组合，其中所述表与多相或分相电源相关，而且针对每个相位做出对电压和电流的估计。

18.一种估计测量设备的传递函数的方法，测量设备估计被测量的值，所述方法包括：

使用传递函数设备估计测量设备的传递函数或者与测量设备相关联的校正因子；

提取由测量设备提供的微扰信号；

将一系列估计的被测量的值相加成一时间段内的总计值；

计算第一和第二传递函数之间的差；

19.如权利要求18所述的方法，其中计算所述差包括：使用传递函数的估计的标准偏差、t-测试或者其它适当的实质分析中的一个，以估计被估计的传递函数的不确定性。

20.如权利要求18所述的方法，进一步包括：如果信任度值不处于可接受数值范围，则改变微扰信号的参数。

21.如权利要求20所述的方法，其中微扰信号的参数是微扰信号的频率和微扰信号的幅度中的至少一个。

22.如权利要求18所述的方法，其中信任度值被用于下述中的至少一个：控制传递函数的更新；和控制或者修改用于估计传递函数的确定性的处理。