CN110907691B - 基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，包括电阻分压器等；电阻分压器用于将被测高电压分压成低电压信号从低压臂输出，输出的低电压信号经保护电路后达到信号调理电路；信号调理电路用于将接收到的电压信号先进行滤波，后经过多档调理电路调理至信号采样电路的模拟输入前端可接受范围；信号采样电路用于同步采样调理电路的多路输出电压信号；微处理器将来自信号采样电路的数据进行处理后开展多档位选择并按照分压比计算被测电压，最终结果经通讯电路输送给其它需要电压信号测量结果的终端设备，此外微处理器还通过控制电子开关动作，并通过对电阻分压器低压侧输出电压的分时采样来实现电阻分压器高压臂电阻值的自校准。

Description

基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置

技术领域

本发明涉及船舶工程、电气工程、仪器科学与技术领域，特别涉及舰船供电技术领域，涉及高电压技术方向，具体是一种基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置。

背景技术

直流高电压的测量方式主要分为三种：直接作用物理效应法、光学法和分压法。

第一种直接作用物理效应法，通过观测直流电压直接作用时产生的各种物理效应来实现对直流电压的测量。包括静电电压表法、高压加速法、棒-棒间隙法等。

静电电压表法，当两个相对的电极上施加电压时，两电极之间的电场E与外加电压U成比例，可以通过测量静电力的大小，或测量该静电力作用下某一极板的偏移量来计算施加电压。静电电压表根据是否接触被测物体分为接触式和非接触式：接触式静电电压表体积大、质量重、抗干扰能力差，在100kV情况下最高准确度为1％；非接触式静电电压表体积小、抗干扰能力相对有所提高，但准确度一般在5％～20％，进一步提高测量准确度需要电路结构复杂的后级调理电路，成本相对较高。

高压加速法，用直流高压加速电子束产生X射线，根据量子力学理论，电子从电场获得的能量与电子波的频率有关，通过光谱法测量电子波的频率就可以计算出施加在加速电极上的电压值。这种方法下直流电压的基本测量范围在40～120kV，测量准确度可达到0.15％，但是成本相对较高，且安装不便。

棒-棒间隙法，空气在一定场强下将发生碰撞游离，均匀场强下空气间隙内的放电电压大小与间隙距离有稳定关系，因此可利用间隙放电来测量电压。棒-棒间隙法测量直流电压时，对使用环境的大气条件(绝对湿度、间隙范围等)要求高，测量时需要对非标准状态的实际大气相对密度和绝对湿度进行校正；且需要对棒-棒间隙进行放电才可以测出电压，使用很不方便。棒-棒间隙法通常作为实验室测量直流高电压的标准，用于校核直流电压测量装置。

第二种光学法，利用晶体的特定物理效应(如光电效应、逆压电效应等)来感应电压，并利用光纤传感技术完成信号传输，利用光学法测量电压的仪器称为光学电压互感器。

光电效应，是指某些各向同性的晶体材料在外加电场的作用下显示出光学各向异性，其折射率随外加电场而变化，出现双折射的现象，可通过检测两束偏振光的相位差或检测光波的偏振态来计算外加电压大小。光电效应主要分为两类：一是，晶体折射率与所加电场强度的一次方成正比的Pockels效应；二是，晶体折射率与所加电场强度的二次方成正比的Kerr效应。

逆压电效应，是指压电晶体受到外加电场作用时，晶体沿电场方向伸长而产生应变的现象，应变会随电场的消失而消失。将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制，检测出光信号，即可测得外加电压的值。

光学电压互感器，使用特定晶体作传感材料，使用光纤传输信号，且有非接触、抗干扰等特性，故具有极好的绝缘性能，较高的安全性和可靠性。但由于其性能主要取决于晶体性能及光路结构，因而对晶体材料的稳定性、光路结构、分立光学元件的工艺、温度及应力补偿等有极高的要求，否则会存在电荷飘移问题、传感器的温度及振动稳定性问题、长期运行稳定性和可靠性问题等，且体积相对庞大、成本相对较高。

第三种分压法，利用电阻分压器和低压器件测量直流高电压。低压器件测量电阻分压器低压臂的电压后，根据分压器的分压比计算被测高电压的值。

分压法是目前应用最为广泛的直流高电压测量方法。由于电阻分压器的准确度可以做得很高，因此该方法可以实现很高的准确度高：目前100kV/10V电压比的不确定度可达1×10^-5，300kV/30V电压比的不确定度可达3×10^-5，此类装置500kV情况下准确度最高可达0.05％。但是，由于电阻分压器的高低压臂由电阻串联而成，电阻元器件的电压分散性和老化趋势不一致，在高压情况下的高压臂电晕放电、分压器绝缘泄漏，环境参数如温度、湿度和测量装置附近的物体等，都会导致电阻分压器的高压臂阻值变化，从而引起分压比变化导致测量误差，因此需要经常校准电阻分压器。因为分压器高压臂阻值变化受各种因素的交互影响，使得实际使用条件下电阻分压器的高压臂阻值变化相比测试状态下有所不同，而这种变化又是难以预估的。

综上所述，上述直流高压测量方法虽然在电气工程领域、仪器科学与技术领域都得到了不同程度的应用，但是鉴于这些方法中有的不适合工程实际使用，有的测量准确度在技术方面很难有所提高，或者提高测量准确度所产生的性价比不高。为解决上述问题，专利CN201610939008.3提出一种基于电阻分压器分时采样的直流高电压测量和校准方法，提供了一种适用于工程实际的、具有电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、稳定性好和可靠性高的直流高电压测量方法；但是，这种方法仅适用于电网等电压波动范围小的场合。对于直流发电启动、大负载启动与关闭过程中，可能导致电压严重偏离允许范围的场合，无法满足要求。例如，局域直流电网额定电压10kV，正常波动在9.5～10.5kV，但在启动时，电压从0V开始，一直往上升至10kV。为便于升压过程的控制，0～9.5kV范围也需要进行检测；大功率设备工作时，由于电流特别大，线路损耗很大，线路压降很大；而在大型电力设备关闭时，电网可能由于大电流的惯性形成20kV的高电压，为便于实施电压的控制，10.5～20kV范围内，还需要进行检测。此时，这种方法将无法兼顾高准确度和大检测范围的要求。此外，这种方法下低压臂的电压值较高(1～100V)，供电和调理不方便且功耗较大，如果直接降低低压臂的电压(0～10V)会造成测量准确度降低。

特别地，船舶的全电驱动应用中，由于负荷变化范围特别大，例如船舶全力加速时，电流最高可到万安级别，线路压降很大；而在正常航行时，负荷则小得多。为了对发电系统实施良好的控制，有必要对全程量程范围进行电压准确监测。此时，发明在专利CN201610939008.3已无法满足要求。

发明内容

本发明旨在，提供一种适用于适合全电压量程的、具有电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、准确度高、稳定性好和可靠性高的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，以适用于船舶等全电压范围检测的应用场合。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，包括电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路；其中，

电阻分压器用于将被测高电压分压成低电压信号从低压臂输出，输出的低电压信号经保护电路后达到信号调理电路；

信号调理电路用于将接收到的电压信号先进行滤波，后经过多档调理电路调理至信号采样电路的模拟输入前端可接受范围；

信号采样电路用于同步采样调理电路的多路输出电压信号；

微处理器将来自信号采样电路的数据进行处理后开展多档位选择并按照分压比计算被测电压，最终结果经通讯电路输送给其它需要电压信号测量结果的终端设备，此外微处理器还通过控制电子开关动作，并通过对电阻分压器低压侧输出电压的分时采样来实现电阻分压器高压臂电阻值的自校准。

本发明进一步的改进在于，所述电阻分压器包括高压引线端、高压均压环、高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和R_N、低压均压环、铝合金底座、绝缘壁以及绝缘介质；其中，

电阻分压器的高压臂电阻R_H放置在绝缘介质中，低压臂电阻R_N-1和R_N固定位置靠近低压均压环，绝缘介质的外侧为绝缘壁，绝缘介质的上端依次为高压均压环和高压引线端，下端为铝合金底座，低压均压环设置在铝合金底座内，铝合金底座外侧上设置有引线插座、接地引线端和电源端口/通讯端口；高压臂电阻R_H依次与低压臂电阻R_N-1和R_N串联，高压接线端与高压均压环一端连接，高压均压环另一端与高压臂电阻R_H连接，接地引线端与低压均压环一端连接，低压均压环另一端与低压臂电阻R_N连接。

本发明进一步的改进在于，所述电阻分压器的高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和R_N的阻值由被测电压的等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，优于0.01％，电阻均为低温漂无感电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

本发明进一步的改进在于，所述保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路均集成在PCB电路板上，PCB电路板通过电路板安装支柱固定在的电阻分压器铝合金底座中；所述保护电路包括电子开关及其控制电路，且保护电路设置为单位增益，不影响低压臂输出电压信号值。

本发明进一步的改进在于，电阻分压器的低压臂电阻R_N-1一端与高压臂电阻R_H相连接，同时引出导线与PCB电路板上的插座连接，另一端与低压臂电阻R_N相连接，同时引出导线与PCB电路板上的插座连接，即低压臂电阻R_N-1通过插座引线与电子开关K并联。

本发明进一步的改进在于，高压臂电阻R_H和被测高电压值V_H通过以下方法得到：

1)电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

式中V_H表示被测高电压值及电阻分压器高压臂电压值，k_N1表示电子开关K关断时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

2)电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

式中k_N2表示电子开关K导通时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

3)由式(1)和式(3)得出电阻分压器高压臂电阻校准值R_HJ和被测高电压值V_H

所述电阻分压器的高压臂电阻阻值校准条件为：被测高电压处于第2档，且电压波动小；校准条件中的波动小是指，3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5。

本发明进一步的改进在于，所述电子开关K耐电压200V以上、漏电流小于与其并联电阻正常工作时电流的1％、响应速度时间小于10μs，电子开关K是场效应管，或者是固态继电器，导通电阻R_on满足如下关系，使其对电阻分压器准确度等级α的影响能够忽略；

R_on≤α(R_H+R_N) (9)。

本发明进一步的改进在于，所述信号调理电路中有滤波电路和多档调理电路，滤波电路滤除信号中的高频杂波且设置增益为1，多档调理电路保证不同范围的信号经相应的调理电路调理后对应采样单元模拟输入前端的满量程范围，因此分为3路调理时，第一路放大G₁倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2作差值后放大G₂倍再接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3作差值后放大G₃倍后接入信号采样电路；信号采样电路须具有同步采样3路信号的功能，且分辨率不低于12位；微处理器接收到采样单元同步采样的3路数据，根据处理后得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行后续的被测高电压值计算和电阻分压器的高压臂电阻阻值校准；则当采样单元模拟输入前端可接受信号为单极性时，3路调理电路的输出电压V₁、V₂和V₃与低压臂电压V_N的对应关系分别表述为

V₁＝G₁×V_N (10)

V₂＝G₂×(V_N-V_ref2)+V_REF2 (11)

V₃＝G₃×(V_N-V_ref3)+V_REF3 (12)

式中标准参考电压V_ref2和V_ref可通过基准电压源或高精度数模转换器获得；V_REF2、V_REF3表示仪表放大器参考端的输入电压，通过设置该量实现输出电压的电平移位。

本发明进一步的改进在于，测量装置的多档位选择通过如下方法进行：

1)将测量装置的测量电压范围V_HN划分为依次递增的3档，分别为0～V_HN1、V_HN1～V_HN2和V_HN2～V_HN，对应上述3路不同的调理电路，其中以第二路调理电路的测量准确度最高；根据测量装置的相关参数计算得分档边界值分别为V_HN1＝(0.5-λ)V_HN和V_HN2＝(0.5+λ)V_HN，其中λ＝α％(R_H+R_N)/R_N-1，α表示电阻分压器的准确度等级；

2)信号采样电路同步采样3路调理信号，经过多次计算求得平均值

和

并由此得到低压臂电压估算值

并根据分压比初步确定被测直流高电压值V_H的估算值

3)给定波动范围为Δ＝10×β％×V_HN，其中β表示检测装置的准确度等级，则三档调理电路实际对应的被测电压范围分别扩大为0～V_HN1+Δ、V_HN1-Δ～V_HN2+Δ和V_HN2-Δ～V_HN，这里假定选择V_REF2＝0和V_REF3＝0，则式(11)和(12)中参考电压取值范围分别为V_ref2≤(V_HN1-Δ)/k_N1，V_ref3≤(V_HN2-Δ)/k_N1；

4)根据被测电压估算值

所处的范围不同，按照如下方式选择不同档位调理电路输出的信号值，并最终获得被测直流电压值：

当被测电压估算值

时，选择第一档采样值V₁，由式(2)和式(10)知被测电压V_H＝k_N1×V₁/G₁；

当被测电压估算值

时，选择第二档采样值V₂，由式(2)和式(11)知被测电压V_H＝k_N1×(V₂/G₂+V_ref2)；

当被测电压估算值

时，选择第三档采样值V₃，由式(2)和式(12)知被测高电压V_H＝k_N1×(V₃/G₃+V_ref3)；

当被测高电压估算值

时，即处于第一、二档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₁₁＝1-r₁₂，根据第一、二档采样结果分别由式(10)和式(11)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测高电压

当被测电压估算值

时，即处于第二、三档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₂₁＝1-r₂₂，根据第二、三档采样结果分别由式(11)和式(12)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测高电压

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明在电阻分压器的低压臂安装两个串联的精密电阻，低压臂的输出电压经信号调理电路调理为3路同时输出，3路分别对应不同的直流高电压测量范围，信号采样电路对这3路信号进行同步采样，微处理器根据采样单元同步采样的多路数据判断被测直流高电压所处范围并选择合适档位的采样结果获得低压臂电压值，用分压比计算被测直流高电压值；当被测直流高电压处于第2档范围且电压波动小时，微处理器控制电子开关的通断来实现低压臂电压的分时采样，以进行电阻分压器高压臂电阻的校准。本发明所述的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，减小因分压电阻、绝缘材料等的参数变化以及外界环境因素等干扰引起的测量误差，提供了一种适用于适合工程实际的、具有电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、准确度高、稳定性好和可靠性高的直流高电压测量装置。

附图说明

图1为几种电阻分压器的结构示意图，其中图1(a)为电阻分压器结构示意图；图1(b)为电阻分压器结构简化图；图1(c)为分时采样的电阻分压器结构简化图；

图2为基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置整体电路图；

图3为基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置整体结构图，其中图3(a)为测量装置主视图；图3(b)为铝合金底座的主视图，图3(c)为铝合金底座的俯视图；

图4为多档(三档)调理电路的三档电路示意图，其中图4(a)为第一路-同相放大器；图4(b)为第二路-仪表放大器；图4(c)为第三路-仪表放大器；

图5为一种保护电路及其开关控制电路结构示意图；

图6为一种二阶滤波电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步说明和论述。

本发明提供的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，通过校准后的电阻分压器分压比和采样到的电阻分压器低压臂电压值来计算被测直流高电压值。电阻分压器低压臂的电压信号经过保护电路到信号调理电路，信号调理电路滤除信号中的高频杂波并将信号分为对应不同档位的三路调理同时输出，信号采样电路同步采样三路调理信号，微处理器根据采样单元的同步多路数据判断被测直流高电压所处的范围并选择合适档位的信号值计算低压臂输出电压，然后用分压比计算得到直流高电压值，实现实时监测和记录电压值。由于电阻元器件的电压分散性和老化趋势不一致，在高压情况下的高压臂电晕放电、分压器绝缘泄漏，环境参数(如温度、湿度、测量装置附近的物体)等，都会引起电阻分压器的高压臂阻值变化。当监测被测直流高电压处于第2档范围，且3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5时，通过微处理器输出指令控制电子开关K的通断，实现对电阻分压器高压臂电阻R_H的阻值校准，实现输出稳定、准确和可靠的直流高电压测量。

将常规电阻分压器(如图1(a)和(b)所示)的低压臂电阻分为两个串联的精密电阻R_N-1和R_N，与高压臂R_H直接相连的精密电阻R_N-1上并联电子开关K(如图1(c)所示)，通过电子开关K的关断和导通实现该电阻的接入和短路。电阻值R_H、R_N-1和R_N的阻值由被测电压等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级确定，要优于0.01％，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。电子开关K需要耐电压200V以上、漏电流小于与其并联的电阻正常工作时电流的1％、响应速度时间小于10μs，导通电阻对电阻分压器准确度等级的影响可以忽略，可以是场效应管、继电器或其他起到开关作用的器件。

本发明基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置的整体设计方案如图2所示，该装置包括：电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器及通讯电路。测量装置采用一体化设计，测量装置整体结构示意如图3所示，保护电路(包括电子开关及其控制电路)、信号调理电路、信号采样电路、微处理器、通讯电路集成在PCB电路板上，电路板固定在电阻分压器的底座中。

其中电阻分压器将被测高电压分压成低电压信号从低压臂输出，输出的低电压信号经保护电路后达到信号调理电路；信号调理电路将接收到的电压信号先进行滤波，后经过多档调理电路调理至信号采样电路的模拟输入前端可接受范围；信号采样电路同步采样调理电路的多路输出电压信号；微处理器将来自信号采样电路的数据进行处理后开展多档位选择并按照分压比计算被测电压，最终结果可经通讯电路输送给其它需要电压信号测量结果的终端设备，此外微处理器还通过控制电子开关动作，通过对电阻分压器低压侧输出电压的分时采样来实现电阻分压器高压臂电阻值的自校准。

所述电阻分压器包括高压引线端9、高压均压环2、高压臂电阻R_H7、低压臂电阻R_N-1和R_N10、低压均压环1、铝合金底座4、绝缘壁5以及绝缘介质6；其中，电阻分压器的高压臂电阻R_H7放置在绝缘介质6中，低压臂电阻R_N-1和R_N10固定位置靠近低压均压环1，绝缘介质6的外侧为绝缘壁5，绝缘介质6的上端依次为高压均压环2和高压引线端9，下端为铝合金底座4，低压均压环1设置在铝合金底座4内，铝合金底座4外侧上设置有引线插座11、接地引线端12和电源端口/通讯端口13，且铝合金底座4上开始有底座盖板安装孔401；高压臂电阻R_H7依次与低压臂电阻R_N-1和R_N10串联，高压接线端9与高压均压环2一端连接，高压均压环2另一端与高压臂电阻R_H7连接，接地引线端12与低压均压环1一端连接，低压均压环1另一端与低压臂电阻R_N连接。

所述电阻分压器的高压臂电阻R_H7、低压臂电阻R_N-1和R_N10的阻值由被测电压的等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，优于0.01％，电阻均为低温漂无感电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

所述保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路均集成在PCB电路板2上，PCB电路板2通过电路板安装支柱3固定在的电阻分压器铝合金底座4中；所述保护电路包括电子开关及其控制电路，且保护电路设置为单位增益，不影响低压臂输出电压信号值。

电阻分压器的低压臂电阻R_N-1一端与高压臂电阻R_H7相连接，同时引出导线与PCB电路板2上的插座连接，另一端与低压臂电阻R_N相连接，同时引出导线与PCB电路板上的插座连接，即低压臂电阻R_N-1通过插座引线与电子开关K并联。

高压臂电阻R_H7和被测高电压值V_H通过以下方法得到。

1)电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

式中V_H表示被测高电压值及电阻分压器高压臂电压值，k_N1表示电子开关K关断时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

2)电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

式中k_N2表示电子开关K导通时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

3)由式(1)和式(3)得出电阻分压器高压臂电阻校准值R_HJ和被测高电压值V_H

所述电阻分压器的高压臂电阻阻值校准条件为：被测高电压处于第2档，且电压波动小；校准条件中的波动小是指，3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5。高压臂电阻校准值R_HJ通过式(5)计算得到，被测高电压值V_H通过校准后的分压比和测得的低压臂输出电压计算得到。

所述电子开关K必须耐电压200V以上、漏电流小于与其并联的电阻正常工作时电流的1％、响应速度时间小于10μs，可以是场效应管或继电器；电子开关K的导通电阻R_on满足按如下方式计算所得的条件时，其对电阻分压器准确度等级的影响可以忽略：

1)电阻分压器的误差限值可表示为

式中，α表示电阻分压器的准确度等级，k_N和k_X分别表示电阻分压器的标称分压比和实际分压比。

2)当电子开关K导通时，由式(3)可得电阻分压器的标称分压比k_N2，则考虑电子开关导通电阻时的实际分压比k_X2可表示为

3)带入式(7)，计算可得电子开关导通电阻必须满足条件(9)

R_on≤α(R_H+R_N) (9)

所述信号调理电路中有滤波电路和多档调理电路，滤波电路将信号中的高频杂波滤除，但滤波电路的存在不影响装置的截止频率，并设置滤波电路为单位增益；多档调理电路保证不同范围的信号经相应的调理电路调理后尽可能对应采样单元模拟输入前端的满量程范围，使得各档测量精度差别不大从而提高测量装置的准确度等级。因此分为3路调理时，第一路放大G₁倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2作差值后放大G₂倍后接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3作差值后放大G₃倍再接入信号采样电路。信号采样电路须具有同步采样3路信号的功能，且分辨率不低于12位；微处理器接收到采样单元同步采样的3路数据，根据处理后得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行后续的被测高电压值计算和电阻分压器的高压臂电阻阻值校准。则采样单元模拟输入前端可接受信号为单极性时，3路调理电路的输出电压V₁、V₂和V₃与低压臂电压V_N的对应关系可以分别表述为(设调理电路前的其他电路均为单位增益)

V₁＝G₁×V_N (10)

V₂＝G₂×(V_N-V_ref2)+V_REF2 (11)

V₃＝G₃×(V_N-V_ref3)+V_REF3 (12)

式中标准参考电压V_ref2和V_ref3可通过基准电压源或高精度数模转换器获得；V_REF2、V_REF3表示仪表放大器参考端的输入电压，可通过设置该量实现输出电压的电平移位。

所述测量装置的多档位选择流程通过如下方法进行。

1)将测量装置的测量电压范围V_HN划分为依次递增的3档，分别为0～V_HN1、V_HN1～V_HN2和V_HN2～V_HN，对应上述3路不同的调理电路，其中以第二路测量准确度最高。3个档位按照如下方式根据测量装置的相关参数，确定边界值V_HN1和V_HN2：

①由式(5)知，在某一给定直流高电压V_H的情况下，低压臂输出电压V_N'和V_N的差值越大，高压臂电阻R_H校准越准确，因此要求

式中，α表示电阻分压器的准确度等级，k_N1和k_N2分别表示电阻分压器的在电子开关K关断和导通时的标称分压比，有k_N1＝(R_H+R_N-1+R_N)/R_N和k_N2＝(R_H+R_N)/R_N。

②由此可得

③则分档边界值分别为(额定值为V_HN/2)

V_HN1＝(0.5-λ)V_HN (15)

V_HN2＝(0.5+λ)V_HN (16)

2)信号采样电路同步采样3路调理信号，经过多次计算求得平均值

和

并由此得到低压臂电压估算值

并根据分压比由式(2)初步确定被测直流高电压V_H的估算值

3)给定波动范围为Δ＝10×β％×V_HN，其中β表示检测装置的准确度等级，则三档调理电路实际对应的被测电压范围分别扩大为0～V_HN1+Δ、V_HN1-Δ～V_HN2+Δ和V_HN2-Δ～V_HN，这里假定选择V_REF2＝0和V_REF3＝0，则式(11)和(12)中参考电压取值范围分别为V_ref2≤(V_HN1-Δ)/k_N1，V_ref3≤(V_HN2-Δ)/k_N1。

4)根据被测电压估算值

所处的范围不同，按如下方式选择不同档位调理电路输出的信号值，并最终获得被测直流电压值：

①当被测电压估算值

时，选择第一档采样值V₁，由式(2)和式(10)知被测电压V_H＝k_N1×V₁/G₁；

②当被测电压估算值

时，选择第二档采样值V₂，由式(2)和式(11)知被测电压V_H＝k_N1×(V₂/G₂+V_ref2)；

③当被测电压估算值

时，选择第三档采样值V₃，由式(2)和式(12)知被测电压V_H＝k_N1×(V₃/G₃+V_ref3)；

④当被测电压估算值

时，即处于第一、二档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₁₁＝1-r₁₂，根据第一、二档采样结果分别由式(10)和式(11)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测电压

⑤当被测电压估算值

时，即处于第二、三档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₂₁＝1-r₂₂，根据第二、三档采样结果分别由式(11)和式(12)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测电压

进一步来说，保护电路主要有两个功能：一是，隔离电阻分压器与后端信号调理电路、信号采样电路等；二是，隔离微处理器与电子开关，并实现微处理器输出的控制信号和电子开关之间的电平转换，达到控制电子开关的目的。保护电路、电子开关及其控制电路的示意图的其中一种电路结构如图5所示，保护电路包括2个分别接于引线接口1和2对地的TVS二极管、串联在电子开关上端的保险丝及模拟隔离运放，电子开关采用高电压MOSFET接于引线接口1和2之间，开关控制电路由光电耦合器、及相应的三极管构成。测量装置正常工作时，TVS二极管不会击穿；当过电压沿输入线侵入时，TVS二极管快速钳位，将输入电压限幅，隔离运放进一步保护后端电路，同时过电压不会反向传输至微处理器。过电流时，保险丝熔断切断电子开关所在通路，保护电子开关。模拟隔离运放传送分压器低压臂的电压信号，并隔离电压测量装置的测量前端和后端电路，选用带隔离电源的模拟隔离运放还可以为开关控制电路提供隔离电源，简化电路设计。光电耦合器隔离微处理器和开关控制电路，实现电平转换并保护微处理器。

信号调理电路首先将经过保护电路的信号中的高频杂波滤除，滤波电路的一种电路结构如图6所示，采用二阶滤波且设置为单位增益。滤波后的信号被分为3路调理：第一路放大G₁倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2作差值后放大G₂倍再接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3作差值后放大G₃倍后接入信号采样电路。测量装置的测量电压范围被划分依次递增的3档，分别对应上述3路不同的调理电路，3路调理后的信号同时进入信号采样电路，不同范围的信号经过对应调理电路调理后的信号应尽可能满足采样单元模拟输入前端的满量程范围。

信号采样电路须具有同步3路采样信号的功能，且分辨率不低于12位；微处理器接收到采样单元同步采样的3路数据，根据处理后初步得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行后续的被测高电压值计算和电阻分压器的高压臂电阻校准。因此微处理器须具有一定的处理和响应速度，满足测量装置响应时间要求且与信号采样元件速度匹配；微处理器可以是单片机、DSP、嵌入式系统或者普通工控机等。

实施例：

本实施例结合图2的测量装置的整体设计方案和图3的测量装置整体结构图简要说明实施过程。

假设被测直流电压的范围为0～20kV，为保证电阻分压器的电流在百微安级，选择高压臂电阻R_H的阻值为200MΩ，低压臂精密电阻R_N-1的阻值为2MΩ，电阻R_N的阻值为60kΩ，电阻分压器准确度等级要求为0.1级(即α＝0.1)，要求的测量装置测量准确度等级为0.2级(即β＝0.2)。于是，分压比约为k_N1＝3368，则在满量程情况下，低压臂电阻R_N的电压值约为6V。

如图5所示，测量装置采用MOSFET管作为电子开关，栅极高电压时导通；FPGA作为微处理器，FPGA的GPIO输出的控制信号通过光电耦合器及电平转换后控制MOSFET管；TVS二极管和隔离运算放大器进行过电压保护，保险丝进行过电流保护。

本实施例中，保护电路输出的信号首先通过如图6所示一种的二阶滤波电路滤除高频杂波，通过跟随器后为3路进行调理，根据式(15)和(16)计算可得给定条件下分档边界值分别为V_HN1＝8kV，V_HN2＝12kV；进一步得波动范围Δ＝0.4kV，则三档调理电路实际对应的被测电压范围分别扩大为0～8.4kV、7.6kV～12.4kV和11.6kV～20kV。信号采样电路的分辨率为16位，采样单元能同步采样4路及以上信号，模拟输入范围为0～10V，同时设定仪表放大器的参考端电压为0，则可得对应的三路调理电路分别为：第一路放大G₁＝4倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2＝2.048V作差值后放大G₂＝6倍后接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3＝3.3V作差值后放大G₃＝3倍再接入信号采样电路。

所述多档直流高电压测量装置的多档选择流程按照如下方式进行：

1)根据式(10)～式(12)，3路调理电路的输出电压V₁、V₂和V₃与低压臂电压V_N对应的关系可以分别表述为

V₁＝4×V_N

V₂＝6×(V_N-2.048)

V₃＝3×(V_N-3.3)

2)信号采样电路同步采样3路调理信号，FPGA接收到采样单元同步采样的3路数据，经过多次计算求得平均值

和

并由此得到低压臂电压估算值

后根据分压比由式(2)初步确定被测直流高电压V_H的估算值

3)根据上一步被测电压估算值

所处的范围不同，选择不同档位调理电路输出的信号值，并最终获得被测直流电压值：

①当被测电压估算值

时，选择第一档采样值V₁，由式(2)和式(10)知被测电压V_H＝k_N1×V₁/G₁＝k_N1×V₁/4V；

②当被测电压估算值

时，选择第二档采样值V₂，由式(1)和式(13)知被测电压V_H＝k_N1(V₂/G₂+V_ref2)＝k_N1(V₂/6+2.048)V；

③当被测电压估算值

时，选择第三档采样值V₃，由式(2)和式(11)知被测电压V_H＝k_N1×(V₃/G₃+V_ref3)＝k_N1×(V₃/3+3.3)；

④当被测电压估算值

时，即处于第一、二档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，例如被测电压估算值

若按照线性加权有权值

和r₁₁＝1-r₁₂＝0.625，根据第一、二档采样结果分别由式(10)和式(11)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测电压

⑤当被测电压估算值

时，即处于第二、三档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，假设被测电压估算值

若按照线性加权有权值

和r₂₁＝1-r₂₂＝0.25，根据第二、三档采样结果分别由式(11)和式(12)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测电压

档位选择结束后，若被测电压处于第2档，且3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5时，微处理器控制电子开关K的通断实现分时采样获得高压臂电阻校准值R_H，通过校准后的分压比和低压臂输出电压计算得到被测直流高电压值V_H；当被测电压处于第1或第3档，直接根据分压比和低压臂输出电压计算得到被测直流高电压值V_H。

例如，当被测电压为10kV时选择信号调理电路输出的第二路电压值，当3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于4V时，通过微处理器控制电子开关K的通断进行分时采样校准高压臂电阻阻值R_H。

可以通过合理的选择测量装置的运算放大器、电阻等元器件以及合理的电路设计，最小化测量装置的整体误差。

本发明提供的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置：电阻分压器的低压臂为两个串联的精密电阻，靠近高压臂电阻的精密电阻上并联有电子开关，保护电路实现过电压保护，信号调理电路滤除信号中的高频杂波并将信号转化为对应不同档位的多路输出信号同时输出，信号采样电路具有同步采样多路信号的功能，微处理器根据采样单元同步采样的多路数据判断被测直流高电压的范围并选择合适档位的采样值计算低压臂输出电压值，然后使用分压比和测得的低压臂输出电压计算被测直流高电压的值；当被测直流高电压处于第2档范围且电压波动小时，微处理器控制电子开关的通断实现低压臂电压的分时采样，来校准电阻分压器高压臂电阻阻值，从而实现对直流高电压的稳定、准确、可靠的测量，减小因分压电阻、绝缘材料等的参数变化以及外界环境因素干扰等对测量结果的影响。

显然，经过上述实施例的说明，本发明专利采用分时采样、多档调理的方法，可以达到稳定输出、准确度较高的、可靠性较好的、能够自动校准的直流高电压测量的效果，对常规电阻分压器受电阻值变化、高压电晕的干扰、分压器绝缘泄漏和环境因素等的影响所引起的分压法测量准确度发生变化的情况有了很大的改进。

以上内容是结合具体实施方案对本发明专利的进一步详细说明。需要特别说明的是，本发明专利的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，其特征在于，包括电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路；其中，

电阻分压器用于将被测高电压分压成低电压信号从低压臂输出，输出的低电压信号经保护电路后达到信号调理电路；

信号调理电路用于将接收到的电压信号先进行滤波，后经过多档调理电路调理至信号采样电路的模拟输入前端可接受范围；

信号采样电路用于同步采样调理电路的多路输出电压信号；

微处理器将来自信号采样电路的数据进行处理后开展多档位选择并按照分压比计算被测电压，最终结果经通讯电路输送给其它需要电压信号测量结果的终端设备，此外微处理器还通过控制电子开关动作，并通过对电阻分压器低压侧输出电压的分时采样来实现电阻分压器高压臂电阻值的自校准；

所述电阻分压器包括高压引线端(9)、高压均压环(2)、高压臂电阻R_H(7)、低压臂电阻R_N-1和R_N(10)、低压均压环(1)、铝合金底座(4)、绝缘壁(5)以及绝缘介质(6)；其中，

电阻分压器的高压臂电阻R_H(7)放置在绝缘介质(6)中，低压臂电阻R_N-1和R_N(10)固定位置靠近低压均压环(1)，绝缘介质(6)的外侧为绝缘壁(5)，绝缘介质(6)的上端依次为高压均压环(2)和高压引线端(9)，下端为铝合金底座(4)，低压均压环(1)设置在铝合金底座(4)内，铝合金底座(4)外侧上设置有引线插座(11)、接地引线端(12)和电源端口/通讯端口(13)；高压臂电阻R_H(7)依次与低压臂电阻R_N-1和R_N(10)串联，高压引线端(9)与高压均压环(2)一端连接，高压均压环(2)另一端与高压臂电阻R_H(7)连接，接地引线端(12)与低压均压环(1)一端连接，低压均压环(1)另一端与低压臂电阻R_N连接；

电阻分压器的低压臂电阻R_N-1一端与高压臂电阻R_H(7)相连接，同时引出导线与高压均压环(2)上的插座连接，另一端与低压臂电阻R_N相连接，同时引出导线与高压均压环上的插座连接，即低压臂电阻R_N-1通过插座引线与电子开关K并联；

高压臂电阻R_H(7)和被测高电压值V_H通过以下方法得到：

1)电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

式中V_H表示被测高电压值及电阻分压器高压臂电压值，k_N1表示电子开关K关断时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

2)电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

式中k_N2表示电子开关K导通时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

3)由式(1)和式(3)得出电阻分压器高压臂电阻校准值R_HJ和被测高电压值V_H

所述电阻分压器的高压臂电阻阻值校准条件为：被测高电压处于第2档，且电压波动小；校准条件中的波动小是指，3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5；

所述信号调理电路中有滤波电路和多档调理电路，滤波电路滤除信号中的高频杂波且设置增益为1，多档调理电路保证不同范围的信号经相应的调理电路调理后对应采样单元模拟输入前端的满量程范围，因此分为3路调理时，第一路放大G₁倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2作差值后放大G₂倍再接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3作差值后放大G₃倍后接入信号采样电路；信号采样电路须具有同步采样3路信号的功能，且分辨率不低于12位；微处理器接收到采样单元同步采样的3路数据，根据处理后得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行后续的被测高电压值计算和电阻分压器的高压臂电阻阻值校准；则当采样单元模拟输入前端可接受信号为单极性时，3路调理电路的输出电压V₁、V₂和V₃与低压臂电压V_N的对应关系分别表述为

V₁＝G₁×V_N (10)

V₂＝G₂×(V_N-V_ref2)+V_REF2 (11)

V₃＝G₃×(V_N-V_ref3)+V_REF3 (12)

式中标准参考电压V_ref2和V_ref可通过基准电压源或高精度数模转换器获得；V_REF2、V_REF3表示仪表放大器参考端的输入电压，通过设置该参考端的输入电压实现输出电压的电平移位；

测量装置的多档位选择通过如下方法进行：

1)将测量装置的测量电压范围V_HN划分为依次递增的3档，分别为0～V_HN1、V_HN1～V_HN2和V_HN2～V_HN，对应上述3路不同的调理电路，其中以第二路调理电路的测量准确度最高；根据测量装置的相关参数计算得分档边界值分别为V_HN1＝(0.5-λ)V_HN和V_HN2＝(0.5+λ)V_HN，其中λ＝α％(R_H+R_N)/R_N-1，α表示电阻分压器的准确度等级；

2)信号采样电路同步采样3路调理信号，经过多次计算求得平均值

和

并由此得到低压臂电压估算值

并根据分压比初步确定被测直流高电压值V_H的估算值

3)给定波动范围为Δ＝10×β％×V_HN，其中β表示检测装置的准确度等级，则三档调理电路实际对应的被测电压范围分别扩大为0～V_HN1+Δ、V_HN1-Δ～V_HN2+Δ和V_HN2-Δ～V_HN，这里假定选择V_REF2＝0和V_REF3＝0，则式(11)和(12)中参考电压取值范围分别为V_ref2≤(V_HN1-Δ)/k_N1，V_ref3≤(V_HN2-Δ)/k_N1；

4)根据被测电压估算值

所处的范围不同，按照如下方式选择不同档位调理电路输出的信号值，并最终获得被测直流电压值：

当被测电压估算值

时，选择第一档采样值V₁，由式(2)和式(10)知被测电压V_H＝k_N1×V₁/G₁；

当被测电压估算值

时，选择第二档采样值V₂，由式(2)和式(11)知被测电压V_H＝k_N1×(V₂/G₂+V_ref2)；

当被测电压估算值

时，选择第三档采样值V₃，由式(2)和式(12)知被测高电压V_H＝k_N1×(V₃/G₃+V_ref3)；

当被测高电压估算值

时，即处于第一、二档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₁₁＝1-r₁₂，根据第一、二档采样结果分别由式(10)和式(11)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测高电压

当被测电压估算值

时，即处于第二、三档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值

和r₂₁＝1-r₂₂，根据第二、三档采样结果分别由式(11)和式(12)获得对应的低压臂电压值

和

然后求得低压臂电压加权值

进一步由式(2)根据分压比的被测高电压

2.根据权利要求1所述的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，其特征在于，所述电阻分压器的高压臂电阻R_H(7)、低压臂电阻R_N-1和R_N(10)的阻值由被测电压的等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，优于0.01％，电阻均为低温漂无感电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

3.根据权利要求1所述的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，其特征在于，所述保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路均集成在高压均压环(2)上，高压均压环(2)通过电路板安装支柱(3)固定在的电阻分压器铝合金底座(4)中；所述保护电路包括电子开关及其控制电路，且保护电路设置为单位增益，不影响低压臂输出电压信号值。

4.根据权利要求1所述的基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，其特征在于，所述电子开关K耐电压200V以上、漏电流小于与其并联电阻正常工作时电流的1％以及 响应速度时间小于10μs，电子开关K是场效应管，或者是固态继电器，导通电阻R_on满足如下关系，使其对电阻分压器准确度等级α的影响能够忽略；

R_on≤α(R_H+R_N) (9)。

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