CN111044963A - 采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法及装置。所述校准方法采用了电压隔离缓冲器对标准同轴分流器的输出电压进行电气隔离及缓冲，提高了标准同轴分流器电压测量通道的交流输入阻抗，达到了在高频条件下应用标准同轴分流器校准高频电流传感器的目的，相对于现有的采用同轴分流器的校准方法，大大提高了高频电流传感器的校准精度等级。具体来讲，采用现有的采用同轴分流器的校准方法，在100kHz时，仅能校准精度为1％的电流传感器，而采用本实施例的校准方法，可以实现0.1％甚至更高精度的电流传感器的校准。

Description

采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法及装置
技术领域
本发明涉及高频电流传感器校准技术领域，特别地，涉及一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，另外，还涉及一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置。
背景技术
用于高频电流测量的传感器可分为模拟型和数字型，其中，模拟型包括I/V和I/I两种类型，典型的有同轴分流器(I/V)、高频电流互感器(I/I)、罗氏线圈(I/V)等；数字型有光纤电流传感器等。现有的高频电流互感器校准方法如图1所示，I为恒流源、DUT为被测高频电流传感器、STD为标准高频电流传感器。校准DUT时，恒流源I输出与DUT和STD组成电流回路。DUT和STD可以是所有类型的高频电流传感器，对于数字型传感器，电流幅值可以直接读数；对于模拟I/I型传感器，则需要进一步转换为电压，再通过标准数字表读数；对于模拟I/V型传感器，则可以直接通过标准数字表读数。再通过计算两个标准数字表的电压比率，则可实现已知高精度标准高频电流传感器器对未知精度高频电流传感器的幅度校准。
而校准系统的校准精度取决于标准器STD的准确度，高频电流互感器精度高但频带窄，罗氏线圈和光纤电流传感器频带宽、但误差较大，同轴分流器具有最佳的幅度、角度测量精度和最优的频率响应，是用于高频电流传感器校准STD的最佳标准器。采用标准同轴分流器作为STD的校准方法在低频(小于1kHz)范围具有最高的精度，但对于更高的测试频率，则存在误差随着测试电流频率升高而增大的缺点。这是因为一方面标准数字表输入具有有限的输入阻抗，通常可等效为电阻并联电容的模型，在高频下，并联电容使得等效阻抗降低，流过DUT的测试电流被分流，从而引起误差增大；另一方面，在高频情况下，电流可以经过标准数字表的电源地回流到恒流源，使得流过DUT和STD的电流并不相同，这进一步增大校准误差；第三个方面，STD的输出电压为DUT的共模电压，测试随着频率升高，标准数字表的输入共模抑制比指标急剧下降，导致测量误差增大。
发明内容
本发明提供了一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法及装置，以解决现有的采用同轴分流器作为标准器的校准系统存在的校准误差随电流频率升高而增大，无法适用于在高频环境下对高频电流传感器进行校准的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，包括以下步骤：
步骤S1：将待测高频电流传感器、标准同轴分流器、恒流源三者串联形成电流回路，控制恒流源输出高频电流；
步骤S2：利用两个测量仪器分别采集待测高频电流传感器和标准同轴分流器的输出信号，其中，标准同轴分流器输出的电压信号经电压隔离缓冲器缓冲后输出至测量仪器；
步骤S3：基于两个测量仪器的测量结果对待测高频电流传感器进行校准。
进一步地，所述待测高频电流传感器为同轴分流器、高频电流互感器、罗氏线圈和光纤电流传感器中的任一种。
进一步地，所述待测高频电流传感器为同轴分流器，待测高频电流传感器输出的电压信号也经电压隔离缓冲器缓冲后输出至测量仪器。
进一步地，所述测量仪器为标准数字表、侧差仪、双通道数据采集器中的任一种。
进一步地，所述电压隔离缓冲器满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差。
本发明还提供一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，包括恒流源、标准同轴分流器、待测高频电流传感器、电压隔离缓冲器和两个测量仪器，所述恒流源、标准同轴分流器、待测高频电流传感器三者串联形成电流回路，所述恒流源用于输出高频电流，所述电压隔离缓冲器分别与标准同轴分流器和其中一个测量仪器连接，另一个测量仪器与待测高频电流传感器连接。
进一步地，所述电压隔离缓冲器包括相连的隔离变压器和宽频的缓冲器，所述隔离变压器与标准同轴分流器连接，所述缓冲器与测量仪器连接。
进一步地，所述待测高频电流传感器为同轴分流器，所述待测高频电流传感器也通过电压隔离缓冲器与另一个测量仪器连接。
进一步地，所述电压隔离缓冲器满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差。
进一步地，所述待测高频电流传感器为同轴分流器、高频电流互感器、罗氏线圈和光纤电流传感器中的任一种。
本发明具有以下有益效果：
本发明的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，由于采用了电压隔离缓冲器对标准同轴分流器的输出电压进行电气隔离及缓冲，提高了标准同轴分流器电压测量通道的交流输入阻抗，达到了在高频条件下应用标准同轴分流器校准高频电流传感器的目的，相对于现有的采用同轴分流器的校准方法，大大提高了高频电流传感器的校准精度等级。具体来讲，采用现有的采用同轴分流器的校准方法，在100kHz时，仅能校准精度为1％的电流传感器，而采用本实施例的校准方法，可以实现0.1％甚至更高精度的电流传感器的校准。
另外，本发明的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置同样具有上述优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有的采用同轴分流器对高频电流传感器进行校准的电路示意图。
图2是本发明优选实施例的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法的流程示意图。
图3是本发明另一实施例的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置的电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
为了便于理解，如图2所示，本发明的优选实施例提供一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，包括以下步骤：
步骤S1：将待测高频电流传感器、标准同轴分流器、恒流源三者串联形成电流回路，控制恒流源输出高频电流；
步骤S2：利用两个测量仪器分别采集待测高频电流传感器和标准同轴分流器的输出信号，其中，标准同轴分流器输出的电压信号经电压隔离缓冲器缓冲后输出至测量仪器；
步骤S3：基于两个测量仪器的测量结果对待测高频电流传感器进行校准。
可以理解，在所述步骤S1中，所述恒流源可以输出高频电流以激励标准同轴分流器和待测高频电流传感器，待测高频电流传感器可以是同轴分流器、高频电流互感器、罗氏线圈和光纤电流传感器中的任一种，可以用于对现有常见的高频电流传感器进行校准，适用范围广。
可以理解，在所述步骤S2中，利用一个测量仪器通过电压隔离缓冲器采集标准同轴分流器输出的电压信号，利用另一个测量仪器来采集待测高频电流传感器的输出信号，其中，由于标准同轴分流器的准确度决定了整体的校准精度，而标准同轴分流器的输出电压经电压隔离缓冲器隔离缓冲后再输出至测量仪器，电压隔离缓冲器可以增加测量仪器的交流输入阻抗，减小输入阻抗引起的分流及测量仪器的电源地回流电流，降低了测量仪器高频共模抑制比的要求，从而提高了高频电流传感器的校准精度。另外，还可以理解，当所述待测高频电流传感器为初、次级隔离的传感器时，可以通过测量仪器直接采集待测高频电流传感器的输出信号；而当所述待测高频电流传感器为同轴分流器时，则测量仪器需要通过一个电压隔离缓冲器来采集待测高频电流传感器的输出电压信号，以确保采样的精准度，从而确保校准精度。另外，若所述待测高频电流传感器为模拟I/I型传感器时，例如高频电流互感器，则需将待测高频电流互感器的输出电流信号通过一个信号转换装置转换为电压信号，再输出至测量仪器。另外，所述测量仪器可以是标准数字表、侧差仪、双通道数据采集器中的任一种，在本实施例，优选采用标准数字表。具体的电路示意图如图3所示，恒流源I与待测高频电流传感器DUT、标准同轴分流器R组成电流回路，所述恒流源I输出高频电流以激励标准同轴分流器R和待测高频电流传感器DUT，一个标准数字表通过电压隔离缓冲器T1采集标准同轴分流器R的输出电压信号，标准同轴分流器R的输出电压经过电压隔离缓冲器T1缓冲为U1输出并被标准数字表所采集，若待测高频电流传感器DUT为初、次级隔离的传感器，则另一个标准数字表直接采集待测高频电流传感器DUT的输出电压信号，若待测高频电流传感器DUT为同轴分流器时，则另一个标准数字表还需通过电压隔离缓冲器T2来采集待测高频电流传感器DUT的输出电压信号，待测高频电流传感器DUT的输出电压经电压隔离缓冲器T2缓冲为U2输出并被另一个标准数字表所采集。
可以理解，在所述步骤S3中，读取出两个测量仪器的显示数值，再通过计算两者的电压比率，从而可以实现基于标准同轴分流器对未知精度高频电流传感器的幅度校准。
可以理解，所述电压隔离缓冲器满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差。校准中使用的标准器一般要求比被校准设备高至少两个等级，在本实施例中假如要实现0.1％的校准精度，整个校准装置合成的测量精度应该在0.02％以上，装置合成的测量不确定度与标准电流互感器、数字表和精密高频电压隔离缓冲器等有关，其中电流互感器和数字表是校准实验室法定量传的标准器，具有已知的测量误差，故增加的测量不确定度主要来源于精密高频电压隔离缓冲器，因而要求精密高频电压隔离缓冲器的合成误差小于0.02％。
具体地，所述电压隔离缓冲器包括相连的隔离变压器和宽频的缓冲器，隔离变压器与标准同轴分流器相连，缓冲器与标准数字表相连。当所述待测高频电流传感器为同轴分流器时，所述隔离变压器还与待测高频电流传感器相连。
在本实施例中，所述采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，由于采用了电压隔离缓冲器对标准同轴分流器的输出电压进行电气隔离及缓冲，提高了标准同轴分流器电压测量通道的交流输入阻抗，达到了在高频条件下应用标准同轴分流器校准高频电流传感器的目的，相对于现有的采用同轴分流器的校准方法，大大提高了高频电流传感器的校准精度等级。具体来讲，采用现有的采用同轴分流器的校准方法，在100kHz时，仅能校准精度为1％的电流传感器，而采用本实施例的校准方法，可以实现0.1％甚至更高精度的电流传感器的校准。
可以理解，本发明的另一实施例还提供一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，如图3所示，其包括恒流源I、标准同轴分流器R、待测高频电流传感器DUT、电压隔离缓冲器T1和两个测量仪器，所述恒流源I、标准同轴分流器R、待测高频电流传感器DUT三者串联形成电流回路，所述恒流源I用于输出高频电流以激励标准同轴分流器R和待测高频电流传感器DUT，所述电压隔离缓冲器T1分别与标准同轴分流器R和一个测量仪器连接，另一个测量仪器与待测高频电流传感器连接。其中，所述测量仪器为标准数字表、侧差仪、双通道数据采集器中的任一种，本实施例优选采用标准数字表。由于标准同轴分流器R的准确度决定了整体的校准精度，而标准同轴分流器R的输出电压经电压隔离缓冲器T1隔离缓冲后再输出至测量仪器，电压隔离缓冲器可以增加测量仪器的交流输入阻抗，减小输入阻抗引起的分流及测量仪器的电源地回流电流，降低了测量仪器高频共模抑制比的要求，从而提高了高频电流传感器的校准精度。
可以理解，当所述待测高频电流传感器DUT为初、次级隔离的传感器时，可以通过测量仪器直接采集待测高频电流传感器DUT的输出电压信号；而当所述待测高频电流传感器DUT为同轴分流器时，则测量仪器需要通过一个电压隔离缓冲器T2来采集待测高频电流传感器DUT的输出电压信号，以确保采样的精准度，从而确保校准精度。
另外，若所述待测高频电流传感器DUT为模拟I/I型传感器时，例如高频电流互感器，则所述采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置还包括一个信号转换装置，其用于将待测高频电流互感器输出的电流信号转换为电压信号后输出至测量仪器。
可以理解，所述电压隔离缓冲器T1包括相连的隔离变压器和宽频的缓冲器，所述隔离变压器与标准同轴分流器连接，所述缓冲器与测量仪器连接。所述电压隔离缓冲器T2与电压隔离缓冲器T1相同，所述电压隔离缓冲器T2的隔离变压器与待测高频电流传感器DUT相连，其缓冲器与另一个测量仪器连接。另外，所述电压隔离缓冲器还需满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差，从而确保校准精度。
在本实施例中，所述采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，由于采用了电压隔离缓冲器对标准同轴分流器的输出电压进行电气隔离及缓冲，提高了标准同轴分流器电压测量通道的交流输入阻抗，达到了在高频条件下应用标准同轴分流器校准高频电流传感器的目的，相对于现有的采用同轴分流器的校准方法，大大提高了高频电流传感器的校准精度等级。具体来讲，采用现有的采用同轴分流器的校准方法，在100kHz时，仅能校准精度为1％的电流传感器，而采用本实施例的校准方法，可以实现0.1％甚至更高精度的电流传感器的校准。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：将待测高频电流传感器、标准同轴分流器、恒流源三者串联形成电流回路，控制恒流源输出高频电流；
步骤S2：利用两个测量仪器分别采集待测高频电流传感器和标准同轴分流器的输出信号，其中，标准同轴分流器输出的电压信号经电压隔离缓冲器缓冲后输出至测量仪器；
步骤S3：基于两个测量仪器的测量结果对待测高频电流传感器进行校准。
2.如权利要求1所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，其特征在于，
所述待测高频电流传感器为同轴分流器、高频电流互感器、罗氏线圈和光纤电流传感器中的任一种。
3.如权利要求2所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，其特征在于，
所述待测高频电流传感器为同轴分流器，待测高频电流传感器输出的电压信号也经电压隔离缓冲器缓冲后输出至测量仪器。
4.如权利要求3所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，其特征在于，
所述测量仪器为标准数字表、侧差仪、双通道数据采集器中的任一种。
5.如权利要求1～4任一项所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准方法，其特征在于，
所述电压隔离缓冲器满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差。
6.一种采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，其特征在于，
包括恒流源、标准同轴分流器、待测高频电流传感器、电压隔离缓冲器和两个测量仪器，所述恒流源、标准同轴分流器、待测高频电流传感器三者串联形成电流回路，所述恒流源用于输出高频电流，所述电压隔离缓冲器分别与标准同轴分流器和其中一个测量仪器连接，另一个测量仪器与待测高频电流传感器连接。
7.如权利要求6所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，其特征在于，
所述电压隔离缓冲器包括相连的隔离变压器和宽频的缓冲器，所述隔离变压器与标准同轴分流器连接，所述缓冲器与测量仪器连接。
8.如权利要求7所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，其特征在于，
所述待测高频电流传感器为同轴分流器，所述待测高频电流传感器也通过电压隔离缓冲器与另一个测量仪器连接。
9.如权利要求6～8任一项所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，其特征在于，
所述电压隔离缓冲器满足以下条件：在检定频率点，电压隔离缓冲器的合成误差小于校准精度等级的五分之一，其中，合成误差包括电压隔离缓冲器的初级励磁电流、初级等效电容、初次级间等效电容共同导致的电流分流误差、电压隔离缓冲器的初次级幅度误差。
10.如权利要求9所述的采用同轴分流器的高频电流传感器校准装置，其特征在于，
所述待测高频电流传感器为同轴分流器、高频电流互感器、罗氏线圈和光纤电流传感器中的任一种。
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