CN113433502B - 一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，涉及测试仪校准，解决了通过电容器和电抗器对电容电感测试仪校准困难、且误差过大的技术问题。该方法是根据目标器件的校准参数以及电容电感测试仪的电压波形计算分析获得电压和电流相角关系符合目标器件响应的仿真电流波形；电容电感测试仪根据所述仿真电流波形，并获得仿真参数；根据所述仿真参数与校准参数之间的误差关系对电容电感测试仪进行校准。本发明还公开了一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置。本发明操作简单、校准速度更快、精确度更高，更能反应被检测仪器的实际测量误差情况。

Description

一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法和装置

技术领域

本发明涉及测试仪校准，更具体地说，它涉及一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法和装置。

背景技术

电力电容器、电抗器是配电系统中非常重要的运行设备，常用于对配电系统功率因数进行调节或者用于电力系统的故障保护。对电容器、电抗器性能测试最重要的一项就是检查其电容、电感的具体数值。电容电感测试仪就是最常用的测试仪器，其测试原理为电容电感测试仪输出一个低电压大功率的测试电压至电容器或电抗器，然后通过电流钳监测流通电容器或电抗器回路的电流数值，并计算电压和电流所构成测试回路对应的阻抗、功率因数、相角关系等来判断当前所测试试品的电容值或电感值。

电力系统用的所有测试类仪器每年都需要在符合IEC17025计量标准的实验室进行功能和测试误差校准，以确保仪器工作正常且测试误差符合要求。但是对于电容电感测试仪的计量校准很难进行。若使用实际的电容器及电抗器对电容电感测试仪进行校准，通常只能对仅有的少数固定点进行测试。而且所需的电容器和电抗器体积非常大且笨重，实际的物理电容器及电抗器其电容值和电感值受到环境及老化等因素的影响，其具体数值通常会产生较大变化，因而会造成标准器本身的误差过大而无法给出精确的判据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法和装置，解决了通过电容器和电抗器对电容电感测试仪校准困难、且误差过大的问题。

本发明所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，包括以下步骤，

步骤一、根据目标器件的校准参数以及电容电感测试仪的电压波形计算分析获得相角关系符合目标器件响应的仿真电流波形；

步骤二、电容电感测试仪根据所述仿真电流波形获得仿真参数；

步骤三、根据所述仿真参数与校准参数之间的误差关系对电容电感测试仪进行校准。

步骤一，具体包括：

第一步、设定目标器件的校准参数，获取电容电感测试仪输出电压的电压波形，并根据所述校准参数以及电压波形计算确定目标电流值；

第二步、通过正弦信号数组对所述目标电流值进行离散处理，得到电流信号周波；

第三步、对所述电压波形进行跟踪，并根据所述电压波形与电流的相角关系对电流信号周波进行仿真，获取电流波形；

第四步、更新同步所述电流波形，获得仿真电流波形。

所述目标电流值根据以下公式计算确定：

I_darms＝K_vi*V_adrms；

其中，K_vi为比例系数，由目标器件的校准参数决定；V_adrms为电压波形的电压有效值。

所述比例系数的计算公式为：

当所述目标器件为电感器时，

k_vi＝K_iad*K_v/(2*π*f*L)；

当所述目标器件为电容器是，

K_vi＝K_iad*K_v*2*π*f*C；

其中，K_v为电压有效值与电容电感测试仪输出电压的有效值的校准系数；

K_iad为转换系数；

L为校准电感值；

C为校准电容值；

f为电压波形的频率。

所述更新同步电流波形，具体包括，设定一同步周期，每个同步周期均更新电流波形，并使所述电流波形与电压波形重新进行同步。

所述同步周期包括至少三个周波，相邻两个所述同步周期之间间隔至少一个的周波。

步骤二、具体包括：

将所述仿真电流波形进行功率放大，电容电感测试仪根据放大后的所述仿真电流波形，以获得所述目标器件的仿真参数。

一种应用上述校准方法的基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置，包括电压采样模块、隔离模块、工控机、电流波形发生模块、电流功率放大模块和反馈模块；所述电压采样模块的输入端与电容电感测试仪的电压输出端连接，所述电压采样模块的输出端与隔离模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出端与电流波形发生模块的一输入端连接，所述电流波形发生模块的另一输入端与工控机的输出端连接，所述电流波形发生模块的输出端与电流功率放大模块的输入端电性连接，所述电流功率放大模块的输出端通过反馈模块与电容电感测试仪的测试端连接。

所述电流波形发生模块包括AD转换单元、处理单元和DA转换单元；所述AD转换单元的输入端与隔离模块连接，所述AD转换单元的输出端以及工控机均与处理单元的输入端连接，所述处理单元的输出端通过DA转换单元与电流功率放大模块连接。

所述反馈模块包括第二继电器KT2、第七电阻R7、第八电阻R8和串联连接的多个电流测量CT；所述电流功率放大模块输出回路的两端分别与第七电阻R7的一端和第二继电器KT2的公共端连接，所述第七电阻R7的另一端通过第八电阻R8与电流测量CT连接，所述第八电阻R8的两端分别与第二继电器KT2的两个控制端连接；多个所述电流测量CT与AD转换单元的控制端连接，所述电流测量CT上并联连接有控制开关。

有益效果

本发明的优点在于：本发明对电容电感测试仪的校准，只需要设定目标器件的相应参数，通过快速跟踪电压波形的方式，仿真模拟出仿真电流波形，即可得到与设定目标器件参数的误差值。无需采用实物目标器件进行校准，因此避免了因器件环境温度、湿度以及老化等因素的影响，且操作简单、校准速度更快、精确度更高，更能反应被检测仪器的实际测量误差情况。

附图说明

图1为本发明所述的校准方法试验流程示意图；

图2为本发明的所述的校准装置电路结构示意图；

图3为本发明所述的分压回路与电压互感器的连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

参阅图1，本发明的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，包括以下步骤，

步骤一、根据目标器件的校准参数以及电容电感测试仪的电压波形计算分析获得相角关系符合目标器件响应的仿真电流波形。该仿真电流波形等同于电容电感测试仪测量电容器或电感器时，返回至电容电感测试仪中的电流数值，因此，其与电容电感测试仪的电压波形的相角关系等同于电容电感测试仪测试电容器或电感器时的电压电流相角关系。

该步骤具体包括：

第一步、设定目标器件的校准参数。需要说明的是，目标器件即为标准的电容器或电感器。校准参数包括电容电感测试仪的最大测试电压输出、测试频率、电容值或电感值。获取电容电感测试仪输出电压的电压波形，并根据校准参数以及电压波形计算确定目标电流值。具体的，在计算目标电流值时，所采用的是电压波形的电压有效值。且由于电容电感测试仪输出的电压高于校准装置内部处理器的工作电压，因此，电压波形已经经过降压处理，然后再经过模数转换，生成电压有效值。

关于目标电流值的计算，可根据以下公式确定。

I_darms＝K_vi*V_adrms。

其中，K_vi为比例系数，由目标器件的校准参数决定；V_adrms为电压波形模数转换后的电压有效值。目标电流值为仿真电流波形的有效值。

比例系数的计算公式为：

当目标器件为电感器时，

k_vi＝K_iad*K_v/(2*π*f*L)。

当目标器件为电容器是，

K_vi＝K_iad*K_v*2*π*f*C。

其中，K_v为电压有效值与电容电感测试仪输出电压的校准系数。

K_iad为转换系数。具体的，仪器组装完成后，通过给出固定的电流值，实际测量对应的AD转换值，通过给定的电流值除以仪器转换得到的AD值，得出转换系数Kiad，相当于每单位AD值对应的实际输入电流值。

L为校准电感值。

C为校准电容值。

f为电压波形的频率。

第二步、通过正弦信号数组对目标电流值进行离散处理，得到电流信号周波。其中，正弦信号数组预先存储在处理器中，通过正弦信号数组与目标电流值进行乘积运算后，得到的每个点对应的数值再经过数模转换输出，即可获得电流信号周波。而本实施例的正弦信号数组包含的数值个数为400个正弦波形离散点，其涵盖了一个完整的正弦信号周波。

第三步、对电压波形进行跟踪，并根据电压波形与电流的相角关系对电流信号周波进行仿真，获取电流波形。其中，周波为一个电流信号周期。

由于电容器和电感器的电压电流波形的相角关系是不相同的，如仿真为电感时，其电流波形落后电压波形90度，在电压波形向上过0点时，电流波形从-90度开始输出；如仿真电容时，电流波形超前电压波形90度，在电压波形向上过0点时，电流波形从+90度开始输出。因此，本实施例通过对电压跟踪的方式，使输出的电流波形在时序上符合其相角关系的要求，避免出现测量的目标器件错误的现象。

第四步、更新同步电流波形，获得仿真电流波形。更新同步电流波形，主要是为了保证电容电感测试仪读数的同步性。更新同步电流波形的具体方式为，设定一同步周期，每个同步周期均更新电流波形并与电压波形重新同步。即在每个同步周期的0点时序更新电流波形，当电压波形经过0点时，电流波形同步输出，实现同步，能有效的避免电流波形和电压波形出现时序误差的现象，提高了校准结果的可靠性。

本实施例同步周期为3个工频周波，能有效的提高电流波形和电压波形的同步性，减少误差。

优选的，同步周期之间间隔一个工频周波。例如，在取工频周波时，将舍弃第一个电压波形的周波，取第二至第五个工频周波，以确保同步周期的可靠性。

步骤二、电容电感测试仪根据仿真电流波形，并获得仿真参数。

该步骤具体包括，将仿真电流波形进行功率放大，电容电感测试仪读取放大后的仿真电流波形，以获得目标器件的仿真参数。

步骤三、根据仿真参数与校准参数之间的误差关系对电容电感测试仪进行校准。即将仿真参数与校准参数进行对比，得到电容电感测试仪的实际误差值；根据实际误差值对电容电感测试仪进行校准。

通过上述校准方法对电容电感测试仪的校准，只需要设定目标器件的相应参数，通过快速跟踪电压波形的方式，仿真模拟出仿真电流波形，即可得到与设定目标器件参数的误差值。无需采用实物目标器件进行校准，且校准速度更快、精确度更高，更能反应被检测仪器的实际测量误差情况。

一种应用上述校准方法的基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置，包括电压采样模块、隔离模块、工控机、电流波形发生模块、电流功率放大模块和反馈模块。

电压采样模块的输入端与电容电感测试仪的电压输出端连接，用于采集电容电感测试仪的输出电压信号，并对其进行降压处理。具体的，电压采样模块包括两个信号采集端、由四个串联连接的电阻以及第一继电器KT1构成的电阻分压回路。第一继电器KT1的两个控制端分别与第三电阻R3的两端连接，而第一继电器KT1的公共端与隔离模块连接。第一继电器KT1用于对电阻分压回路中的电阻分压进行比例进行切换，可实现对采集到的电压信号进行分档。如，当电压小于AC15V时，第一继电器KT1切换到低档位进行测量；否则第一继电器KT1切换到高档位测量。而其分档则通过工控机进行控制。在试验开始前，工控机设置可能注入电压信号的最大值，然后处理器根据设定的电压值自动选择电压档位。当采集过程中发现输入电压信号超量程时，则控制继电器自动切换到更高电压测量档位。

针对不同测量范围的电容电感测试仪，其输出的电压信号可能在AC50V以上，而这种情况下仅通过电阻的分压实现采集，则会导致误差增加。因此，针对输出电压信号在AC50V以上的电容电感测试仪，本实施例的电压采集模块还包括了电压互感器PT。电压互感器PT的输入端与信号采集端连接，其输出端经过第二运算放大器U2的隔离，与电流波形发生模块的模数转换器连接。即采用电压互感器PT与电阻分压回路的方式进行信号的采集。当来自电容电感测试仪的电压信号小于AC50V时，采用电阻分压回路得到的电压波形；否则采用电压互感器PT得到的电压波形。由于电压互感器PT与电阻分压回路同时采集电压信号，因此，需要通过校准装置的处理器根据电压有效值的大小，完成采用哪个采集回路采集到的电压波形的选择。

电压采样模块的输出端与隔离模块的输入端电性连接。由于电容电感测试仪输出的为交流电信号，而校准装置中，除了工控机以为，使用的均为直流电，因此，需要通过隔离模块进行隔离，以实现对信号的处理。

本实施例的隔离模块包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3。电阻分压回路通过第一运算放大器U1与第三运算放大器U3连接。通过两个运算放大器实现交流电与直流电的隔离。其中，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2的型号均为OPO7，第三运算放大器U3的型号为ISO122。来自第一继电器KT1的电压信号经过第一运算放大器U1进行跟随变换后，进入第三运算放大器U3进行1:1隔离变换，从而使电容电感测试仪的输出端与校准装置进行隔离，确保校准过程的正常运作。

隔离模块的输出端与电流波形发生模块的一输入端连接，电流波形发生模块的另一输入端与工控机的输出端连接，电流波形发生模块的输出端与电流功率放大模块的输入端电性连接。

其中，电流波形发生模块包括AD转换单元、处理单元和DA转换单元。AD转换单元包括模数转换芯片U4；处理单元包括处理芯片U5；DA转换单元包括数模转换芯片U6。模数转换芯片U4的输入端与第三运算放大器U3连接，模数转换芯片U4的输出端以及工控机均与处理芯片U5的输入端连接，处理芯片U5的输出端通过数模转换芯片U6与电流功率放大模块连接。

模数转换芯片U4的型号为AD7656。其信号采样频率为40KHz。校准装置同时采集电阻分压回路的电压信号、电压互感器PT的电压信号以及三个电流测量CT的电流反馈信号，而所有的信号采样均由处理芯片U5控制模数转换芯片U4同步进行。

处理芯片U5为DSP处理芯片，型号为TMS320F2812。处理芯片U5与模数转换芯片U4并行连接。在试验启动后，以40KHz的频率启动同步采样，并实时读取来自模数转换芯片U4的电压电流采样值。处理芯片U5在试验启动时，与工控机进行通信，获得当前的电压信号档位设置、目标器件的模拟方式、通道电压采样变换系数、电流采样变换系数。然后采用上述校准方法中的目标电流值的计算公式I_darms＝K_vi*V_adrms，直接将模数转换芯片U4采集到的电压有效值转换为目标电流值。

其中，比例系数计算公式中的电容值C、电感值L、K_v、K_iad的数值均来自于工控机，通过工控机测试界面进行设定。电压波形的频率f则来自于对电压波形的实时频率测量所获得。而目标电流值则是用于与存储在处理芯片U5中的的正弦信号数组进行直接乘法运算的电流系数。

数模转换芯片U6的型号为AD669。数模转换芯片U6与处理芯片U5并行连接。当处理芯片U5计算目标电流值时，处理芯片U5直接将其与正弦信号数组中的正弦波形离散点进行相乘，然后将每个点对应的数值经过数模转换芯片U6进行转换输出，以得到电流波形。

电流功率放大模块的输出端通过反馈模块与电容电感测试仪的测试端连接。反馈模块包括第二继电器KT2、第七电阻R7、第八电阻R8和串联连接的三个电流测量CT。三个电流测量CT分别为1A测量CT、5A测量CT、20A测量CT，用于实时测量电流功率放大模块的输出。电流功率放大模块输出回路的两端分别与第七电阻R7的一端和第二继电器KT2的公共端连接，第七电阻R7的另一端通过第八电阻R8与电流测量CT连接，第八电阻R8的两端分别与第二继电器KT2的两个控制端连接。

三个电流测量CT与AD转换单元的控制端连接，电流测量CT上并联连接有控制开关。当输出电流小于1A时，校准装置以1A测量CT的输出测量值作为参考；当输出电流大于1A时，校准装置控制继电器短接1A测量CT的两端，并且如果电流小于5A，则以5A测量CT的输出测量值作为参考；当输出电流大于5A时，则校准装置控制继电器同时短接1A和5A测量CT的两端，此时以20A测量CT输出的测量值作为校准装置的反馈电流读数参考。需要说明的是，20A测量CT允许流过的最大电流可以达到20A的有效值，其两端无需短路开关，该测量CT一直连接在回路中。只是当档位选择在1A测量CT或者5A测量CT时，此时的20A测量CT的测量数据不作为输出结果使用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (7)

1.一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一、根据目标器件的校准参数以及电容电感测试仪的电压波形计算分析获得相角关系符合目标器件响应的仿真电流波形；

步骤二、电容电感测试仪根据所述仿真电流波形获得仿真参数；

步骤三、根据所述仿真参数与校准参数之间的误差关系对电容电感测试仪进行校准；

步骤一，具体包括：

第一步、设定目标器件的校准参数，获取电容电感测试仪输出电压的电压波形，并根据所述校准参数以及电压波形计算确定目标电流值；

第二步、通过正弦信号数组对所述目标电流值进行离散处理，得到电流信号周波；

第三步、对所述电压波形进行跟踪，并根据所述电压波形与电流的相角关系对电流信号周波进行仿真，获取电流波形；

第四步、更新同步所述电流波形，获得仿真电流波形；

所述目标电流值根据以下公式计算确定：

；

其中，

为比例系数，由目标器件的校准参数决定；

为电压波形的电压有效值；

所述比例系数的计算公式为：

当所述目标器件为电感器时，

；

当所述目标器件为电容器是，

；

其中，

为电压有效值与电容电感测试仪输出电压的有效值的校准系数；

为转换系数；

L为校准电感值；

C为校准电容值；

f为电压波形的频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，其特征在于，所述更新同步电流波形，具体包括，设定一同步周期，每个同步周期均更新电流波形，并使所述电流波形与电压波形重新进行同步。

3.根据权利要求2所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，其特征在于，所述同步周期包括至少三个周波，相邻两个所述同步周期之间间隔至少一个的周波。

4.根据权利要求1所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法，其特征在于，步骤二、具体包括：

将所述仿真电流波形进行功率放大，电容电感测试仪根据放大后的所述仿真电流波形，以获得所述目标器件的仿真参数。

5.一种应用如权利要求1-4任一项校准方法的基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置，其特征在于，包括电压采样模块、隔离模块、工控机、电流波形发生模块、电流功率放大模块和反馈模块；所述电压采样模块的输入端与电容电感测试仪的电压输出端连接，所述电压采样模块的输出端与隔离模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出端与电流波形发生模块的一输入端连接，所述电流波形发生模块的另一输入端与工控机的输出端连接，所述电流波形发生模块的输出端与电流功率放大模块的输入端电性连接，所述电流功率放大模块的输出端通过反馈模块与电容电感测试仪的测试端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置，其特征在于，所述电流波形发生模块包括AD转换单元、处理单元和DA转换单元；所述AD转换单元的输入端与隔离模块连接，所述AD转换单元的输出端以及工控机均与处理单元的输入端连接，所述处理单元的输出端通过DA转换单元与电流功率放大模块连接。

7.根据权利要求5所述的一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准装置，其特征在于，所述反馈模块包括第二继电器KT2、第七电阻R7、第八电阻R8和串联连接的多个电流测量CT；所述电流功率放大模块输出回路的两端分别与第七电阻R7的一端和第二继电器KT2的公共端连接，所述第七电阻R7的另一端通过第八电阻R8与电流测量CT连接，所述第八电阻R8的两端分别与第二继电器KT2的两个控制端连接；多个所述电流测量CT与AD转换单元的控制端连接，所述电流测量CT上并联连接有控制开关。

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