CN113702888A - 一种数字式交流电流比较仪及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式交流电流比较仪及校准方法，包括输入电路、电流检测电路、模拟开关、测量电路和CPU；所述输入电路的输出端和电流检测电路的输入端相连，所述电流检测电路的输出端和模拟开关的输入端相连，所述模拟开关的输出端和测量电路的输入端相连，所述测量电路的输出端和CPU的输入端连接；所述输入电路用于将外部待测交流电流送至电流检测电路，所述电流检测电路用于将外部待检测交流电流转化为电压输出至模拟开关，所述模拟开关用于选择电压信号输出至测量电路，所述测量电路用于将电压信号转换为数字信号输出至CPU，所述CPU输出控制信号至模拟开关用于选取电压信号至测量通道。
Description
技术领域
本发明属于交流电测计量领域，尤其涉及一种数字式交流电流比较仪及校准方法。
背景技术
进行高精度交流阻抗测量时，用交流电流比较仪测量待测阻抗和标准阻抗的电流比K和相位差φ从而得到待测阻抗。对电容型试品来讲，电流比相当于电容量，相位差相当于介质损耗因数。传统交流电流比较仪由铁芯和线圈等组成，基于零磁通工作原理，其电流比的测量精度达0.001％以上，但是其相位差相对测量精度只有0.5％，无法满足介质损耗因数的测量和传递需要。传统交流电流比较仪的相位差测量范围很小，只能测量同类型的阻抗，不能直接比对不同类型的阻抗，比如标准电阻和标准电容之间的相互传递。目前电阻测量已十分准确和方便，但是电容量标准只能依靠传递，不同的溯源渠道可能存在误差，给标准维护造成不便。传统电流比较仪没有自校准功能，需要外接高等级标准进行校验。以往对传统交流电流比较仪的数字化改造只限于增加操作方便性，受测量原理限制，传统交流电流比较仪几乎无法进一步提高相位差测量精度。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种数字式交流电流比较仪，和传统的交流电流比较仪相比，能满足介质损耗因数的测量和标准传递需要，其相位差测量精度远高于传统交流电流比较仪，同时由于其相位测量范围没有限制，除了能进行同类型阻抗的比对外，也能进行不同类型的阻抗比对，特别是能利用高精度电阻得到电容的绝对值，大大方便了电容基准的检测，其自带校准电流源，可以对仪器自身误差进行校准或检定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中，该公开的一种数字式交流电流比较仪，包括输入电路、电流检测电路、模拟开关、测量电路和CPU；
所述输入电路的输出端和电流检测电路的输入端相连，所述电流检测电路的输出端和模拟开关的输入端相连，所述模拟开关的输出端和测量电路的输入端相连，所述测量电路的输出端和CPU的输入端连接；
所述输入电路用于将外部待测交流电流送至电流检测电路，所述电流检测电路用于将外部待检测交流电流转化为电压信号送至模拟开关，所述模拟开关用于选取电压信号送至测量电路，所述测量电路用于将电压信号转换为数字信号送至CPU，所述CPU用于输出控制信号控制模拟开关选取电压信号至测量通道。
进一步的技术方案，所述输入电路至少包括一个校准电流源CT，所述输入电路将所述的校准电流源CT的电流送至电流检测电路，所述电流检测电路包括采样电阻，所述校准电流源CT用于对采样电阻的阻值和附加相移进行校准。
进一步的技术方案，所述校准电流源CT为微型电流互感器，包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈与二次线圈之间完全屏蔽隔离。
进一步的技术方案，所述采样电阻有多个阻值档位，所述采样电阻在继电器控制下切换以适应不同电流量程。
进一步的技术方案，所述采样电阻采用低温漂金属箔电阻，所述采样电阻放置于带有恒温控制电路的容器中，容器中装有冷却液。
进一步的技术方案，所述模拟开关的输入端还连接了参考电压和电路地，所述测量电路包括两个测量通道，所述模拟开关包括两个输出端，两个输出端分别连接两个测量通道的输入端，每个通道包含对应的低通滤波器和A/D转换器，所述低通滤波器输出端和A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端和CPU的输入端相连。
在一个或多个实施方案中，该公开的基于上述任一项所述的数字式交流电流比较仪的校准方法，包括：
采用校准电流源CT对采样电阻的阻值和附加相移进行测量和校准；
采用模拟开关对测量电路的误差进行校准。
进一步的技术方案，所述采用模拟开关对测量电路的误差进行校准后得到电压比相量，根据电压比相量得到电流比，所述误差为测量电路的测量通道的增益误差和相位误差。
进一步的技术方案，所述校准电流源CT设置电流比为标准值以及相位差为标准值的校准电流，当输入电路切换到校准电流后，如果得到的电流比不等于电流比标准值，则校准采样电阻的阻值，若得到的相位差如果不等于相位差标准值，则校准采样电阻的附加相位，以校准消除采样电阻的误差。
进一步的技术方案，所述模拟开关至少可以提供通道交换法与方波校准法两种校准方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过校准电流源对采样电阻的定期校准保证了长期稳定性，通过采样电阻的恒温消除了温度系数影响，通过模拟开关提供的实时校准消除了测量电路的误差；
(2)本发明提供的电流比值分辨率能达到0.1ppm，电流比精度达0.001％，相位差测量分辨率达0.00001°，相位差测量精度达0.0005°，这样的精度能够满足各种标准阻抗传递的需要，特别是介质损耗因数的测量和基准传递需要；
(3)本发明由于相位测量范围没有限制，除了能进行同类型阻抗的比对外，也能进行不同类型的阻抗比对，特别是能利用高精度电阻得到电容的绝对值，大大方便了电容基准的检测。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是数字式交流电流比较仪的整体结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施例中，公开了一种数字式交流电流比较仪，如图1所示，包括：输入电路1、电流检测电路2、模拟开关3、测量电路4和CPU；
所述输入电路1的输出端和电流检测电路2的输入端相连，所述电流检测电路2的输出端和模拟开关3的输入端相连，所述模拟开关3的输出端和测量电路4的输入端相连，所述测量电路4的输出端和CPU的输入端连接；
所述输入电路1用于将外部待测交流电流送至电流检测电路，所述电流检测电路2用于将外部待检测交流电流转化为电压信号送至模拟开关3，所述模拟开关3用于选取电压信号送至测量电路4，所述测量电路4用于将电压信号转换为数字信号送至CPU，所述CPU用于输出控制信号至模拟开关3控制模拟开关3选取电压信号至测量通道。
输入电路1包括至少一个校准电流源CT，所述输入电路1用于将待测交流电流送至电流检测电路2，具体包括：可以将外部待测交流电流IX和I N送到电流检测电路2，也可以将校准电流源CT的标准电流I CX和I CN送到电流检测电路2。
所述电流检测电路包括采样电阻，所述校准电流源CT用于对采样电阻的阻值和附加相移进行校准。
进一步的技术方案，校准电流源CT有多个电流输出，用于对采样电阻的不同档位进行校准。
例如：
本实施例一电流检测电路2中的采样电阻RX和RN各有5个档位，在继电器控制下切换，形成5个电流档，如表1所示：
表1电流检测电路档位转换对照表
其中检测小电流时使用I/V转换电路，测量大电流时用电阻直接采样并放大输出。
影响短期精度的是RX和RN的温度系数，为此采样电阻RX和RN采用低温漂金属箔电阻，所述采样电阻放置于带有恒温控制的容器中，容器中装有冷却液，具体选择哪种冷却液根据实际情况进行选择，在此不作限定，例如选择绝缘油，温控电路将温度保持在45℃，采样电阻实际温度系数低于5ppm/℃，在控温精度0.1℃时，阻值稳定度优于0.5ppm。
影响长期精度的是RX和RN的老化，为此需要采用校准电流源CT进行定期校准，本实施例一采用两个校准电流源CT，一个输出15uA～1.5mA，一个输出1.5mA～1A，可以覆盖整个电流量程。
其中，校准电流源CT为微型电流互感器，其一次线圈与二次线圈之间完全屏蔽隔离，因此其输出的电流I CX与I CN幅度绝对相等，电流比K＝1，相位差φ绝对等于180°，校准电流源的作用是校准采样电阻RX和RN的采样误差，以保证其长期稳定性，并不需要实时工作。
当选择校准功能时，便可启动自动校准程序并给出误差数据，误差数据作为鉴定依据或者对采样电阻的阻值和附加相移进行自动校准。
所述模拟开关3的输入端还连接了参考电压v和电路地g，所述测量电路4包括两个测量通道a和b，所述模拟开关的输出端分别连接两个测量通道a通道和b通道的输入端，每个通道包含对应的低通滤波器和A/D转换器，所述低通滤波器输出端和A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端和CPU的输入端相连。
优选地，模拟开关3采用ADG5209F，在CPU控制下可以实现通道交换法或方波校准。为了保证方波的频率稳定，方波控制由CPU定时器匹配的硬件方式来产生，而不是软件操作引脚。
测量电路4由常规电路组成，对于具体的A/D转换器的型号根据本领域技术实际情况进行选取，本实施例一考虑到电流比较仪的高精度要求，选择高精度低噪音元器件，特别是应该采用高速高精度A/D转换器，CPU也应能高速处理A/D的数据。
优选地，采用误差仅为0.5ppm的20位采样速率为1MHz的A/D转换器LTC2378-20。抗混叠低通滤波器截止频率设置为10kHz,远远低于奈奎斯特频率，这样就消除了信号中的高频干扰。为了与1MHz的采样速率匹配，采用了时钟频率为480MHz的带有DSP指令的STM32H750VBT6微处理器。
以上所披露的仅仅是本发明的基本结构和实现的功能，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术基础上，可轻易想到的变化或变型，例如：增加输入保护电路，校准电流源的其它形式包括带有屏蔽的隔离变压器或者隔离供电的波形发生器，采样电阻的选型、增加或减少电流档位和量程、包括I/V转换电路的结构调整，模拟开关的选型以及是否按照差分信号方式切换，采用其它采样速率和低通滤波器参数，采用其它型号的A/D转换器和A/D驱动器，采用其它型号的CPU，采用何种机械结构，软件如何编制，采用何种界面，如何校准同一个电流量程，如何跨电流量程校准，如何统计测量误差等等；只要其基本结构和实现功能不变，都在本发明的保护范围之内。
实施例二
在一个或多个实施例中，公开了基于数字式交流电流比较仪的校准方法，
采用校准电流源CT对采样电阻的阻值和附加相移进行测量和校准；
采用模拟开关对测量电路的误差进行校准。
具体包括：
所述采用模拟开关对测量电路的误差进行校准后得到电压比相量，根据电压比相量得到电流比，所述误差为测量电路的测量通道的增益误差和相位误差。
所述校准电流源CT设置电流比标准值以及相位差标准值的校准电流，当输入电路切换到校准电流后，如果得到的电流比不等于电流比标准值，则校准采样电阻的阻值，若得到的相位差如果不等于相位差标准值，则校准采样电阻的附加相位，以校准消除采样电阻的误差。
所述模拟开关3的输入端还连接了参考电压v和电路地g，所述测量电路4包括两个测量通道a和b，所述模拟开关的输出端分别连接两个测量通道a通道和b通道的输入端，每个通道包含对应的低通滤波器和A/D转换器，所述低通滤波器输出端和A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端和CPU的输入端相连。
测量电路4的误差主要由低通滤波器引起，低通滤波器提供的抗混叠功能是A/D转换器必需的；所述模拟开关用于根据CPU输出的控制信号切换测量电路的测量通道以校准测量电路的误差。因此模拟开关3可以按照需要将测量通道输入端a或b切换到不同的输入端x/n/v/g，其作用是实时校准测量电路4的误差。
所述模拟开关3至少可以提供通道交换法与方波校准法两种实时校准方法。
具体的，所述通道交换法是将电流检测电路的两个输出电压分别连接两个测量通道的输入端测量一次，然后电流检测电路的两个输出电压用交换的方式分别连接两个测量通道的输入端再测量一次，然后通过计算消除测量通道的误差，如此循环工作；
所述方波校准法是将电流检测电路的两个输出电压分别连接两个测量通道的输入端测量一次得到实测数据，然后将两个测量通道的输入端同时连接参考电压或电路地形成校准方波，对所述校准方波测量一次得到两个通道的误差，并对所述实测数据进行修正，如此循环工作。
具体的，下面以两种方法为例进行阐述：
(1)通道交换法的具体实现过程为：
当a-x/b-n接通(-表示接通)时得到：
Va＝xKa (1)
Vb＝nKb (2)
其中，Va为CPU测量得到的a通道电压，Vb为CPU测量得到的b通道电压，Ka为a通道增益，Kb为b通道增益，此处所有的信号和增益均为相量。
当a-n/b-x接通(即交换通道)时得到：
Vas＝nKa (3)
Vbs＝xKb (4)
其中，Vas为交换通道后CPU测量得到的a通道电压，Vbs为交换通道后CPU测量得到的b通道电压。
上述公式按照[(1)×(4)]/[(2)×(3)]得到：
其中Kv表示电压比。可见作为误差来源的通道增益Ka和Kb已经消掉。
(2)方波校准法的具体实现过程为：
首先将a-x/b-n接通得到(1)、(2)式的数据。
当a-v/b-v接通时，a通道和b通道的输入端都接参考电压，当a-g/b-g接通时，两个通道的输入端都接地，交替切换时就形成了标准方波Vs，该方波的频率与信号x或n的频率相等，测量该方波得到：
V′a＝VsKa (6)
V′b＝VsKb (7)
其中V'a为CPU得到的a通道电压，V'b为CPU得到b通道电压。
上述公式按照[(1)×(7)]/[(2)×(6)]得到：
其中Kv表示电压比，可见作为误差来源的通道增益Ka和Kb已经消掉。
按照(5)式或(8)式的电压比，就可以计算电流比
Ki为电流比相量，其模|Ki|就是电流比K，Ki的角度就是相位差φ；
由(9)式可以看出，无论采用通道交换法还是方波校准法，都能得到无误差的电压比Kv，而Ki的误差主要是RN与RX造成的。
所述校准电流源CT设置电流比为标准值以及相位差为标准值的校准电流，当输入电路切换到校准电流后，如果得到的电流比不等于电流比标准值，则校准采样电阻的阻值，若得到的相位差如果不等于相位差标准值，则校准采样电阻的附加相位，以校准消除采样电阻的误差。
作为具体的实施例：
CPU采用数字处理技术可以在0～360°范围无误差测量相位差，这个特点极为重要，它说明了可以用任何已知相位差的电流源对采样元件的固定相位偏差进行校准，本发明采用的校准电流源CT跨接在两个电流输入端之间，可以提供电流比K严格等于1，相位差φ严格等于180°的无误差校准电流，满足了高精度校准RX和RN的要求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种数字式交流电流比较仪，其特征在于，包括输入电路、电流检测电路、模拟开关、测量电路和CPU；
所述输入电路的输出端和电流检测电路的输入端相连，所述电流检测电路的输出端和模拟开关的输入端相连，所述模拟开关的输出端和测量电路的输入端相连，所述测量电路的输出端和CPU的输入端连接；
所述输入电路用于将外部待测交流电流送至电流检测电路，所述电流检测电路用于将外部待测交流电流转化为电压信号送至模拟开关，所述模拟开关用于选取电压信号送至测量电路，所述测量电路用于将电压信号转换为数字信号送至CPU，所述CPU用于输出控制信号控制模拟开关选取电压信号至测量通道。
2.如权利要求1所述的数字式交流电流比较仪，其特征在于，所述输入电路还用于将校准电流源CT的电流送至电流检测电路，所述电流检测电路包括采样电阻，所述校准电流源CT用于对采样电阻的阻值和附加相移进行校准。
3.如权利要求2所述的数字式交流电流比较仪，其特征在于，所述采样电阻有多个阻值档位，所述采样电阻在继电器控制下切换以适应不同电流量程。
4.如权利要求1所述的数字式交流电流比较仪，其特征在于，所述输入电路包括至少一个校准电流源CT，所述校准电流源CT为微型电流互感器，包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈与二次线圈之间完全屏蔽隔离。
5.如权利要求3所述的数字式交流电流比较仪，其特征在于，所述采样电阻采用低温漂金属箔电阻，所述采样电阻放置于带有恒温控制电路的容器中，容器中装有冷却液。
6.如权利要求1所述的数字式交流电流比较仪，其特征在于，所述模拟开关的输入端还连接了参考电压和电路地，所述测量电路包括两个测量通道，所述模拟开关的输出端分别连接两个测量通道的输入端，每个通道包含对应的低通滤波器和A/D转换器，所述低通滤波器输出端和A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端和CPU的输入端相连。
7.基于如权利要求1-6任一项所述的数字式交流电流比较仪的校准方法，其特征在于，包括：
采用校准电流源CT对采样电阻的阻值和附加相移进行测量和校准；
采用模拟开关对测量电路的误差进行校准。
8.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述采用模拟开关对测量电路的误差进行校准后得到电压比相量，根据电压比相量得到电流比，所述误差为测量电路的测量通道的增益误差和相位误差。
9.如权利要求8所述的校准方法，其特征在于，所述校准电流源CT设置电流比标准值以及相位差标准值的校准电流，当输入电路切换到校准电流后，如果得到的电流比不等于电流比标准值，则校准采样电阻的阻值，若得到的相位差如果不等于相位差标准值，则校准采样电阻的附加相位，以校准消除采样电阻的误差。
10.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于所述模拟开关至少可以提供通道交换法与方波校准法两种校准方法。
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