CN113985176A - 同步采样校准宽频交流分流器的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步采样校准宽频交流分流器的装置，针对现有的采用平衡式电桥法，需要复杂的指零仪系统，同时需要设计高分辨力的微差电源，向测量回路中注入同相和正交的微差电压，使电桥同时实现同相和正交平衡，测量时需要手动调节微差电源，由于两个平衡状态相互影响，导致其调节过程相当复杂繁琐的问题，通过数字同步采样技术，对电桥差值电压进行测量，并通过同步采样算法对电压幅值和相位进行计算，测量电路中不需要复杂的指零仪系统和高分辨力微差电源，极大简化了测量电路结构，且免除了平衡调节过程，在保持高准确度的情况下，提升了测量效率。
Description
技术领域
本发明属于精密电磁测量的技术领域，尤其涉及一种同步采样校准宽频交流分流器的装置。
背景技术
交流分流器是用于测量交流电流的电阻量具，一般由电阻元件及其两端的铜接线柱组成。交流分流器通常设计为四端结构，被测电流从铜接线柱流入，分流器电阻元件上的电压从特定的电位端子输出。
交流分流器由于准确度高、时间常数小、受电磁干扰小等优点，在电力、储能、仪器仪表等工业领域广泛使用，在功率分析仪、电能质量测量仪、智能电能表、宽频电流源等工业仪器设备中被广泛用于对电流的采样测量。由于交流分流器电阻交直流差和时间常数对电流的幅值和相位具有重要影响，所以需对分流器参数进行测量。
交流分流器通常用于对大电流进行采样，为降低分流器功率过大导致发热的影响，交流分流器通常设计为毫欧甚至微欧级别的低值电阻，部分分流器在结构上还考虑到一定的散热措施，或加装散热装置。低值交流电阻在宽频范围内的量值溯源问题是电磁计量领域的难点之一，采用电流互感器式平衡电桥，如图1所示，可实现宽频范围内交流分流器阻值和时间常数的精密测量，且具有准确度高、稳定性好等优点。但平衡式电桥需要复杂的指零仪系统G，同时需要设计高分辨力的微差电源Uinj，用于向测量回路中注入同相和正交的微差电压，使电桥同时实现同相和正交平衡，即可测量出分流器阻值和时间常数。测量时需要手动调节微差电源，但由于两个平衡状态相互影响，所以调节过程相当复杂繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步采样校准宽频交流分流器的装置，基于数字同步采样技术，对电桥差值电压进行测量，并通过同步采样算法对电压幅值和相位进行计算，测量电路中不需要复杂的指零仪系统和高分辨力微差电源，极大简化了测量电路结构，且免除了平衡调节过程，在保持高准确度的情况下，提升了测量效率。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种同步采样校准宽频交流分流器的装置，包括交流电流源、第一电压跟随器、第二电压跟随器、变压器、电流互感器、差分放大器、电压放大器及同步采样器；
所述交流电流源的高端连接被测交流分流器Rx的电流高端，所述交流电流源的低端经所述电流互感器的一次电流输入绕组与被测交流分流器Rx的电流低端相连；
所述第一电压跟随器跟随被测交流分流器Rx电位低端的电位，所述第一电压跟随器的输出端连接至所述变压器的一次绕组的一端，所述变压器的二次绕组的对应同名端接地，所述变压器的一次绕组和二次绕组的另一端短接后连接至所述交流电流源的低端；
所述电流互感器的一次电流输入绕组匝数为N1，其二次电流输出绕组匝数为N2，所述二次电流输出绕组连接至所述第二电压跟随器的输入端；所述第二电压跟随器的反馈支路中连接一标准交流电阻；
被测交流分流器Rx的电位高端分别与所述标准交流电阻的电位高端连接，且并接至所述电压放大器的输入端，被测交流分流器Rx电位低端与所述标准交流电阻的电位低端分别连接至所述差分放大器的负极输入端及正极输入端；
所述电压放大器的输出端连接至所述同步采样器的第一输入端，所述差分放大器的输出端连接至所述同步采样器的第二输入端，通过所述同步采样器中的预设算法计算被测交流分流器的阻值及时间常数。
根据本发明一实施例，所述变压器的电压比例为1:1。
根据本发明一实施例，所述电流互感器为双级电流互感器、零磁通电流互感器、霍尔电流传感器中的任意一种。
根据本发明一实施例，所述同步采样器中的预设算法为：
已知标准交流电阻
其中，R2为标准交流电阻的阻值，τ2为标准交流电阻的时间常数，通过标准交流电阻RN求解设被测交流分流器Rx，其中
根据所述同步采样器测量得到的经所述差分放大器及所述电压放大器输出的两路电压的幅值及相位差，计算被测交流分流器的阻值R1及时间常数τ1；
设两路电压的幅值分别为U1和Δ，相位差为
则
其中，N1为电流互感器的一次电流输入绕组匝数，N2为电流互感器的二次电流输出绕组匝数。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例中的同步采样校准宽频交流分流器的装置，针对现有的采用平衡式电桥法，需要复杂的指零仪系统，同时需要设计高分辨力的微差电源，向测量回路中注入同相和正交的微差电压，使电桥同时实现同相和正交平衡，测量时需要手动调节微差电源，由于两个平衡状态相互影响，导致其调节过程相当复杂繁琐的问题，通过数字同步采样技术，对电桥差值电压进行测量，并通过同步采样算法对电压幅值和相位进行计算，测量电路中不需要复杂的指零仪系统和高分辨力微差电源，极大简化了测量电路结构，且免除了平衡调节过程，在保持高准确度的情况下，提升了测量效率。
附图说明
图1为现有的平衡式电桥宽频交流分流器的测量装置的电路图；
图2为本发明一实施例中的同步采样校准宽频交流分流器的装置的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种同步采样校准宽频交流分流器的装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
本实施例针对现有的采用平衡式电桥法，需要复杂的指零仪系统，同时需要设计高分辨力的微差电源，向测量回路中注入同相和正交的微差电压，使电桥同时实现同相和正交平衡，测量时需要手动调节微差电源，由于两个平衡状态相互影响，导致其调节过程相当复杂繁琐的问题，提供了一种同步采样校准宽频交流分流器的装置，通过数字同步采样技术，对电桥差值电压进行测量，并通过同步采样算法对电压幅值和相位进行计算，测量电路中不需要复杂的指零仪系统和高分辨力微差电源，极大简化了测量电路结构，且免除了平衡调节过程，在保持高准确度的情况下，提升了测量效率。
具体的，请参看图2，该同步采样校准宽频交流分流器的装置，包括交流电流源U1、电压跟随器A1(即第一电压跟随器)、电压跟随器A2(即第二电压跟随器)、变压器T1电流互感器CT、差分放大器A3、电压放大器A4及同步采样器，该同步采样器包括两个输入通道Ch1、Ch2。
其中，变压器T1的电压比例为1：1，跟随器A1跟随被测交流分流器电位端PLX的电位，跟随器输出接至变压器T1的一次绕组的一端，对应的二次绕组同名端接地，变压器T1的一次绕组和二次绕组的另一端短接后接至交流电流源U1的低端，使得被测交流分流器电位端PLX为虚地电位，从而降低了串联结点由于分布参数引起的的电流泄漏，使流过被测交流分流器Rx和CT一次绕组的电流相等。
CT为电流互感器，一次电流输入绕组匝数为N1，二次电流输出绕组匝数为N2，接至跟随器A2的输入端，标准交流电阻RN的电流输入端接至跟随器A2的反馈支路，可消除负载的影响，提升电流互感器的准确度。该电流互感器CT为双级电流互感器、零磁通电流互感器、霍尔电流传感器中的任意一种。
标准交流电阻RN和被测交流分流器RX均为四端结构，被测交流分流器的电位端PHX与标准交流电阻的电位端PH1连接，并接至电压放大器A4的输入端，被测交流分流器的电位端PLX与标准交流电阻的电位端PL1通过差分放大器A3进行差值电压测量。
差分放大器A3和电压放大器A4的输出端分别接至同步采样器的输入端Ch2及Ch1，通过同步采样器测得两路电压的幅值和相位差。这两路电压是指通过差分放大器A3输入的电压，及通过电压放大器A4输入的电压。
得到这两路电压的幅值和相位差之后，可根据以下公式计算出被测交流分流器的阻值及时间常数。
已知标准交流电阻
其中，R2为标准交流电阻的阻值，τ2为标准交流电阻的时间常数，通过标准交流电阻RN求解设被测交流分流器Rx，其中
根据同步采样器测量得到的经所述差分放大器及所述电压放大器输出的两路电压的幅值及相位差，计算被测交流分流器的阻值R1及时间常数τ1。
设两路电压的幅值分别为U1和Δ，相位差为
则
其中，N1为电流互感器的一次电流输入绕组匝数，N2为电流互感器的二次电流输出绕组匝数。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种同步采样校准宽频交流分流器的装置，其特征在于，包括交流电流源、第一电压跟随器、第二电压跟随器、变压器、电流互感器、差分放大器、电压放大器及同步采样器；
所述交流电流源的高端连接被测交流分流器Rx的电流高端，所述交流电流源的低端经所述电流互感器的一次电流输入绕组与被测交流分流器Rx的电流低端相连；
所述第一电压跟随器跟随被测交流分流器Rx电位低端的电位，所述第一电压跟随器的输出端连接至所述变压器的一次绕组的一端，所述变压器的二次绕组的对应同名端接地，所述变压器的一次绕组和二次绕组的另一端短接后连接至所述交流电流源的低端；
所述电流互感器的一次电流输入绕组匝数为N1，其二次电流输出绕组匝数为N2，所述二次电流输出绕组连接至所述第二电压跟随器的输入端；所述第二电压跟随器的反馈支路中连接一标准交流电阻；
被测交流分流器Rx的电位高端分别与所述标准交流电阻的电位高端连接，且并接至所述电压放大器的输入端，被测交流分流器Rx电位低端与所述标准交流电阻的电位低端分别连接至所述差分放大器的负极输入端及正极输入端；
所述电压放大器的输出端连接至所述同步采样器的第一输入端，所述差分放大器的输出端连接至所述同步采样器的第二输入端，通过所述同步采样器中的预设算法计算被测交流分流器的阻值及时间常数。
2.如权利要求1所述的同步采样校准宽频交流分流器的装置，其特征在于，所述变压器的电压比例为1:1。
3.如权利要求1所述的同步采样校准宽频交流分流器的装置，其特征在于，所述电流互感器为双级电流互感器、零磁通电流互感器、霍尔电流传感器中的任意一种。
4.如权利要求1所述的同步采样校准宽频交流分流器的装置，其特征在于，所述同步采样器中的预设算法为：
已知标准交流电阻
其中，R2为标准交流电阻的阻值，τ2为标准交流电阻的时间常数，通过标准交流电阻RN求解设被测交流分流器Rx，其中
根据所述同步采样器测量得到的经所述差分放大器及所述电压放大器输出的两路电压的幅值及相位差，计算被测交流分流器的阻值R1及时间常数τ1；
设两路电压的幅值分别为U1和Δ，相位差为
则
其中，N1为电流互感器的一次电流输入绕组匝数，N2为电流互感器的二次电流输出绕组匝数。
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