CN116593757B - 交流电流比值测量方法、系统及数字式交流电流比较仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于交流电测计量技术领域，提供了一种交流电流比值测量方法、系统及数字式交流电流比较仪，首先在小于满量程阈值的交流信号中叠加一个直流信号，进行转换时，使得转换过程中小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；然后剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；最后通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；在交流信号小于满量程阈值时，通过叠加直流信号，使得小的交流信号仍能在整个量程的各处得到转换，再经过后续的平均滤波处理，使得非线性误差大大减小，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于交流电测计量技术领域，尤其涉及一种交流电流比值测量方法、系统及数字式交流电流比较仪。
背景技术
电流比较仪是测量电流比值的电测量仪器，电流比较仪对交流信号测量需要依靠A/D转换器实现。
发明人发现，目前，高精度A/D转换器积分非线性(Integral Nonlinearity，INL)约为满量程的0.5ppm，包括精密A/D驱动器的非线性在内，总的非线性误差大约为满量程的1ppm~2ppm，但仪器的实际精度要比这个指标低很多，原因是仪器不能只在满量程工作，比如当信号低到满量程的1/10时，其相对误差相应增大10倍，对一些高精度应用来讲，无法满足测量精度要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种交流电流比值测量方法、系统及数字式交流电流比较仪，本发明在交流信号小于满量程时，通过叠加直流信号，使得小的交流信号仍能在整个量程的各处得到转换，经过后续平均，非线性误差大大减小，提高了测量精度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种交流电流比值测量方法，包括：
获取至少两个交流信号；
对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
进一步的，所述直流信号在每次测量中保持恒定，每次测量中使用不同的直流信号。
进一步的，经过傅里叶变换剔除转换后信号中的直流信号；通过多次测量进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
所述交流信号包括交流电流信号和交流电压信号，通过运算放大器与直流信号叠加在一起。
进一步的，由上一次测量得到的信号的最大值和最小值，确定交流信号的幅度和允许叠加的最大直流信号与最小直流信号；在最大直流信号与最小直流信号之间取一个随机值与交流信号叠加进行本次测量，如果本次测量没有超量程，则进行傅里叶变换剔除直流信号保留交流信号。
进一步的，如果本次测量的信号的最大值或最小值超出量程，则去除直流信号，再进行一次测量，如果仍然超量程则切换到大交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量。
进一步的，如果本次测量的信号的最大值与最小值之差，即交流信号的幅度出现欠量程，则去除直流信号并切换到小交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量。
第二方面，本发明还提供了一种数字式交流电流比较仪，包括处理器，以及与所述处理器连接的第一模块和第二模块；
所述第一模块，被配置为：产生直流信号；
所述第二模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
所述处理器，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
第三方面，本发明还提供了一种交流电流比值测量系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取至少两个交流信号；
叠加转换模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除模块，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
计算测量模块，被配置为：通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中，首先在小于满量程阈值的交流信号中叠加一个直流信号，使得转换过程中小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；然后剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；最后通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；在交流信号小于满量程阈值时，通过叠加直流信号，使得小的交流信号仍能在整个量程的各处得到转换，再经过后续的平均滤波处理，使得非线性误差大大减小，提高了测量精度；
2、本发明中数字式交流电流比较仪存在多个硬件档位的情况下，用同一个信号校准相邻档位时，传递精度提高，提高了大范围测量时的精度，通过添加D/A转换器提供直流信号，增加的硬件成本很低。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的理想A/D转换器和实际A/D转换器转换增益曲线；
图2为本发明实施例1的结构示意图；
图3为本发明实施例1的电流输入通道电路图；
图4为本发明实施例1的叠加直流分量的测量编程流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。
实施例1：
进行交流电流比值测量时，采用的电流比较仪等设备中A/D转换器积分非线性约为满量程的0.5ppm，包括精密A/D驱动器的非线性在内，总的非线性误差大约为满量程的1ppm~2ppm，但仪器的实际精度要比这个指标低很多，原因是仪器不能只在满量程工作，比如当信号低到满量程的1/10时，其相对误差相应增大10倍，对一些高精度应用来讲，无法满足测量精度要求。
针对测量过程中非线性误差影响测量精度的问题，本实施例提供了一种交流电流比值测量方法，包括：
获取至少两个交流信号；
对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
具体的，首先在小于满量程阈值的交流信号中叠加一个直流信号产生一个直流偏移，直流信号的添加使得转换过程中小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；然后剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；最后通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；在交流信号小于满量程阈值时，通过叠加直流信号，使得小的交流信号仍能在整个量程的各处得到转换，再经过后续的平均滤波处理，使得非线性误差大大减小，提高了交流小信号的测量精度，减小了A/D转换器等的非线性影响。计算交流电流比值时，通过其中两个处理后的交流信号的比值得到。
可以理解的，本实施例中，直流信号的添加，使得转换后信号为交直流信号，还可以理解的，当交流信号中不存在小于满量程阈值的交流信号时，则不需要进行直流信号的叠加；
为了实现交流电流比值测量方法，在一个或多个实施例中，还提供了一种高精度数字式交流电流比较仪，如图1所示，每个A/D转换器有各自的非线性曲线，小信号在曲线不同位置有不同的增益，通过叠加直流信号使得交流信号在曲线的不同位置得到测量，经过傅里叶变换后，直流信号被剔除掉，多次测量得到的交流数据经过平均滤波后便大大减小了A/D非线性影响。
具体的，在交流信号中叠加一个直流信号，使得A/D转换器的输入交流信号产生一个直流偏移；所述直流信号在每次测量中保持恒定，但在下次测量中使用另一个直流信号，使得交直流叠加后的信号不超出A/D转换器量程，又能通过多次测量覆盖A/D转换器整个量程；所述A/D转换器每次测量的数据可以经过傅里叶变换后剔除直流信号，得到处理后的交流信号，在后续计算环节对处理后的交流信号进行平均滤波；所述的交流信号包括交流电流信号和交流电压信号，通过运算放大器构成的加法器与直流信号叠加在一起；所述直流信号可以由D/A转换器产生。
为了实现交流电流比值测量方法，在一个或多个实施例中，还提供了一种高精度数字式交流电流比较仪，如图2所示，输入交流电流Ix与D/A转换器a输出的直流电压Va通过电阻Ra产生的直流电流叠加，经过运算放大器OPAx与电阻Rx形成的I/V转换器变为电压Vx=-（Ix+Va/Ra）Rx送到A/D转换器a的输入端；输入交流电流In与D/A转换器b输出的直流电压Vb通过Rb产生的直流电流叠加，经过运算放大器OPAn与电阻Rn形成的I/V转换器变为电压Vn=-（In+Vb/Rb）Rn送到A/D转换器b的输入端；A/D转换器与D/A转换器的数字端与CPU连接；CPU读取A/D转换器a和A/D转换器b的数据，经过傅里叶变换后剔除直流得到交流数据；当交流电流Ix低于满量程时，CPU通过D/A转换器a调整直流电压Va使得Ix信号在A/D转换器a总量程的不同位置得到转换；当In低于满量程时，CPU通过D/A转换器b调整直流电压Vb，使得In信号在A/D转换器b总量程的不同位置得到转换；经过傅里叶变换去除直流后得到的Ix、In交流数据经过平均后便可大大减小A/D转换器的非线性影响，并最终获得交流电流比较仪所需要的电流比值Ix/In。
表1 各量程对应的采样电阻和电流范围
为了实现交流电流比值测量方法，在一个或多个实施例中，还提供了一种高精度数字式交流电流比较仪，如图3所示，展示了一种高精度数字式交流电流比较仪的两个电流输入通道的一个通道的具体电路图，另一个电流通道与此相同；B部分将电流信号变为电压信号，其中包含了5个电流量程，由A部分的继电器切换；D部分为A/D驱动器LTC6363-1和A/D转换器LTC2378-20，A/D驱动器与A/D转换器之间的RC组成低通滤波电路将高频干扰信号限制在奈奎斯特频率以下，LTC6363-1是增益为1的差分驱动器，能同时将OPA1输出的单端信号变为适合A/D转换器输入的差分信号，A/D转换器采用4.096V参考电压，对应OPA1的信号电压范围为-4.096V~4.096V，按照此电压范围，各量程对应的电流测量范围如1所示。
图3中，C部分可以用于施加直流偏置，可以直接利用CPU的内部的12位D/A转换器，其电压输出范围为0V~3.3V，经过OPA2将输出电压转换为-3.3V~3.3V，并通过15kΩ电阻形成直流电流，借助OPA1的电流加法原理在OPA1的输出端得到叠加了直流的交流电压；
CPU可以采用STM32H750，通过CNV启动A/D转换并通过SPI读取A/D数据，经过傅里叶变换后剔除直流信号并得到交流信号，然后经过平均滤波减小了非线性；经过试验，在4挡1%量程，即对应的交流电流峰值2uA情况下，未采用直流补偿的交流电流比较仪的电流比Ix/In误差高达100ppm，用直流补偿到满量程的10%时，电流比误差降低到10ppm，用直流补偿到接近满量程时，电流比误差降低到1ppm；其它档位按照满量程的100%~10%设计，对于低于满量程的信号使用直流补偿到满量程后电流比误差也降低到1ppm以下；
单个量程非线性降低后，可以大大减小跨量程校准时的误差，例如以2挡为标准，使用20mA测量，然后用1挡测量相同的电流并修正1挡误差使得1挡与2挡测量数据一致，再用1挡测量200mA测量，然后用0挡测量相同的电流，则可以校准0挡误差；如此一来可以将4~0挡全部校准使得相邻档位之间没有传递误差；由于每个档位内还存在1ppm的非线性误差，因此最大电流与最小电流之间非线性误差是积累的，即便这样总误差也可以控制在5ppm以内，这样就实现了高精度数字式交流电流比较仪；显然，与已有设计相比，增加的仅为C部分电路，其硬件成本很低。
为了实现交流电流比值测量方法，在一个或多个实施例中，还提供了一种高精度数字式交流电流比较仪，如图4所示，为叠加了直流分量的测量编程流程图，启动测量后，按照上次采样得到的信号最大值ADmax和最小值ADmin，可知交流信号的幅度和可以叠加的最大直流DCmax与最小直流DCmin，然后通过随机数发生器在DCmax与DCmin之间取一个随机数并通过D/A输出，然后启动A/D采样测量并得到新ADmax和新ADmin，如果没有超量程，则对数据进行傅里叶变换剔除直流保留交流，经过平均后得到计算结果并显示输出，如果没有要求停止测量则确定下一个直流并继续测量；
如果发现信号超量程，即ADmax达到量程上限或ADmin达到量程下限，首先去除直流以防止是直流信号引起的超量程，再进行一次测量，否则就切换到大信号量程继续测量，如果是最大信号量程出现超量程，则提示超量程并退出测量；
如果发现信号欠量程，即ADmax-ADmin太小，一般设定为低于满量程的10%，则清除直流信号并切换到小信号量程，如果已经是最小信号量程则不会进一步向小信号量程切换。
实施例2：
本实施例提供了一种数字式交流电流比较仪，包括处理器，以及与所述处理器连接的第一模块和第二模块；
所述第一模块，被配置为：产生直流信号；
所述第二模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
所述处理器，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
所述系统的数字式交流电流比较仪的工作方法与实施例1的交流电流比值测量方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例提供了一种交流电流比值测量系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取至少两个交流信号；
叠加转换模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行转换，得到转换后信号；其中，在小于满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除模块，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
计算测量模块，被配置为：通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果。
所述系统的工作方法与实施例1的交流电流比值测量方法相同，这里不再赘述。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (5)
1.交流电流比值测量方法，其特征在于，包括：
获取至少两个交流信号；
对获取的至少两个交流信号进行A/D转换，得到转换后信号；其中，在小于A/D满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于A/D满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；
由上一次A/D采样得到的信号的最大值和最小值，确定交流信号的幅度和允许叠加的最大直流信号与最小直流信号；在最大直流信号与最小直流信号之间取一个随机值与交流信号叠加进行本次测量，如果本次测量没有超量程，则进行傅里叶变换剔除直流信号保留交流信号；
如果本次测量的信号的最大值或最小值超出量程，则去除直流信号，再进行一次测量，如果仍然超量程则切换到大交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量；
如果本次测量的信号的最大值与最小值之差，即交流信号的幅度出现欠量程，则去除直流信号并切换到小交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量。
2.如权利要求1所述的交流电流比值测量方法，其特征在于，所述直流信号在每次测量中保持恒定，每次测量中使用不同的直流信号；所述直流信号通过D/A转换器产生。
3.如权利要求1所述的交流电流比值测量方法，其特征在于，经过傅里叶变换剔除转换后信号中的直流信号；通过多次测量进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
所述交流信号包括交流电流信号和交流电压信号，通过运算放大器与直流信号叠加在一起。
4.一种数字式交流电流比较仪，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器连接的第一模块和第二模块；
所述第一模块，被配置为：通过D/A产生直流信号；
所述第二模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行A/D转换，得到转换后信号；其中，在小于A/D满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于A/D满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
所述处理器，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；通过得到的至少两个处理后的交流信号间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；
由上一次A/D采样得到的信号的最大值和最小值，确定交流信号的幅度和允许叠加的最大直流信号与最小直流信号；在最大直流信号与最小直流信号之间取一个随机值与交流信号叠加进行本次测量，如果本次测量没有超量程，则进行傅里叶变换剔除直流信号保留交流信号；
如果本次测量的信号的最大值或最小值超出量程，则去除直流信号，再进行一次测量，如果仍然超量程则切换到大交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量；
如果本次测量的信号的最大值与最小值之差，即交流信号的幅度出现欠量程，则去除直流信号并切换到小交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量。
5.交流电流比值测量系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取至少两个交流信号；
叠加转换模块，被配置为：对获取的至少两个交流信号进行A/D转换，得到转换后信号；其中，在小于A/D满量程阈值的交流信号中叠加直流信号，使得小于A/D满量程阈值的交流信号在整个量程的各处得到转换；
剔除模块，被配置为：剔除转换后信号中的直流信号并进行平均滤波处理，得到至少两个处理后的交流信号；
计算测量模块，被配置为：通过得到的至少两个处理后的交流信号之间的比值，计算得到交流电流比值测量结果；
由上一次A/D采样得到的信号的最大值和最小值，确定交流信号的幅度和允许叠加的最大直流信号与最小直流信号；在最大直流信号与最小直流信号之间取一个随机值与交流信号叠加进行本次测量，如果本次测量没有超量程，则进行傅里叶变换剔除直流信号保留交流信号；
如果本次测量的信号的最大值或最小值超出量程，则去除直流信号，再进行一次测量，如果仍然超量程则切换到大交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量；
如果本次测量的信号的最大值与最小值之差，即交流信号的幅度出现欠量程，则去除直流信号并切换到小交流信号量程，然后采用叠加直流信号的方式继续测量。
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