CN1480736A - 测试电子元件的方法及其仪器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电容性样品的阻抗的方法及其仪器，从而确定漏泄阻抗和损耗角。为了消除与测试目标相连接的周围电源频率场的干扰，必须在线路频率的各侧对测试目标进行频率测量。通过一检测系统采集电压和电流值。利用一电脑将这些信号数字化并进行处理，并确定两个频率处的真实的和假想的电压和电流值。然后分析这些分量，以计算出在两个测试频率的漏泄阻抗和相位角。通过在两个点位间运用线性内插法，测量出线路频率处的绝缘阻抗和损耗角。

Description

测试电子元件的方法及其仪器

技术领域

本发明涉及一种用于测试电子元件的方法及其仪器。具体地说，是涉及一种在一给定频率上测试电子元件的仪器，这样可避免测试电路在所述给定频率所产生的干扰的影响。本发明尤其适用于在电源系统(power system)中受到干扰的测试，在电源系统中，由于存在电源线路频率场(power linefrequency fields)而在测试电路中感应产生乱真电压和电流，由此可能会产生干扰。

更具体地说，本发明涉及一种方法及其实施该种方法的仪器，该仪器用于测量高压元件或绝缘系统的漏泄阻抗和损耗角，并通过该仪器，该高压元件或绝缘系统的状况可作为安装和维护程序的一部分被估算出。

背景技术

绝缘系统的状况可通过测量损耗角(或δ)估算，该损耗角给出了绝缘性能的一个测量参数。一个理想的绝缘系统表现为一个理想的电容，当该系统以一交流电压供电时，该电容内的电流正好与该电压有90°的相位差。虽然一个真正的绝缘体，具有一限定的阻值，且其表现为和该理想电容并联，但在系统被接通时会引起一能量损耗。该阻值减少了电流和电压之间的相位角。该周相的角度就是损耗角(或δ)。该损耗角越高，该绝缘系统的阻抗值越高。该损耗通常根据tan(δ)计算，tan(δ)由C/R得出，C为绝缘系统的电容值，而R是损失的电阻值。一个递减的绝缘系统的其中一个指示参数就是该δ值随时间的推移不断增加。

Tan(δ)在过去可通过桥式平衡方式测量，如斯格林(SCHERING)桥，或一感应耦合比例臂桥(如TETTEX型2805)。随后系统用合成信号电子处理技术对电压和电流直接进行测量。这种方法的一个局限性就是存在电源线路频率场，向测试目标和系统感应产生乱真电压和电流，影响损耗角的准确测量。

目前已经发明了一些减小干扰影响的方法。最简单的方法是选择一稍偏离线路频率的频率，利用该频率激励测试目标。利用同步测试或波形的干扰测量该电压和电流。这种方式依赖于假定损耗角相对于频率是恒定的，但这不能得到保证。另一种方式是在线路频率两侧测量，将结果进行线性内插，以建立在该线路频率上的损耗角。目前需要利用复杂的同步电路，且同步电路需要精确的相移元件，或带有处理噪音抑制的复杂数字信号的多个离散测量法。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的方法和装置，可以克服，至少减少上述缺陷。

本发明提供一种在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，包含以下步骤：产生测试信号，该测试信号具有由两个正弦曲线形成的一合成波形，该两个正弦曲线分别处在高于和低于所述电源线路频率的第一频率和第二频率上；将所述测试信号运用于一包含所述电子元件的测试电路；在一取样频率，和该信号的产生同步地对所应用的该测试信号进行一个取样周期的取样，该取样频率是所述第一频率和第二频率的整数倍，该取样周期对应于所述第一、第二频率的周期的整数倍，为获得和存贮所应用的测试信号的相应数值，对各所述的频率，根据该存贮值，计算施加的电压值和该电子元件中流动的电流值，以获得在各频率上与元件绝缘阻抗相对应的各数值，并从该获得的数值内插以获得一在电源线路频率上的值。

本发明还提供一种在一给定频率上，测量电子元件或电子回路特性的仪器，该仪器包含：测试信号产生仪，该测试信号具有由两个正弦曲线组成的一波形，该两个正弦曲线分别处于高于和低于所述给定频率的不同频率上；一将所述测试信号运用于一测试电路的仪器；一取样器，该取样器在一取样频率，和该信号的产生同步地对测试电路中的信号值进行一个周期的取样，该取样频率是所述各不同频率的整数倍，该取样周期对应于所述各不同频率周期的整数倍，以数字方式存贮所述的取样值，数据处理器，数据处理器被编程以处理所述的存贮值，通过从对所述不同频率计算的值内插，获得一处于给定频率上的所述特性的值。

附图说明

图1为本发明仪器的电路方块图；

图2为由图1中的装置来实现的过程的步骤流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图2，说明本发明的一较佳实施方式。

在本发明中，作用于被测目标的激励信号包含两个频率的组合，该两个频率在电源线路频率的两侧。他们同时作用于被测目标。该电子元件两端的电压和通过的电流则被同时数字化并由计算机系统脱机处理。为测量在该两个频率上的损耗角，用傅立叶变换法对频率分量求根。

为利用傅立叶变换方法对频率分量求根，必须满足两个条件：

1.对各被考虑的频率信号，必需要其周期的一整数倍作收集并处理；

2.对各有关的频率，所用的频率必须是被测量频率的一整数倍。

上述条件进行存贮深度选择，为对分量进行可靠的测量，该存贮深度选择需要一取样频率条件。

符合上述两个条件的最简单的方法是在当该两个测量频率在电源线路频率处被等分时，

使：f_L＝电源线路频率，

    f₁＝较低测量频率，

    f₂较高测量频率，

    f_Δ＝间隔频率，

则：f₁＝f_L-F_Δ(等式1)

    f₂＝f_L+f_Δ(等式2)

如果定义k＝f_L/f_Δ(等式3)

则：f₁＝(k-1)f_Δ(等式4)

    f₂＝(k+1)f_Δ(等式5)

如将k设定为一整数，则f₁和f₂都是f_Δ的整数倍，因此，如果取样周期＝1/f_Δ，就能满足条件1；

使f_s＝取样频率

为满足条件2，需使取样频率为f₁和f₂的整数倍值，

这样：f_s＝(k+1)f₁(等式6)

      f_s＝(k-1)f₂(等式7)

将等式5中f₂代入等式7中，得出：

      f_s＝(k-1)(k+1)f_Δ(等式8)

或    f_s＝(k²-1)f_Δ(等式9)

这样，就可以定义取样数的最小值，使满足条件1，因为测量频率都乘以(k²-1)倍；也可以通过结合等式4和等式9，取f_s＝((k²-1)/k)f_L，来定义需要满足条件2的取样频率。

这样，就可以对不同的k值，将需要的最小取样频率和最小取样长度列表如下：

      k        f_L的百分比      最小取样          f_s/f_L

      2        50％             3                 1.5

      3        33％             8                 2.6667

      4        25％             15                3.75

      5        20％             24                4.8

      10       10％             99                9.9

      15       6.667％          224               14.933

      20       5％              399               19.95

      50       2％              2499              49.98

这样，对任一线路频率，可以选择一适当的，且满足上述条件1和条件2的取样频率和记录长度。对tan(δ)的实际计算中，所需的取样数目非常多，因为必须解决相位不同，使其相位差达到一个足够的准确度。然而，只要选定的频率都是f_s的整数倍，记录长度也是(k²-1)的同一整数倍，上述条件1和2能继续满足。

为对频率分量求根，需要对所采集的数据进行复杂的离散傅立叶变换。这需要对数据进行任意长度的复杂转换。

使N＝取样数＝a(k²-1)

取样频率＝a.f_s＝a(k²-1)f_Δ

式中a是一整数值

离散傅立叶变换由以下给出： $X\left[m\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\πmnFT}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\πmnFT}\right)--(m=\mathrm{0,1}...N-1)$

然而，我们只关心两个特定的频率分量，其余的都可被视为为实现测量目的的“噪音”部分。没有必要测量所有的项，只须在m＝(k-1)和M＝(k+1)时的f1和f2值。如果获得的电压波形是v[n]，获得的电流波形是i[n]，就可以在两个测量频率上计算合成的电压和电流，

因而 $V_{f_1}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)$ $I_{f_1}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)$ $V_{f_2}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}v\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)$ $I_{f_2}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)$

假定合成电压和电流分量在每一频率上，计算取样阻抗的电阻和电容分量是一件简单的事，因此就计算损耗角δ和损耗因素tan(δ)。

实际上，对被测目标施加的电压不是直接测量的。其通过一计算程序，计算流经一参考电容的电流和损耗角来确定，该参考电容值是已知的。在本实施例中，流过参考电容的电流在以下测量频率上求得如下： $I_{R{f}_1}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_r\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_r\sin \left(2\mathrm{\π}(k-1)\frac{n}{N}\right)$ $I_{R{f}_2}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_r\left[n\right]\cos \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)+j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_r\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}(k+1)\frac{n}{N}\right)$

施加于测试电路的电压可用参考电容的合成阻抗在各频率上计算，其包含两个分量，电阻分量R和电容分量C，位于一给定频率上的阻抗由以下给出： $Z_f=R_f+\frac{j}{2\mathrm{\πf}{C}_f}$

但是R由以下损耗角确定 $R_f=\frac{1}{2\mathrm{\πf}{C}_f}\tan \left(\mathrm{\δ}\right)$

所以，如果电容和处于给定频率的参考电容的损耗角可以确定，通过测试样品的合成电压可以由在该两个测量频率上流过参考样品的电流来确定： $V_{f_1}=I_{{\mathrm{Rf}}_1}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1{C}_{f_1}}\·(\tan \left({\mathrm{\δ}}_{{\mathrm{Rf}}_1}\right)+j)$ $V_{f_2}=I_{R{f}_2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2{C}_{f_2}}\·(\tan \left({\mathrm{\δ}}_{R{f}_2}\right)+j)$

以下结合附图，说明上述程序的实施。

如图1所示，本发明的仪器包含一设有存贮器2的数据处理器1，该存贮器2用于存贮查阅表，一时钟脉冲发生器3，用于对测量系统的各元件运行的同步化。

存贮器2的输出端连接一D/A转换器4，该D/A转换器4通过一功率放大器5和一任意升压变压器6提供测试信号。该变压器6的输出端连接一电容和损耗角已知的参考电容7，一测试样品8并联连接该参考电容7，一电流传感器9串联该测试样品8，一电流传感器10也与测试样品8串联。电流传感器9、10的输出端连接A/D转换器11、12的输入端，且A/D转换器11、12的输出端连接缓冲存贮器13和14的输入端，缓冲存贮器13和14的输出端和数据处理器1直接相接。一侧的查阅表2、D/A转换器4，另一侧的D/A转换器11、12和缓冲存贮器13、14的运作由时钟脉冲发生器3控制，时钟脉冲发生器3与各装置的控制输入端相连接，并用以使测试信号的产生和信号值的取样同步化，其同步化的方式以下将做详细介绍。

取样频率f_s由时钟脉冲发生器3产生。该取样频率由数据处理器1、或通过硬件配置设定为a.(k²-1)f_Δ。如果数据处理器1设置时间间隔，系统比如果被硬编码时更容易适应不同测量频率偏移量和线路频率的工作。系统的一个优点是，正如已描述的，是因为测量频率根据取样频率确定而不是线路频率确定，取样频率并不一定要与线路频率同步，也不必是线路频率的一个整数倍。然而，这确实限制了测量频率偏移量f_Δ。f_Δ应该被选择为局部线路频率的可能的变化量加上f_s的误差应该小于该f_Δ。如果系统没有与线路频率同步，线路频率的衰减将趋向于无穷，尽管用以频率分析的标准窗口函数用来表示数据，缺少该同步产生的影响将大大减弱。假定系统引入的线路频率分量是通过传感器至测试电路，所采集的信号线路频率分量将大大小于激励信号电平。即使没有应用窗口函数，所描述的数据处理的效果将大大减少其重要性。窗口函数的应用将用来提高这种衰减。时钟产生器的输出端被用来驱动激励频率的发生和数据采集系统。

两个频率总和的电源波形是利用查阅表2和D/A转换器4产生的。查阅表包含一存储块，计算机将波形加载入该存储块中，该波形用以对测试样品进行激励。随着取样时钟上的输出被更新，数据被读出。当读出N个取样(如上述确定的)后，将该读出器复位。该数据传送入D/A转换器，该D/A转换器将该数值转换为电压，形成一作用于待测试样品8上的真实波形。D/A转换器的输出端连接至功率放大器5，该功率放大器5提供足够的能量给待测试样品8和参考电容7。如果需要一高压电，另外还要使用一升压变压器。当读出器复位起动时，查阅表2产生一复位信号用以触发该波形的获得。

激励信号被传输到待测试样品8和参考电容7。该两个单元通过电流传感器9、10到激励的下部接地。电流传感器各独立测量通过各电容的电流。参考电容的电流用来计算和监控如上所述的施加于测试系统上的电压。

电流传感器的输出端被连接至A/D转换器11、12，信号在此被转换成数字形式，以进行后续处理。该信息通过存储器13、14被缓冲。存储器的写入由数据处理器和查阅表2控制。数据处理器对存储器发送信号，其希望存储器能存储A/D转换器13、14正在收集的电流信号。存储器只在查阅表2发出其读出器已复位的信号时启动存储信号。这保证了第一个N值与激励信号的一个周期相对应存入存储器，该激励信号由数字化系统施加且没有周相移动。存储于存储器内的数据可由数据处理器1读出，以下将描述其处理过程。

如图2所示，为实现本发明进行tan(δ)测量的软件的流程示意图；对于该软件，需要确定取样数N和低测量频率、高测量频率(F1和F2)，这些参数由用户基于前述计算部分来明确限定。

系统首先对长度N分成5列。其用来计算F1、F2的正弦余弦函数，以及F1和F2余弦函数总和。并不都必须用到正弦和余弦函数，因为可以从一个值求得另一个值。但是其使数据的处理更简单和更快速了，并为程序员执行算法提供了方便。上述两个余弦函数总和确定了对待测试样品8激励所需的波形。这个函数可被标准化至统一等级，因此，对用户来说，需要提供一乘法器以确定所需的输出电平。波形列乘上该数值，数据被下载至查阅表。随后，软件启动电源系统，并开始运行查阅表。其以为测量过程而准备的合成的波形对测试样品供电。软件则等待一短暂时间以稳定测试样品和电压产生系统，然后，使测试系统获得数据。

一旦启动数据收集，该单元处于等待状态，直到获得合适数量的取样，然后从ADC/缓冲系统中下载电流波形。一旦数据被下载至处理器，在两个测量频率上的真实和假想的电流分量可通过将等式11、13、14和15应用于数据而计算出来。一旦完成该步骤，在两个相关频率上的tan(δ)就可以根据取样计算出来，并通过内插法程序，计算出在运行线路频率(operating linefrequency)上tan(δ)因素。

Claims (10)

1.一种在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，包含以下步骤：产生测试信号，该测试信号具有由两个正弦波形成的一合成波形，该两个正弦波分别处在高于和低于所述电源线路频率的第一频率和第二频率上；将所述测试信号运用于一包含所述电子元件的测试电路；在一取样频率，和该信号的产生同步地对所应用的该测试信号进行一个取样周期的取样，该取样频率是所述第一频率和第二频率的整数倍，该取样周期对应于所述第一、第二频率的周期的整数倍，为获得和存贮所应用的测试信号的相应数值，对各所述的频率，根据该存贮值，计算施加的电压值和该电子元件中流动的电流值，以获得在各频率上与元件绝缘阻抗相对应的各数值，并从该获得的数值内插以获得一在电源线路频率上的值。

2.如权利要求1所述的在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，其特征在于，通过计算确定合成波形的数值阵列数字式地产生所述的测试信号，经过至少等于取样周期的一段时间，将该数值存储到一查阅表，并在一时钟脉冲频率下使该数值从查阅表中重新获得，且将该重新获得的数值运用到D/A转换器。

3.如权利要求2所述的在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，其特征在于，所述的时钟脉冲频率和取样频率相同，并与其同步。

4.如权利要求1至3任一所述的在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，其特征在于，所述的测试信号同时还施加于所述测试元件和一特性已知的参考元件，所述的施加于所述元件的电压值根据所述参考元件的电流取样值计算获得。

5.如权利要求1至4任一所述的在电源线路频率处测量电容性电子元件绝缘阻抗的方法，其特征在于，所述位于各所述频率上的电压和电流的合成值是对存储的数值通过傅立叶分析法求得。

6.一种用以在一给定频率上测试电子元件或电路特性的仪器，包含：测试信号产生仪，该测试信号具有由两个正弦波组成的一波形，该两个正弦波分别处于高于和低于所述给定频率的不同频率上；一将所述测试信号施加于一测试电路的仪器；一取样器，该取样器在一取样频率，和该信号的产生同步地对测试电路中的信号值进行一个周期的取样，该取样频率是所述各不同频率的整数倍，该取样周期对应于所述各不同频率周期的整数倍，以数字方式存贮所述的取样值，以及数据处理器，数据处理器被编程以处理所述的存贮值，通过内插法从对所述不同频率计算得来的值，获得一处于给定频率上的所述元件或电路的特性的值。

7.如权利要求6所述的用以在一给定频率上测试电子元件或电路特性的仪器，其特征在于，所述的测试信号产生仪包含一数据处理器，该数据处理器包含一存储器，所述的数据处理器，经过一至少等于所述取样周期的一段时间，被编程以获得确定所述合成波形的数值阵列，并存储所得到的数值至所述存储器内，以提供一查阅表，一D/A转换器，时钟脉冲发生器以使所述的值从所述查阅表重新获得，并运用于D/A转换器的一输入端。

8.如权利要求7所述的用以在一给定频率上测试电子元件或电路特性的仪器，其特征在于，所述的取样器包含至少一个A/D转换器，该A/D转换器具有一连接所述的测试电路的输入端；一由所述时钟脉冲发生器控制的缓冲器，该缓冲器具有一输入端和一输出端，该输入端连接所述的A/D转换器，该输出端连接处理所存储数值的数据处理器。

9.如权利要求6至8任一所述的用以在一给定频率上测试电子元件或电路特性的仪器，其特征在于，该仪器用来测试损耗角和/或电容性元件的绝缘阻抗，包含一测试电路，以应用所述的测试信号至所述元件和一参考元件，所述的取样器对流过所述元件和参考元件的电流取样并存储电流值，所述的数据处理器被编程以通过傅立叶分析法根据所述的值计算所述元件在所述各不同的频率上的电压和电流的合成分量。

10.如权利要求9所述的用以在一给定频率上测试电子元件或电路特性的仪器，其特征在于，所述的数据处理器被进一步编程，通过内插法根据所述两个不同的频率获得的数值，计算所述元件在所述给定频率上的损耗角和/或绝缘阻抗。

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