CN204331006U - 一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，包括被校验的测量仪器和两个标准电容器，两个标准电容中，一个作为标准电容连接至测量仪器电容标准参考输入端，另一个作为校正电容与介质损耗模拟装置串联后连接至测量仪器介质损耗测量端；其中，所述介质损耗模拟装置是介质损耗模拟虚拟装置，所述两个标准电容的电源连接端通过一个升压器连接至测量仪器电源输出调节端。本实用新型操作安全、简单，消除了传统校验的弊端，可以实现高电压下的电容介质损耗的校正，模拟电阻不产生电能的损耗，可以在带电的状况下实现无触点的切换，扩大了介质校正的范围；实现了对电容的变化调整，将一个标准电容扩展为多个标准电容器。
Description
技术领域
本实用新型属于仪器仪表领域，特别涉及一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，是一种用虚拟损耗器组成的高电压电容介质损耗因数标准校正装置。
背景技术
检测仪器需要经常的校验，作为电容介质损耗因数检测仪通常是在实验室进行校验，采用的是标准损耗器法进行校验。采用两个标准电容，一个接标准损耗器，一个作为参考分别接入被校验仪器，标准损耗器是串联若干个电阻，通过改变不同的电阻值，得到不同的介损值。这类标准损耗器工作原理简单，但存在以下几个方面的缺陷：
在模拟大介损值时，串联电阻需要承受很高的电压及消化很大的功率，高稳定度大功率的电阻器是比较难找的。再者由于传入大电阻后，标准电容器测量端子的电位会抬高，该端子一般允许最高电压为2kV，随着试验电压升高及介损值增大，该端子的电压会随着增大，就可能会超出端子的耐压要求。这点在制造上是很难处理的。所以通常这类标准损耗器在试验电压10kV下最大的介损值只能做到0～0.1。如果需要更高的试验电压，能做到的介损值范围更小。
传统的标准损耗器大介损档位数据不稳定。这是由于大介损时与标准电容器串联的电阻器阻值很大，这时候其周边的分布参数（分布电容及泄漏电阻）对电阻器的阻抗会有很大影响，在环境条件发生变化时，其呈现的阻抗就会发生变化，导致最终的介损值发生变化。
传统的标准损耗器只能改变介损值，不能改变电容量。如果要测量多种电容量需要配置多个不同电容量的标准损耗器。
传统的标准损耗器都一般都是采用机械插座或开关进行分档，机械开关触点容易老化造成接触不良。
传统的标准损耗器不能带电切换量程。这是由于带电下如果切换档位，会造成标准电容器尾端瞬时开路或电位改变，容易带来火花及不安全因素，所以一般都是不允许带电切换。所以每测量一个点必须降压后再更换档位，再进行测量，这样不利于提高校验工作的效率。
发明内容
本实用新型的目的针对上述问题提出的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，利用虚拟模拟技术模拟不同电阻值，实现的多种高电压电容介质损耗因数标准校正，同时还可以在一个标准电容器下模拟实现对多种电容器的校正。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，包括被校验的测量仪器和两个标准电容器，两个标准电容中，一个作为标准电容连接至测量仪器电容标准参考输入端， 另一个作为校正电容与介质损耗模拟装置串联后连接至测量仪器介质损耗测量端；其特征在于，所述介质损耗模拟装置是介质损耗模拟虚拟装置，所述两个标准电容的电源连接端通过一个升压器连接至测量仪器电源输出调节端。
方案进一步是：所述介质损耗模拟虚拟装置包括电流取样电路，移相电路、恒流输出电路和微处理单元控制器；所述电流取样电路用取样电阻将流经标准电容器的电流转换为电压信号；移相电路与电压信号连接，所述移相电路含有相位选择开关电路，相位选择开关电路由微处理单元控制器控制，相位选择开关电路根据已知电阻值对应标准电容器电流的相位损耗角选择通路将电压信号进行移相，恒流输出电路的输出为介质虚拟装置的模拟电流输出；其特征在于，所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。
方案进一步是：所述恒流输出电路包括一个负反馈电路，所述负反馈电路包括一个反馈运算放大器，反馈运算放大器的输出驱动一个恒流输出变压器，恒流输出变压器输出了介质虚拟装置的输出电流信号，其中，反馈运算放大器的正极输入连接电压调幅电路输出，电流信号同时作为反馈连接反馈运算放大器的负极输入用以保证调幅电路输出变化等于电流信号的变化。
方案进一步是：所述恒流输出电路还包括电容量程选择电路，所述电容量程选择电路包括：在所述恒流输出变压器输出与电流信号之间设置的电压比例输出电路，所述电压比例输出电路由多个相同阻值电阻和量程切换开关组成，多个电阻相互串联后并联至恒流输出变压器输出两端，量程切换开关的多个切入触点分别连接至串联电阻之间的节点，量程切换开关的公用触点作为所述电流信号引出，在电流信号引出与反馈运算放大器的负极之间设置有反馈信号放大比例调节电路，所述反馈信号放大比例调节电路由一个比例运算放大器和放大比例开关电路组成，放大比例开关电路由多个电阻和反馈切换开关连接组成，反馈切换开关控制输出的反馈信号放大比例与量程切换开关控制输出的电压输出比例刚好相反，用以保证电流信号引出的是标准电容器的比例输出，所述量程切换开关和反馈切换开关联动。
方案进一步是：所述调幅电路包括一个比较运算放大器，比较运算放大器输出连接恒流输出电路，所述比较放大器含有一个放大倍数选择电路，所述放大倍数选择电路的放大倍数范围保证所述模拟电流输出符合装置设定的工作电压和电容量调节范围。
方案进一步是：所述放大倍数选择电路是由不同比例电阻组成的多级放大倍数选择电路。
方案进一步是：所述放大倍数选择电路是一个由数/模转换电路实现的无级放大倍数选择电路。
方案进一步是：所述微处理单元控制器有一个微处理器，微处理器连接有键盘、显示器和无线信号输入输出处理器，微处理器数据控制输出连接一个译码电路，译码电路输出控制连接所述相位选择开关电路，所述微处理器的数据线输出连接所述放大倍数选择电路。
本实用新型具有的有益效果是：操作安全、简单，消除了传统校验的弊端，可以实现高电压下的电容介质损耗的校正，模拟电阻不产生电能的损耗，可以在带电的状况下实现无触点的切换，扩大了介质校正的范围；实现了对电容的变化调整，将一个标准电容扩展为多个标准电容器。
下面结合附图和实施例对本实用新型作一详细描述。
附图说明
图1为本实用新型校正接线示意图；
图2为本实用新型校正原理示意图；
图3为本实用新型电容介质虚拟装置电路结构示意图；
图4为本实用新型带电容量程扩展功能的电容介质虚拟装置电路示意图；
图5为本实用新型电流取样电路示意图；
图6为本实用新型移相电路示意图；
图7为本实用新型电容量程选择电路示意图。
具体实施方式
一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，如图1所示，所述装置包括被校验的测量仪器1和两个标准电容器，两个标准电容中，一个作为标准电容2连接至测量仪器电容标准参考输入端Cn， 另一个作为校正电容3与介质损耗模拟装置5串联后连接至测量仪器介质损耗测量端Cx；其中，所述介质损耗模拟装置是介质损耗模拟虚拟装置，所述两个标准电容的电源连接端通过一个升压器4连接至测量仪器电源输出调节端，其中的升压器采用的是交流50赫兹或可变频升压器，额定输出电压可达200kV。
从介损的原理我们可以知道，介损测试仪测量的就是被试品的电流信号与容性电流分量之间的夹角。电流的夹角即可改变tgδ值。本实施例采用了一种介质虚拟装置代替实际的电阻，用电子移相电路来实现改变tgδ的功能。为了得到模拟不同的模拟电容量，增加了调幅电路，通过改变输出电流的大小来得到不同的电容量。
因此，如图3所示，本实施例介质损耗模拟虚拟装置包括电流取样电路501，移相电路502、恒流输出电路503和微处理单元控制器504；所述电流取样电路用取样电阻将流经标准电容器的电流转换为电压信号；移相电路与电压信号连接，所述移相电路含有相位选择开关电路，相位选择开关电路由微处理单元控制器控制，相位选择开关电路根据已知电阻值对应标准电容器电流的相位损耗角选择通路将电压信号进行移相，恒流输出电路的输出为介质虚拟装置的模拟电流输出；其中，所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路505，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。
其中：
如图5所示，所述电流取样电路的输入电流信号取自校正电容（标准电容器）测量端对地的电流，用一个阻值较小的电阻（几欧姆）作为取样元件，本身消耗的功率极小，可以忽略不计。电阻两端的电压也极小，由于标准电容器性能近似为理想电容器，其电流与电压夹角基本上为90度。此电流信号就作为本装置的基本参考信号。
如图6所示，所述移相电路即电子调相电路就是将输出电流信号Ii根据不同的tgδ设定值对应的相角进行移相，得到新的参考电流信号Ii’，后续输出电流的相位以此信号为基准。不同的相角对应不同的tgδ值。由于移相电路只是对信号做了处理，不产生实际损耗，档位切换也是由电子开关来完成，无机械触点，无安全隐患，还能遥控操作。
如图2所示，所述调幅电路是调节输出电流Io的大小，使得Io=k×Ii K为调幅系数，这样可以模拟不同的试品电容量，最终试品的电容量Cx=k×Cn Cn为标准电容器的值。
所述恒流输出电路输出的是电流信号，对于不同的被检介损测试装置其输入阻抗不定，所以本装置采用的是恒流源输出。
实施例中：所述恒流输出电路包括一个负反馈电路（误差比较放大电路），所述负反馈电路包括一个反馈运算放大器503-1，反馈运算放大器的输出通过一个功率放大器503-2驱动一个恒流输出变压器503-3，恒流输出变压器输出了介质虚拟装置的输出电流信号，其中，反馈运算放大器的正极输入连接电压调幅电路输出，电流信号同时作为反馈连接反馈运算放大器的负极输入用以保证调幅电路输出变化等于电流信号的变化；保证输出电流与参考的信号的幅值相位都一致。
实施例中：如图4和图7所示，所述恒流输出电路还包括电容量程选择电路，所述电容量程选择电路包括：在所述恒流输出变压器输出与电流信号之间设置有电压比例输出电路503-4，所述电压比例输出电路由多个相同阻值电阻和量程切换开关组成，多个电阻相互串联后并联至恒流输出变压器输出两端，量程切换开关的多个切入触点分别连接至串联电阻之间的节点，量程切换开关的公用触点作为所述电流信号引出，在电流信号引出与运算放大器的负极之间设置有反馈信号放大比例调节电路503-5，所述反馈信号放大比例调节电路有一个比例运算放大器和放大比例开关电路组成，放大比例开关电路由多个电阻和反馈切换开关连接组成，反馈切换开关控制输出的反馈信号放大比例与量程切换开关控制输出的电压输出比例刚好相反，用以保证电流信号引出的是标准电容器的比例输出，所述量程切换开关和反馈切换开关联动。
实施例中：所述调幅电路包括一个比较运算放大器，比较运算放大器输出连接恒流输出电路，所述比较放大器含有一个放大倍数选择电路，所述放大倍数选择电路的放大倍数范围保证所述模拟电流输出符合装置设定的工作电压和电容量调节范围。
实施例中：所述放大倍数选择电路是由不同比例电阻组成的多级放大倍数选择电路。
实施例中：所述放大倍数选择电路是一个由数/模（D/A）转换电路实现的无级放大倍数选择电路。
实施例中：所述微处理单元控制器有一个微处理器，微处理器连接有键盘、显示器和无线信号输入输出处理器，微处理器数据控制输出连接一个译码电路，译码电路输出控制连接所述相位选择开关电路，所述微处理器的数据线输出连接所述放大倍数选择电路。
实施例中，电容量程选择方法是：根据公式I=UωC可知，在加在电容上的电压不变的前提下，电流与电容量成正比，首先在标准电容加上额定电压，将量程转换至最大，使用另一个相同的标准电容加相同电压作为参考，调节调幅电路使输出的电流与参考标准电容电容的电流相同，这是就可以根据比例关系向下调节电容量程开关设置不同的电容了。
介质损耗模拟虚拟的技术指标包括：
电流输入范围：0～10mA；
电流输出范围：0～10A；
输出电流最大负载能力：10W；
额定工作频率：50Hz；
模拟介质损耗调节范围：0～0.5；
模拟介质损耗分32档：
0～0.0009-10档，0.001～0.009-9档，0.01～0.09-9档，0.1，0.2，0.3，0.5-4档；
模拟介质损耗误差：±（0.5%读数+0.0001）；
模拟电容量调节范围：100pF～100nF；
模拟电容量精度：±（0.2%读数+0.5pF）。
Claims (8)
1.一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，包括被校验的测量仪器和两个标准电容器，两个标准电容中，一个作为标准电容连接至测量仪器电容标准参考输入端， 另一个作为校正电容与介质损耗模拟装置串联后连接至测量仪器介质损耗测量端；其特征在于，所述介质损耗模拟装置是介质损耗模拟虚拟装置，所述两个标准电容的电源连接端通过一个升压器连接至测量仪器电源输出调节端。
2.根据权利要求1所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述介质损耗模拟虚拟装置包括电流取样电路，移相电路、恒流输出电路和微处理单元控制器；所述电流取样电路用取样电阻将流经标准电容器的电流转换为电压信号；移相电路与电压信号连接，所述移相电路含有相位选择开关电路，相位选择开关电路由微处理单元控制器控制，相位选择开关电路根据已知电阻值对应标准电容器电流的相位损耗角选择通路将电压信号进行移相，恒流输出电路的输出为介质虚拟装置的模拟电流输出；所述装置还包括一个应对不同标准电容器输出电流变化的调幅电路，调幅电路的输入与移相电路的输出连接，调幅电路输出连接恒流输出电路，所述微处理单元控制器控制连接调幅电路。
3.根据权利要求2所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述恒流输出电路包括一个负反馈电路，所述负反馈电路包括一个反馈运算放大器，反馈运算放大器的输出驱动一个恒流输出变压器，恒流输出变压器输出了介质虚拟装置的输出电流信号，其中，反馈运算放大器的正极输入连接电压调幅电路输出，电流信号同时作为反馈连接反馈运算放大器的负极输入用以保证调幅电路输出变化等于电流信号的变化。
4.根据权利要求3所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述恒流输出电路还包括电容量程选择电路，所述电容量程选择电路包括：在所述恒流输出变压器输出与电流信号之间设置的电压比例输出电路，所述电压比例输出电路由多个相同阻值电阻和量程切换开关组成，多个电阻相互串联后并联至恒流输出变压器输出两端，量程切换开关的多个切入触点分别连接至串联电阻之间的节点，量程切换开关的公用触点作为所述电流信号引出，在电流信号引出与反馈运算放大器的负极之间设置有反馈信号放大比例调节电路，所述反馈信号放大比例调节电路由一个比例运算放大器和放大比例开关电路组成，放大比例开关电路由多个电阻和反馈切换开关连接组成，反馈切换开关控制输出的反馈信号放大比例与量程切换开关控制输出的电压输出比例刚好相反，用以保证电流信号引出的是标准电容器的比例输出，所述量程切换开关和反馈切换开关联动。
5.根据权利要求2所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述调幅电路包括一个比较运算放大器，比较运算放大器输出连接恒流输出电路，所述比较放大器含有一个放大倍数选择电路，所述放大倍数选择电路的放大倍数范围保证所述模拟电流输出符合装置设定的工作电压和电容量调节范围。
6.根据权利要求5所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述放大倍数选择电路是由不同比例电阻组成的多级放大倍数选择电路。
7.根据权利要求5所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述放大倍数选择电路是一个由数/模转换电路实现的无级放大倍数选择电路。
8.根据权利要求5所述的一种高电压电容介质损耗因数标准校正装置，其特征在于，所述微处理单元控制器有一个微处理器，微处理器连接有键盘、显示器和无线信号输入输出处理器，微处理器数据控制输出连接一个译码电路，译码电路输出控制连接所述相位选择开关电路，所述微处理器的数据线输出连接所述放大倍数选择电路。
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