CN207992422U - 一种高压高阻检定仪智能校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压高阻检定仪智能校准装置，包括高压分压模块、低阻量程模块，标准电流发生器，所述高压分压模块包括电压源、高压分压器、MCU、标准电阻模块、DA发生器和加法电路；所述MCU连接有无线通信模块(3)。本实用新型在电阻切换过程中不会产生拉弧放电现象，通过非物理接触的蓝牙端口与外设如PC，平板，手机，网络进行数据和命令的互传，测试全过程基本不需要更换任何测试线，人员操作的便捷性和风险性有了质的变化。采用的是固定电阻变电压的方式模拟出虚拟电阻，消除了开关本身的噪声和泄漏导致的测量不确定度，提高了电阻输出的准确度。通过智能控制解决了安全和便捷性的问题，通过实物电阻+虚拟电阻结合方案能通过控制软件实现任意想要的标准电阻输出，解决了高压高阻检定仪完整溯源的难题。

Description

一种高压高阻检定仪智能校准装置

技术领域

本实用新型涉及测试计量仪器，尤其是一种高压高阻检定仪智能校准装置。

背景技术

国家质量监督检验检疫总局发布的JJG1072-2011《直流高压高值电阻器》中对高压高值电阻器溯源检定的原理提出了三种方法，分别是：采用运放的分压法、分压法和电桥法，电阻测量可以采用加电流测电压法(SIMV)或加电压测电流法(SVMI)。从实际电源和表的性能考虑，高阻测量更适合采用后者，目前国内外进行电阻尤其是高压电阻测量的方法还有双电源电桥法，即电压比电桥法，其实际原理是Wheatstone(惠斯通)电桥的一种变形，它用两个可程控双极性电压源代替电阻电桥的两个测量臂，用静电计测量电桥的不平衡电流。由于两个电压源输出极性相反、与所连电阻值成比例的电压，用静电计作为电流指零仪使用。目前国内外采用以上四种高压高值电阻测量原理，对应的高压高阻检定仪或高压高阻检定装置的最高测量能力为100Ω～10TΩ，最高测试电压 10kV。

目前国内针对10kV高阻检定仪的校准，采用的一般是实物电阻或采用T 型电阻网络的三端模拟电阻的现场检定，电阻输出范围100Ω～100TΩ，校准涵盖了低阻到高阻，低压到高压，其缺陷是：1、操作步骤复杂繁琐，针对不同的电压电阻量程需要频繁切换开关乃至改变不同的测试线；2、十进制标准电阻在高压测试切换时易产生拉弧放电现象，对测试设备和人员的安全隐患非常大；3、在通过实物电阻进行高压高阻测量的校准时由于测试电流达到pA量级，由于噪声电流，电阻极化效应及分布电容的存在使得实物电阻在测试时稳定的时间变得很长，例如100TΩ在70％的湿度条件下稳定时间甚至需要十几分钟，且不同阻值稳定的时间都不一样，严重影响测量的准确性和效率；4、高阻校准时采用的T型电阻网络的三端模拟电阻采用同步降低电压和电阻的方法模拟出高阻，但此方法也需要通过十进制开关来切换电阻并不能减少噪声，且增加了开关泄漏的不确定度来源；5、国内外有采用输出可变标准电压通过标准电阻来校准高阻测量仪电流档的技术方案，一般为1000V以下的电阻测量仪，但该方案并不能将整套系统串联到整个高压电阻的测量回路中并不能模拟出一个完整的“标准高压电阻”，溯源性不能完整的体现，适用面很窄。

发明内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种高压高阻检定仪智能校准装置。

一种高压高阻检定仪智能校准装置，包括高压分压模块、低阻量程模块，标准电流发生器，所述高压分压模块包括电压源、高压分压器、MCU、标准电阻模块、DA发生器和加法电路；所述MCU连接有无线通信模块。

电压源产生的高压信号经过高压分压器的分压所得到的低压信号再经过AD 转换变为数字信号，该数字信号传输至MCU经过处理后输出三路数字信号，三路数字信号分别被三路DA发生器转换为三路电压信号并进入加法电路，加法电路输出的信号一路经过标准电阻模块后输出，另一路经AD转换后返回MCU 进行自检；电压源端与输出端之间的电压值除以标准电阻模块的电流值即得到基于被检高阻检定仪的直流电压下的直流虚拟电阻。

进一步地，所述标准电流发生器包括DA发生器和标准电阻。

进一步地，所述低阻量程模块包括十进制电阻模块、与十进制电阻模块相连的步进电机以及与步进电机电连接的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器与 MCU电连接。

进一步地，所述低阻量程模块还包括阻尼电抗器，所述阻尼电抗器与十进制电阻模块串联。

进一步地，所述无线通信模块连接有外部终端，MCU通过无线通信模块与外部终端进行数据交互。

外部终端通过无线通信模块向MCU发出控制指令，控制高阻量程模块和低阻量程模块切换、改变电阻输出值以及进行高压电源性能测试。

进一步地，所述无线通信模块为蓝牙模块。

进一步地，所述外部终端为移动终端或上位机。

进一步地，所述十进制电阻模块包括六个串联的可变电阻，每两个相邻可变电阻的最大阻值相差10倍。

进一步地，所述高压分压器是准确度为0.01级的标准有源高压分压器。

进一步地，所述高压分压器的分压比可在5000：1和500：1之间切换。

本实用新型的有益效果为：

(1)低阻部分实物电阻的切换通过步进电机控制量程和点位的切换并在测量端安装了阻尼电抗器，直流模拟电阻通过改变标准电流发生器2的输出值从而产生任意想要的直流虚拟电阻，高压分压器输出的是稳定不变的低电压，分压比可在5000:1和500:1之间切换，最高输入电压时输出电压为2V，因此本实用新型在电阻切换过程中不会产生拉弧放电现象；

(2)本实用新型采用智能控制系统能通过非物理接触的蓝牙端口与外部终端进行数据和命令的互传，因此只要控制端发出命令，控制系统就能自动切换高低压模式并自动改变电阻输出值，通过内部的标准有源高压分压器还能进行高压电源的性能测试，测试全过程基本不需要更换任何测试线，人员操作的便捷性和风险性有了质的变化；

(3)直流虚拟电阻的输入阻抗稳定在某个量值，因此不像实物电阻那样切换时由于阻抗的不同会导致测试时间常数的频繁变化，每校准一个阻值点基本都不需要等待，提高了效率；

(4)本实用新型采用的是固定电阻变电压的方式模拟出虚拟电阻，消除了开关本身的噪声和泄漏导致的测量不确定度，提高了电阻输出的准确度；

(5)本实用新型将现有技术作了重大改进，通过智能控制解决了安全和便捷性的问题，通过实物电阻+虚拟电阻结合方案能通过控制软件实现任意想要的标准电阻输出，所达到的指标在国内外同类产品中据领先水平，解决了高压高阻检定仪完整溯源的难题。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是高压分压器的示意图；

图3是高阻量程模块原理图；

图4是高压开关触点切换产生拉弧放电原理图。

具体实施方式

实施例1：一种高压高阻检定仪智能校准装置，如图1所示，包括高阻量程模块和低阻量程模块，图中HR-L端为高阻量程模块线路端，LR-L端为低阻量程模块线路端，SENSE的芯线端为公共端，公共端采用双层屏蔽的三同轴接头，本实用新型用于对高压高阻检定仪进行校准，针对不同测量原理的高压高阻检定仪，工作时，对应的连线方式分别是：HR-L端连电阻测量仪、电桥的高压端， SENSE的外屏蔽连电阻测量仪的接地端或电桥的接地端、机箱外壳，起安全防护的作用；SENSE的内屏蔽连电阻测量仪的负端、电桥的内部地或屏蔽端或高压电源输出的负端，内屏蔽为输入电压的低端，与标准有源高压分压器1的外壳、等电位电阻及分压电阻的低端、供电电源的地、运放的地、AD采样的地、基准电压的地、DA输出的地、标准电阻的屏蔽地、及内部PCB板的保护地、内部连线的屏蔽采用一点共地结构，消除共模电压的影响。SENSE的芯线连电阻测量仪的中间点、电桥的测量端或电阻支路的中间点。

高阻量程模块包括电压源、高压分压器1、MCU、标准电阻模块、DA发生器和加法电路；其中，高压分压器1是准确度为0.01级的标准有源高压分压器1，图1中的R2和R4构成了分压回路，分压比可在5000：1和500：1之间切换(分别对应1000V以上高压高阻测量仪和1000以下低压高阻测量仪的检定或校准)， R2由0.2MΩ×500个陶瓷封装的精密金属膜，在10kV电压下每个电阻分担了 20V的电压，因此电阻的电压系数几乎可以忽略。R1和R3为等电位保护电阻，其工作原理如图2所示，由于结构和工艺上采用了等电位保护处理，R2和R4对外的泄漏电流i几乎为零。运放采用低噪声斩波稳定(自稳零)放大器，低失调电压：1μV，输入失调漂移：0.002μV/℃，输入阻抗达到10TΩ相较于R4(4k Ω和40kΩ)，其引入的误差可以忽略。其他误差主要要有：AD采样分辨力及非线性(0.24×2-24V，0.0003％)，AD采样基准温漂(3ppm/℃)，分压电阻温度漂移(5ppm/℃)，该测量回路包括运放和AD采样引入的测量不确定度可以达到0.01％的水平。

电压源为高精度标准电压源，高精度标准电压源与DA发生器以及标准电阻模块组成标准电流发生器2，该高精度标准电压源的输出最高电压为2V，对应 10kV，三路16位DA发生器输出的基准和两路24位AD采样采用同一基准，因此在最后虚拟电阻的数学模型中，由基准电压漂移和线性度带来了的误差可以抵消掉，三路DA构成了加法电路分别控制输出电压范围0～0.02V～0.2V～2V三个区间，因此输出电压的分辨力能提高到0.02×2-16V，高精度标准电压源输出电压的精度受到运放漂移、失调及加法电路上比例电阻的温漂及线性度的影响，因此本实用新型在高精度标准电压源的输出端增加一路24位AD采样作为输出电压的监测和自校准，通过MCU内部的软件采用PID算法控制高精度标准电压源输出满足准确度要求的电压。

如图3所示，所述电压源产生的高压信号经过高压分压器1的分压所得到的低压信号再经过AD转换变为数字信号，该数字信号传输至MCU经过处理后输出三路数字信号，三路数字信号分别被三路DA发生器转换为三路电压信号并进入加法电路，加法电路输出的信号一路经过标准电阻模块后输出，另一路经 AD转换后返回MCU进行自检；电压源端与输出端之间的电压值除以标准电阻模块的电流值即得到基于被检高阻检定仪的直流电压下的直流虚拟电阻。

MCU还连接有无线通信模块3，本实施例中的无线通信模块3为蓝牙模块，也可以采用WIFI、ZigBee等其他无线通信模块3，MCU通过无线通信模块3与外部终端进行数据交互，外部终端为移动终端或上位机，移动终端可以为PC、平板或者手机；外部终端通过无线通信模块3向MCU发出控制指令，控制高阻量程模块和低阻量程模块切换、改变电阻输出值以及进行高压电源性能测试。为了防止其对系统的干扰，将无线通信模块3安装在机箱外部并通过屏蔽接头与内部MCU相连，其通讯协议采用蓝牙3.0穿透模式，能与智能终端的APP软件或上位机进行控制命令和数据的交互处理。如果需要一个“100.12345GΩ”的电阻，只要通过智能输入界面发送一个让“标准电流发生器2”产生一个跟踪监测到的输入为“2222V”的22.1926nA电流值的命令即可。

低阻量程模块包括十进制电阻模块、与十进制电阻模块相连的步进电机以及与步进电机电连接的步进电机驱动器4，步进电机驱动器4控制低阻部分波段开关切换，共有六组分别对应“×100Ω～×10MΩ”它主要由方向控制信号“DIR+/DIR-”，转速控制信号“CP+/CP-”及线圈驱动接口组成。步进电机驱动器4与MCU电连接，低阻量程模块还包括阻尼电抗器5，图中×1MΩ及× 10MΩ分别对应最高3000V和5000V的切换电压，因此如图4所示会产生拉弧放电干扰，阻尼电抗器5对直流信号而言可以看做是短路，让在遇到突变冲击电流时可消除其对标准和人员的影响，本实用新型采用自制粗导线作为电感原件其引线电阻不稳定导致的不确定度可以控制在1mΩ，因此对×100Ω档的影响可以忽略，同时本电抗器采用全金属屏蔽处理，电磁屏蔽效能非常突出能有效防止其对其他电路的干扰。所述阻尼电抗器5与十进制电阻模块串联，十进制电阻模块包括六个串联的可变电阻，每两个相邻可变电阻的最大阻值相差10倍。由于低阻部分电阻为实物电阻，所以其技术指标和国内现有标准处同等水平，但其便捷的智能化控制水平，优异的抗干扰性能是国内外同类标准所不具备的。

本实用新型将现有技术作了重大改进，通过智能控制解决了安全和便捷性的问题，通过实物电阻+虚拟电阻结合方案能通过控制软件实现任意想要的标准电阻输出，相关技术指标见表1：

表1 输出电阻技术指标

在5000:1分压器量程测量输入电压最小为1000V的输入电压，本系统要模拟出10TΩ～100TΩ的电阻时，标准电压源的输出电压为0.2～0.02V，R×10T的阻值为2GΩ，对应标准电流发生器2的输出电流10pA～100pA。目前中国计量科学研究院1GΩ电阻副基准的相对扩展不确定度为U＝7.7×10-6，k＝2，10GΩ电阻副基准的相对扩展不确定度为U＝24×10-6，k＝2。为了方便溯源2GΩ标准电阻的选用以满足U＝64×10-6，k＝2为上限，0.02V输出电压的扩展不确定度在系统内部处理(运放输出失调、温度补偿修正、降噪处理后)能达到u＝100×10-6。三同轴接头绝缘性能误差(±0.004％)带来的测量不确定度u＝0.0023％；为了降低内部电流噪声的相互干扰，本实用新型对标准电流发生器2采用了密封干燥的屏蔽处理，其电流噪声可以控制在5fA以下，对以上不确定来源做合成，得到总的扩展不确定度U＝6.2×10-4，k＝2，因此模拟得到10～100TΩ的电阻完全能满足准确度等级0.2级的技术要求，而100V～1000V～10kV下本系统输出电阻的指标在国内外居领先水平，输出100TΩ虚拟电阻的不确定度评定见表2。

表2输出100TΩ虚拟电阻的不确定度评定

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：包括高压分压模块、低阻量程模块，标准电流发生器，所述高压分压模块包括电压源、高压分压器、MCU、标准电阻模块、DA发生器和加法电路；所述MCU连接有无线通信模块；电压源产生的高压信号经过所述高压分压器的分压所得到的低压信号再经过AD转换变为数字信号，该数字信号传输至所述MCU经过处理后输出三路数字信号，三路数字信号分别被三路DA发生器转换为三路电压信号并进入所述加法电路，所述加法电路输出的信号一路经过所述标准电阻模块后输出，另一路经AD发生器转换后返回MCU进行自检。

2.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述低阻量程模块包括十进制电阻模块、与十进制电阻模块相连的步进电机以及与步进电机电连接的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器与MCU电连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述标准电流发生器包括DA发生器和标准电阻。

4.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于，所述低阻量程模块还包括阻尼电抗器，所述阻尼电抗器与十进制电阻模块串联。

5.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述无线通信模块连接有外部终端，MCU通过无线通信模块与外部终端进行数据交互。

6.根据权利要求5所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述无线通信模块为蓝牙模块。

7.根据权利要求5所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述外部终端为移动终端或上位机。

8.根据权利要求2所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述十进制电阻模块包括六个串联的可变电阻，每两个相邻可变电阻的最大阻值相差10倍。

9.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述高压分压器是准确度为0.01级的标准有源高压分压器。

10.根据权利要求1所述的一种高压高阻检定仪智能校准装置，其特征在于：所述高压分压器的分压比可在5000：1和500：1之间切换。