專利名稱：一種用于電參量精密測(cè)量的電路阻抗及電壓有源補(bǔ)償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測(cè)量電學(xué)參量(電流、電壓及阻抗)時(shí)對(duì)電路阻抗及電壓進(jìn)行有源補(bǔ)償?shù)姆懂?，尤其適用于在工頻下的高精度電學(xué)參量測(cè)量的阻抗及電壓有源補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電學(xué)參量一般包括電流、電壓、功率、相位、電能等，在針對(duì)這些電學(xué)參量測(cè)量中，通常有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法:直接測(cè)量法是“不必測(cè)量與被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他量，而能直接得到被測(cè)量值的一種測(cè)量方法”，也即是測(cè)量結(jié)果可以通過結(jié)果直接獲得的測(cè)量方法，例如運(yùn)用電流表串接進(jìn)入被測(cè)電流回路，便可直接測(cè)量得到回路的電流。間接測(cè)量法是指“通過測(cè)量與被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他量，從而得到被測(cè)量值的一種測(cè)量方法”，也就是說，被測(cè)量的量值是通過其他量的測(cè)量，按一定函數(shù)關(guān)系計(jì)算出來(lái)的，例如同一回路電流、電壓和電阻遵循歐姆定律U=I*R，通過測(cè)量電流I和電阻R，便可計(jì)算得到電壓U。在對(duì)電學(xué)參量進(jìn)行測(cè)量的過程中，測(cè)試結(jié)果都會(huì)受到各種因素(如溫濕度條件、電磁場(chǎng)影響、測(cè)試方法、測(cè)試儀器等)的影響，從而產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差，測(cè)量誤差包括了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類，系統(tǒng)誤差可以通過改進(jìn)測(cè)試手段及方法來(lái)減小(例如測(cè)量電阻時(shí)，可通過四端接法來(lái)減小導(dǎo)線引入的誤差)，隨機(jī)誤差可通過多次測(cè)量求取平均(采用統(tǒng)計(jì)的方法)來(lái)減小。例如在圖1所示的電流測(cè)量回路中，通過間接測(cè)量的方法來(lái)測(cè)量回路中的電流，即通過測(cè)量得到了標(biāo)準(zhǔn)工頻電壓源Us的值和標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的值，則可通過歐姆定律I=U/R來(lái)確定回路電流I的值。但是如果要對(duì)回路電流I做精確的測(cè)量，就必須充分考慮測(cè)試過程中的所有的影響量，盡量消除測(cè)試過程中的測(cè)量誤差(系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差)，減小測(cè)量誤差通常有主要兩 種方法:(I)減小測(cè)試回路中導(dǎo)線及其他相關(guān)器件的阻抗影響。由于任何導(dǎo)線及其他相關(guān)器件的均存在一定的阻抗，不可能無(wú)限減小，而且有時(shí)回路中的某些器件由于其它特殊用途，在阻抗方面不能做進(jìn)一步優(yōu)化。所以此種方法在減小測(cè)量誤差的效果上受一定限制。(2)通過儀器測(cè)量出回路中導(dǎo)線及其他相關(guān)器件的等效電阻R1、等效電感L1及等效電容C1，在計(jì)算的過程中減去該部分的影響。由于回路中導(dǎo)線及其他相關(guān)器件的等效電阻R1、電感L1及電容C1本身量值很小，要做到對(duì)其的準(zhǔn)確測(cè)量，需要運(yùn)用準(zhǔn)確度及等級(jí)要求很高的專用測(cè)量?jī)x器。針對(duì)以上類似的問題，本實(shí)用新型提出了一種通過對(duì)電路阻抗及電壓進(jìn)行有源補(bǔ)償?shù)姆椒?，在測(cè)量回路中加入本有源補(bǔ)償器，有效的減小測(cè)量過程中的測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)電學(xué)參量的精確測(cè)量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)電流、電壓、阻抗等電學(xué)參量的緊密測(cè)量中，運(yùn)用本實(shí)用新型的有源補(bǔ)償器方法對(duì)測(cè)量回路及回路的其他元器件的阻抗或電壓進(jìn)行補(bǔ)償，有效的減小或消除測(cè)量回路及回路中的其他電氣元件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大大減小測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電學(xué)參量的精確測(cè)量。本實(shí)用新型是通過下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種用于電參量精密測(cè)量的電路阻抗及電壓有源補(bǔ)償器，本實(shí)用新型電壓/電阻有源補(bǔ)償器包括一個(gè)運(yùn)算放大器0P27及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個(gè)匹配電阻和線性直流電源；電壓/電阻有源補(bǔ)償器有兩個(gè)電壓輸入端和兩個(gè)電流輸出端；運(yùn)算放大器0P27的反相輸入端與被補(bǔ)償電路的電流輸入高端相連；運(yùn)算放大器0P27的同相輸入端與被補(bǔ)償電路的電流輸入低端相連，并接入大地；運(yùn)算放大器0P27的負(fù)向工作電源接入運(yùn)算放大器-15V線性直流電源，運(yùn)算放大器0P27的正向工作電源接入運(yùn)算放大器+15V線性直流電源；運(yùn)算放大器0P27分別與匹配電阻的一端連接；運(yùn)算放大器0P27的輸出同時(shí)接入確保運(yùn)算放大器正常工作的匹配電阻；匹配電阻的另一端接地；匹配電阻的另一端作為電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電流輸出信號(hào)的低端，接入測(cè)量用雙級(jí)電流互感器的低端。本實(shí)用新型具有的有益效果為，對(duì)于電流、電壓、阻抗等電學(xué)參量的緊密測(cè)量中，采用在測(cè)量回路中加入電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的方法，減小或消除測(cè)量回路及回路中的其他電氣元件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，確保被測(cè)電參量的準(zhǔn)確可靠。電壓/阻抗有源補(bǔ)償器主體由運(yùn)算放大器組成，主要利用運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域輸入阻抗高、輸出阻抗小，從而可等同于虛短路、虛開路的典型特征，對(duì)被測(cè)器件以外的其他非被測(cè)元件和回路阻抗進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
以下結(jié)合附圖及實(shí)例進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型內(nèi)容。

圖1為一般電流測(cè)量回路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的原理及其應(yīng)用示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說明:1、運(yùn)算放大器0P27 ;2、運(yùn)算放大器-15V線性直流電源；3、運(yùn)算放大器+15V線性直流電源；4、運(yùn)算放大器反相輸入端；5、運(yùn)算放大器同相輸入端；6、電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電壓輸入高端；7、電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電壓輸入低端；8、運(yùn)算放大器信號(hào)接地點(diǎn)；9、運(yùn)算放大器輸出信號(hào)接地點(diǎn)；10、確保運(yùn)算放大器正常工作的匹配電阻(使用718廠RII標(biāo)準(zhǔn)電阻)；11、確保運(yùn)算放大器正常工作的匹配電阻(使用718廠RII標(biāo)準(zhǔn)電阻)；12、電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電流輸出低端；13、電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電流輸出高端；14、10ΚΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻器，采用VHP202ZT系列；15、高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓源；16、測(cè)量用雙級(jí)電流互感器。
具體實(shí)施方式
見圖2所示。一種用于電參量精密測(cè)量的電路阻抗及電壓有源補(bǔ)償器，本實(shí)用新型電壓/電阻有源補(bǔ)償器包括一個(gè)運(yùn)算放大器0Ρ271及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個(gè)匹配電阻10、11和線性直流電源2、3 ;電壓/電阻有源補(bǔ)償器有兩個(gè)電壓輸入端6、7和兩個(gè)電流輸出端12、13 ;運(yùn)算放大器0Ρ271的反相輸入端4與被補(bǔ)償電路的電流輸入高端相連；運(yùn)算放大器0Ρ271的同相輸入端5與被補(bǔ)償電路的電流輸入低端7相連，并接入大地；運(yùn)算放大器0P271的負(fù)向工作電源接入運(yùn)算放大器-15V線性直流電源2，運(yùn)算放大器0P271的正向工作電源接入運(yùn)算放大器+15V線性直流電源3 ;運(yùn)算放大器0P271分別與匹配電阻IOUl的一端連接；運(yùn)算放大器OP271的輸出同時(shí)接入確保運(yùn)算放大器正常工作的匹配電阻10、11 ;匹配電阻10的另一端接地；匹配電阻11的另一端作為電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電流輸出信號(hào)的低端，接入測(cè)量用雙級(jí)電流互感器16的低端。電壓/電阻有源補(bǔ)償器的運(yùn)算放大器(I)工作于線性狀態(tài)。本實(shí)用新型屬于一種測(cè)量電學(xué)參量(電流、電壓及阻抗)時(shí)對(duì)電路阻抗及電壓進(jìn)行有源補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行精密測(cè)量的測(cè)量方法。具有以下特點(diǎn)。I)在測(cè)量回路中，采用有源補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?duì)非被測(cè)量以外的其他器件或回路帶來(lái)的阻抗和電壓影響進(jìn)行補(bǔ)償，減小測(cè)量誤差。2)利用運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域內(nèi)的輸入端正反相端對(duì)電壓虛短路(即正反相端電位相同)的特性，將回路的標(biāo)準(zhǔn)電壓直接無(wú)損失的施加在被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)元件(電阻)上，從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電流。3)利用運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域內(nèi)的輸入端正反相端對(duì)電流虛開路(即正反相端之間無(wú)電流)的特性，將回路的標(biāo)準(zhǔn)電流直接無(wú)損的加在測(cè)量的雙級(jí)電流互感器上進(jìn)行校準(zhǔn)或測(cè)量。見圖2，該圖示出了電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的原理及其應(yīng)用示意。圖中虛線框內(nèi)為本實(shí)用新型的電壓/阻抗有源補(bǔ)償器，該圖示意了如何應(yīng)用本實(shí)用新型，對(duì)回路的回路電阻及雙級(jí)電流互感器的阻抗和壓降進(jìn)行補(bǔ)償，通過標(biāo)準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電壓以得到準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)電流。具體來(lái)說，運(yùn)用歐姆定律I=U/R，如果已知了標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電阻，則可確定標(biāo)準(zhǔn)電流。圖1中高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓源15產(chǎn)生的200V標(biāo)準(zhǔn)電壓施加于IOK Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻器14上，從而可在回路中得到20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，此標(biāo)準(zhǔn)電流用于對(duì)測(cè)量用雙極電流互感器(16)進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量。
·[0022]若不采用本實(shí)用新型的補(bǔ)償方法，則需要將高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓源15、10ΚΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻器14和測(cè)量用雙極電流互感器16串接為同一電流回路，此時(shí)由于測(cè)量用雙極電流互感器16存在一定阻抗，形成一定壓降，則實(shí)際施加在10ΚΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻器14上的電壓要小于200V標(biāo)準(zhǔn)電壓，從而導(dǎo)致了實(shí)際回路電流值(通過測(cè)量用雙極電流互感器的電流)要小于標(biāo)準(zhǔn)電流值(20mA)，從而導(dǎo)致了測(cè)量誤差。采用本實(shí)用新型方法時(shí)，由于運(yùn)算放大器0P27工作在線性區(qū)，運(yùn)算放大器反相輸入端4和運(yùn)算放大器同相輸入端5的電位相等，則高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓源15無(wú)損失的施加在了IOKΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻器14，從而回路中可得到20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流。同樣由于運(yùn)算放大器0P27工作在線性區(qū)，運(yùn)算放大器反相輸入端4和運(yùn)算放大器同相輸入端5之間對(duì)電流相當(dāng)于開路，則20mA的標(biāo)準(zhǔn)回路電流無(wú)損失的全部通過測(cè)量用雙級(jí)電流互感器16。進(jìn)而確保通過測(cè)量用雙級(jí)電流互感器6的實(shí)際電流為20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，保證了對(duì)測(cè)量用雙級(jí)電流互感器6進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外，以上實(shí)施方式是在已知了標(biāo)準(zhǔn)電壓和電阻需確定標(biāo)準(zhǔn)電流的測(cè)試校準(zhǔn)中說明。由歐姆定律可知，對(duì)于已知了標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流需確定標(biāo)準(zhǔn)電阻，和已知了標(biāo)準(zhǔn)電流和電阻需確定標(biāo)準(zhǔn)電壓的情況下，本實(shí)用新型專利的補(bǔ)償方法同樣適用。
權(quán)利要求1.一種用于電參量精密測(cè)量的電路阻抗及電壓有源補(bǔ)償器，其特征在于，電壓/電阻有源補(bǔ)償器包括一個(gè)運(yùn)算放大器0P27 (1)及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個(gè)匹配電阻(IOUl)和線性直流電源(2、3 );電壓/電阻有源補(bǔ)償器有兩個(gè)電壓輸入端(6、7 )和兩個(gè)電流輸出端(12、13);運(yùn)算放大器OP27 (1)的反相輸入端(4)與被補(bǔ)償電路的電流輸入高端相連；運(yùn)算放大器OP27 (1)的同相輸入端(5)與被補(bǔ)償電路的電流輸入低端(7)相連，并接入大地；運(yùn)算放大器OP27 1)的負(fù)向工作電源接入運(yùn)算放大器-15V線性直流電源(2)，運(yùn)算放大器OP27 (1)的正向工作電源接入運(yùn)算放大器+15V線性直流電源(3);運(yùn)算放大器OP27 (1)分別與匹配電阻(10、11)的一端連接；匹配電阻(10)的另一端接地；匹配電阻(11)的另一端作為電壓/阻抗有源補(bǔ)償器的電流輸出信號(hào)的低端，接入測(cè)量用雙級(jí)電流互感器(16) 的低端。
專利摘要一種用于電參量精密測(cè)量的電路阻抗及電壓有源補(bǔ)償器，本實(shí)用新型電壓/電阻有源補(bǔ)償器包括一個(gè)運(yùn)算放大器OP27(1)及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個(gè)匹配電阻(10、11)和線性直流電源(2、3)；電壓/電阻有源補(bǔ)償器有兩個(gè)電壓輸入端(6、7)和兩個(gè)電流輸出端(12、13)。本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)電流、電壓、阻抗等電學(xué)參量的緊密測(cè)量中，運(yùn)用本實(shí)用新型的有源補(bǔ)償器方法對(duì)測(cè)量回路及回路的其他元器件的阻抗或電壓進(jìn)行補(bǔ)償，有效的減小或消除測(cè)量回路及回路中的其他電氣元件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大大減小測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電學(xué)參量的精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R15/00GK203101469SQ20132008255
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者曹敏, 李波, 畢志周, 李毅, 周至剛, 霍艷平, 葉小雪, 肖元強(qiáng) 申請(qǐng)人:云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院, 云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司