專利名稱：一種用于電參量精密測量的電路阻抗及電壓有源補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量電學參量(電流、電壓及阻抗)時對電路阻抗及電壓進行有源補償?shù)姆懂?，尤其適用于在工頻下的高精度電學參量測量的阻抗及電壓有源補償技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電學參量一般包括電流、電壓、功率、相位、電能等，在針對這些電學參量測量中，通常有直接測量和間接測量兩種方法:直接測量法是“不必測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的其他量，而能直接得到被測量值的一種測量方法”，也即是測量結(jié)果可以通過結(jié)果直接獲得的測量方法，例如運用電流表串接進入被測電流回路，便可直接測量得到回路的電流。間接測量法是指“通過測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的其他量，從而得到被測量值的一種測量方法”，也就是說，被測量的量值是通過其他量的測量，按一定函數(shù)關(guān)系計算出來的，例如同一回路電流、電壓和電阻遵循歐姆定律U=I*R，通過測量電流I和電阻R，便可計算得到電壓U。在對電學參量進行測量的過程中，測試結(jié)果都會受到各種因素(如溫濕度條件、電磁場影響、測試方法、測試儀器等)的影響，從而產(chǎn)生一定的測量誤差，測量誤差包括了系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類，系統(tǒng)誤差可以通過改進測試手段及方法來減小(例如測量電阻時，可通過四端接法來減小導線引入的誤差)，隨機誤差可通過多次測量求取平均(采用統(tǒng)計的方法)來減小。例如在圖1所示的電流測量回路中，通過間接測量的方法來測量回路中的電流，即通過測量得到了標準工頻電壓源Us的值和標準電阻Rs的值，則可通過歐姆定律I=U/R來確定回路電流I的值。但是如果要對回路電流I做精確的測量，就必須充分考慮測試過程中的所有的影響量，盡量消除測試過程中的測量誤差(系統(tǒng)誤差和隨機誤差)，減小測量誤差通常有主要兩種方法:
(I)減小測試回路中導線及其他相關(guān)器件的阻抗影響。由于任何導線及其他相關(guān)器件的均存在一定的阻抗，不可能無限減小，而且有時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一步優(yōu)化。所以此種方法在減小測量誤差的效果上受一定限制。(2)通過儀器測量出回路中導線及其他相關(guān)器件的等效電阻R1、等效電感L1及等效電容C1，在計算的過程中減去該部分的影響。由于回路中導線及其他相關(guān)器件的等效電阻R1、電感L1及電容C1本身量值很小，要做到對其的準確測量，需要運用準確度及等級要求很高的專用測量儀器。針對以上類似的問題，本發(fā)明提出了一種通過對電路阻抗及電壓進行有源補償?shù)姆椒?，在測量回路中加入本有源補償器，有效的減小測量過程中的測量誤差，實現(xiàn)對相關(guān)電學參量的精確測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對電流、電壓、阻抗等電學參量的緊密測量中，運用本發(fā)明的有源補償器方法對測量回路及回路的其他元器件的阻抗或電壓進行補償，有效的減小或消除測量回路及回路中的其他電氣元件對測量結(jié)果的影響，大大減小測量誤差，實現(xiàn)對被測電學參量的精確測量。本發(fā)明是通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)的。一種用于電參量精密測量的電路阻抗及電壓有源補償器，本發(fā)明電壓/電阻有源補償器包括一個運算放大器0P27及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個匹配電阻和線性直流電源；電壓/電阻有源補償器有兩個電壓輸入端和兩個電流輸出端；運算放大器0P27的反相輸入端與被補償電路的電流輸入高端相連；運算放大器0P27的同相輸入端與被補償電路的電流輸入低端相連，并接入大地；運算放大器0P27的負向工作電源接入運算放大器-15V線性直流電源，運算放大器0P27的正向工作電源接入運算放大器+15V線性直流電源；運算放大器0P27分別與匹配電阻的一端連接；運算放大器0P27的輸出同時接入確保運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/阻抗有源補償器的電流輸出信號的低端，接入測量用雙級電流互感器的低端。本發(fā)明具有的有益效果為，對于電流、電壓、阻抗等電學參量的緊密測量中，采用在測量回路中加入電壓/阻抗有源補償器的方法，減小或消除測量回路及回路中的其他電氣元件對測量結(jié)果的影響，確保被測電參量的準確可靠。電壓/阻抗有源補償器主體由運算放大器組成，主要利用運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，對被測器件以外的其他非被測元件和回路阻抗進行有效的補償。下面結(jié)合附圖及實例進一步闡述本發(fā)明內(nèi)容。


圖1為一般電流測量回路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明電壓/阻抗有源補償器的原理及其應(yīng)用示意圖。圖中標號說明:1、運算放大器0P27 ;2、運算放大器-15V線性直流電源；3、運算放大器+15V線性直流電源；4、運算放大器反相輸入端；5、運算放大器同相輸入端；6、電壓/阻抗有源補償器的電壓輸入高端；7、電壓/阻抗有源補償器的電壓輸入低端；8、運算放大器信號接地點；9、運算放大器輸出信號接地點；10、確保運算放大器正常工作的匹配電阻(使用718廠RII標準電阻)；11、確保運算放大器正常工作的匹配電阻(使用718廠RII標準電阻)；12、電壓/阻抗有源補償器的電流輸出低端；13、電壓/阻抗有源補償器的電流輸出高端；14、10ΚΩ標準電阻器，采用VHP202ZT系列；15、高穩(wěn)定標準電壓源；16、測量用雙級電流互感器。
具體實施例方式見圖2所示。一種用于電參量精密測量的電路阻抗及電壓有源補償器，本發(fā)明電壓/電阻有源補償器包括一個運算放大器0Ρ271及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個匹配電阻10、11和線性直流電源2、3 ;電壓/電阻有源補償器有兩個電壓輸入端6、7和兩個電流輸出端12、13 ;運算放大器0Ρ271的反相輸入端4與被補償電路的電流輸入高端相連；運算放大器0Ρ271的同相輸入端5與被補償電路的電流輸入低端相連，并接入大地7 ;運算放大器0Ρ271的負向工作電源接入運算放大器-15V線性直流電源2，運算放大器0Ρ271的正向工作電源接入運算放大器+15V線性直流電源3 ;運算放大器0P271分別與匹配電阻10、11的一端連接；運算放大器0P271的輸出同時接入確保運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/阻抗有源補償器的電流輸出信號的低端，接入測量用雙級電流互感器16的低端。電壓/電阻有源補償器的運算放大器(I)工作于線性狀態(tài)。本發(fā)明屬于一種測量電學參量(電流、電壓及阻抗)時對電路阻抗及電壓進行有源補償，從而實現(xiàn)對被測量進行精密測量的測量方法。具有以下特點。I)在測量回路中，采用有源補償?shù)姆椒?，對非被測量以外的其他器件或回路帶來的阻抗和電壓影響進行補償，減小測量誤差。2)利用運算放大器工作在線性區(qū)域內(nèi)的輸入端正反相端對電壓虛短路(即正反相端電位相同)的特性，將回路的標準電壓直接無損失的施加在被測標準元件(電阻)上，從而產(chǎn)生標準電流。3)利用運算放大器工作在線性區(qū)域內(nèi)的輸入端正反相端對電流虛開路(即正反相端之間無電流)的特性，將回路的標準電流直接無損的加在測量的雙級電流互感器上進行校準或測量。見圖2，該圖示出了電壓/阻抗有源補償器的原理及其應(yīng)用示意。圖中虛線框內(nèi)為本發(fā)明的電壓/阻抗有源補償器，該圖示意了如何應(yīng)用本發(fā)明，對回路的回路電阻及雙級電流互感器的阻抗和壓降進行補償，通過標準電阻和標準電壓以得到準確的標準電流。具體來說，運用歐姆定律I=U/R，如果已知了標準電壓和標準電阻，則可確定標準電流。圖1中高穩(wěn)定標準電壓源15產(chǎn)生的200V標準電壓施加于IOK Ω標準電阻器14上，從而可在回路中得到20mA的標準電流，此標準電流用于對測量用雙極電流互感器(16)進行校準和測量。若不采用本發(fā)明的補償方法，則需要將高穩(wěn)定標準電壓源15、10ΚΩ標準電阻器14和測量用雙極電流互感器16串接為同一電流回路，此時由于測量用雙極電流互感器16存在一定阻抗，形成一定壓降，則實際施加在IOK Ω標準電阻器14上的電壓要小于200V標準電壓，從而導致了實際回路電流值(通過測量用雙極電流互感器的電流)要小于標準電流值(20mA)，從而導致了測量誤差。采用本發(fā)明方法時，由于運算放大器0P27工作在線性區(qū)，運算放大器反相輸入端4和運算放大器同相輸入端5的電位相等，則高穩(wěn)定標準電壓源15無損失的施加在了IOK Ω標準電阻器14，從而回路中可得到20mA的標準電流。同樣由于運算放大器0P27工作在線性區(qū)，運算放大器反相輸入端4和運算放大器同相輸入端5之間對電流相當于開路，則20mA的標準回路電流無損失的全部通過測量用雙級電流互感器16。進而確保通過測量用雙級電流互感器6的實際電流為20mA的標準電流，保證了對測量用雙級電流互感器6進行校準和測量的準確性。另外，以上實施方式是在已知了標準電壓和電阻需確定標準電流的測試校準中說明。由歐姆定律可知，對于已知了標準電壓和電流需確定標準電阻，和已知了標準電流和電阻需確定標準電壓的情況下，本發(fā)明專利的補償方法同樣適用。
權(quán)利要求
1.一種用于電參量精密測量的電路阻抗及電壓有源補償器，其特征在于，電壓/電阻有源補償器包括一個運算放大器0P27 (I)及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個匹配電阻(IOUl)和線性直流電源(2、3 );電壓/電阻有源補償器有兩個電壓輸入端(6、7 )和兩個電流輸出端(12、13);運算放大器OP27 (I)的反相輸入端(4)與被補償電路的電流輸入高端相連；運算放大器OP27 (I)的同相輸入端(5)與被補償電路的電流輸入低端相連，并接入大地(7);運算放大器OP27 (I)的負向工作電源接入運算放大器-15V線性直流電源(2)，運算放大器OP27 (I)的正向工作電源接入運算放大器+15V線性直流電源(3);運算放大器OP27 (I)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/阻抗有源補償器的電流輸出信號的低端，接入測量用雙級電流互感器(16)的低端。
全文摘要
一種用于電參量精密測量的電路阻抗及電壓有源補償器，本發(fā)明電壓/電阻有源補償器包括一個運算放大器OP27(1)及保持其處于線性工作狀態(tài)的兩個匹配電阻(10、11)和線性直流電源(2、3)；電壓/電阻有源補償器有兩個電壓輸入端(6、7)和兩個電流輸出端(12、13)。本發(fā)明的目的在于針對電流、電壓、阻抗等電學參量的緊密測量中，運用本發(fā)明的有源補償器方法對測量回路及回路的其他元器件的阻抗或電壓進行補償，有效的減小或消除測量回路及回路中的其他電氣元件對測量結(jié)果的影響，大大減小測量誤差，實現(xiàn)對被測電學參量的精確測量。
文檔編號G01R15/00GK103197109SQ201310057020
公開日2013年7月10日 申請日期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 申請人:云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院, 云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司