專利名稱：一種電功率測(cè)量方法及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電功率的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
交流電功率定義為一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)功率的平均值P=1T∫0Tu(t)i(t)dt.]]>交流電功率的單位為瓦特，為導(dǎo)出單位。目前測(cè)量交流電功率的測(cè)量方法很多，大部分是利用各種乘法電路實(shí)現(xiàn)電壓與電流的乘積或者電壓與分流器電壓的乘積，主要包括以下幾種(1)電動(dòng)系指針功率表是利用兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)作用力矩與線圈中的電流乘積成正比的關(guān)系實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量的；(2)時(shí)分割法功率測(cè)量是利用幅值調(diào)制與脈寬調(diào)制方法，在微分時(shí)段上，幅值與時(shí)間相乘再積分的方法測(cè)量平均功率的；(3)數(shù)值采樣法是利用A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓和電流瞬時(shí)數(shù)值，經(jīng)過離散的數(shù)學(xué)公式P=1NΣi=0N-1ui·ii]]>計(jì)算電功率的；(4)熱電比較法是在電阻器上分別通過交流電流和直流電流，發(fā)熱引起溫升由熱電偶的熱電勢(shì)相比較，實(shí)現(xiàn)交流電功率與直流電功率比較的方法，交直流功率比較法有多種電路形式，但是都利用公式(a+b)2-(a-b)2＝4ab來計(jì)算電壓與電流的乘積；(5)利用交流電壓有效值測(cè)量的溯源性還可以采用公式ab=12[(a+b)2-a2-b2]]]>測(cè)量三個(gè)有效值，再計(jì)算電功率；(6)另外對(duì)于正弦交流電也可以分別測(cè)量電壓有效值、電流有效值和相位差采用公式P＝UIcosφ計(jì)算電功率；(7)功率電流比較儀法是利用電阻器和電容器將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成同相和正交的電流，調(diào)節(jié)同相和正交的電流線圈匝數(shù)，使其分流電流安匝數(shù)之和與被測(cè)電流安匝數(shù)在磁環(huán)中獲得磁勢(shì)平衡，于是利用公式UI=1NX(NRU2R±jNCU2ωC)]]>中的電阻值R、電容值C和電壓有效值U來計(jì)算電功率的方法；(8)電流節(jié)點(diǎn)法與上述功率電流比較儀方法類似，也是利用電阻器和電容器將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成同相和正交的電流，使這兩路電流與被測(cè)電流匯聚到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)電阻和電容，當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)地電位為零時(shí)，三條支路電流之和為零，不用直接測(cè)量電流獲得公式UI=(U2R±jU2ωC),]]>利用公式中的電阻值R、電容值C和電壓有效值U來計(jì)算電功率的方法；(9)G¨unther Ramm，Harald Moser，and Andreas Braun，A New Scheme for Generating andMeasuring ActiVe，Reactive，and Apparent Power at Power Frequencies withUncertainties of 2×10-6，IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATIONAND MEASUREMENT，VOL.48，NO.2，APRIL 1999，開公了一種離散傅立葉變換DFT法，該方法是利用數(shù)據(jù)采集獲得的電壓電流信號(hào)數(shù)字序列經(jīng)過DFT變換計(jì)算出被測(cè)電流比電壓的同相和正交分量，即復(fù)數(shù)導(dǎo)納Y，再與電壓有效值Udvm計(jì)算，獲得電功率的方法，視在功率S＝(Udvm)2|Y|，有功功率P＝(Udvm)2Re{Y}，無功功率Q＝(Udvm)2Im{Y}，這種方法的測(cè)量頻率只在45Hz～65Hz范圍內(nèi)，不能提高到更高的頻率。
目前，上述各種方法廣泛使用在工程測(cè)量和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上，設(shè)計(jì)出了各種各樣的測(cè)量儀器，但大部分只適用于45Hz～1kHz頻率范圍。由于電子元器件水平的限制，上述各方法提高測(cè)量準(zhǔn)確度，以及提高測(cè)量頻率難度很大，尤其在400Hz以上。因此，目前在測(cè)量頻率提高的情況下，高準(zhǔn)確度的電功率測(cè)量仍是尚未解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量頻率高，且測(cè)量簡(jiǎn)單易行的電功率測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，它在10Hz～1MHz頻率范圍內(nèi)可以溯源到交流電壓有效值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以及阻抗計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或交流電壓比例計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上，最佳測(cè)量不確定度可以達(dá)到1×10-4。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種電功率測(cè)量方法，將電功率測(cè)量分為兩種類型的測(cè)量，即有效值測(cè)量和復(fù)相量比例測(cè)量，其步驟如下(1)將視在功率 與電壓相量和電流相量 的關(guān)系分解為S·=U··I·=U·I··I··I·=|Z|ejφ·|I|2=|Z|(cosφ+jsinφ)|I|2]]>或者S·=I··U·=I·U··U··U·=|Y|e-jφ·|U|2=|Y|(cosφ-jsinφ)|U|2,]]>其中|U|2是電壓有效值的平方，|I|2是電流有效值的平方，φ是電壓相量與電流相量的相位差，|Z|(cosφ+jsinφ)表示電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值，|Y|(cosφ-jsinφ)表示電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值；(2)測(cè)量上述電壓的有效值U或電流的有效值I，并計(jì)算其平方，即U2或I2；根據(jù)被測(cè)對(duì)象和測(cè)量條件選擇其一；(3)測(cè)量電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值|Y|(cosφ-jsinφ)，或測(cè)量電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值|Z|(cosφ+jsinφ)；(4)把電壓有效值的平方或電流有效值的平方與所測(cè)量的復(fù)相量比值相乘，乘積的實(shí)部為有功功率P＝U2|Y|cosφ或P＝I2|Z|cosφ、虛部為無功功率Q＝U2|Y|sinφ或Q＝I2|Z|sinφ、復(fù)相量相位差為功率因數(shù)角φ=tan-1QP,]]>其特征在于上述步驟(3)的電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值或電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值的測(cè)量采用正交分解比例法。
所述的正交分解比例法的步驟為a.首先進(jìn)行正交分解，將一個(gè)被測(cè)電壓U1分別與兩路同頻率、相位相差90°、并且幅值相等的參考正弦電壓相乘后，再分別經(jīng)過積分得到被測(cè)電壓U1的同相分量和正交分量，該兩分量均為直流電壓，分別代表被測(cè)電壓U1的相量投影到參考坐標(biāo)的實(shí)部U1a和虛部U1b，乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算后，構(gòu)成一路正交分解通道，U1的正交分解過程可以在同一個(gè)正交分解通道內(nèi)分時(shí)進(jìn)行，也可以在兩路正交分解通道(通道A、通道B)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。
b.將電流轉(zhuǎn)換后的另一被測(cè)電壓U2分別與上述兩路同頻率、相位相差90°、并且幅值相等的參考正弦電壓相乘后，再分別經(jīng)過積分得到被測(cè)電壓U2的同相分量和正交分量，該兩分量均是直流電壓，分別代表被測(cè)電壓U2的相量投影到參考坐標(biāo)的實(shí)部U2a和虛部U2b，U2的正交分解過程可以在同一個(gè)正交分解通道內(nèi)分時(shí)進(jìn)行，也可以在通道A、通道B兩路正交分解通道內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。
c.上述兩個(gè)電壓U1和U2的復(fù)相量比例公式為U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b,]]>把復(fù)數(shù)比例公式的分子和分母上同時(shí)除以直流電壓UMAX，得到如下公式
U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b=U1aUMAX+jU1bUMAXU2aUMAX+jU2bUMAX---(1)]]>選擇U1a，U1b，U2a，U2b中絕對(duì)值最大的作為UMAX，其中U1a，U1b，U2a，U2b分別代表U1和U2的相量的實(shí)部和虛部；d.測(cè)量直流電壓比例U1aUMAX,U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>并代入步驟(c)的公式(1)中，經(jīng)過計(jì)算得到U1與U2的復(fù)相量的比例值U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b,]]>或者計(jì)算其倒數(shù)得到U2與U1的復(fù)相量的比例值U·2U·1=U2a+jU2bU1a+jU1b.]]>上述的步驟(d)的測(cè)量直流電壓比例采用雙斜積分比例測(cè)量法，其具體步驟如下(i)將U1和U2的實(shí)部和虛部這4個(gè)直流電壓U1a，U1b，U2a，U2b分別通過雙斜積比例分器進(jìn)行兩兩比較，得出最大絕對(duì)值的電壓UMAX，再次積分時(shí)均以此電壓作為分母；(ii)以U1a作為分子進(jìn)行定時(shí)積分，積分時(shí)間T1，再對(duì)-UMAX為分母反向積分，當(dāng)積分器輸出電壓過零點(diǎn)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，反向積分時(shí)間T2，得到雙向積分的比值T2T1=U1aUMAX=x1,]]>同理，得到U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX.]]>為了消除雙斜積分直流比例測(cè)量中過零點(diǎn)電壓造成的測(cè)量偏差，在上述的步驟(ii)得到的直流電壓比例值后再進(jìn)行互易測(cè)量，即互易積分方向，其步驟為①對(duì)-U1a進(jìn)行定時(shí)積分，積分時(shí)間T1，再對(duì)UMAX向積分，當(dāng)積分器輸出電壓過零點(diǎn)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，反向積分時(shí)間T’2，得到直流電壓比例為T2′T1=x2;]]>②將互易積分方向前后的兩次測(cè)量結(jié)果取平均值得到最終雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果U1aUMAX=12(T2+T2′T1)=x1+x22,]]>同理，得到消除了測(cè)量偏差的直流電壓比例U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX.]]>
為了消除正交分解通道中乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算的增益影響，在所述的步驟(4)后再進(jìn)行互易正交分解通道的測(cè)量，即將所述步驟(1)和步驟(2)中的兩個(gè)正交分解通道，通道A和通道B，進(jìn)行互易，再重復(fù)進(jìn)行雙斜積分比例測(cè)量，其計(jì)算方式為兩路正交分解通道中，通道A的增益為KA，通道B的增益為KB，被測(cè)電壓U1經(jīng)過通道A正交分解后得到KAU1a，被測(cè)電壓U2經(jīng)過通道B正交分解后得到KBU2a，再經(jīng)過雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果為KAU1aKBU2a=TABT1,]]>互易正交分解通道后，使被測(cè)電壓U1經(jīng)過通道B正交分解后得到KBU1a，被測(cè)電壓U2經(jīng)過通道A正交分解后得到KAU2a，再經(jīng)過雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果為KBU1aKAU2a=TBAT1,]]>則計(jì)算互易正交分解通道前后的測(cè)量結(jié)果的幾何平均值為TABBAT1=TABT1·TBAT1=U1aU2a,]]>取該幾何平均值作為最終計(jì)算結(jié)果，其中TAB和TBA分別為互易正交分解通道前后雙斜積分過程中的反向積分時(shí)間，T1代表定時(shí)積分時(shí)間。
一種電功率測(cè)量裝置，其特點(diǎn)在于包括交流電壓有效值測(cè)量裝置、交流電壓比例器、交流電流分流器、正交分解比例器，被測(cè)的交流電壓U經(jīng)過測(cè)量交流電壓有效值的裝置得到被測(cè)電壓的有效值U，計(jì)算其平方U2，被測(cè)的交流電壓U再經(jīng)過交流電壓比例器獲得電壓U1＝kU，其中k為交流電壓比例器的比例系數(shù)，被測(cè)的交流電流I經(jīng)過交流電流分流器轉(zhuǎn)換成電壓U2＝I/G，其中G為交流電流分流器的電導(dǎo)值，U1和U2兩個(gè)電壓經(jīng)過正交分解比例器測(cè)量，得到復(fù)相量比值2/1＝Y(jié)R+jYX，比值的實(shí)部YR，比值的虛部YX，與被測(cè)電壓的有效值的平方U2相乘，并與交流電壓比例器的k和交流電流分流器的G相乘后，得到有功功率P＝kGU2YR，無功功率Q＝kGU2YX，功率因數(shù)角φ=tan-1QP;]]>或者，交流電壓有效值測(cè)量裝置從交流電流分流器G上測(cè)量交流電壓U2，計(jì)算被測(cè)交流電流有效值I＝GU2，計(jì)算其平方I2，正交分解比例器測(cè)量U1與U2復(fù)相量比值1/2＝ZR+jZX，比值的實(shí)部ZR，比值的虛部ZX，并與k和G相乘后，得到有功功率P=1kGI2ZR,]]>無功功率Q=1kGI2ZX,]]>功率因數(shù)角φ=tan-1QP.]]>所述的正交分解比例器有兩個(gè)正交分解通道通道A和通道B，分別接在雙斜積分比例器上，通過選擇開關(guān)S1選擇其一，每個(gè)正交分解通道由差分放大器、可選擇0°，90°，180°，270°初相位數(shù)字波形的數(shù)字波形乘法器、積分器依次串接組成，被測(cè)電壓U1與U2分別經(jīng)過選擇開關(guān)S2和S3接入通道A和通道B中的任一路，由通道A和通道B輸出的直流電壓為Ud和Uc，選擇S2和S3開關(guān)方向以及選擇數(shù)字波形相位可以使Ud和Uc等于U1a，U1b，U2a，U2b中的任意值，雙斜積分比例器進(jìn)行Ud和Uc比值測(cè)量，得到直流電壓比例值U1aUMAX,U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>其中U1a，U1b，U2a，U2b分別代表U1和U2的相量的實(shí)部和虛部，UMAX是U1a，U1b，U2a，U2b中絕對(duì)值最大的電壓。
所述的數(shù)字波形乘法器的同步f0信號(hào)和地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信f1及雙斜積分器的同步信f0號(hào)和測(cè)量用的時(shí)鐘信f2均由鎖相倍頻電路提供，鎖相倍頻電路跟蹤被測(cè)電壓信號(hào)的頻率。
所述的數(shù)字波形乘法器電路包括數(shù)字波存儲(chǔ)器、地址計(jì)數(shù)器、乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、相位選擇鎖存器，被測(cè)交流電壓接入乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的參考電壓輸入端，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線接入乘法器型D/A的數(shù)據(jù)輸入總線上，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的地址總線由地址計(jì)數(shù)器提供，地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘來自鎖相倍頻電路f1，相位選擇鎖存器由CPU控制，用于選擇數(shù)字波形存儲(chǔ)器中初相位為0°，90°，180°，270°的數(shù)字波形，乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸出電壓由運(yùn)算放大器輸出，輸出信號(hào)即為被測(cè)電壓與數(shù)字波形的乘積。
所述的雙斜積分比例器包括輸入選擇開關(guān)S1，輸入電阻R和反饋電容C和運(yùn)算放大器A1組成的積分電路，清零開關(guān)S4，過零比較器A2，邏輯門電路，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，積分觸發(fā)器，正負(fù)溢出比較器，正交通道中的積分器輸出的直流電壓Ud和Uc經(jīng)過輸入選擇開關(guān)S1接入由輸入電阻R和反饋電容C和運(yùn)算放大器A1組成的積分電路的輸入端，清零開關(guān)S4與輸入電容C并接，同時(shí)由積分觸發(fā)器的輸出信號(hào)控制，積分觸發(fā)器受CPU和來自鎖相倍頻器的同步時(shí)鐘信號(hào)f0控制；過零比較器A2的兩個(gè)高阻抗輸入端接電容器C的兩級(jí)，過零比較器A2的輸出接邏輯門電路，邏輯門電路判斷過零事件的發(fā)生，其輸出接測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2和定時(shí)計(jì)數(shù)器N1對(duì)時(shí)鐘信f2計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器N1輸出邏輯電平接入CPU，同時(shí)也輸出到測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1和測(cè)量計(jì)數(shù)器N2通過串行或并行數(shù)據(jù)線與CPU連接，可由CPU設(shè)定和讀取計(jì)數(shù)值；正負(fù)溢出比較器接在運(yùn)算放大器A1的輸出端，監(jiān)視運(yùn)算放大器A1的輸出電壓u0(t)，并判斷u0(t)是否在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，其輸出邏輯電平接入CPU。
本發(fā)明的原理利用視在功率S與電壓相量U和電流相量/的關(guān)系，分析得到S·=U··I·=U·I··I··I·=|Z|ejφ·|I|2=|Z|(cosφ+jsinφ)|I|2]]>或者S·=I··U·=I·U·U··U·=|Y|e-jφ·|U|2=|Y|(cosφ-jsinφ)|U|2;]]>其中|U|2是電壓有效值的平方，|I|2是電流有效值的平方，可以用交流電壓表直接測(cè)量有效值，或者與交流分流器組合測(cè)量得到電流有效值，能溯源到交流電壓標(biāo)準(zhǔn)上；φ是電壓相量與電流相量的相位差，|Z|(cosφ+jsinφ)表示電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值，反之，|Y|(cosφ-jsinφ)表示電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值，均能利用正交分解比例法測(cè)量，且能溯源到阻抗計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上或交流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)上。
上述是頻域的原理，利用三角公式變換也可以在時(shí)域中證明本方法的基本原理假設(shè)交流電壓為u(t)＝Umsin(ωt+θ)，交流電流為i(t)＝Imsin(ωt)，則有功功率P=1T∫0Tu(t)i(t)dt=1T∫0TUmsin(ωt+θ)Imsin(ωt)dt]]>=ImUm1T∫0TUm2[sin(ωt)cosθ+cos(ωt)sinθ]sin(ωt)dt]]>=ImUm[cosθ1T∫0TUm2sin2(ωt)dt+sinθ1T∫0TUm2cos(ωt)sin(ωt)dt]]]>=ImUmcosθ·U2rms]]>上式中第二項(xiàng)積分為零，有功功率等于電壓有效值平方U2rms乘以電流與電壓相量比值的實(shí)部 同理還可以推導(dǎo)出P=UmImcosθ·I2rms,]]>其中θ是電壓與電流相位差。
正交分解比例器將用于測(cè)量復(fù)相量比值得到比例的實(shí)部和虛部。至于使用電壓有效值|U|2還是使用電流有效值|I|2，要根據(jù)不同的電壓、電流測(cè)量范圍及其測(cè)量準(zhǔn)確度，選取最準(zhǔn)確的且容易實(shí)現(xiàn)的測(cè)量途徑，而正交分解比例的測(cè)量方法是一樣的，復(fù)數(shù)比例測(cè)量結(jié)果為分子的實(shí)部、分子的虛部、分母的實(shí)部、分母的虛部，編制計(jì)算程序可計(jì)算復(fù)數(shù)比值，以及其倒數(shù)。
正交分解比例法是測(cè)量復(fù)相量比例的方法，利用頻率相同的同相參考電壓ura(t)＝sin(ωt+0°)和正交參考電壓urb(t)＝sin(ωt+90°)乘以被測(cè)電壓ux(t)＝Umsin(ωt+φ)，再經(jīng)過積分器，可以得到平均值，它是直流電壓，分別代表被測(cè)電壓相量x投影到參考相量坐標(biāo)的實(shí)部Uxa和虛部Uxb直流電壓比例便于測(cè)量，降低了硬件設(shè)計(jì)難度 欲測(cè)量1＝U1a+jU1b與2＝U2a+jU2b復(fù)相量比值，需分別將分子和分母的相量投影到參考相量坐標(biāo)，再經(jīng)過雙斜積分比例器獲得比值，通過數(shù)值計(jì)算得到復(fù)相量比例U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b.]]>為了能夠通過計(jì)算機(jī)編程來計(jì)算，將復(fù)相量比例的實(shí)部計(jì)算公式變?yōu)镽e[U1a+jU1bU2a+jU2b]=U1aU2a+U1bU2bU2a2+U2b2]]>復(fù)相量比例的虛部計(jì)算公式變?yōu)镮m[U1a+jU1bU2a+jU2b]=U1aU2b-U1bU2aU2a2+U2b2]]>復(fù)相量比例的相角計(jì)算公式變?yōu)?amp;theta;=arctan[U1aU2b-U1bU2aU1aU2a+U1bU2b]]]>一種電功率的測(cè)量裝置，其特征在于包括同步標(biāo)準(zhǔn)功率源、交流電壓有效值測(cè)量裝置、數(shù)字電橋、計(jì)算機(jī)，同步標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的被測(cè)電壓U經(jīng)過測(cè)量交流電壓有效值的裝置后，將測(cè)得的交流電壓U有效值輸入至計(jì)算機(jī)中；同步標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的被測(cè)電流I，經(jīng)過交流電阻分流器G獲得與交流電流成比例的電壓為UI=IG,]]>G是分流器的電導(dǎo)值，此電壓輸入至數(shù)字電橋的電壓測(cè)量端PH-PL，同步標(biāo)準(zhǔn)功率源的電壓輸出端與數(shù)字電橋的電流測(cè)量輸入端IL之間加入交流電阻R，IL端是數(shù)字電橋的虛地點(diǎn)，則被測(cè)電壓U通過該交流電阻R，其電流U/R流入數(shù)字電橋的IL端，數(shù)字電橋上顯示的交流電阻為阻抗的實(shí)部讀數(shù)Rx=UIIUcosφ,]]>數(shù)字電橋上顯示的復(fù)導(dǎo)納為虛部讀數(shù)Xx=UIIUsin(-φ),]]>將上述兩值送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，與被測(cè)電壓的有效值的平方U2相乘，再與交流電阻R和交流電流分流器G相除后得到有功功率為P=U2IUcosφ=U2GUIIURcosφ=RxRGU2,]]>無功功率計(jì)為Q=U2IUsinφ=U2GUIIURsinφ=XxRGU2.]]>所述的數(shù)字電橋輸入信號(hào)的頻率與同步標(biāo)準(zhǔn)功率輸出的頻率相同，數(shù)字電橋利用電流輸出端IH的信號(hào)作為功率信號(hào)源的同步信號(hào)，使被測(cè)電壓和電流頻率與數(shù)字電橋內(nèi)部測(cè)試頻率相同。
所述的被測(cè)功率信號(hào)源的電流輸出不能浮地，其低端應(yīng)與電壓參考點(diǎn)等電位，并且數(shù)字電橋的屏蔽地與電壓參考點(diǎn)直接連接。
數(shù)字電橋具有交流阻抗測(cè)量功能，因此可以在本發(fā)明中替代正交分解比例器的功能，目前數(shù)字電橋的測(cè)量準(zhǔn)確度最佳為0.02％(1kHz頻點(diǎn))，測(cè)量頻率為10Hz～1MHz，有的頻率更高。數(shù)字電橋可以測(cè)量電壓輸入端PH-PL與電流輸入端IL的正弦電壓與電流信號(hào)的相量比值，并能以實(shí)部交流電阻與虛部電抗的形式顯示出來達(dá)到了測(cè)量電壓相量與電流相量的復(fù)相量比例的目的。數(shù)字電橋測(cè)量時(shí)要求被測(cè)電壓和電流與電橋自身內(nèi)部的信號(hào)源有相同的頻率，該信號(hào)源從電流高端IH端輸出，所以需要一臺(tái)同步標(biāo)準(zhǔn)功率源，利用數(shù)字電橋的IH端輸出作為同步信號(hào)，獲得相同頻率的被測(cè)電壓、電流信號(hào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)目前現(xiàn)有的測(cè)量電功率的方法一般要測(cè)量交流電壓瞬時(shí)信號(hào)或時(shí)域信號(hào)，而不能轉(zhuǎn)換成交流電壓的統(tǒng)計(jì)特性，因此造成了被測(cè)信號(hào)頻率提高不上去，一般在45Hz～65Hz范圍內(nèi)，而本發(fā)明采用正交比例分解測(cè)量方法，將被測(cè)交流測(cè)量轉(zhuǎn)換成直流比例測(cè)量，這樣被測(cè)信號(hào)的頻率可以在10Hz～1MHz頻率范圍，且可溯源的優(yōu)點(diǎn)。
(2)利用了直流比例測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度優(yōu)于絕對(duì)量值測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，采用了雙斜積分比例法把電壓測(cè)量變成了時(shí)間測(cè)量。
(3)本發(fā)明采用了乘法型D/A利用數(shù)字波形與交流電壓相乘，有利于保持穩(wěn)定的正交直角相位關(guān)系和幅值關(guān)系，經(jīng)過互易積分方向的算術(shù)平均計(jì)算以及互易正交分解通道的幾何平均計(jì)算后又可以補(bǔ)償失調(diào)、漂移和增益失配誤差，降低了硬件實(shí)現(xiàn)難度，提高比例測(cè)量準(zhǔn)確度。正交分解比例測(cè)量還可以溯源到阻抗計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和交流電壓比例計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上，還有自檢功能。
利用本發(fā)明所述測(cè)量方法可以直接開發(fā)電功率測(cè)量產(chǎn)品，也可以利用現(xiàn)有產(chǎn)品，如數(shù)字電壓表、數(shù)字電橋、同步功率信號(hào)源等組成測(cè)量系統(tǒng)。


圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明測(cè)量電功率方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明測(cè)量電功率裝置的原理框圖；圖3為本發(fā)明測(cè)量電功率裝置中的正交分解比例器電路原理框圖；圖4為本發(fā)明圖3中的數(shù)字波形乘法器電路原理圖；圖5為本發(fā)明圖3中的雙斜積分比例器電路原理框圖；圖6為本發(fā)明圖3中的鎖相倍頻電路原理框圖；圖7為本發(fā)明的利用標(biāo)準(zhǔn)電容器校準(zhǔn)正交分解比例器的原理框圖；圖8為本發(fā)明的利用感應(yīng)分壓器校準(zhǔn)正交分解比例器的原理框9為本發(fā)明的另一種測(cè)量電功率的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明將功率測(cè)量分成兩種類型的測(cè)量交流電壓或交流電流有效值測(cè)量，及交流電壓與交流電流的比值或交流電流與交流電壓的比例測(cè)量，兩種測(cè)量分別獨(dú)立進(jìn)行，用計(jì)算機(jī)計(jì)算程序合成運(yùn)算最終測(cè)量結(jié)果，也可以手工計(jì)算。
交流電壓有效值測(cè)量可以采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，如交流電壓表，數(shù)字表，或交直流轉(zhuǎn)換儀測(cè)量裝置，統(tǒng)稱交流電壓有效值測(cè)量裝置，對(duì)于交流電壓來說在10Hz～1MHz頻率范圍內(nèi)，2.2mV～1000V有效值電壓范圍內(nèi)可以溯源，最佳測(cè)量不確定度1×10-5(2V，1kHz)。交流電流有效值測(cè)量可以直接采用交流電流表或先將交流電流轉(zhuǎn)換成交流電壓，再測(cè)量交流電壓的有效值；同時(shí)計(jì)算交流電壓或交流電流的有效值平方。
被測(cè)電壓U輸入到正交分解比例運(yùn)算的一個(gè)輸入端作為信號(hào)U1，被測(cè)電流I通過交流分流器G轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)輸入到正交分解比例算法的另一個(gè)輸入端。比例測(cè)量采用正交分解比例測(cè)量方法，U1和U2分別經(jīng)過正交分解后，得到實(shí)部和虛部，分別測(cè)量U1和U2的實(shí)部和虛部U1a，U2b，U2a，U2b，然后利用復(fù)數(shù)除法公式計(jì)算比例計(jì)算得到U1與U2的復(fù)相量的比例值U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b=ZR+jZX,]]>或者計(jì)算其倒數(shù)得到U2與U1的復(fù)相量的比例值U·2U·1=U2a+jU2bU1a+jU1b=YR+jYX,]]>以比值的實(shí)部ZR，YR和虛部ZX，YX作為測(cè)量結(jié)果傳給計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算程序計(jì)算出有功功率P＝GU2YR或者P=GU22ZR=1GI2ZR]]>和無功功率Q＝GU2YX或者Q=GU22YR=1GI2YR]]>以及功率因數(shù)角φ=tan-1QP.]]>如圖2所示，本發(fā)明的測(cè)量電功率裝置包括交流電壓有效值測(cè)量裝置、交流電壓比例器、交流電流分流器、正交分解比例器，被測(cè)的交流電壓U經(jīng)過交流電壓有效值測(cè)量裝置，如數(shù)字電壓表等，得到被測(cè)電壓的有效值U，送至計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)計(jì)算有效值的平方U2，同時(shí)該被測(cè)的交流電壓U再經(jīng)過交流電壓比例器k獲得被測(cè)電壓U1＝kU；被測(cè)的交流電流I經(jīng)過交流電流分流器G轉(zhuǎn)換成被測(cè)電壓U2＝I/G，G為交流分流器的電導(dǎo)，兩個(gè)電壓U1和U2經(jīng)過正交分解比例器正交分解后，得到復(fù)相量比值2/1＝Y(jié)R+jYX，比值的實(shí)部YR，比值的虛部YX，與被測(cè)電壓的有效值的平方U2相乘，并與交流電壓比例器的k和交流電流分流器的G相乘后，得到有功功率P＝kGU2YR，無功功率Q＝kGU2YX，功率因數(shù)角φ=tan-1QP;]]>或者，交流電壓有效值測(cè)量裝置從交流電流分流器G上測(cè)量交流電壓U2，通過計(jì)算機(jī)程序計(jì)算被測(cè)交流電流有效值I＝GU2，計(jì)算其平方I2，正交分解比例器測(cè)量U1與U2復(fù)相量比值1/2＝ZR+jZX，比值的實(shí)部ZR，比值的虛部ZX，并與k和G相除后，得到有功功率P=1kGI2ZR,]]>無功功率Q=1kGI2ZX,]]>功率因數(shù)角φ=tan-1QP;]]>圖3為本發(fā)明的正交分解比例器原理框圖，有兩個(gè)正交分解通道通道A和通道B，分別接在雙斜積分比例器上，通過選擇開關(guān)S1選擇其一，每個(gè)正交分解通道由差分放大器、可選擇0°，90°，180°，270°初相位數(shù)字波形的數(shù)字波形乘法器、積分器依次串接組成，被測(cè)電壓U1與U2分別經(jīng)過選擇開關(guān)S2和S3接入通道A和通道B中的任一路，由通道A和通道B輸出的直流電壓分別為Ud和Uc，選擇S2和S3開關(guān)方向以及選擇數(shù)字波形相位可以使Ud和Uc等于U1a，U1b，U2a，U2b中的任意值，雙斜積分比例器進(jìn)行Ud和Uc比值測(cè)量，得到直流電壓比例值U1aUMAX,U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>其中U1a，U1b，U2a，U2b分別代表U1和U2的相量的實(shí)部和虛部，UMAX是U1a，U1b，U2a，U2b中絕對(duì)值最大的電壓。
三個(gè)信號(hào)開關(guān)S1，S2，S3的各種組合方式，再結(jié)合數(shù)字參考波形相位0°，90°，180°，270°的4中選擇，能夠完成“比較最大值”，“比例值”，“自檢兩路乘法通道增益匹配”和“自檢過零比較器直流偏置”的功能，這些功能均可通過CPU控制來實(shí)現(xiàn)。
其中正交分解的方法具體操作如下，正弦電壓信號(hào)ux(t)＝UMsin(ωt+φ)與同頻率的幅直為1的參考電壓相乘，再經(jīng)過平均值計(jì)算，即在一個(gè)周期內(nèi)積分再平均，當(dāng)參考電壓相位為0°，90°，180°，270°時(shí)，得到同相分量和正交分量，以及它們的反向數(shù)值
當(dāng)參考電壓相位為180°和270°時(shí)，得到與上述電壓極性相反的直流電壓。在雙斜積分比例運(yùn)算時(shí)，用參考電壓的相位反相180°的方法獲得正或負(fù)的反向積分電壓，而不用硬件反向器和開關(guān)轉(zhuǎn)換。正交分解方法對(duì)其它頻率的噪聲信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用。
表1是各種狀態(tài)列表，第一行表示開關(guān)S2接1觸點(diǎn)，數(shù)字波形乘法器A相位為0°時(shí)，直流電壓Ud是被測(cè)電壓u1(t)的同相分量U1a，S3接2觸點(diǎn)，數(shù)字波形乘法器B相位為180°時(shí)，直流電壓Uc是被測(cè)電壓u2(t)的同相分量的反向電壓-U2a，定時(shí)積分時(shí)S1接1，反向積分時(shí)S1接2，上述狀態(tài)測(cè)量得到計(jì)數(shù)值N2，表示U1aU2a=UdUc=N2N1]]>反向積分過程在規(guī)定時(shí)間Tc(Tc＞T1)內(nèi)，若積分器不歸零，也不溢出，或者積分器歸零，且N2＞N1，則說明Ud＞Uc，此狀態(tài)是比較兩個(gè)電壓的大小。若N2＜N1，因?yàn)镹1為固定值，控制定時(shí)積分時(shí)間由程序設(shè)定N1，則N2是比值結(jié)果，比值的符號(hào)由參考波形的相位來判定，再正常積分歸零的情況下，A通道與B通道相位差為180°時(shí)，比值為正，為0°時(shí)，比值為負(fù)；分子通道的相位與分母通道的相位之差為90°時(shí)，比值為正，為-90°時(shí)，比值為負(fù)。
反向積分過程在規(guī)定時(shí)間Tc(Tc＞T1)內(nèi)，若積分器不歸零，出現(xiàn)溢出情況，應(yīng)將一個(gè)正交分解通道進(jìn)行反向180°，重新上述測(cè)量步驟。
經(jīng)過兩兩電壓比較后，選出絕對(duì)值最大的電壓，表示為UMAX，以此電壓為分母，再重新進(jìn)行比值計(jì)算，包括此電壓自身比例計(jì)算，一共4個(gè)比值結(jié)果N1a，N1b，N2a，N2b，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)數(shù)比例計(jì)算，可得復(fù)數(shù)比例的實(shí)部和虛部。
U1a+jU1bU2a+jU2b=U1aUMAX+jU1bUMAXU2aUMAX+jU2bUMAX=N1a+jN1bN2a+jN2b=N1aN2a+N1bN2bN2a2+N2b2+jN1bN2a-N1aN2bN2a2+N2b2]]>狀態(tài)1和狀態(tài)2互為反向，所得積分結(jié)果經(jīng)過算術(shù)平均值計(jì)算TABT1=x1+x22]]>后可補(bǔ)償過零比較器失調(diào)和漂移影響；狀態(tài)3、4與狀態(tài)1、2相互交換了乘法器通道A和B，因此狀態(tài)1、2的算術(shù)平均值TABT1=x1+x22]]>與狀態(tài)3、4的算數(shù)平均值TBAT1=x3+x42]]>再進(jìn)行幾何平均值計(jì)算，即TABBAT1=TABT1·TBAT1=U1aU2a,]]>可以消除A、B通道增益失配誤差。這4次雙斜積分測(cè)量結(jié)果經(jīng)過上述算術(shù)平均和幾何平均后，可提高比例測(cè)量準(zhǔn)確度，得到更準(zhǔn)確的比值結(jié)果。這種互易方法能夠降低硬件的偏置、漂移和增益影響，不要求硬件長期穩(wěn)定性，更好地體現(xiàn)比例測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
狀態(tài)13～16也作為自檢狀態(tài)，選則不同幅值的電壓u1(t)進(jìn)行1∶1測(cè)量，輸出結(jié)果N2應(yīng)接近于N1，并且經(jīng)過4次雙斜積分結(jié)果的算術(shù)平均和幾何平均后，計(jì)算結(jié)果與N1的相對(duì)誤差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，設(shè)定誤差限為d，例如本設(shè)計(jì)要求比例誤差小于2×10-5。否則，若狀態(tài)13的N2與狀態(tài)14的N2相比較的結(jié)果偏差較大，說明過零比較器失常，若狀態(tài)17的N2與狀態(tài)19的N2相比較的結(jié)果偏差較大，說明A、B通道增益失配，若狀態(tài)17、18平均值與狀態(tài)19、20的平均值偏差較大說明乘法器有較大直流偏置。
類似狀態(tài)13～16，可以用外部提供的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓信號(hào)，利用其穩(wěn)定性進(jìn)行自檢，給出不同電壓幅值下的比例誤差。
表1正交分解比例器狀態(tài)表







圖4是數(shù)字波形乘法器電路原理圖，它包括數(shù)字波存儲(chǔ)器、地址計(jì)數(shù)器、乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、相位選擇鎖存器，被測(cè)交流電壓接入乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的參考電壓輸入端REF，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線接入乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的數(shù)據(jù)輸入總線上，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的地址總線由地址計(jì)數(shù)器提供，地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘來自鎖相倍頻電路，相位選擇鎖存器由CPU控制，用于選擇數(shù)字波形存儲(chǔ)器中初相位為0°，90°，180°，270°的數(shù)字波形，乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A，把交流電壓加載到D/A的參考電壓輸入端REF，再把數(shù)字正弦波形從存儲(chǔ)器中輸出到D/A的數(shù)據(jù)總線。輸出電壓u0(t)＝D(t)·ui(t)，其中D(t)是數(shù)字正弦波形，保存在存儲(chǔ)器中，分成0°，90°，180°，270°四種初相位形式，分段存放，由高端地址線選擇波形相位，低端地址線由地址計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)逐點(diǎn)輸出數(shù)字波形。地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率f1是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍M1，通過鎖相倍頻電路實(shí)現(xiàn)，取2的冪整數(shù)時(shí)，可以簡(jiǎn)化計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)，如每周期8、32、64、128點(diǎn)等等，在被測(cè)頻率低于100kHz情況下選用128點(diǎn)或更多，當(dāng)被測(cè)頻率增大時(shí)，受乘法型D/A的頻率響應(yīng)特性限制，應(yīng)減少每周期插入點(diǎn)數(shù)，如1MHz時(shí)選用每周期輸出8點(diǎn)。因?yàn)檎环纸饩哂泻軓?qiáng)的相關(guān)濾波特點(diǎn)，作為參考數(shù)字波形的諧波分量將在積分環(huán)節(jié)上平均為零，又因?yàn)楸壤椒傻窒肿?、分母的增益誤差，所以所選擇的內(nèi)插點(diǎn)數(shù)對(duì)比值測(cè)量結(jié)果影響不大。由D/A位數(shù)造成的幅值量化誤差也不影響比值測(cè)量結(jié)果，但是幅值分辨率太低會(huì)造成相位分辨率低，出現(xiàn)相位不穩(wěn)定現(xiàn)象。
圖5是雙斜積分比例器電路原理圖，測(cè)量兩個(gè)直流電壓Ud，Uc的比例，在積分電路上可以轉(zhuǎn)化為測(cè)量積分時(shí)間或計(jì)數(shù)器數(shù)值比例的方法實(shí)現(xiàn)。雙斜積分比例器包括輸入選擇開關(guān)S1，輸入電阻R和反饋電容C和運(yùn)算放大器A1組成的積分電路，清零開關(guān)S4，過零比較器A2，邏輯門電路，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，積分觸發(fā)器，正負(fù)溢出比較器組成，鎖相倍頻電路給兩個(gè)計(jì)數(shù)器提供測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)f2，還提供同步時(shí)鐘信號(hào)f0；雙斜積分比例器利用清零步驟、定時(shí)積分步驟和反向積分步驟，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)Ud和Uc的比例測(cè)量，在清零步驟中S1接地，并且清零開關(guān)S4將電容C短路，被測(cè)信號(hào)Ud和Uc接入選擇開關(guān)S1的1和2輸入端，定時(shí)積分時(shí)S1選擇其中之一作為電壓比例的分母，反向積分時(shí)S1選擇另一個(gè)電壓作為電壓比例的分子，既可以是Ud也可以是Uc，根據(jù)測(cè)量程序確定；來自鎖相倍頻器的同步時(shí)鐘信號(hào)f0接入積分觸發(fā)器，積分觸發(fā)器控制開關(guān)S4由閉到開，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)積分步驟，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1對(duì)測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)f2計(jì)數(shù)，直至N1個(gè)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)完成為止，計(jì)數(shù)器N1輸出邏輯電平接入CPU，同時(shí)也輸出到測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器N1完成計(jì)數(shù)后，CPU控制開關(guān)S1接入另一個(gè)輸入電壓作為電壓比例的分子，開始反向積分步驟，此時(shí)測(cè)量計(jì)數(shù)器N2對(duì)測(cè)量時(shí)鐘f2開始計(jì)數(shù)，定時(shí)積分期間，電容C充電，運(yùn)算放大器A1輸出電壓偏離零電壓，反向積分期間，電容C放電，運(yùn)算放大器A1的輸出電壓接近零電壓，過零比較器A2的兩個(gè)高阻抗輸入端接電容器C的兩級(jí)，過零比較器A2的輸出接邏輯門電路，邏輯門電路判斷過零事件的發(fā)生，其輸出接測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，過零比較器輸出變化時(shí)，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2停止計(jì)數(shù)，此時(shí)被測(cè)電壓的比值即為N2/N1；正負(fù)溢出比較器監(jiān)視運(yùn)算放大器A1的輸出電壓u0(t)，并判斷u0(t)是否在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，其輸出邏輯電平接入CPU，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1和測(cè)量計(jì)數(shù)器N2通過串行或并行數(shù)據(jù)線與CPU連接，可由CPU設(shè)定和讀取計(jì)數(shù)值，被測(cè)直流電壓應(yīng)該是極性相反的，可以利用數(shù)字波形乘法器中的數(shù)字參考波形的相位反相180°的控制程序?qū)崿F(xiàn)電壓極性反向；正負(fù)溢出比較器監(jiān)視積分全過程是否在有效電壓范圍內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)電壓極性相同時(shí)，或者積分增益選擇過大時(shí)，A1的輸出容易超過有效范圍，程序應(yīng)根據(jù)正負(fù)溢出比較器狀態(tài)調(diào)整增益，并記錄比值測(cè)量的符號(hào)；輸入電阻R和反饋電容C的乘積確定了積分器的增益，可以增加多組RC選擇電路來擴(kuò)大增益范圍。
測(cè)量時(shí)可以通過開關(guān)選擇和參考電壓相位選擇，使Ud，Uc分別是下列情況之一●被測(cè)交流電壓1的同相分量U1a，●被測(cè)交流電壓1的正交分量U1b，●被測(cè)交流電壓2的同相分量U2a，●被測(cè)交流電壓2的正交分量U2b，●被測(cè)交流電壓1的同相分量的反向電壓-U1a，●被測(cè)交流電壓1的正交分量的反向電壓-U1b，●被測(cè)交流電壓2的同相分量的反向電壓-U2a，●被測(cè)交流電壓2的正交分量的反向電壓-U2b過程分成三步，第一步清零，開關(guān)S1接地，S4閉合使電容短路放電；第二步定時(shí)積分，開關(guān)S1接(-Ud)，S4打開，積分器輸出電壓等于u0(t)=1RC∫01Uddt=UdRCt1,]]>定時(shí)積分時(shí)間間隔等于T1，T1應(yīng)該為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍。由鎖相倍頻器的時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘頻率f2，該時(shí)鐘提供給定時(shí)計(jì)數(shù)器N1，和測(cè)量計(jì)數(shù)器N2。定時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)定計(jì)數(shù)值N1，為了提高測(cè)量分辨力計(jì)數(shù)值N1應(yīng)該不小于218，先設(shè)定計(jì)數(shù)值N1，當(dāng)N1倒計(jì)數(shù)為零之后，定時(shí)積分結(jié)束，此時(shí)u0(t1)=UdRCT1∝UdRC·N1;]]>第三步反向積分，開關(guān)S1接Uc，S4保持打開，經(jīng)過T2時(shí)間，積分器輸出電壓穿過零電壓，過零比較器A2翻轉(zhuǎn)，邏輯電路控制測(cè)量計(jì)數(shù)器N2停止計(jì)數(shù)，此時(shí)積分時(shí)間為T2，計(jì)數(shù)器數(shù)值為N2。在第一步和第二步中，邏輯電路不關(guān)心過零比較器的狀態(tài)，只是從第三步開始后對(duì)過零比較器的翻轉(zhuǎn)做出反映。
u0(t)=u0(t1)-1RC∫12Ucdt=UdRCT1-UcRCT2=0]]>則UdUc=T2T1]]>或UdUc=N2N1]]>為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，限制反向積分時(shí)間，定時(shí)積分階段應(yīng)該輸入絕對(duì)值小的電壓，反向積分階段應(yīng)該接絕對(duì)值大的大電壓UMAX，控制程序中設(shè)計(jì)了自動(dòng)比較判斷大小的功能；使正負(fù)電壓反向的方法是用數(shù)字波形參考相位反相180°的程序控制實(shí)現(xiàn)，不用增加反向電路或開關(guān)。為了補(bǔ)償過零比較器和積分器直流失調(diào)的影響，需要讓積分器的輸出電壓向正負(fù)兩個(gè)方向各積分一次，讓過零比較器從兩個(gè)方向過零，把兩次測(cè)量的N2計(jì)數(shù)值平均，得到準(zhǔn)確結(jié)果。
雖然所測(cè)量的電壓比值與電阻器R和電容器C無關(guān)，但是 是積分器的增益，為了防止定時(shí)積分線性失真和溢出，應(yīng)控制積分輸出電壓u0(t1)在線性區(qū)域內(nèi)(0.1V～5V)，需要在電路中設(shè)計(jì)多套電阻器和電容器以提供積分增益選擇，并且設(shè)計(jì)了正負(fù)溢出比較器電路監(jiān)視積分器輸出u0(t)，一方面為選擇RC增益參數(shù)提供必要的信息，另一方面判斷定時(shí)積分和反向積分的極性是否相反，防止不歸零的積分結(jié)果，給出比例結(jié)果的符號(hào)。正負(fù)溢出比較器的比較狀態(tài)通過數(shù)字信號(hào)線連到CPU，以便程序自動(dòng)調(diào)節(jié)RC增益參數(shù)，和判斷積分方向。
對(duì)于輸入為零電壓的情況，可能出現(xiàn)反向積分不歸零的結(jié)果，應(yīng)進(jìn)行如下判斷，當(dāng)選擇的增益T1/RC大于106，而正、反向積分輸出u0(t1)仍小于0.01V則可以判定分子為零。
積分器具有平均值計(jì)算功能，在定時(shí)積分過程中還規(guī)定了積分時(shí)間，使T1等于被測(cè)電壓周期的整數(shù)倍，可以有效提高小電壓信號(hào)平均值的測(cè)量準(zhǔn)確度，需要在積分起點(diǎn)處進(jìn)行同步觸發(fā)，以保證正向和反向積分在時(shí)間上的對(duì)稱性。開關(guān)S1接地，用于雙斜積分器自檢。
圖6為鎖相倍頻電路原理圖，它包括緩沖放大器，整型電路，鑒相器，積分器，壓控振蕩器VCO，n級(jí)串連的同步2分頻器(n大于4)，時(shí)鐘f1選擇電路，時(shí)鐘f2選擇電路，譯碼電路，M1參數(shù)鎖存器，M2參數(shù)鎖存器，m參數(shù)鎖存器組成；鎖相倍頻電路利用鑒相器和積分器和VCO以及分頻器串連組成鎖相環(huán)路，得到與被測(cè)量信號(hào)整數(shù)倍頻率的信號(hào)，n級(jí)串連的同步2分頻器，以下以n＝20為具體例子，在兩兩分頻器之間提供了不同頻率的抽頭，由M1參數(shù)鎖存器控制時(shí)鐘f1選擇電路從5個(gè)抽頭中選擇8，16，32，64，128倍頻信號(hào)之一作為數(shù)字波形發(fā)生器的地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信f1，由M2參數(shù)鎖存器控制時(shí)f2選擇電路從17個(gè)抽頭中選擇20～216倍頻信號(hào)之一作為雙斜積分器的測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)f2，m參數(shù)鎖存器控制譯碼器，使譯碼器的17路輸出電平僅可能有一路為邏輯1，譯碼器的17路輸出分別接到第4到第20級(jí)T觸發(fā)器的控制端，控制端為1的T觸發(fā)器在20級(jí)串連的2分頻器中的位置決定了串連分頻器的實(shí)際分頻數(shù)，即VCO的輸出頻率fVCO的頻率是被測(cè)頻率的2m倍(m＝4，5...n)，可以通過選擇m使VCO的輸出頻率在一定范圍內(nèi)，上述三個(gè)參數(shù)鎖存器可以利用串連和并聯(lián)數(shù)據(jù)線連到微處理器CPU上，由程序控制M1、M2、m三個(gè)參數(shù)；被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過緩沖放大器輸出到整型電路上，整型電路將交流信號(hào)變成數(shù)字電平接到鑒相器的輸入端。
正交比例分解器應(yīng)能夠自動(dòng)跟蹤被測(cè)信號(hào)的頻率，并獲得內(nèi)部測(cè)量所需要的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘包括f0應(yīng)等于被測(cè)信號(hào)的頻率f，用于觸發(fā)雙斜積分過程；f1用于驅(qū)動(dòng)地址計(jì)數(shù)器，應(yīng)等于被測(cè)信號(hào)頻率f的M1倍，M1是數(shù)字波形每周期內(nèi)插點(diǎn)數(shù)，f1＝M1f；f2用于雙斜積分器測(cè)量比例，應(yīng)等于被測(cè)信號(hào)頻率f的整數(shù)倍，設(shè)為M2倍，f2＝M2f，T1=N1f2=N1M2f;]]>為了抑制交流干擾，定時(shí)積分時(shí)間T1還應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，設(shè)為n倍T1=nf]]>，(n＝2，3，…)，N1＝M2n其中n是定時(shí)積分時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)的整周期個(gè)數(shù)；f0是VCO經(jīng)過分頻器輸出到鑒相器的比較信號(hào)頻率，當(dāng)頻率跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定后，f＝f0。為了提高測(cè)量分辨力，定時(shí)積分的計(jì)數(shù)值N1應(yīng)該不小于2×105。
定時(shí)積分時(shí)間T1如果太短，過零比較器的延時(shí)和開關(guān)延時(shí)以及邏輯門的延時(shí)將引入較大的相對(duì)誤差，但是定時(shí)積分時(shí)間也不要太長，否則積分電容的泄漏和運(yùn)放的漂移將引入較大的非線性誤差。所以限定T1在0.1秒到1秒之間0.1s≤T1≤1s鎖相倍頻電路是在典型的鑒相器、積分器和壓控振蕩器(VCO)的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)數(shù)字波形乘法器和雙斜積分器的需要，特殊設(shè)計(jì)分頻器。分頻器由一串級(jí)聯(lián)的同步2分頻器(T觸發(fā)器)組成，相對(duì)于分頻器末端的f0信號(hào)從距離末端第3個(gè)2分頻器處引出抽頭，該信號(hào)為f1＝8f0，于是M1＝8；從距離末端第4個(gè)2分頻器處引出抽頭，f1＝16f0，M1＝16；從距離末端第5個(gè)2分頻器處引出抽頭，f1＝32f0，M1＝32；從距離末端第6個(gè)2分頻器處引出抽頭，f1＝64f0，M1＝64；從距離末端第7個(gè)2分頻器處引出抽頭，f1＝128f0，M1＝128。
上述5個(gè)抽頭由五選一邏輯電路選擇輸出，作為f1時(shí)鐘信號(hào)。
同理，相對(duì)于分頻器末端的f0信號(hào)直接從末端處引出抽頭，該信號(hào)為f2＝f0，于是M2＝1；從距離末端第1個(gè)2分頻器處引出抽頭，f2＝2f0，M2＝2；從距離末端第2個(gè)2分頻器處引出抽頭，f2＝4f0，M2＝4；依此類推，......
從距離末端第16個(gè)2分頻器處引出抽頭，f2＝65536f0，M2＝65536。
需要16個(gè)抽頭信號(hào)接入一個(gè)十七選一的邏輯電路，輸出信號(hào)作為f2時(shí)鐘。
整個(gè)分頻器一共有20個(gè)T觸發(fā)器級(jí)聯(lián)，同步觸發(fā)，每個(gè)T觸發(fā)器是一個(gè)二分頻器。但其中只有m個(gè)二分頻器有效，m也是于由計(jì)算機(jī)程序設(shè)定的，對(duì)不同的信號(hào)頻率f，設(shè)定有不同的m，為了使振蕩器VCO工作在高頻工作點(diǎn)fVCO＝2mf合理設(shè)定m應(yīng)使fVCO在硬件參數(shù)容易實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)，對(duì)于被測(cè)電壓電流的不同頻率范圍，即f變化時(shí)，應(yīng)首先用軟件程序設(shè)定有效的二分頻器的個(gè)數(shù)m使fVCO在一定范圍內(nèi)，如9MHz～24MHz之間，這樣能夠使VCO硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試簡(jiǎn)化，使用一套固定參數(shù)就能適應(yīng)不同頻率范圍。這些邏輯電路、時(shí)序電路鎖存器電路均可設(shè)計(jì)在可編程門陣列器件中，鎖存器通過總線與計(jì)算機(jī)連接。
根據(jù)以上分析，各參數(shù)選取的原則如下M1每周期數(shù)字波形內(nèi)插點(diǎn)數(shù)，可為8，16，32，64，128，高頻下點(diǎn)數(shù)少，低頻下點(diǎn)數(shù)多。選取原則是M1f＜(1/2)fVCO＜12MHz。
N1定時(shí)積分固定的計(jì)數(shù)值，為了保證足夠的測(cè)量分辨力，N1＞2×105，可選定N1＝218＝262144。
n整周期個(gè)數(shù)n，根據(jù)T1=nf]]>，(n＝2，3，…)來計(jì)算T1，可使定時(shí)積分時(shí)間T1控制在在0.1秒到1秒之間，為保證雙斜積分器抑制交流干擾的能力，要求n大于等于2。
M2最小值為1，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，M2為2的整數(shù)次冪，根據(jù)f2＝M2f，M2太大可能使f2超過計(jì)數(shù)器可接受的頻率，再根據(jù)N1＝M2n可確定nM2之乘積。
m根據(jù)fVCO＝2mf，在約束條件9MHz＜fVCO＜24MHz下，通過f計(jì)算。
推薦選擇表2的設(shè)計(jì)參數(shù)表2鎖相倍頻的參數(shù)舉例


圖7利用標(biāo)準(zhǔn)電容器校準(zhǔn)正交分解比例器。正交分解比例器雖然輸出的是兩路正弦交流信號(hào)的復(fù)相量比值，但是通過復(fù)數(shù)計(jì)算可以得到復(fù)相量的幅值比例和相位差。在圖7中，標(biāo)準(zhǔn)電容器C1和C2是四端口的標(biāo)準(zhǔn)電容器，如Agilent16380系列，頻率范圍100Hz～1MHz，可以通過中國計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)電容擴(kuò)頻裝置，溯源到國家電容基準(zhǔn)，計(jì)算電容(1kHz)上。以標(biāo)準(zhǔn)電容器實(shí)際值的比值作為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際值是標(biāo)準(zhǔn)電容校準(zhǔn)證書上給出的值，含有測(cè)量不確定度，兩只電容器測(cè)量不確定度的代數(shù)和作為比例標(biāo)準(zhǔn)的不確定度，計(jì)算如下正交分解比例器的幅值比例相對(duì)誤差γ=U1a2+U1b2U2a2+U2b2-C1C2C1C2×100%]]>其中C1/C2為標(biāo)準(zhǔn)電容器的實(shí)際值比例，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為ub1=(|γc1|+|γc2|)/3,]]>γc1為C1實(shí)際值的測(cè)量不確定度，來自于校準(zhǔn)證書；γc2為C2實(shí)際值的測(cè)量不確定度，來自于校準(zhǔn)證書。
圖8利用感應(yīng)分壓器校準(zhǔn)正交分解比例器。感應(yīng)分壓器能夠分段比例自校驗(yàn)，因此具有溯源性，目前在1kHz下感應(yīng)分壓器的比例準(zhǔn)確度可以達(dá)到1×10-6，甚至更優(yōu)。按圖8設(shè)計(jì)比例校準(zhǔn)線路時(shí)，應(yīng)考慮接頭的屏蔽線形式。以感應(yīng)分壓器的匝數(shù)比例W1/W2作為標(biāo)準(zhǔn)，可以校準(zhǔn)正交分解比例器的幅值比例準(zhǔn)確度正交分解比例器的幅值比例相對(duì)誤差γ=U1a2+U1b2U2a2+U2b2-W1W2W1W2×100%]]>圖9為本發(fā)明的另一種測(cè)量電功率的裝置示意圖，采用現(xiàn)有數(shù)字電壓表產(chǎn)品和數(shù)字電橋產(chǎn)品組成測(cè)量系統(tǒng)，利用數(shù)字電壓表直接測(cè)量交流電壓的有效值U，再利用交流電阻分流器G獲得與交流電流成比例的電壓為U1＝GI輸入到數(shù)字電橋的電壓測(cè)量端PH-PL，再利用數(shù)字電橋的電流測(cè)量輸入端IL虛地的特點(diǎn)，在被測(cè)量壓U與虛地點(diǎn)之間加入交流電阻R，則數(shù)字電橋的IL端輸入的電流為IU=UR,]]>此時(shí)數(shù)字電橋上顯示阻抗的實(shí)部讀數(shù)為交流電阻Rx=UIIUcosφ,]]>虛部讀數(shù)為復(fù)導(dǎo)納Xx=UIIUsin(-φ),]]>則有功功率計(jì)算公式為P=U2IUcosφ=U2UIGIURcosφ1GRU2Rx]]>無功功率計(jì)算公式為Q=U2IUsinφ=U2UIGIURsinφ=-1GRU2Xx]]>數(shù)字電橋輸入信號(hào)的頻率應(yīng)該與輸出信號(hào)頻率相同，所以此方法需要利用數(shù)字電橋的電流輸出端IH信號(hào)作為功率信號(hào)源的同步信號(hào)，使被測(cè)電壓和電流頻率與數(shù)字電橋內(nèi)部測(cè)試頻率相同，另外被測(cè)功率信號(hào)源的電流輸出不能浮地，其低端應(yīng)與電壓參考點(diǎn)等電位，并且數(shù)字電橋的屏蔽地與電壓參考點(diǎn)直接連接。
數(shù)字電壓表的電壓有效值測(cè)量范圍為0V～1000V，數(shù)字電橋的PH-PL端輸入電壓UPH范圍是0V～1V，分流器G應(yīng)能承受的功率是IUPH，且G=IUPH.]]>IL端輸入電流IIL范圍是0mA～100mA，電阻R應(yīng)能承受功率為IILU，且R=UIIL.]]>應(yīng)盡量使UPH和IIL接近滿量程。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量電功率的方法，其特征在于步驟如下(1)將視在功率 與電壓相量和電流相量 的關(guān)系分解為S·=U··I·=U·I··I··I·=|Z|ejφ·|I|2=|Z|(cosφ+jsinφ)|I|2]]>或者S·=I··U·=I·U··U··U·=|Y|ejφ·|U|2=|Y|(cosφ+jsinφ)|U|2,]]>其中|U|2是電壓有效值的平方，|I|2是電流有效值的平方，φ是電壓相量與電流相量的相位差，|Z|(cosφ+jsinφ)表示電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值，|Y|(cosφ-jsinφ)表示電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值；(2)測(cè)量上述電壓的有效值U或電流的有效值I，并計(jì)算其平方，即U2或I2，根據(jù)被測(cè)對(duì)象和測(cè)量條件選擇U2或I2其一；(3)采用正交分解比例法測(cè)量電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值|Y|(cosφ-jsinφ)，或測(cè)量電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值|Z|(cosφ+jsinφ)；(4)計(jì)算電壓或電流有效值平方，與電流相量與電壓相量的復(fù)相量比值或電壓相量與電流相量的復(fù)相量比值的乘積，乘積的實(shí)部為有功功率P＝U2|Y|cosφ或P＝I2|Z|cosφ、虛部為無功功率Q＝U2|Y|sinφ或Q＝I2|Z|sinφ、復(fù)相量相位差為功率因數(shù)角φ=tan-1QP.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量電功率的方法，其特征在于所述的正交分解比例法的步驟為(1)首先進(jìn)行正交分解，將一個(gè)被測(cè)電壓U1分別與兩路同頻率、相位相差9O°、并且幅值相等的參考正弦電壓相乘后，再分別經(jīng)過積分得到被測(cè)電壓U1的同相分量和正交分量，該兩分量均為直流電壓，分別代表被測(cè)電壓U1的相量投影到參考坐標(biāo)的實(shí)部U1a和虛部U1b，乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算，構(gòu)成一路正交分解通道，U1的正交分解過程在同一個(gè)正交分解通道內(nèi)分時(shí)進(jìn)行，或在兩路正交分解通道，即通道A和通道B內(nèi)同時(shí)進(jìn)行；(2)將電流轉(zhuǎn)換后的另一被測(cè)電壓U2分別與上述兩路同頻率、相位相差90°、并且幅值相等的參考正弦電壓相乘后，再分別經(jīng)過積分得到被測(cè)電壓U2的同相分量和正交分量，該兩分量均是直流電壓，分別代表被測(cè)電壓U2的相量投影到參考坐標(biāo)的實(shí)部U2a和虛部U2b，U2的正交分解過程在同一個(gè)正交分解通道內(nèi)分時(shí)進(jìn)行，或在通道A和通道B兩路正交分解通道內(nèi)同時(shí)進(jìn)行；(3)上述兩個(gè)電壓U1和U2的復(fù)相量比例公式為U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b,]]>把復(fù)數(shù)比例公式的分子和分母上同時(shí)除以直流電壓UMAX，得到如下公式U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b=U1aUMAX+jU1bUMAXU2aUMAX+jU2bUMAX---(1)]]>選擇U1a，U1b，U2a，U2b中絕對(duì)值最大的作為UMAX，其中U1a，U1b，U2a，U2b分別代表U1和U2的相量的實(shí)部和虛部；(4)測(cè)量直流電壓比例值U1aUMAX,U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>并代入所述步驟(3)的公式(1)，經(jīng)過計(jì)算得到U1與U2的復(fù)相量的比例值U·1U·2=U1a+jU1bU2a+jU2b,]]>或者計(jì)算其倒數(shù)得到U2與U1的復(fù)相量的比例值U·2U·1=U2a+jU2bU1a+jU1b.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量電功率的方法，其特征在于所述的步驟(4)的測(cè)量直流電壓比例值采用雙斜積分比例測(cè)量法，其具體步驟如下(1)將U1和U2的實(shí)部和虛部這4個(gè)直流電壓U1a，U1b，U2a，U2b分別通過雙斜積分比例器進(jìn)行兩兩比較，得出最大絕對(duì)值的電壓UMAX，再次積分時(shí)均以此電壓UMAX作為分母；(2)以U1a作為分子進(jìn)行定時(shí)積分，積分時(shí)間T1，再對(duì)-UMAX作為分母反向積分，當(dāng)積分器輸出電壓過零點(diǎn)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，反向積分時(shí)間T2，得到雙向積分的比值是T2T1=U1aUMAX,]]>同理，分別得到U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>的比值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量電功率的方法，其特征在于為了消除雙斜積分比例測(cè)量中過零點(diǎn)電壓造成的測(cè)量偏差，在所述的步驟(2)得到的直流電壓比例值后再進(jìn)行互易測(cè)量，即互易積分方向，其步驟為(1)對(duì)-U1a進(jìn)行定時(shí)積分，積分時(shí)間T1，再對(duì)UMAX反向積分，當(dāng)積分器輸出電壓過零點(diǎn)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，反向積分時(shí)間T’2，得到直流電壓比例為T2′T1=x2;]]>(2)將互易積分方向前后的兩次測(cè)量結(jié)果取平均值得到最終雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果U1aUMAX=12(T2+T2′T1)=x1+x22,]]>同理，得到消除了測(cè)量偏差的直流電壓比例U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量電功率的方法，其特征在于為了消除正交分解通道中乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算的增益影響，在所述的步驟(4)后再進(jìn)行互易正交分解通道的測(cè)量，即將所述步驟(1)和步驟(2)中的兩個(gè)正交分解通道，通道A和通道B，進(jìn)行互易，再重復(fù)進(jìn)行雙斜積分比例測(cè)量，其計(jì)算方式為兩路正交分解通道中，通道A的增益為KA，通道B的增益為KB，被測(cè)電壓U1經(jīng)過通道A正交分解后得到KAU1a，被測(cè)電壓U2經(jīng)過通道B正交分解后得到KBU2a，再經(jīng)過雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果為KAU1aKBU2a=TABT1,]]>互易正交分解通道后，使被測(cè)電壓U1經(jīng)過通道B正交分解后得到KBU1a，被測(cè)電壓U2經(jīng)過通道A正交分解后得到KAU2a，再經(jīng)過雙斜積分比例測(cè)量結(jié)果為KBU1aKAU2a=TBAT1,]]>計(jì)算互易正交分解通道前后的測(cè)量結(jié)果的幾何平均值為TABBAT1=TABT1·TBAT1=U1aU2a,]]>取該幾何平均值作為最終計(jì)算結(jié)果，其中TAB和TBA分別為互易正交分解通道前后雙斜積分過程中的反向積分時(shí)間，T1代表定時(shí)積分時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量電功率的方法，其特征在于所述步驟(1)和(2)中的參考正弦電壓為數(shù)字正弦波形。
7.一種電功率測(cè)量裝置，其特征在于包括交流電壓有效值測(cè)量裝置、交流電壓比例器、交流電流分流器、正交分解比例器，被測(cè)的交流電壓U經(jīng)過測(cè)量交流電壓有效值的裝置得到被測(cè)電壓的有效值U，計(jì)算其平方U2，被測(cè)的交流電壓U再經(jīng)過交流電壓比例器獲得電壓U1＝kU，其中k為交流電壓比例器的比例系數(shù)，被測(cè)的交流電流I經(jīng)過交流電流分流器轉(zhuǎn)換成電壓U2＝I/G，其中G為交流電流分流器的電導(dǎo)值，U1和U2兩個(gè)電壓經(jīng)過正交分解比例器測(cè)量，得到復(fù)相量比值2/1＝Y(jié)R+jYX，比值的實(shí)部YR，比值的虛部YX，與被測(cè)電壓的有效值的平方U2相乘，并與交流電壓比例器的k和交流電流分流器的G相乘后，得到有功功率P＝kGU2YR，無功功率Q＝kGU2YX，功率因數(shù)角φ=tan-1QP;]]>或者，交流電壓有效值測(cè)量裝置從交流電流分流器G上測(cè)量交流電壓U2，計(jì)算被測(cè)交流電流有效值I＝GU2，計(jì)算其平方I2，正交分解比例器測(cè)量U1與U2復(fù)相量比值1/U2＝ZR+iZX，比值的實(shí)部ZR，比值的虛部ZX，并與k和G相除后，得到有功功率P=1kGI2ZR,]]>無功功率Q=1kGI2Zx,]]>功率因數(shù)角φ=tan-1QP.]]>
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電功率測(cè)量裝置，其特征在于所述的正交分解比例器有兩個(gè)正交分解通道通道A和通道B，分別接在雙斜積分比例器上，通過選擇開關(guān)S1選擇其一，每個(gè)正交分解通道由差分放大器、可選擇0°，90°，180°，270°初相位數(shù)字波形的數(shù)字波形乘法器、積分器依次串接組成，被測(cè)電壓U1與U2分別經(jīng)過選擇開關(guān)S2和S3接入通道A和通道B中的任一路，由通道A和通道B輸出的直流電壓為Ud和Uc，選擇S2和S3開關(guān)方向以及選擇數(shù)字波形相位可以使Ud和Uc等于U1a，U1b，U2a，U2b中的任意值，雙斜積分比例器進(jìn)行Ud和Uc比值測(cè)量，得到直流電壓比例值:U1aUMAX,U1bUMAX,U2aUMAX,U2bUMAX,]]>其中U1a，U1b，U2a，U2b，分別代表U1和U2的相量的實(shí)部和虛部，UMAX是U1a，U1b，U2a，U2b中絕對(duì)值最大的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電功率測(cè)量裝置，其特征在于所述的數(shù)字波形乘法器的同步f0信號(hào)和地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)f1及雙斜積分器的同步信號(hào)f0信號(hào)和測(cè)量用的時(shí)鐘信號(hào)f2均由鎖相倍頻電路提供，以跟蹤被測(cè)電壓信號(hào)的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電功率測(cè)量裝置，其特征在于所述的數(shù)字波形乘法器電路包括數(shù)字波存儲(chǔ)器、地址計(jì)數(shù)器、乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、相位選擇鎖存器，被測(cè)交流電壓接入乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的參考電壓輸入端，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線接入乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的數(shù)據(jù)輸入總線上，數(shù)字波形存儲(chǔ)器的地址總線由地址計(jì)數(shù)器提供，地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘來自鎖相倍頻電路，相位選擇鎖存器由CPU控制，用于選擇數(shù)字波形存儲(chǔ)器中初相位為0°，90°，180°，270°的數(shù)字波形，乘法器型數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸出電壓由運(yùn)算放大器輸出，輸出信號(hào)即為被測(cè)電壓與數(shù)字波形的乘積。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電功率測(cè)量裝置，其特征在于所述的雙斜積分比例器包括輸入選擇開關(guān)S1，輸入電阻R、反饋電容C和運(yùn)算放大器A1組成的積分電路，清零開關(guān)S4，過零比較器A2，邏輯門電路，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，積分觸發(fā)器，正負(fù)溢出比較器，正交分解通道中的積分器輸出的直流電壓Ud和Uc經(jīng)過輸入選擇開關(guān)S1接入由輸入電阻R、反饋電容C和運(yùn)算放大器A1組成的積分電路的輸入端，清零開關(guān)S4與輸入電容C并接，同時(shí)由積分觸發(fā)器的輸出信號(hào)控制，積分觸發(fā)器受CPU和來自鎖相倍頻器的同步時(shí)鐘信號(hào)控制；過零比較器A2的兩個(gè)高阻抗輸入端接電容器C的兩級(jí)，過零比較器A2的輸出接邏輯門電路，邏輯門電路判斷過零事件的發(fā)生，其輸出接測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，測(cè)量計(jì)數(shù)器N2和定時(shí)計(jì)數(shù)器N1對(duì)時(shí)鐘信號(hào)f2計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器N1輸出邏輯電平接入CPU，同時(shí)也輸出到測(cè)量計(jì)數(shù)器N2，定時(shí)計(jì)數(shù)器N1和測(cè)量計(jì)數(shù)器N2通過串行或并行數(shù)據(jù)線與CPU連接，由CPU設(shè)定和讀取計(jì)數(shù)值；正負(fù)溢出比較器接在運(yùn)算放大器A1的輸出端，監(jiān)視運(yùn)算放大器A1的輸出電壓u0(t)，并判斷u0(t)是否在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，其輸出邏輯電平接入CPU。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電功率測(cè)量裝置，其特征在于所述的鎖相倍頻電路包括緩沖放大器，整型電路，鑒相器，積分器，壓控振蕩器VCO，n級(jí)串連的同步2分頻器(n大于4)，時(shí)鐘f1選擇電路，時(shí)鐘f2選擇電路，譯碼電路，M1參數(shù)鎖存器，M2參數(shù)鎖存器，m參數(shù)鎖存器組成，被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過緩沖放大器輸出到整型電路上，整型電路將交流信號(hào)變成數(shù)字電平接到鑒相器的一個(gè)輸入端，鑒相器的另一個(gè)輸入端接n級(jí)串連的同步2分頻器最末一級(jí)的輸出，鎖相倍頻電路利用鑒相器和積分器和VCO以及n級(jí)二分頻器串連組成鎖相環(huán)路，得到與被測(cè)量信號(hào)頻率成2n倍的多種時(shí)鐘信號(hào)，n級(jí)串連的同步2分頻器在兩兩分頻器之間提供了不同頻率時(shí)鐘的抽頭，由M1參數(shù)鎖存器控制時(shí)鐘f1選擇電路，從抽頭中選擇2n倍頻信號(hào)之一作為數(shù)字波形發(fā)生器的地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)f1，使f1＝M1f，其中f被測(cè)電壓的頻率，由M2參數(shù)鎖存器控制時(shí)鐘f2選擇電路，從抽頭中選擇2n倍頻信號(hào)之一作為雙斜積分器的測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)f2，使f2＝M2f，m參數(shù)鎖存器控制譯碼器，使譯碼電路的多條輸出線中，僅可能有一路為邏輯1，譯碼電路每條輸出線分別接到第4到第n級(jí)二分頻器的控制端，控制端為1的二分頻器作為最小分頻數(shù)，其輸出頻率為VCO的輸出頻率fVCO的二分之一，fVCO作為n級(jí)串連的同步2分頻器的同步時(shí)鐘，使fVCO＝2mf，(m＝4，5…n)，通過選擇m使VCO的輸出頻率fVCO在一定范圍內(nèi)，上述三個(gè)參數(shù)鎖存器可以利用串連和并聯(lián)數(shù)據(jù)線連到微處理器CPU上，由CPU控制M1、M2、m三個(gè)參數(shù)。
13.一種電功率的測(cè)量裝置，其特征在于包括同步標(biāo)準(zhǔn)功率源、交流電壓有效值測(cè)量裝置、數(shù)字電橋、計(jì)算機(jī)，同步標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的被測(cè)電壓U經(jīng)過測(cè)量交流電壓有效值的裝置后，將測(cè)得的交流電壓U有效值輸入至計(jì)算機(jī)中；同步標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的被測(cè)電流I，經(jīng)過交流電阻分流器G獲得與交流電流成比例的電壓為U1=IG,]]>G是分流器的電導(dǎo)值，此電壓輸入至數(shù)字電橋的電壓測(cè)量端PH-PL，同步標(biāo)準(zhǔn)功率源的電壓輸出端與數(shù)字電橋的電流測(cè)量輸入端IL之間加入交流電阻R，IL端是數(shù)字電橋的虛地點(diǎn)，則被測(cè)電壓U通過該交流電阻R，其電流U/R流入數(shù)字電橋的IL端，數(shù)字電橋上顯示的交流電阻為阻抗的實(shí)部讀數(shù)Rx=UIIUcosφ,]]>數(shù)字電橋上顯示的復(fù)導(dǎo)納為虛部讀數(shù)Xx=UIIUsin(-φ),]]>將上述兩值送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，與被測(cè)電壓的有效值的平方U2相乘，再與交流電阻R和交流電流分流器G相除后得到有功功率為P=U2IUcosφ=U2GUIIURcosφ=RxRGU2,]]>無功功率計(jì)為Q=U2IUsinφ=U2GUIIURsinφ=XxRGU2.]]>
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電功率的測(cè)量裝置，其特征在于所述的數(shù)字電橋輸入信號(hào)的頻率與同步標(biāo)準(zhǔn)功率輸出的頻率相同，數(shù)字電橋利用電流輸出端IH的信號(hào)作為功率信號(hào)源的同步信號(hào)，使被測(cè)電壓和電流頻率與數(shù)字電橋內(nèi)部測(cè)試頻率相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電功率的測(cè)量裝置，其特征在于所述的被測(cè)功率信號(hào)源的電流輸出不能浮地，其低端應(yīng)與電壓參考點(diǎn)等電位，并且數(shù)字電橋的屏蔽地與電壓參考點(diǎn)直接連接。
全文摘要
一種測(cè)量電功率的方法，將視在功率與電壓相量和電流相量的關(guān)系分解為
文檔編號(hào)G01R21/00GK1815247SQ20061001147
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者劉民, 李亞琭 申請(qǐng)人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一四研究所