交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流阻抗精密測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路和 測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電氣工程、電子技術(shù)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，大量涉及到對(duì)交流電量的測(cè)量，交流電 壓、電流、功率等的測(cè)量均與交流電阻密切相關(guān)。由于分布電容、殘余電感及互感耦合等的 影響，交流電阻具有一定的頻率誤差，即在不同頻率下的阻值發(fā)生變化。交流電阻的精密測(cè) 量對(duì)提高交流電量的測(cè)量準(zhǔn)確度具有重要意義。
[0003] 從1910年至1950年，科學(xué)家們提出了多種計(jì)算電阻時(shí)間常數(shù)的方法。其中有一 種叫做同軸型時(shí)間常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這種方法是把電阻做成同軸線的形狀，由于圓筒中電流的流 向并不能保證與軸線方向完全平行，因此會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算誤差。這是英國(guó)NPL 20年代的 計(jì)算結(jié)果，普遍在1〇_7到10 _8的量級(jí)。由于當(dāng)時(shí)電信號(hào)的頻率很低，因此這個(gè)量級(jí)完全可以 滿足實(shí)際應(yīng)用。上個(gè)世紀(jì)60年代，中國(guó)也研制完成了回線型電阻時(shí)間常數(shù)計(jì)算樣品，電阻 下限到2姆，不確定度降低到了 KT9次方量級(jí)。
[0004] 到了 90年代，隨著科技的發(fā)展，電信號(hào)的頻率越來(lái)越高，為了滿足IOOkHz功率測(cè) 量的需要，澳大利亞計(jì)量院匪IA率先研制了盤(pán)片結(jié)構(gòu)的時(shí)間常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是基于 計(jì)算，實(shí)際上就是微電位計(jì)用的盤(pán)片電阻，尺寸很小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于計(jì)算。時(shí)間常數(shù)的參考 的是一只3. 9歐姆的盤(pán)片電阻，不確定度經(jīng)計(jì)算在5X KT11量級(jí)。然后通過(guò)爬臺(tái)階的方法 擴(kuò)展至0. 1歐姆。
[0005] 從2005年開(kāi)始，大多數(shù)國(guó)家都不再采取計(jì)算的樣品，而是尋求實(shí)際測(cè)量的方法。 歐盟計(jì)量組織啟動(dòng)了聯(lián)合研宄計(jì)劃，開(kāi)展新一代功率電能測(cè)量技術(shù)的研宄。參加國(guó)有英國(guó)、 法國(guó)、瑞典、意大利、奧地利等。比如澳大利亞采用微電位計(jì)作為電阻時(shí)間常數(shù)可計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)， 其基本原理是在一個(gè)N型同軸連接器中心面上噴上一層高電阻率材料，電流通過(guò)中心軸線 向外呈放射性結(jié)構(gòu)?；诠β薀犭娮儞Q器實(shí)現(xiàn)電流量程擴(kuò)展至20A，200kHz。
[0006] 在電阻時(shí)間常數(shù)方面，意大利在2011年發(fā)表文章提出一種測(cè)量電阻時(shí)間常數(shù)的 方法，將該領(lǐng)域的研宄由計(jì)算轉(zhuǎn)向?qū)嶋H測(cè)量。瑞典SP提出了一種基于阻抗測(cè)量?jī)x（LCIU+) 的測(cè)量方法，這種方法是利用不同電阻的相同電感去修正阻抗電橋的電感測(cè)量曲線，通過(guò) 測(cè)量四端電阻等效殘余電感的方法計(jì)算電阻時(shí)間常數(shù)。其電阻時(shí)間常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是將高電阻率 材料噴在PCB板上，構(gòu)成四端回線形結(jié)構(gòu)，在回線兩端作為電流輸入，同時(shí)順著電流方向， 在PCB板另一面引出電壓回路，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上減小回路間的互感值。基于數(shù)字采 樣的方法實(shí)現(xiàn)兩通道的同步測(cè)量，將電流量擴(kuò)展100A、100kHz。但是這種方法修正的不確定 度會(huì)很大。
[0007] 由此可見(jiàn)，對(duì)于交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量，目前的測(cè)量方法比較單一，多依賴于計(jì) 算電阻時(shí)間常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)器的制作工藝、測(cè)量電路等均極其復(fù)雜，近幾年出現(xiàn)的幾種測(cè) 量方法均可獲得較高的準(zhǔn)確度，但是測(cè)量過(guò)程繁瑣，無(wú)法滿足工業(yè)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路和測(cè)量方法，以解決測(cè) 量電路復(fù)雜、測(cè)量過(guò)程繁瑣，而無(wú)法滿足工業(yè)需求的問(wèn)題。
[0009] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，包括：電 源；
[0010] 隔離變壓器，所述隔離變壓器的初級(jí)繞組的兩端與所述電源連接；
[0011] 電橋結(jié)構(gòu)，包括橋路平衡調(diào)節(jié)支路和測(cè)量支路，所述橋路平衡調(diào)節(jié)支路和測(cè)量支 路通過(guò)第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)并聯(lián)，所述第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)分別連接于所述隔離變壓器的 次級(jí)繞組的兩端；所述測(cè)量支路包括一標(biāo)準(zhǔn)電容器和一被測(cè)交流電阻，所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的 第一端與所述第一節(jié)點(diǎn)連接，所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的第二端通過(guò)一第四節(jié)點(diǎn)與所述被測(cè)交流電 阻串聯(lián)后連接至所述第二節(jié)點(diǎn)；
[0012] 相位表，所述第一節(jié)點(diǎn)與所述相位表的輸入端連接，所述第二節(jié)點(diǎn)與所述相位表 的參考端連接；
[0013] 指零儀，所述第四節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述指零儀接地。
[0014] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述電橋結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋 結(jié)構(gòu)。
[0015] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中的所 述橋路平衡調(diào)節(jié)支路包括；
[0016] 第一電容器，所述第一電容器的第一端與所述第一節(jié)點(diǎn)連接，所述第一電容器的 第二端與一第一電位器的第一端連接；
[0017] 第二電位器，所述第二電位器的第一端與所述第一電位器的第二端通過(guò)一第三節(jié) 點(diǎn)連接，所述第三節(jié)點(diǎn)接地，所述第二電位器的第二端與所述第二節(jié)點(diǎn)連接。
[0018] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述第一電位器的電阻值小 于所述第二電位器的電阻值，所述第一電位器用于補(bǔ)償所述第一電容器的損耗。
[0019] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述第二電位器電阻值可調(diào) 節(jié)，用于調(diào)節(jié)所述惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的橋路平衡。
[0020] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述電橋結(jié)構(gòu)還可為開(kāi)爾文 電橋結(jié)構(gòu)。
[0021] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述隔離變壓器的初級(jí)繞組 和次級(jí)繞組的比例為1:1。
[0022] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述電源輸出的電源信號(hào)為 交流正弦電壓信號(hào)。
[0023] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述被測(cè)交流電阻為兩端電 阻，所述被測(cè)交流電阻的第一端與所述第四節(jié)點(diǎn)連接，所述被測(cè)交流電阻的另一端與所述 第二節(jié)點(diǎn)連接。
[0024] 優(yōu)選的，在上述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路中，所述被測(cè)交流電阻為四端電 阻，所述被測(cè)交流電阻的兩個(gè)電流端分別連接于所述第四節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)，所述被測(cè) 交流電阻的兩個(gè)電位端分別連接于所述指零儀和所述相位表的參考端。
[0025] 一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0026] 在所述電源的頻率下測(cè)量所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容值和損耗因數(shù)；
[0027] 調(diào)節(jié)所述橋路平衡調(diào)節(jié)支路，使所述電橋結(jié)構(gòu)的橋路平衡；
[0028] 讀取所述相位表輸入端的相位值Pvc和參考端的相位值久R ;
[0029] 計(jì)算出所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的電壓和所述被測(cè)交流電阻的電壓之間的相位差化
[0030]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，包括： 電源； 隔離變壓器，所述隔離變壓器的初級(jí)繞組的兩端與所述電源連接； 電橋結(jié)構(gòu)，包括橋路平衡調(diào)節(jié)支路和測(cè)量支路，所述橋路平衡調(diào)節(jié)支路和測(cè)量支路通 過(guò)第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)并聯(lián)，所述第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)分別連接于所述隔離變壓器的次級(jí) 繞組的兩端；所述測(cè)量支路包括一標(biāo)準(zhǔn)電容器和一被測(cè)交流電阻，所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的第一 端與所述第一節(jié)點(diǎn)連接，所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的第二端通過(guò)一第四節(jié)點(diǎn)與所述被測(cè)交流電阻串 聯(lián)后連接至所述第二節(jié)點(diǎn)； 相位表，所述第一節(jié)點(diǎn)與所述相位表的輸入端連接，所述第二節(jié)點(diǎn)與所述相位表的參 考端連接； 指零儀，所述第四節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述指零儀接地。
2. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述電橋結(jié)構(gòu)為 惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述惠斯通電橋 結(jié)構(gòu)中的所述橋路平衡調(diào)節(jié)支路包括： 第一電容器，所述第一電容器的第一端與所述第一節(jié)點(diǎn)連接，所述第一電容器的第二 端與一第一電位器的第一端連接； 第二電位器，所述第二電位器的第一端與所述第一電位器的第二端通過(guò)一第三節(jié)點(diǎn)連 接，所述第三節(jié)點(diǎn)接地，所述第二電位器的第二端與所述第二節(jié)點(diǎn)連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述第一電位器 的電阻值小于所述第二電位器的電阻值，所述第一電位器用于補(bǔ)償所述第一電容器的損 耗。
5. 如權(quán)利要求3所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述第二電位器 電阻值可調(diào)節(jié)，用于調(diào)節(jié)所述惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的橋路平衡。
6. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述電橋結(jié)構(gòu)還 可為開(kāi)爾文電橋結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述隔離變壓器 的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的比例為1:1。
8. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述電源輸出的 電源信號(hào)為交流正弦電壓信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述被測(cè)交流電 阻為兩端電阻，所述被測(cè)交流電阻的第一端與所述第四節(jié)點(diǎn)連接，所述被測(cè)交流電阻的另 一端與所述第二節(jié)點(diǎn)連接。
10. 如權(quán)利要求1所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路，其特征在于，所述被測(cè)交流 電阻為四端電阻，所述被測(cè)交流電阻的兩個(gè)電流端分別連接于所述第四節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié) 點(diǎn)，所述被測(cè)交流電阻的兩個(gè)電位端分別連接于所述指零儀和所述相位表的參考端。
11. 一種利用如權(quán)利要求1-10中任一所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路對(duì)交流電 阻的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下步驟： 在所述電源的頻率下測(cè)量所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容值和損耗因數(shù)； 調(diào)節(jié)所述橋路平衡調(diào)節(jié)支路，使電橋結(jié)構(gòu)的橋路平衡； 讀取所述相位表輸入端的相位值^vc和參考端的相位值?W ; 計(jì)算出所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的電壓和所述被測(cè)交流電阻的電壓之間的相位差P:
計(jì)算出所述被測(cè)交流電阻的時(shí)間常數(shù)τ :
其中：S為所述標(biāo)準(zhǔn)電容的損耗因數(shù)，π為圓周率，f為所述電源的頻率。
12. 如權(quán)利要求11所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，利用所述指零 儀監(jiān)控所述第四節(jié)點(diǎn)的電壓，當(dāng)所述第四節(jié)點(diǎn)的電壓值為零時(shí)，所述電橋結(jié)構(gòu)的橋路平衡。
13. 如權(quán)利要求11所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，利用電容電橋 測(cè)量所述標(biāo)準(zhǔn)電容在所述電源的頻率下的電容值和損耗因數(shù)。
14. 如權(quán)利要求11所述的交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)電容 器的損耗因數(shù)角為Θ。，0e=tanS，δ為所述標(biāo)準(zhǔn)電容的損耗因數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路和測(cè)量方法，其中，交流電阻時(shí)間常數(shù)的測(cè)量電路包括：惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)通過(guò)一隔離變壓器與一電源連接，所述第一節(jié)點(diǎn)與一相位表的輸入端連接，所述第二節(jié)點(diǎn)與所述相位表的參考端連接。通過(guò)所述相位表測(cè)量所述標(biāo)準(zhǔn)電容器和所述被測(cè)交流電阻端電壓的相位差，基于所述標(biāo)準(zhǔn)電容器的損耗因數(shù)，即可計(jì)算出所述被測(cè)交流電阻的時(shí)間常數(shù)。電路連接簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程方便快捷，準(zhǔn)確度高，適合工業(yè)化應(yīng)用。
【IPC分類】G01R27-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104730342
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510134211
【發(fā)明人】來(lái)磊, 馮建, 石雷兵, 李莉, 許峰, 史小濤, 秦怡
【申請(qǐng)人】上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日