一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統及方法與流程
2023-07-04 08:59:11 4
本發明涉及電氣工程、儀器科學與技術領域，涉及高電壓技術方向，具體採用一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統及方法。
背景技術：
直流高電壓的測量方法主要分為三種。
第一種方法是通過觀測直流電壓直接作用的電學效果而產生的各種物理效應來實現對直流電壓的測量。該測量方法包括：
靜電電壓表，當在兩個相對的電極上施加電壓時，由於兩電極上分別充上相反極性的電荷，電極會受到靜電力的作用，通過測量靜電力的大小，或測量該靜電力產生的某一極板的偏移量來計算施加的電壓大小。但是該方法的測量準確度不高，在10KV電壓等級下可以達到0.5％的準確度，100KV電壓等級下可以達到1.0％的準確度，500KV電壓等級下可以達到2.5％的準確度。
高壓加速法，用直流高壓加速電子束產生X射線，根據量子力學理論，電子從電場獲得的能量與電子波的頻率有關，通過光譜法測量電子波的頻率就可以計算出施加在加速電極上的電壓值。這種方法測量範圍基本在40-120KV的直流電壓，準確度可達到0.15％，如果改用超導諧振腔測量頻率，其不確定可以達到1.2×10-4。
球隙法，空氣在一定場強下將發生碰撞游離，均勻場強下空氣間隙放電電壓與間隙距離具有一定的關係，因此可以利用間隙放電來測量電壓。但是，由於氣體放電具有統計性，數據分散性大，需要進行海拔和大氣條件校正，測量準確度低，一般僅能到達1％以下的準確度水平。
第二種方法是採用光學電壓傳感器法，主要基於Pockels效應、Kerr效應和逆壓電效應，是利用光纖完成信號傳輸，利用晶體的特定物理效應來感應電壓。其中，Pockels效應是指某些晶體材料在外加電場作用下，其折射率的變化與所加電場強度的一次方成正比，通過檢測雙折射兩光束的相位差就可以計算出施加外電壓的大小。Kerr效應是指介質在外電場作用下其折射率與所加電場強度的二次方成正比，介質折射率的變化將引起通過介質的光波偏振態的變化，通過檢測光波偏振態就可獲知被測電壓值。逆壓電效應是指壓電晶體受到外加電場作用時，晶體除了產生極化現象以外，同時形狀產生了微小變化，即產生應變。將該逆壓電效應引起的晶體形變轉化為光信號的調製並檢測光信號，就可以實現電壓的光學傳感。但是此種方法存在電荷飄移問題、傳感器的溫度及振動穩定性問題、長期運行穩定性和可靠性問題，而且此種方法能夠測量的電壓等級也相對有限。
第三種方法就是採用直流分壓器變換電壓，其結構示意圖及其簡圖如附圖1所示，然後用直流電壓表測量低壓臂的電壓，最後根據分壓比計算出待測高電壓。考慮到分壓器的準確度可以做到很高，該方法可以實現很高的準確度，目前100KV/10V電壓比的不確定度可以到達1×10-5，300KV/30V電壓比的不確定度可以到達3×10-5。
直流電阻分壓器是一種應用比較廣泛的直流電壓變換器，其主要由高、低壓電阻臂串聯而成，一次電壓範圍可以從1kV-MV，二次電壓通常選擇在1V-100V。但是該方法由於受到電阻元器件的電壓分散性和老化趨勢不一致的影響，高壓下情況下，高壓臂電暈放電造成的影響，分壓器絕緣洩露形成的影響，也容易受到外界環境因素的影響，包括環境溫度，直流分壓器表面汙穢，直流分壓器附近的物體等情況，使得直流分壓器準確度受到影響，經常需要進行校準。
綜上論述，上述直流高壓測量方法雖然在電氣工程領域、儀器科學與技術方向都已經得到了比較廣泛的應用，但是鑑於其中的測量準確度有的在技術方面很難有所提高，或者提高測量準確度所產生的性價比不高。為此，本發明給出了一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量方法，旨在能夠提出一種能夠在工程中實施的、能進行自動校準的、準確度高的和穩定性好的直流高電壓測量方法。
技術實現要素：
本發明旨在，提供一種能夠實現自動校準的準確度高、可靠性高和穩定性好的基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量方法。
為了實現上述發明的目的，本發明提供了如下技術解決方案：
一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統，包括直流分壓器、信號調理電路，以及微處理器，所述直流分壓器的低壓臂串聯有精密電阻RN-1和精密電阻RN，該精密電阻RN-1和精密電阻RN分別並聯有開關KN-1和開關KN；所述直流分壓器的高壓臂串聯有電阻R0；採用開關KN-1和開關KN切換方式分別對兩個低壓電阻臂電壓進行採集，所述信號調理電路用於將低壓臂的輸出電壓轉化為微處理器可以識別的信號，微處理器根據低壓臂輸出電壓實現對直流母線電壓的校正。
所述開關KN-1和開關KN是電子開關或繼電器或其他起到開關作用的器件。
所述精密電阻RN-1和精密電阻RN的阻值由直流分壓器的等級決定，保證精密電阻的電流為毫安級，輸出電壓為1-100V。
當微處理器內部沒有數據採集系統時，在微處理器和信號調理電路之間進一步設置有數據採集系統，微處理器內部的數據採集系統或者微處理器和信號調理電路之間的數據採集系統的解析度不低於12位。
所述直流分壓器的高壓臂電阻R0是由多個電阻串接而成，或者由多個電阻並聯的阻容結構串聯而成，如果是前者，R0串聯RN-1和RN，RN接地，如果是後者，低壓臂電阻RN-1和RN也各自並聯一個電容。低壓臂及其開關放置在屏蔽罩中，且屏蔽罩接地。
一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統方法，當監測到直流分壓器高壓臂的電壓連續時間段內發生變化時，微處理器通過控制開關KN-1和KN對高壓臂電阻進行校正，實現輸出穩定、準確和可靠的直流母線電壓；當監測到直流分壓器高壓臂的電壓連續時間段內沒有發生變化時，不對高壓臂進行校正，直接根據高壓臂和低壓臂的分壓比計算母線電壓。
所述校正的方法為：連續監測到的高壓電阻臂電壓的標準差的兩倍均在允許誤差範圍內，則分別根據公式(9)和公式(10)計算高壓電阻臂的校準值R0及校準值R0的均值R01和R02，若2|R01-R02|/R01和2|R01-R02|/R02均小於直流分壓器的準確度等級，則以R01或R02替代高壓電阻臂的阻值，若2|R01-R02|/R01和2|R01-R02|/R02中有一個大於直流分壓器的準確度等級，則說明低壓臂的精密電阻發生變化，提醒用戶標定：
上式中，VN-1為精密電阻RN-1的電壓值，VN為精密電阻RN的電壓值，V′N為斷開開關KN閉合開關KN-1時的低壓臂精密電阻電壓值，V′N-1為斷開開關KN-1閉合開關KN時的低壓臂精密電阻電壓值。
連續時間段內，直流分壓器高壓臂的電壓沒有發生變化的判斷標準為：連續求取的高壓電阻臂的電壓VH的值，與實測時得到的高壓電阻臂的電壓VH值，均與其均值的偏差，或者標準差小於允許偏差，則認為直流分壓器沒有發生變化，無需校準。
所述電阻R0通過以下方法而得：
(1)斷開開關KN-1和開關KN，由電阻分壓原理得到：
其中，VH為高壓臂電壓；
(2)閉合開關KN-1，斷開開關KN，同理得到：
(3)斷開開關KN-1，閉合開關KN，同理得到：
(4)由公式(1)和公式(2)，得出：
由公式(3)，得出：
將公式(1)右邊分子分母同時除以RN，得出：
將公式(5)和公式(6)代入到公式(7)中，得出：
將公式(8)代入到公式(6)中，得出：
由公式(1)和公式(4)直接可求得：
與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：本發明在直流分壓器的低壓臂安裝兩個串聯的精密電阻，採用開關切換方式分別對兩個低壓電阻臂電壓進行採集，從而實現對直流母線電壓的測量及校正，減小了因分壓電阻、絕緣材料等的參數變化以及因為外界環境因素對測量結果造成的影響。
【附圖說明】
圖1(a)分壓器結構示意圖；
圖1(b)分壓器結構簡化圖；
圖2基於分時採樣的直流分壓器的直流高電壓測量方法示意圖；
圖3基於分時採樣的直流分壓器的直流高電壓測量系統結構圖；
圖4校準電壓流程圖。
【具體實施方式】
本發明將結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明和論述。
本發明是一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統及方法。通過採集低壓電阻臂的電壓值和分壓比來測量直流母線電壓值，經信號調理電路並通過微處理器計算和輸出電壓，並實時監測和記錄電壓值。一般由於高電壓對高壓臂的強烈作用可能會引起高壓電阻臂阻值的變化，此外由於外界因素的影響也可能引起電阻值的變化。當監測到連續時間段的電壓發生變化，此時通過微處理器輸出指令，控制開關管的開合，實現對高壓電阻臂的校準，實現輸出穩定、準確和可靠的待測直流母線電壓。當採集的電壓沒有發生變化，就不對高壓臂進行校準，直接根據分壓比來計算母線電壓。
將直接測量電壓的低壓臂分成兩個串聯的等值的精密電阻臂，通過分時採樣開關實現兩個電阻臂的切換，這樣，兩個電阻臂的工作條件近乎相似，統計誤差較小。對於實際運行時沒有滿足要求的電阻臂，可以通過串並聯電阻器以實現設計的需要。
本發明測量和校正系統的結構示意圖如圖3所示。該系統包括開關KN-1和KN，高壓臂電阻R0，低壓臂精密電阻RN-1和RN，信號調理電路和微處理器，若微處理器中沒有滿足要求的數據採集系統，則在信號調理電路與微處理器之間還有數據採集卡。開關KN-1和KN可以是電子開關，也可以是繼電器，精密電阻RN-1和RN阻值由分壓器等級決定，只要使得電阻上的電流為毫安級，輸出電壓為1-100V即可。高壓臂電阻R0是由多個電阻串接而成的，或者是多個由一個電阻並聯一個電容的阻容結構串聯而成的，如果是後者，RN-1和RN也要各自並聯一個電容。
微處理器可以是單片機、DSP系統，也可以是嵌入式系統，還可以是普通工控機。數據採集系統要求解析度不低於12位，可以是14位、16位、18位、20位、24位。信號調理電路內含可編程控制器，用於將直流分壓器低壓臂上的輸出電壓，即RN-1和RN的輸出電壓轉換為數據採集系統的容許輸入電壓，它受微處理器控制，其輸出電壓的上限為數據採集卡容許輸入電壓的上限。
實施例：
本實施例結合圖3的測量系統的結構示意圖簡要說明實施過程。假設被測直流電壓為100kV，系統採用MOSFET管作為開關，柵極高電壓時導通，C51單片機作為微處理器，單片機的準雙向口用來控制MOSFET管，高壓臂採用100個電阻串聯而成，每個電阻的電阻值為1MΩ，額定功率2W，精密電阻的阻值均為50kΩ，直流分壓器準確度等級要求：0.5級。於是，額定電壓情況下，RN的電壓VN約為50V，RN-1的電壓VN-1約為100V，採集卡解析度為16位，電壓輸入範圍為0～5V，調理電路分別將VN和VN-1調理成0～5V。分壓器的測量過程，安裝分壓比實現，關鍵在於如何校準。本實施例的校準過程如下，其步驟流程圖如圖4所示。
1)斷開開關KN-1和開關KN，即C51單片機準雙向口控制電壓均為低平電壓，由電阻分壓原理得到：
其中，VH為高壓臂電壓。
2)閉合開關KN-1，但開關KN斷開，同理得到：
3)斷開開關KN-1，但開關KN閉合，同理得到：
於是，由(1)/(2)，得出：
由式(3)，得出：
將式(1)右邊分子分母同時除以RN，得出：
將式(5)和式(6)代入到式(7)中，得出：
將式(8)代入到式(6)中，得出：
由式(1)和(4)直接可求得：
由於選定的RN-1＝RN＝50kΩ，因此由式(10)求得的R0為：
考慮到16位採集卡，輸入為0～5V，其解析度誤差為3.8×10-5V，折合到100V時，解析度誤差為7.6×10-4V，若無其它異常，且不考慮其他噪聲，則應有：
根據式(10)可求得R0＝99.85MΩ。因R0＝100MΩ，2×(100-99.85)/100＝0.003，解析度選用合適情況下，其它噪聲水平與此相當，故系統偏差約為0.003×1.414＝0.004242＜0.5，滿足0.5級準確度要求。
當斷開開關KN-1和開關KN時，通過連續15次採集低壓臂電壓值，通過計算監測結果的標準差的2倍是否小於允許偏差來判斷是否進行高壓電阻臂的校準，即:
<![CDATA[ 2 Σ k = 1 15 ( V N ( k ) - V N ( k ) ) 15 - 1 ≤ E r r - - - ( 12 ) ]]>
式中，Err為容許偏差，VN(k)為第k次測得的VN的值，為VN(k)的均值。當滿足式(12)條件時，就對高壓臂電阻值R0進行如下校準。此時，通過微處理器輸出指令，調節並聯在兩個低壓臂的開關的KN-1和KN的通斷，根據採集的不同低壓臂的電壓值進行如下的計算，以實現對高壓臂的校準。
首先，通過根據式(8)連續求解VH的值，並計算相鄰三次採樣結果的其標準差，若標準差的2倍在允許誤差範圍內，則再根據表達式(9)和式(10)計算高壓臂的校準值R0，如果不滿足誤差要求，說明被測電壓不夠穩定，則需要進行下一次的校準。
分別求根據式(9)和式(10)求R0的值的均值R01和R02，若2|R01-R02|/R01和2|R01-R02|/R02均小於直流分壓器的準確度等級，即2|R01-R02|/R01<0.005，且2|R01-R02|/R02<0.005，則取得的R01或者R02作為校準後的R0，若其中有一個大於準確度等級，則說明精密低壓臂也已發生變化，需要提醒用戶標定。
當校準完畢後，再根據式(2)就可以計算出直流高壓母線的電壓值。
本發明提供了一種基於直流分壓器分時採樣的直流高電壓測量和校正系統及方法，在直流分壓器的低壓臂安裝兩個串聯的採樣電阻，採用開關切換方式分別對兩個低壓電阻臂電壓進行採集，如圖2所示，通過建立被測電壓、分壓電阻和輸出電壓之間的方程，並通過求解方程以獲得被測電壓值和高壓臂的電阻值，從而實現對直流母線電壓的測量及校正，減小了因為分壓電阻、絕緣材料等的參數變化以及因為外界環境因素對測量結果造成的影響。因此，只需要設計滿足一定功率要求的高低壓電阻臂、開關以及簡單的控制器，就能實現對基於直流分壓器的直流高電壓檢測裝置的校正與準確測量。
由於高壓電阻臂可能會受到高電壓的放電以及外界環境的影響，因此高壓電阻臂可能會發生變化，致使檢測電壓值出現波動。本發明通過記錄並存儲採集的電壓值，監測電壓值的變化情況來給出校正策略，並通過調節電子開關的切換，經過分壓計算以實現對高壓電阻臂的電阻值自動校準，根據採集的低壓電阻臂的電壓值和分壓比就可以計算出直流高壓母線電壓值，從而實現輸出穩定的、準確的電壓。
當開關切換前後測得的電壓值幾乎不發生變化時，就不需要對高壓電阻臂的電阻值進行校正，因為此時高壓臂電阻值未改變，只需要根據低壓電阻臂採集的電壓和分壓比，就可以通過微處理器的計算，就能實現對直流高壓的測量。
顯然，經上述實施例的說明，本發明專利採用分時採樣電壓的方法，可以達到穩定輸出準確度比較高的、可靠性好的和能夠自動校準的待測電壓值的效果，對常規直流電阻分壓器受電阻值的變化、高壓電暈的幹擾和分壓器絕緣洩露的影響所引起分壓器準確度的變化有了很大的改進。
以上內容是結合具體的實施方案對本發明專利的進一步詳細說明，需要說明的是，本發明專利的具體實施方案不僅僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干的推演和擴展，但都應當視為屬於本發明所提交的權利要求書所確定的專利保護範圍。