交流电阻时间常数的测量电路和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交流阻抗精密测量领域，尤其是一种交流电阻时间常数的测量电路和 测量方法。
【背景技术】
[0002] 电气工程、电子技术等领域的实际应用中，大量涉及到对交流电量的测量，交流电 压、电流、功率等的测量均与交流电阻密切相关。由于分布电容、残余电感及互感耦合等的 影响，交流电阻具有一定的频率误差，即在不同频率下的阻值发生变化。交流电阻的精密测 量对提高交流电量的测量准确度具有重要意义。
[0003] 从1910年至1950年，科学家们提出了多种计算电阻时间常数的方法。其中有一 种叫做同轴型时间常数标准，这种方法是把电阻做成同轴线的形状，由于圆筒中电流的流 向并不能保证与轴线方向完全平行，因此会带来很大的计算误差。这是英国NPL 20年代的 计算结果，普遍在1〇_7到10 _8的量级。由于当时电信号的频率很低，因此这个量级完全可以 满足实际应用。上个世纪60年代，中国也研制完成了回线型电阻时间常数计算样品，电阻 下限到2姆，不确定度降低到了 KT9次方量级。
[0004] 到了 90年代，随着科技的发展，电信号的频率越来越高，为了满足IOOkHz功率测 量的需要，澳大利亚计量院匪IA率先研制了盘片结构的时间常数标准，这个标准也是基于 计算，实际上就是微电位计用的盘片电阻，尺寸很小，结构简单，便于计算。时间常数的参考 的是一只3. 9欧姆的盘片电阻，不确定度经计算在5X KT11量级。然后通过爬台阶的方法 扩展至0. 1欧姆。
[0005] 从2005年开始，大多数国家都不再采取计算的样品，而是寻求实际测量的方法。 欧盟计量组织启动了联合研宄计划，开展新一代功率电能测量技术的研宄。参加国有英国、 法国、瑞典、意大利、奥地利等。比如澳大利亚采用微电位计作为电阻时间常数可计算标准， 其基本原理是在一个N型同轴连接器中心面上喷上一层高电阻率材料，电流通过中心轴线 向外呈放射性结构。基于功率热电变换器实现电流量程扩展至20A，200kHz。
[0006] 在电阻时间常数方面，意大利在2011年发表文章提出一种测量电阻时间常数的 方法，将该领域的研宄由计算转向实际测量。瑞典SP提出了一种基于阻抗测量仪（LCIU+) 的测量方法，这种方法是利用不同电阻的相同电感去修正阻抗电桥的电感测量曲线，通过 测量四端电阻等效残余电感的方法计算电阻时间常数。其电阻时间常数标准是将高电阻率 材料喷在PCB板上，构成四端回线形结构，在回线两端作为电流输入，同时顺着电流方向， 在PCB板另一面引出电压回路，这种结构在一定程度上减小回路间的互感值。基于数字采 样的方法实现两通道的同步测量，将电流量扩展100A、100kHz。但是这种方法修正的不确定 度会很大。
[0007] 由此可见，对于交流电阻时间常数的测量，目前的测量方法比较单一，多依赖于计 算电阻时间常数标准，而标准器的制作工艺、测量电路等均极其复杂，近几年出现的几种测 量方法均可获得较高的准确度，但是测量过程繁琐，无法满足工业需求。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种交流电阻时间常数的测量电路和测量方法，以解决测 量电路复杂、测量过程繁琐，而无法满足工业需求的问题。
[0009] 为了达到上述目的，本发明提供了一种交流电阻时间常数的测量电路，包括：电 源；
[0010] 隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的两端与所述电源连接；
[0011] 电桥结构，包括桥路平衡调节支路和测量支路，所述桥路平衡调节支路和测量支 路通过第一节点和第二节点并联，所述第一节点和第二节点分别连接于所述隔离变压器的 次级绕组的两端；所述测量支路包括一标准电容器和一被测交流电阻，所述标准电容器的 第一端与所述第一节点连接，所述标准电容器的第二端通过一第四节点与所述被测交流电 阻串联后连接至所述第二节点；
[0012] 相位表，所述第一节点与所述相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表 的参考端连接；
[0013] 指零仪，所述第四节点通过所述指零仪接地。
[0014] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电桥结构为惠斯通电桥 结构。
[0015] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述惠斯通电桥结构中的所 述桥路平衡调节支路包括；
[0016] 第一电容器，所述第一电容器的第一端与所述第一节点连接，所述第一电容器的 第二端与一第一电位器的第一端连接；
[0017] 第二电位器，所述第二电位器的第一端与所述第一电位器的第二端通过一第三节 点连接，所述第三节点接地，所述第二电位器的第二端与所述第二节点连接。
[0018] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述第一电位器的电阻值小 于所述第二电位器的电阻值，所述第一电位器用于补偿所述第一电容器的损耗。
[0019] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述第二电位器电阻值可调 节，用于调节所述惠斯通电桥结构的桥路平衡。
[0020] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电桥结构还可为开尔文 电桥结构。
[0021] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述隔离变压器的初级绕组 和次级绕组的比例为1:1。
[0022] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述电源输出的电源信号为 交流正弦电压信号。
[0023] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述被测交流电阻为两端电 阻，所述被测交流电阻的第一端与所述第四节点连接，所述被测交流电阻的另一端与所述 第二节点连接。
[0024] 优选的，在上述的交流电阻时间常数的测量电路中，所述被测交流电阻为四端电 阻，所述被测交流电阻的两个电流端分别连接于所述第四节点和所述第二节点，所述被测 交流电阻的两个电位端分别连接于所述指零仪和所述相位表的参考端。
[0025] 一种交流电阻时间常数的测量方法，包括以下步骤：
[0026] 在所述电源的频率下测量所述标准电容器的电容值和损耗因数；
[0027] 调节所述桥路平衡调节支路，使所述电桥结构的桥路平衡；
[0028] 读取所述相位表输入端的相位值Pvc和参考端的相位值久R ;
[0029] 计算出所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差化
[0030]
【主权项】
1. 一种交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，包括： 电源； 隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的两端与所述电源连接； 电桥结构，包括桥路平衡调节支路和测量支路，所述桥路平衡调节支路和测量支路通 过第一节点和第二节点并联，所述第一节点和第二节点分别连接于所述隔离变压器的次级 绕组的两端；所述测量支路包括一标准电容器和一被测交流电阻，所述标准电容器的第一 端与所述第一节点连接，所述标准电容器的第二端通过一第四节点与所述被测交流电阻串 联后连接至所述第二节点； 相位表，所述第一节点与所述相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表的参 考端连接； 指零仪，所述第四节点通过所述指零仪接地。
2. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电桥结构为 惠斯通电桥结构。
3. 如权利要求2所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述惠斯通电桥 结构中的所述桥路平衡调节支路包括： 第一电容器，所述第一电容器的第一端与所述第一节点连接，所述第一电容器的第二 端与一第一电位器的第一端连接； 第二电位器，所述第二电位器的第一端与所述第一电位器的第二端通过一第三节点连 接，所述第三节点接地，所述第二电位器的第二端与所述第二节点连接。
4. 如权利要求3所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述第一电位器 的电阻值小于所述第二电位器的电阻值，所述第一电位器用于补偿所述第一电容器的损 耗。
5. 如权利要求3所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述第二电位器 电阻值可调节，用于调节所述惠斯通电桥结构的桥路平衡。
6. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电桥结构还 可为开尔文电桥结构。
7. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述隔离变压器 的初级绕组和次级绕组的比例为1:1。
8. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述电源输出的 电源信号为交流正弦电压信号。
9. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述被测交流电 阻为两端电阻，所述被测交流电阻的第一端与所述第四节点连接，所述被测交流电阻的另 一端与所述第二节点连接。
10. 如权利要求1所述的交流电阻时间常数的测量电路，其特征在于，所述被测交流 电阻为四端电阻，所述被测交流电阻的两个电流端分别连接于所述第四节点和所述第二节 点，所述被测交流电阻的两个电位端分别连接于所述指零仪和所述相位表的参考端。
11. 一种利用如权利要求1-10中任一所述的交流电阻时间常数的测量电路对交流电 阻的时间参数进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤： 在所述电源的频率下测量所述标准电容器的电容值和损耗因数； 调节所述桥路平衡调节支路，使电桥结构的桥路平衡； 读取所述相位表输入端的相位值^vc和参考端的相位值?W ; 计算出所述标准电容器的电压和所述被测交流电阻的电压之间的相位差P:
计算出所述被测交流电阻的时间常数τ :
其中：S为所述标准电容的损耗因数，π为圆周率，f为所述电源的频率。
12. 如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，利用所述指零 仪监控所述第四节点的电压，当所述第四节点的电压值为零时，所述电桥结构的桥路平衡。
13. 如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，利用电容电桥 测量所述标准电容在所述电源的频率下的电容值和损耗因数。
14. 如权利要求11所述的交流电阻时间常数的测量方法，其特征在于，所述标准电容 器的损耗因数角为Θ。，0e=tanS，δ为所述标准电容的损耗因数。
【专利摘要】本发明提供了一种交流电阻时间常数的测量电路和测量方法，其中，交流电阻时间常数的测量电路包括：惠斯通电桥结构，所述惠斯通电桥结构的第一节点和第二节点通过一隔离变压器与一电源连接，所述第一节点与一相位表的输入端连接，所述第二节点与所述相位表的参考端连接。通过所述相位表测量所述标准电容器和所述被测交流电阻端电压的相位差，基于所述标准电容器的损耗因数，即可计算出所述被测交流电阻的时间常数。电路连接简单，测量过程方便快捷，准确度高，适合工业化应用。
【IPC分类】G01R27-02
【公开号】CN104730342
【申请号】CN201510134211
【发明人】来磊, 冯建, 石雷兵, 李莉, 许峰, 史小涛, 秦怡
【申请人】上海市计量测试技术研究院
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月25日