一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置及其自校准方法与流程

本发明涉及电力设备领域，更具体地，涉及一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置及其自校准方法。

背景技术：

直流电阻分压器由于其原理简单，稳定性好和测量准确度高的优点，常用作直流电压比例标准。如何获得直流电阻分压器的实际分压比，是直流电压进行量值溯源的关键所在。一般而言，获得直流电阻分压器实际分压比的方法分为直接法和间接法。直接法为直接测量直流电阻分压器的分压电阻阻值，从而获得分压器的实际分压比，或通过准确度等级更高的标准分压器做标准器，对被试分压器的分压比进行比较，得到分压器的实际分压比。间接法是在被测直流电阻分压器上直接施加直流电压，测量出被测分压器各段电压与参考电压回路中相应各段电压的差值，根据参考电压回路和测量试验，建立起被测分压器的分压比与测量得到的电压差值之间的函数关系，将测量得到的电压差值代入函数关系式进行计算，从而得到被测分压器在该直流电压下的分压比。对于直流电阻分压器而言，其分压电阻阻值跨度较大，由于测量手段的限制，采用直接测量分压电阻的方法无法得到高准确度的分压电阻阻值。当被校分压器的准确度是最高等级时，已无法找到更高准确度等级的分压器作为标准器，因此采用直接法无法有效得到分压器的实际分压比。采用间接法进行量值溯源时，现有校准方法均需要辅助分压器，且对测量手段要求较高，差压测量点繁多，可操作性较差。

技术实现要素：

为了解决背景技术存在的通过直接法测量分压比需要等级更好的分压器作为标准器，而间接法需要辅助分压器可操作性差的问题，本发明提供了一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置及其自校准方法，所述装置具有自校准功能，无需依靠直接法或间接法即可实现自校准；所述装置依据哈蒙电阻连接网络改变分压电阻的连接方式，通过在两种连接方式下的测量结果计算获得实际的分压比，以完成量值溯源；所述一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置包括：

电阻分压器，所述电阻分压器包括n个可变换连接方式的分压电阻，所述n个分压电阻通过串联依次连接，并通过具有开关的短接线通过预设的连接方式并联连接；所述电阻分压器的最低端分压电阻由两个比例为1：n-1的分压子电阻串联组成；

辅助单元，所述辅助单元包括m个标准电阻、标准可调电阻以及运算放大器；所述运算放大器的同相输入端接地，所述m个标准电阻以及标准可调电阻串联连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述运算放大器的反相输入端与所述电阻分压器的输出端相连；

测量运算单元，所述测量运算单元的输入端与所述运算放大器的输出端相连，用于测量所述运算放大器的输出电压；所述测量运算单元的输入端与所述电阻分压器最低端分压电阻的两个分压子电阻的连接处相连或与最低端分压电阻高压端相连，用于测量所述电阻分压器的一个分压子电阻的分压电压或最低端分压电阻电压；

所述测量运算单元用于根据测量结果计算所述直流电阻分压器的分压比。

进一步的，所述通过具有开关的短接线通过预设的连接方式并联连接，包括：

串联依次连接的n个分压电阻中的每两个相邻的分压电阻，通过金属嵌件相连；所述串联依次连接的n个分压电阻的输入端以及输出端通过金属嵌件固定；

通过短接件将每两个相隔一个金属嵌件的金属嵌件相连。

进一步的，所述短接件包括控制开关；当所述控制开关处于断开状态时，所述短接件的两端不导通，所述分压电阻器中的n个分压电阻处于串联状态；

当所述控制开关处于闭合状态时，所述短接件的两端导通，所述分压电阻器中的n个分压电阻处于并联状态；

所述测量运算单元用于向所述控制开关发送控制指令。

进一步的，所述电阻分压器包括n个固定在绝缘支撑板上、相互平行的绝缘支柱；

所述每个绝缘支柱上固定一个金属嵌件，使得各分压电阻在绝缘支柱间固定；

所述电阻分压器包括两组屏蔽电阻，每组屏蔽电阻为n个；所述两组屏蔽电阻的每一组与所述分压电阻的连接方式相同，并分别通过金属嵌件固定在绝缘支柱上；

在同一个绝缘支柱上，所述分压电阻的金属嵌件位于两组屏蔽电阻对应的金属嵌件之间。

进一步的，所述绝缘支柱在所述绝缘支撑板上平行的排成两列固定；

两列绝缘支柱相互错开，使得所述分压电阻呈现z字型分布。

进一步的，所述辅助单元的多个标准电阻根据预先测定的电压系数，将线性相反的标准电阻采用临近串联的方式组合。

进一步的，所述辅助单元的运算放大器采用高压精密高稳定性运算放大器。

进一步的，所述测量运算单元用于根据串联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得串联情况下输出电压与分压电压的误差值；并根据并联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得并联情况下输出电压与分压电压的误差值；

所述测量运算单元用于根据所述电阻分压器串联总电阻与电阻分压器并联总电阻的比值关系以及并联分压器并联总电阻与单个分压子电阻的比值关系，计算获得电阻分压器串联总电阻与单个分压子电阻的比值关系；并进一步根据串联情况下输出电压与分压电压的误差值以及并联情况下输出电压与分压电压的误差值，计算获得分压比。

所述一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置的自校准方法包括：

将电阻分压器的n个分压电阻进行串联连接；

向所述电阻分压器的输入端施加预设串联电压；

测量所述电阻分压器输出的经运算放大器反相比例放大后的输出电压以及所述电阻分压器的一个分压电阻的分压电压；

将电阻分压器的n个分压电阻调整为并联连接；

向所述电阻分压器的输入端施加预设并联电压；

测量所述电阻分压器输出的经运算放大器反相比例放大后的输出电压以及所述电阻分压器的一个分压电阻的分压电压；

根据串联连接下的输出电压和分压电压以及并联连接下的输出电压和分压电压，按预设规则计算获得分压比。

进一步的，所述将电阻分压器的n个分压电阻调整为并联连接，包括：

将串联依次连接的n个分压电阻中的每两个相邻的分压电阻，通过金属嵌件相连；

通过短接件将每两个相隔一个金属嵌件的金属嵌件相连；所述短接件包括控制开关；

想所述控制开关发送开关闭合指令，使各个短接件导通，使所述分压电阻器中的n个分压电阻处于并联状态。

进一步的，根据串联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得串联情况下输出电压与分压电压的误差值；

根据并联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得并联情况下输出电压与分压电压的误差值；

根据所述电阻分压器串联总电阻与电阻分压器并联总电阻的比值关系以及并联分压器并联总电阻与单个分压子电阻的比值关系，计算获得电阻分压器串联总电阻与单个分压子电阻的比值关系；

根据串联情况下输出电压与分压电压的误差值以及并联情况下输出电压与分压电压的误差值，计算获得分压比。

本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置及其自校准方法，所述装置具有自校准功能，无需依靠更高阶的标准器或辅助分压器即可实现自校准；所述装置依据哈蒙电阻连接网络改变分压电阻的连接方式，通过在两种连接方式下的测量结果计算获得实际的分压比，以完成量值溯源；所述装置及方法具有测量原理简单，步骤简便，测量结果不确定度来源少的优点，测量设备少，测量过程快速，整个测量过程中各设备可保持较高的稳定性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明具体实施方式的一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置的结构图；

图2为本发明具体实施方式的串联情况下的电路连接示意图；

图3为本发明具体实施方式的并联情况下的电路连接示意图；

图4为本发明具体实施方式的一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置的自校准方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为本发明具体实施方式的一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置的结构图；如图1所示，所述装置包括：

电阻分压器110，所述电阻分压器110包括n个可变换连接方式的分压电阻，所述n个分压电阻通过串联依次连接，并通过具有开关的短接线通过预设的连接方式并联连接；所述电阻分压器110的最低端分压由两个比例为1：n-1的分压子电阻串联组成；

所述电阻分压器110是可以变换其内置分压电阻的连接方式的：

串联依次连接的n个分压电阻中的每两个相邻的分压电阻，通过金属嵌件相连；所述串联依次连接的n个分压电阻的输入端以及输出端通过金属嵌件固定；即每个分压电阻的两端均固定在金属嵌件上，而相邻的两个分压电阻的首尾固定在同一个金属嵌件上；例如依次连接的10个分压电阻，他们相互连接的9个连接点由九个金属嵌件实现连接；而一头一尾的输入端和输出端，分别单独固定在一个金属嵌件上；

本实施例中，所述电阻分压器110具有多个带有控制开关的短接件，通过短接件将每两个相隔一个金属嵌件的金属嵌件相连。

当所述控制开关处于断开状态时，所述短接件的两端不导通，所述分压电阻器中的n个分压电阻处于串联状态；

当所述控制开关处于闭合状态时，所述短接件的两端导通，所述分压电阻器中的n个分压电阻处于并联状态；

举例说明“通过短接件将每两个相隔一个金属嵌件的金属嵌件相连”：所述的多个分压电阻中，顺序串联连接的第一个金属嵌件通过短接件与第三个金属嵌件相连；这样第一个分压电阻的输入端就与第二个分压电阻的输出端相连了，而第二个金属嵌件使得第一个分压电阻的输出端与第二个分压电阻的输入端相连，故第一个分压电阻与第二个分压电阻处于并联状态。

进一步的，第二个金属嵌件与第四个金属嵌件通过短接件相连；第三个金属嵌件与第五个金属嵌件通过短接件相连；以此类推。

本实施例中，所述电阻分压器110包括n个固定在绝缘支撑板上、相互平行的绝缘支柱；所述每个绝缘支柱上固定一个金属嵌件，使得各分压电阻在绝缘支柱间固定；所述绝缘支柱在所述绝缘支撑板上平行的排成两列固定；两列绝缘支柱相互错开，使得所述分压电阻呈现z字型分布。通过这样的排布，可以方便短接件的连接。

进一步的，为了避免了外电场对分压电阻的干扰以及分压电阻分压点处沿绝缘支柱的泄漏电流；本实施例所述的装置中，在每个分压电阻上下两侧均具有屏蔽电阻，一一对应的屏蔽电阻和分压电阻分压点位于同一绝缘支柱上；

所述电阻分压器110包括两组屏蔽电阻，每组屏蔽电阻为n个；所述两组屏蔽电阻的每一组与所述分压电阻的连接方式相同，并分别通过金属嵌件固定在绝缘支柱上；在同一个绝缘支柱上，所述分压电阻的金属嵌件位于两组屏蔽电阻对应的金属嵌件之间。

通过设置屏蔽电阻，使一一对应的屏蔽电阻和分压电阻的分压点位于同一绝缘支柱不同金属嵌件上，以优化分压电阻电场分布并减小支柱表面泄漏电流。

本实施例中，所述金属嵌件与绝缘立柱通过螺纹固定连接，并具有与短接件以及电阻连接的连接孔。

辅助单元120，所述辅助单元120包括m个标准电阻、标准可调电阻以及运算放大器；所述运算放大器的同相输入端接地，所述m个标准电阻以及标准可调电阻串联连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述运算放大器的反相输入端与所述电阻分压器110的输出端相连；

所述辅助单元120的多个标准电阻根据预先测定的电压系数，将线性相反的标准电阻采用临近串联的方式组合。

所述辅助单元120的运算放大器采用高压精密高稳定性运算放大器。

测量运算单元130，所述测量运算单元130的输入端与所述运算放大器的输出端相连，用于测量所述运算放大器的输出电压；所述测量运算单元130的输入端与所述电阻分压器110最低端分压电阻的两个分压子电阻的连接处相连或与最低端分压电阻高压端相连，用于测量所述电阻分压器110的一个分压子电阻的分压电压或最底端分压电阻电压；

所述测量运算单元130用于根据测量结果计算所述直流电阻分压器110的分压比。

所述测量运算单元130用于根据串联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得串联情况下输出电压与分压电压的误差值；并根据并联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得并联情况下输出电压与分压电压的误差值；

所述测量运算单元130用于根据所述电阻分压器110串联总电阻与电阻分压器110并联总电阻的比值关系以及并联分压器并联总电阻与单个分压子电阻的比值关系，计算获得电阻分压器110串联总电阻与单个分压子电阻的比值关系；并进一步根据串联情况下输出电压与分压电压的误差值以及并联情况下输出电压与分压电压的误差值，计算获得分压比。

图2为本发明具体实施方式的串联情况下的电路连接示意图；图3为本发明具体实施方式的并联情况下的电路连接示意图；

在图2及图3所示的本实施例中，分压电阻的个数n取10、标准电阻个数m也取10；在最低端分压电阻中包括ra以及rb两个分压子电阻；而分压子电阻的比值关系为ra:rb＝1:9。

在图2所示串联情况中，所述分压电压的测量点在ra和rb之间，其测量的结果应为ra所占的电压值；

在图3所示并联情况中，为了保证计算的简便性，其输入的额定电压为图2串联情况下的1/100。

在图2所示的串联情况下：

此时对于被试分压器，由分压原理知则v1≈1/100u，调节可调电阻r0使微差测量单元读数尽可能小，设反相比例放大电路和反相器的误差为ε1，则

记测量输出端vo1与v1端之间的误差为δ1，则

在图3所示的并联情况下：

记并联阻值为rn，即并在被试分压器高压端施加电压u/100。通过电压测量单元测量rb高压端和辅助设备输出端的电压，如图3所示。

设反相比例放大电路和反相器的误差为ε2，第二次测量时标准电阻实际阻值(10个标准电阻加标准可调电阻的阻值)为rn′，则

记测量输出端与v2端之间的误差为δ2，则

记串联阻值为rm＝r1+r2+…+r10，则

其中n＝10

因此

则分压器的实际分压比可以表示为：

令则分压比

其中n＝10。

上述为本实施例中测量运算单元130进行分压比计算的具体计算方式，通过所述测量运算单元130如上所述的运算，即可获得分压比。

图4为本发明具体实施方式的一种带有自校准功能的直流电阻分压器装置的自校准方法的流程图。如图4所示，所述方法包括：

步骤410，将电阻分压器的n个分压电阻进行串联连接；

步骤420，向所述电阻分压器的输入端施加预设串联电压；

步骤430，测量所述电阻分压器输出的经运算放大器反相比例放大后的输出电压以及所述电阻分压器的一个分压电阻的分压电压；

步骤440，将电阻分压器的n个分压电阻调整为并联连接；

步骤450，向所述电阻分压器的输入端施加预设并联电压；

步骤460，测量所述电阻分压器输出的经运算放大器反相比例放大后的输出电压以及所述电阻分压器的一个分压电阻的分压电压；

步骤470，根据串联连接下的输出电压和分压电压以及并联连接下的输出电压和分压电压，按预设规则计算获得分压比。

进一步的，所述将电阻分压器的n个分压电阻调整为并联连接，包括：

将串联依次连接的n个分压电阻中的每两个相邻的分压电阻，通过金属嵌件相连；

通过短接件将每两个相隔一个金属嵌件的金属嵌件相连；所述短接件包括控制开关；

想所述控制开关发送开关闭合指令，使各个短接件导通，使所述分压电阻器中的n个分压电阻处于并联状态。

进一步的，根据串联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得串联情况下输出电压与分压电压的误差值；

根据并联连接情况下测量的输出电压以及分压电压，计算获得并联情况下输出电压与分压电压的误差值；

根据所述电阻分压器串联总电阻与电阻分压器并联总电阻的比值关系以及并联分压器并联总电阻与单个分压子电阻的比值关系，计算获得电阻分压器串联总电阻与单个分压子电阻的比值关系；

根据串联情况下输出电压与分压电压的误差值以及并联情况下输出电压与分压电压的误差值，计算获得分压比。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。