电信号测量的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气测量设备和电气测量方法，所述电气测量设备和电气测量方法特别地但并不仅仅用于测量存在于耗电电路、发电电路等中的高电平的电流和线电压。本发明还涉及包括这种电气测量设备或根据这种电气测量方法操作的设备，诸如蓄电设备、发电设备、输电设备、配电设备或耗电设备。
【背景技术】
[0002]电流分流器通过对由经过电流分流器的电流在电流分流器上形成的电压的测量来提供对电流值的间接测量。用于电流分流器的典型应用包括用电控制、过流保护以及耗电和发电的计量。在使用中，与负载串联地提供具有已知电阻的电流分流器，并且测量由负载抽取(draw)电流在电流分流器上形成的电压。随后基于欧姆定律在考虑到分流器的已知电阻和测量的电压的情况下确定经过电流分流器的电流。
[0003]某些应用(诸如，耗电和发电的计量)需要长期的高准确性的测量。例如，在北美，ANSI C12.20标准针对Class.5耗量表规定±0.5%的准确性，并且针对Class.2耗量表规定±0.2%的准确性。在欧洲和别的地方适用的标准(诸如，IEC 62053)规定类似的准确性要求。因此，能够理解，需要精确地知道电流分流器的电阻，以便使仪表能够满足规定的准确性要求。虽然分流器电阻通常较低以使功率耗散和不想要的电路影响最小化，但电流分流器容易变热并且温度漂移引起电阻的变化，电阻的变化会引起具有常规电阻温度系数的分流器中的测量准确性的损失。因此，考虑到由锰铜合金形成的分流电阻器的非常低的电阻温度系数，由锰铜合金形成的分流电阻器被广泛地使用。还可以清楚的是，准确的电流测量取决于:随着温度和寿命，对在分流器上形成的电压的测量是准确且稳定的。这是因为，电压测量电路的传递增益的变化或在电压测量电路中使用的基准的精度的缺乏将会引起误差。由于这些原因，通常在组合电流分流器和读出电子设备时执行一次性工厂校准，以使得主要由分流电阻器和电压测量确定的与用于电流到测量值的实际组合传递函数相关的因子能够被存储并且用于随后的测量以实现想要的精度。
[0004]用于测量高电流值的替代已知方案涉及使用缠绕在磁芯上的电流变换器，该磁芯被布置在输送要被测量的电流的导体周围。相对于分流电阻器，电流变换器具有下述优点:侵入性较小并且提供相对于电流输送导体的隔离。电流变换器仅能够测量AC电流。电流变换器在次级线圈中产生电流，该电流是初级导体中的电流的比率，并且次级线圈电流随后由负载(称为负载电阻器)转换成电压。需要对负载电阻器上的电压的准确测量和对初级电流到负载电阻器上的电压的传递函数的准确了解(即，组合匝数、磁性元件和负载电阻器的影响)以准确地并且精确地测量电流。与电流分流器一样，通常执行一次性工厂校准以补偿对初级电流到测量值的总体传递函数有贡献的一些或全部元件中的误差。
[0005]另一方案使用霍尔电流探针，霍尔电流探针能够测量AC和DC两者。然而，在开环结构中，霍尔电流探针容易遭受非线性和温度漂移。在闭环结构中，霍尔电流探针提供关于非线性和温度漂移的改进，但该结构的重量和尺寸显著增加，其中更高的电流被测量。还知道使用罗氏线圈(Rogowski coil)电流探针来测量高电平电流。在Current SensingTechniques:A Review, Silv1 Ziegler Robert C.Woodward and Herbert Ho-Ching lu，IEEE Sensors Journal，Vol.9，N0.4，April 2009中描述并且讨论了用于电流测量的多数已知方案，诸如通过分流电阻器、电流变换器、罗氏线圈和霍尔电流探针。不同的已知方案具有它们各自的优点和缺点。
[0006]通常结合线电压测量(涉及测量传送电流的导体之间的电压)来执行负载电流测量以便确定电功率。导体之间的电阻分压器通常被用于线电压测量。高准确性功率计算需要负载电流和线电压测量的准确而稳定的相对相位和频率响应，以便准确地确定度量，诸如例如功率因数、谐波含量以及有功和无功功率之差等。
[0007]W0 2013/038176描述改进的用于测量电流的方案。根据W0 2013/038176的方案，相对于导体如上所述布置电流传感器(诸如，电流分流器、电流变换器、霍尔电流探针或罗氏线圈)以感测流经导体的负载抽取电流。高度精确地知道的参考信号被施加于电流传感器，由此电流传感器对负载抽取电流信号和施加的参考信号都做出响应。获取来自电流传感器的输出信号，并且从输出信号提取输出信号的与参考信号对应的部分。然后，基于参考信号和提取的输出信号的与参考信号对应的部分确定电流传感器和电流传感器处理链的传递函数。其后，根据传递函数和由电流传感器感测的负载抽取电流，确定流经导体的实际负载抽取电流。因此，对负载抽取电流的测量的准确性取决于准确地知道的参考信号，而非根据前面描述的方案准确地知道的电流传感器及其处理链。对电流传感器的已知精度的依赖的缺乏意味着可使用较低质量的传感器。也不太需要对电流传感器及其处理链的初始校准和定期的随后的重新校准。此外，W0 2013/038176的方案解决由老化和温度变化等引起的电流传感器及其处理链的漂移，并且还提供另外的功能(诸如，对篡改耗电仪表的检测
[0008]W0 2013/038176的方案依赖于相对于输出信号的其余部分合适地提取输出信号的与参考信号对应的部分。根据W0 2013/038176，具有正弦波的形式的参考信号被施加于电流传感器。输出信号的频域分析(诸如，FFT分析)被用于将输出信号的与参考信号对应的部分与输出信号的其余部分分离。
[0009]本发明人已意识到:例如，关于提取的输出信号的与参考信号对应的部分的信噪比，施加的参考信号的功率的增加是有益的。此外，对于从电源抽取的相同量的功率，方波比正弦波输送更多的功率。因此，对于从电源抽取的相同量的功率，，方波的形式的参考信号比正弦波的形式的参考信号输送更多的功率。然而，本发明人还意识到:通过频域分析来从输出信号提取输出信号的与方波参考信号对应的部分可能在计算方面是密集的，因为需要考虑方波的多个音调。
[0010]鉴于前面的考虑，本发明人得出结论:输出信号的时域处理可优于输出信号的频域处理。然而，这个结论导致如何相对于输出信号的其余部分提取输出信号的与参考信号对应的部分的另一问题。这个问题提出了特定挑战，因为在W0 2013/038176的电流测量设备中，参考信号的振幅通常远小于输出信号的其余部分中所包括的负载抽取电流信号的振巾畐。
[0011]电势衰减器提供在电信号具有比测量设备的可接受动态范围大的幅度的设备中的电压的测量。例如，在火线和零线之间的AC线电压是230V RMS并且测量设备相对于导体之一被限制为几伏特DC的干线电力计量中，具有几百至几千的分配比的电势衰减器允许测量设备根据对电势衰减器的衰减因子和测量设备的增益的了解确定线电压。类似地，在DC设备(诸如，电池监测器)中，假设包括电势衰减器的测量设备的传递函数是已知的，电势衰减器允许由具有几伏特范围中的电源电压的测量设备适应电池电压(该电池电压可大于10伏特)。这需要电势衰减器和测量设备两者的准确性和精度。电势衰减器的最简单的形式是电阻分压器，包括串联连接在两个导体之间的大的第一电阻器和较小的第二电阻器。由例如从在整个设备的校准期间的测量知道的第一和第二电阻器的衰减因子来确定这种电势衰减器的准确性。衰减因子的随后的精度取决于在变化条件(诸如，温度和老化)下的电阻器的值的相对变化。在经受环境变化的同时在寿命期间保持准确性在温度系数、功率处理、物理位置、局部应力和影响电阻值的其它因素方面对电阻器提出要求。另外，要求测量设备对于温度和寿命以及其它环境变化是稳定的。更复杂的形式的电势衰减器包括有源电路。例如，这个形式的电势衰减器包括具有反相结构的放大器，该放大器具有在放大器的虚接地处连接的大的输入电阻器和小的反馈电阻器。放大器的虚接地以电气方式耦接到第一导体，并且第一电阻器以电气方式耦接到第二导体，由此电势衰减器操作用于衰减第一和第二导体之间的电压。
[0012]W0 2014/072733描述一种用于测量电压的改进的方案。在W0 2014/072733中描述的测量设备的一种结构测量第一导体和第二导体之间的电压。该测量设备包括电势衰减器和偏移电压电路，该电势衰减器具有第一电阻器和参考电阻器设备。偏移电压电路包括例如与偏移电压串联的无源电阻分压器。测量设备被构造为使得偏移电压电路在第一导体和第二导体之间施加偏移电压。偏移电压在各个值之间切换并且被利用更复杂的信号调制以创建参考输入信号，该参考输入信号通过与用于第一导体和第二导体之间的电压测量的衰减因子相同的衰减因子来影响电势衰减器。高度精确地知道的参考输入信号被施加于电势衰减器，电势衰减器对第一导体和第二导体之间的线电压信号以及施加的参考输入信号都做出响应。测量来自电势衰减器的输出信号，并且从该输出信号提取作为输出信号的与参考输入信号对应的部分的参考输出信号。然后，基于参考输入信号和提取的输出信号的与参考输入信号对应的部分，确定电势衰减器和电压处理链的总体传递函数。其后，根据传递函数和由电势衰减器测量的线电压，确定第一和第二导体之间的实际电压。因此，线电压的测量的准确性取决于高度精确地知道参考信号，而非根据前面描述的方案高度精确地知道电势衰减器及其处理链。对电势衰减器的已知精度的依赖的缺乏意味着能够使用较低质量的部件。也不太需要对电势衰减器及其处理链的初始校准和定期的随后的重新校准。此外，W0 2014/072733的方案解决由老化和温度变化等引起的电势衰减器及其处理链的漂移，并且还提供另外的功能(诸如，对部署的电压测量的准确性的在线监测或对耗电仪表中的故障的检测)。
[0013]与W0 2013/038176的测量设备一样，W0 2014/072733的测量设备依赖于从来自测量设备的输出信号提取参考输出信号的能力。输出信号还包含与正被测量的电信号(即，电流或线电压)对应的线电压输出信号，该线电压输出信号可具有在本质上与参考输入信号类似的分量并且可比参考输出信号大一个数量级以上。W0 2014/072733将会类似地受益于参考输出信号的可靠的时域提取。
[0014]考虑到上述问题而提出本发明。因此，本发明的目的在于提供一种电气测量设备，该电气测量设备被构造为根据时域处理提供对电信号(例如，干线电流信号或干线线电压信号)的准确测量。本发明的另一目的在于提供一种根据时域处理准确地测量电信号(例如，干线电流信号或干线线电压信号)的方法。
【发明内容】
[0015]根据本发明的第一方面，提供一种电气测量设备，所述电气测量设备包括:
[0016]测量装置，被构造为关于电路布置，该电路产生电信号，该测量装置在如此布置时操作以测量电信号；
[0017]信号源，操作用于将参考输入信号施加于测量装置，由此来自测量装置的输出信号包括与电信号对应的电输出信号、和与参考输入信号对应的参考输出信号，参考输入信号具有在多个周期中的每个周期上重复的基本上分段恒定的形式；和
[0018]处理设备，操作用于:确定至少一个累积表示，累积表示的确定包括对输出信号的多个接收的部分求和，所述多个接收的部分中的每个部分对应于参考输入信号的周期的至少一部分并且是相同部分；以及根据所述至少一个累积表示和参考输入信号，确定用于测量装置的传递函数、用于测量装置的传递函数的变化和电信号中的至少一个。
[0019]根据本发明的电气测量设备的信号源操作用于将具有基本上分段恒定的形式的参考输入信号(诸如，方波)施加于测量装置。对于信号源的给定电平的功耗，与正弦形式的参考输入信号相比，分段恒定的形