[发明专利]基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置

权利要求书

1.基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，其特征在于，包括电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采样电路、微处理器和通讯电路；其中，

电阻分压器用于将被测高电压分压成低电压信号从低压臂输出，输出的低电压信号经保护电路后达到信号调理电路；

信号调理电路用于将接收到的电压信号先进行滤波，后经过多档调理电路调理至信号采样电路的模拟输入前端可接受范围；

信号采样电路用于同步采样调理电路的多路输出电压信号；

微处理器将来自信号采样电路的数据进行处理后开展多档位选择并按照分压比计算被测电压，最终结果经通讯电路输送给其它需要电压信号测量结果的终端设备，此外微处理器还通过控制电子开关动作，并通过对电阻分压器低压侧输出电压的分时采样来实现电阻分压器高压臂电阻值的自校准；

所述电阻分压器包括高压引线端(9)、高压均压环(2)、高压臂电阻R_H(7)、低压臂电阻R_N-1和R_N(10)、低压均压环(1)、铝合金底座(4)、绝缘壁(5)以及绝缘介质(6)；其中，

电阻分压器的高压臂电阻R_H(7)放置在绝缘介质(6)中，低压臂电阻R_N-1和R_N(10)固定位置靠近低压均压环(1)，绝缘介质(6)的外侧为绝缘壁(5)，绝缘介质(6)的上端依次为高压均压环(2)和高压引线端(9)，下端为铝合金底座(4)，低压均压环(1)设置在铝合金底座(4)内，铝合金底座(4)外侧上设置有引线插座(11)、接地引线端(12)和电源端口/通讯端口(13)；高压臂电阻R_H(7)依次与低压臂电阻R_N-1和R_N(10)串联，高压引线端(9)与高压均压环(2)一端连接，高压均压环(2)另一端与高压臂电阻R_H(7)连接，接地引线端(12)与低压均压环(1)一端连接，低压均压环(1)另一端与低压臂电阻R_N连接；

电阻分压器的低压臂电阻R_N-1一端与高压臂电阻R_H(7)相连接，同时引出导线与高压均压环(2)上的插座连接，另一端与低压臂电阻R_N相连接，同时引出导线与高压均压环上的插座连接，即低压臂电阻R_N-1通过插座引线与电子开关K并联；

高压臂电阻R_H(7)和被测高电压值V_H通过以下方法得到：

1)电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

式中V_H表示被测高电压值及电阻分压器高压臂电压值，k_N1表示电子开关K关断时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

2)电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

式中k_N2表示电子开关K导通时的电阻分压器标称分压比，校准后则修正为实际分压比；进一步可得

3)由式(1)和式(3)得出电阻分压器高压臂电阻校准值R_HJ和被测高电压值V_H

所述电阻分压器的高压臂电阻阻值校准条件为：被测高电压处于第2档，且电压波动小；校准条件中的波动小是指，3倍电子开关K切换与数据采样周期内的波动幅值小于被测电压值乘以要求的准确度等级的1/5；

所述信号调理电路中有滤波电路和多档调理电路，滤波电路滤除信号中的高频杂波且设置增益为1，多档调理电路保证不同范围的信号经相应的调理电路调理后对应采样单元模拟输入前端的满量程范围，因此分为3路调理时，第一路放大G₁倍后直接接入信号采样电路，第二、三路与仪表放大器相连，第二路与标准参考电压V_ref2作差值后放大G₂倍再接入信号采样电路，第三路与标准参考电压V_ref3作差值后放大G₃倍后接入信号采样电路；信号采样电路须具有同步采样3路信号的功能，且分辨率不低于12位；微处理器接收到采样单元同步采样的3路数据，根据处理后得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行后续的被测高电压值计算和电阻分压器的高压臂电阻阻值校准；则当采样单元模拟输入前端可接受信号为单极性时，3路调理电路的输出电压V₁、V₂和V₃与低压臂电压V_N的对应关系分别表述为

V₁＝G₁×V_N (10)

V₂＝G₂×(V_N-V_ref2)+V_REF2 (11)

V₃＝G₃×(V_N-V_ref3)+V_REF3 (12)

式中标准参考电压V_ref2和V_ref可通过基准电压源或高精度数模转换器获得；V_REF2、V_REF3表示仪表放大器参考端的输入电压，通过设置该参考端的输入电压实现输出电压的电平移位；

测量装置的多档位选择通过如下方法进行：

1)将测量装置的测量电压范围V_HN划分为依次递增的3档，分别为0～V_HN1、V_HN1～V_HN2和V_HN2～V_HN，对应上述3路不同的调理电路，其中以第二路调理电路的测量准确度最高；根据测量装置的相关参数计算得分档边界值分别为V_HN1＝(0.5-λ)V_HN和V_HN2＝(0.5+λ)V_HN，其中λ＝α％(R_H+R_N)/R_N-1，α表示电阻分压器的准确度等级；

2)信号采样电路同步采样3路调理信号，经过多次计算求得平均值和并由此得到低压臂电压估算值并根据分压比初步确定被测直流高电压值V_H的估算值

3)给定波动范围为Δ＝10×β％×V_HN，其中β表示检测装置的准确度等级，则三档调理电路实际对应的被测电压范围分别扩大为0～V_HN1+Δ、V_HN1-Δ～V_HN2+Δ和V_HN2-Δ～V_HN，这里假定选择V_REF2＝0和V_REF3＝0，则式(11)和(12)中参考电压取值范围分别为V_ref2≤(V_HN1-Δ)/k_N1，V_ref3≤(V_HN2-Δ)/k_N1；

4)根据被测电压估算值所处的范围不同，按照如下方式选择不同档位调理电路输出的信号值，并最终获得被测直流电压值：

当被测电压估算值时，选择第一档采样值V₁，由式(2)和式(10)知被测电压V_H＝k_N1×V₁/G₁；

当被测电压估算值时，选择第二档采样值V₂，由式(2)和式(11)知被测电压V_H＝k_N1×(V₂/G₂+V_ref2)；

当被测电压估算值时，选择第三档采样值V₃，由式(2)和式(12)知被测高电压V_H＝k_N1×(V₃/G₃+V_ref3)；

当被测高电压估算值时，即处于第一、二档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值和r₁₁＝1-r₁₂，根据第一、二档采样结果分别由式(10)和式(11)获得对应的低压臂电压值和然后求得低压臂电压加权值进一步由式(2)根据分压比的被测高电压

当被测电压估算值时，即处于第二、三档重叠范围时，按照加权方式计算低压臂电压值，若按照线性加权有权值和r₂₁＝1-r₂₂，根据第二、三档采样结果分别由式(11)和式(12)获得对应的低压臂电压值和然后求得低压臂电压加权值进一步由式(2)根据分压比的被测高电压