СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01R19/00 G01R15/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к высокоточным устройствам измерения постоянного и переменного напряжения на основе резистивных делителей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Классические резистивные делители напряжения имеют целый ряд недостатков, в частности масштабный коэффициент делителя напряжения зависит от температурных и мощностных коэффициентов сопротивления резисторов. Внешние загрязнители (пыль, жир) или изменения влажности воздуха вызывают изменение шунтирующих сопротивлений элементов делителя (например, сопротивлений утечки), вызывая не поддающиеся контролю изменения масштабного коэффициента деления. Кроме того, масштабный коэффициент делителя напряжения изменяется с течением времени вследствие старения компонентов делителя и влияния перегрузок.

Для повышения точности делителей напряжения применяют ряд мер, как например, использование прецизионных резисторов и термостатирование, а также способы, уменьшающие погрешности измерения.

Известны способ и устройство для измерения переменного напряжения вариационным делителем [1], при котором измерение напряжения осуществляют в процессе вариации сопротивления низковольтного плеча на разных полупериодах протекания по цепи переменного тока, при котором на одном полупериоде волны проводят измерение переменного напряжения на выходе низковольтного плеча, имеющего одно сопротивление, а на другом полупериоде волны проводят измерение переменного напряжения на выходе низковольтного плеча, имеющего другое сопротивление, на основании которых определяют измеряемое высокое напряжение.

Известен способ измерения высокого напряжения [2], основанный на калиброванных вариациях сопротивления низковольтного плеча делителя напряжения, в соответствии с которым производят измерение выходных напряжений делителя при калиброванных вариациях сопротивления его низковольтного плеча, а измеряемое напряжение определяют расчетным путем с учетом измеренных напряжений и известных значений изменяемого сопротивления низковольтного плеча.

В соответствии с данным способом измеряемое высокое напряжение рассчитывается по формуле:

где U_вх. - измеряемое высокое напряжение;

U₁, U₂ - выходные напряжения при вариациях сопротивления;

R₁, R₂ - калиброванные сопротивления низковольтного плеча.

Известны метод и схема измерения напряжения [3], основанные на делителе напряжения, включающем последовательно включенные резистор верхнего плеча и резисторы нижнего плеча, а также конфигурационный ключ, изменяющий сопротивление нижнего плеча и схему управления и измерения напряжения. Значение входного напряжения рассчитывается на основе пары оцифрованных напряжений, снимаемых с выхода резистивного делителя при двух разных конфигурациях нижнего плеча и выполняемых в разные моменты времени.

Известен способ измерения высокого напряжения [4], при котором производят независимую вариацию сопротивления высоковольтного плеча делителя напряжения, обуславливающую, например, такое же изменение выходного напряжения, как и при вариации сопротивления его низковольтного плеча.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения высокого напряжения с помощью резистивного делителя, основанный на периодической калиброванной вариации параметров высоковольтного плеча и определении значения высокого напряжения расчетным путем с использованием измеренных значений на выходе делителя.

Структурная схема данного решения приведена на Фиг. 1 и содержит низковольтное плечо, выполненное в виде первого калиброванного сопротивления (5), подключенного между выходом делителя (3) и заземленным электродом (4), резистивное высоковольтное плечо, подключенное между входом измерения высокого напряжения (2) и выходом делителя (3), выполненное в виде последовательной цепочки из высоковольтного сопротивления (1) и второго калиброванного сопротивления (6), шунтированного ключом (7), аналого-цифровой преобразователь (8), подключенный входом к выходу делителя (3), а выходом подключенный к входу блока вычисления выходного напряжения (9), блок управления (10), выход которого подключен к входу управления ключом (7), входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя (8) и блока вычисления высокого напряжения (9).

Общим недостатком известных способов является недостаточная точность измерения входных напряжений произвольной формы, кроме стабильных по амплитуде периодических или постоянных напряжений. При априорно неизвестной форме входного напряжения известные способы измерения напряжения не предоставляют возможность производить измерение с высокой точностью, в том числе измерения мгновенных значений напряжения, что существенно сужает область применения известных способов.

Этот объясняется тем, что измерение пары напряжений U₁, U₂ на выходе делителя, выполняемое в разные периоды вариации параметров высоковольтного плеча при изменяющемся входном напряжении, вызывает нарушение соотношение между U₁ и U₂, что приводит к существенным погрешностям вычисления высокого напряжения, поскольку вычисление высокого напряжения в соответствии с формулой {1} предполагает неизменность напряжения на входе делителя в процессе измерения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является:

- повышение точности измерения высокого напряжения резистивным делителем при априорно неизвестной форме входного напряжения;

- возможность измерения мгновенных значений напряжения;

- уменьшение влияние температурных колебаний на точностные характеристики делителя;

- увеличение сроков проведения периодической поверки делителя;

- возможность использования в конструкции высоковольтного плеча делителя резисторов с большими разбросами по допускаемым отклонениям и температурным коэффициентам сопротивления;

- контроль корректности работы делителя и прогнозирование предотказных состояний.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения высокого напряжения с помощью резистивного делителя, основанного на периодической калиброванной вариации сопротивления его высоковольтного плеча и вычислении значения высокого напряжения расчетным путем с использованием измеренных значений на выходе делителя, вычисление значения высокого напряжения дополнительно включает этапы:

a) формирование первого и второго наборов дискретных значений U_1нi и U_2чi, где U_1нi - измеренные напряжения на выходе делителя при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом нечетном периоде вариации, и U_2чi - измеренные выходные напряжения на выходе делителя при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом четном периоде вариации;

b) формирование первого и второго наборов дискретных значений U_1i и U_2i для всех нечетных и четных периодов вариации путем добавления к первому и второму наборам U_1нi и U_2чi значений U_1чi и U_2нi, где U_1чi – значения, вычисленные методом интерполяции при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом четном периоде вариации, и U_2нi – значения, вычисленные методом интерполяции при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом нечетном периоде вариации;

c) формирование набора дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i расчетным путем по формуле:

где R₁ - калиброванное сопротивление низковольтного плеча;

R₂ - калиброванное сопротивление вариации высоковольтного плеча;

d) вычисление расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀ путем интегрирования набора дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i с отбрасыванием аномальных значений, вызванных погрешностями интерполяции в соответствии с формулой:

где М - число корректных значений R_корр.i из набора вычисленных значений высоковольтного сопротивления R_i;

e) вычисление значения высокого напряжения U_нi на нечетном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча по формуле:

f) вычисление значения высокого напряжения U_чi на четном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча по формуле:

Таким образом, по формулам {5} и {6} производятся вычисления значения высокого напряжения U_выс.

Предлагаемый способ также обеспечивает контроль корректности измеренного значения входного напряжения и определение предотказного состояния, основанных на результатах вычисления расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀, которое сравнивается с установленными нижним и верхним пороговыми уровнями, а также производится анализ скорости изменения сопротивления R₀ во времени. В случае выхода расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀ за пределы пороговых уровней делается вывод об аномальном значении высоковольтного сопротивления и считается, что измеренные значения входного напряжения являются некорректными. В случае превышения скорости изменения значения расчетного высоковольтного сопротивления R₀ установленного предельного уровня считается, что делитель находится в предотказном состоянии.

Как видно из описания, предлагаемый способ обладает принципиальным по сравнению с известными способами свойством - измерения мгновенных значений напряжения произвольной формы с высокой точностью, определяемой точностными характеристиками аналого-цифрового преобразователя, временной и температурной нестабильностью значений калиброванных сопротивлений R₁ и R₂ и погрешностью интерполяции, величина которой может быть снижена при уменьшении периода вариации параметров высоковольтного плеча делителя и увеличении уровней квантования при формировании набора дискретных измеренных значений напряжения на выходе делителя.

Интегрирование набора дискретных значений R_i с отбрасыванием аномальных значений при использовании, например критерия Граббса [5], позволяет дополнительно уменьшить влияние ошибок квантования и погрешностей интерполяции на точность вычисления расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀.

На точность вычисления высокого напряжения не влияет изменение метрологических характеристик высоковольтного резистора под воздействием температуры и протекание процессов старения, поскольку постоянная времени изменения сопротивления высоковольтного резистора намного выше по сравнению со временем измерения, которое определяется суммарной длительностью нечетного и четного периодов вариации.

Указанные свойства предлагаемого способа позволяют увеличить сроки проведения периодической поверки делителя и дают возможность использования в конструкции высоковольтного плеча делителя высоковольтных резисторов с большими разбросами по допускаемым отклонениям и температурным коэффициентам сопротивления.

В части устройства поставленная задача обеспечивается тем, что устройство измерения высокого напряжения, реализующее способ по п. 1, содержащее низковольтное плечо, выполненное в виде первого калиброванного сопротивления, подключенного между выходом делителя и заземленным электродом, резистивное высоковольтное плечо, подключенное между входом измерения высокого напряжения и выходом делителя, выполненное в виде последовательной цепочки из высоковольтного сопротивления и второго калиброванного сопротивления, шунтированного ключом, аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу делителя, а выходом подключенный к входу блока вычисления высокого напряжения, блок управления, выход которого подключен к входу управления ключом, входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя и блока вычисления высокого напряжения, отличается тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные:

- блок формирования наборов дискретных значений выходного напряжения и интерполяции,

- блок вычисления набора дискретных значений высоковольтного сопротивления,

- блок интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления,

причем первый вход блока формирования наборов дискретных значений напряжения и интерполяции соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход соединен с выходом блока управления, выход блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления соединен с дополнительным входом блока вычисления высокого напряжения.

Кроме того, устройство измерения высокого напряжения дополнительно включает блок контроля корректности работы делителя и прогнозирования предотказных состояний, содержащий первый цифровой компаратор, подключенный входом 1 к блоку задания пороговых уровней минимального/максимального значений высоковольтного сопротивления, входом 2 подключенный к выходу блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления, второй цифровой компаратор, подключенный входом 1 к блоку задания порогового уровня скорости изменения значения сопротивления резистивного высоковольтного плеча, входом 2 подключенный через дифференциатор к выходу блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления, причем сигналы контроля корректности работы делителя и прогнозирование предотказных состояний формируются при условии, что значения высоковольтного сопротивления находятся в пределах минимальных/максимальных пороговых значений, устанавливаемых блоком задания пороговых уровней, или скорость изменения значения высоковольтного сопротивления превышает пороговый уровень, устанавливаемый блоком задания порогового уровня.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для того чтобы преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения могли быть более очевидны, ниже представлен ряд чертежей, на которых одинаковые элементы помечены аналогичными номерами. Однако прилагаемые чертежи иллюстрируют только конкретный вариант осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может охватывать другие в равной степени эффективные варианты его осуществления.

Фиг. 1 показывает структурную схему устройства измерения высокого напряжения существующего уровня техники.

Фиг. 2 показывает структурную схему устройства измерения высокого напряжения в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, реализующего предлагаемый способ.

Фиг. 3 показывает структурную схему блока контроля корректности работы устройства и прогнозирования предотказных состояний в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

Вариант осуществления изобретения, представленный на Фиг. 2, работает следующим образом.

Измеряемое напряжение прикладывается к входу измерения высокого напряжения (2) резистивного делителя, состоящего из высоковольтного сопротивления (1), второго калиброванного сопротивления (6), шунтированного ключом (7), и первого калиброванного сопротивления (5).

На нечетном периоде вариации при разомкнутом ключе (7) сопротивление высоковольтного плеча равно сумме высоковольтного сопротивления (1) и второго калиброванного сопротивления (6), при этом напряжение на выходе делителя определяется по формуле:

На четном периоде вариации сопротивление высоковольтного плеча с учетом замкнутого состояния ключа (7) равно значению высоковольтного сопротивления (1), при этом напряжение на выходе делителя определяется по формуле:

Измеренное напряжение поступает с выхода делителя (3) на вход аналого-цифрового преобразователя (8), с выхода которого оцифрованные значения подаются на блок вычисления выходного напряжения (9) и блок (11), в котором происходит формирование дискретных наборов измеренных значений U_1нi и U_2чi соответственно на каждом нечетном и четном периоде вариации параметров высоковольтного плеча. Четные и нечетные значения U_1чi и U_2нi определяются путем вычисления напряжений соответственно на четных и нечетных периодах вариации методом интерполяции значений U_1нi и U_2чi.

На основании сформированных наборов дискретных значений напряжений U_1i и U_2i с учетом формулы {3} в блоке (12) вычисляется набор дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i. В блоке (13) производится вычисление расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀ путем интегрирования набора дискретных значений R_i с отбрасыванием аномальных значений в соответствии с формулой {4}.

Определение значения высокого напряжения U_iн на нечетном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча выполняется в блоке вычисления высокого напряжения (9) по формуле {5}. Определение значения высокого напряжения U_iч на четном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча выполняется в блоке вычисления значения выходного напряжения (9) по формуле {6}.

Блок управления (10) осуществляет синхронизацию режимов работы ключа (7), аналого-цифрового преобразователя (8) и блока вычисления высокого напряжения (9), разделяя этапы измерения и вычисления на нечетные и четные периоды вариации.

Вход блока контроля корректности работы делителя и прогнозирования предотказных состояний (14) подключен к выходу блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления (13) и содержит первый цифровой компаратор минимального/максимального значения высоковольтного сопротивления (18) и второй цифровой компаратор скорости изменения высоковольтного сопротивления (19). Дифференциатор (16) осуществляет дифференцирование значения сопротивления R₀ по времени и направляет выходной сигнал на вход цифрового компаратора (19). Минимальный/максимальный пороговые уровни для цифрового компаратора (18) задаются блоком задания пороговых уровней минимального/максимального значений высоковольтного сопротивления (15). Максимальное значение скорости изменения значения высоковольтного сопротивления устанавливается блоком задания порогового уровня (17).

Сигнал (20) корректности работы делителя S_крд формируется при условии, что значения высоковольтного сопротивления (1) находятся в пределах минимальных/максимальных пороговых значений, устанавливаемых блоком задания пороговых уровней значения высоковольтного сопротивления (15). Выход значения высоковольтного сопротивления (1) за установленные пределы свидетельствует о возможном повреждении высоковольтного резистора или возникновении дефектов изоляции делителя.

Сигнал (21) прогнозирования предотказных состояний S_ппс формируется при условии, что скорость изменения значения высоковольтного сопротивления (1) превышает пороговый уровень, устанавливаемый блоком задания порогового уровня (17). Возникновение данного сигнала указывает на недопустимую скорость изменения значения высоковольтного сопротивления, вызванную, например, перегревом или повреждением изоляции высоковольтного плеча делителя.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент на изобретение RU №2385465 С2, МПК G01R 19/00, приоритет от 03.10.2007.

2. Авторское свидетельство СССР №355572, МПК G01R 19/00, приоритет от 12.05.1969.

3. Патент на изобретение US 7944199 В2, МПК G01R 1/02, приоритет от 17.05.2011.

4. Авторское свидетельство СССР №670899, МПК G01R 19/00, МПК G01R 15/02, приоритет от 22.07.1976.

5. ГОСТ Р 8.736-2011, «Измерения прямые многократные», 7 стр., п. 6.

Группа изобретений относится к области электрических измерений, в частности к высокоточным устройствам измерения постоянного и переменного напряжения на основе резистивных делителей. Способ измерения высокого напряжения с помощью резистивного делителя заключается в измерении значений напряжения на выходе низковольтного плеча делителя при периодической калиброванной вариации сопротивления его высоковольтного плеча. При этом выполняется формирование первого и второго наборов дискретных измеренных значений напряжения соответственно при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на нечетных периодах вариации и при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на четных периодах вариации. Далее производится формирование первого и второго наборов дискретных значений для всех нечетных и четных периодов вариации путем добавления к сформированным первому и второму наборам измеренных значений дискретных значений, вычисленных методом интерполяции соответственно при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на четных периодах вариации и при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на нечетных периодах вариации. На основании сформированных наборов дискретных значений напряжения рассчитывается набор дискретных значений высоковольтного сопротивления, после чего производится вычисление расчетного значения высоковольтного сопротивления путем интегрирования полученного набора дискретных значений сопротивлений с отбрасыванием аномальных значений. Определение значения высокого напряжения выполняют по расчетным формулам соответственно для нечетных и четных периодов вариации с учетом измеренных значений напряжений на выходе делителя, значений калиброванных сопротивлений и расчетного значения высоковольтного сопротивления. Для реализации способа предлагается устройство измерения высокого напряжения. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения высокого напряжения резистивным делителем за счет исключения влияния изменения значения высокого напряжения в процессе измерений, возможности измерения мгновенных значений напряжения и уменьшении воздействия температурных и других медленно меняющихся процессов, в том числе старения, на точностные характеристики делителя. Кроме того, обеспечивается возможность использования в конструкции высоковольтного плеча делителя резисторов с большими температурными коэффициентами сопротивления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения высокого напряжения с помощью резистивного делителя, основанный на периодической калиброванной вариации сопротивления его высоковольтного плеча и вычислении значения высокого напряжения расчетным путем с использованием измеренных значений на выходе делителя, отличающийся тем, что вычисление значения высокого напряжения дополнительно включает этапы:

a) формирование первого и второго наборов дискретных значений U_1нi и U_2чi, где U_1нi - измеренные напряжения на выходе делителя при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом нечетном периоде вариации, и U_2чi - измеренные выходные напряжения на выходе делителя при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом четном периоде вариации;

b) формирование первого и второго наборов дискретных значений U_1i и U_2i для всех нечетных и четных периодов вариации путем добавления к первому и второму наборам U_1нi и U_2чi значений U_1чi и U_2нi, где U_1чi – значения, вычисленные методом интерполяции при первом значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом четном периоде вариации, и U_2нi – значения, вычисленные методом интерполяции при втором значении сопротивления высоковольтного плеча на каждом нечетном периоде вариации;

c) формирование набора дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i расчетным путем по формуле:

где R₁ - калиброванное сопротивление низковольтного плеча;

R₂ - калиброванное сопротивление вариации высоковольтного плеча;

d) вычисление расчетного значения высоковольтного сопротивления R₀ путем интегрирования набора дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i с отбрасыванием аномальных значений, вызванных погрешностями интерполяции в соответствии с формулой:

где М - число корректных значений R_корр.i из набора дискретных значений высоковольтного сопротивления R_i;

e) вычисление значения высокого напряжения U_нi на нечетном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча по формуле:

f) вычисление значения высокого напряжения U_чi на четном периоде вариации сопротивления высоковольтного плеча по формуле:

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при вычислении значения сопротивления высоковольтного плеча R₀ осуществляется контроль корректности работы делителя и прогнозирование предотказных состояний.

3. Устройство измерения высокого напряжения, реализующее способ по п. 1, содержащее низковольтное плечо, выполненное в виде первого калиброванного сопротивления, подключенного между выходом делителя и заземленным электродом, высоковольтное плечо, подключенное между входом измерения высокого напряжения и выходом делителя, выполненное в виде последовательной цепочки из высоковольтного сопротивления и второго калиброванного сопротивления, шунтированного ключом, аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу делителя, а выходом подключенный к входу блока вычисления высокого напряжения, блок управления, выход которого подключен к входу управления ключом, входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя и блока вычисления высокого напряжения, отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные:

- блок формирования наборов дискретных значений напряжения и интерполяции,

- блок вычисления набора дискретных значений высоковольтного сопротивления,

- блок интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления,

причем первый вход блока формирования наборов дискретных значений напряжения и интерполяции соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход соединен с выходом блока управления, выход блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления соединен с дополнительным входом блока вычисления высокого напряжения.

4. Устройство измерения высокого напряжения по п. 3, отличающееся тем, что дополнительно включает блок контроля корректности работы делителя и прогнозирования предотказных состояний, содержащий первый цифровой компаратор, подключенный входом 1 к блоку задания пороговых уровней минимального/максимального значений высоковольтного сопротивления, входом 2 подключенный к выходу блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления, второй цифровой компаратор, подключенный входом 1 к блоку задания порогового уровня скорости изменения значения высоковольтного сопротивления, входом 2 подключенный через дифференциатор к выходу блока интегрирования дискретных значений высоковольтного сопротивления, причем сигналы контроля корректности работы делителя и прогнозирования предотказных состояний формируются при условии, что значения высоковольтного сопротивления находятся в пределах минимальных/максимальных пороговых значений, устанавливаемых блоком задания пороговых уровней минимального/максимального значений высоковольтного сопротивления, или скорость изменения значения сопротивления высоковольтного плеча превышает пороговый уровень, устанавливаемый блоком задания порогового уровня скорости изменения значения высоковольтного сопротивления.