CN112834806B - 一种直流电流比例变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流电流比例变换装置，包括第一级单元、第二级单元和第三级单元，第一级单元和第二级单元均包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组、参考绕组和拨盘旋钮；第三级单元包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组和拨盘旋钮；第一级单元第一组第一个引出点的末端和第三级单元最后一组第一个引出点的首端为所述装置的输入端；第一级单元中的二次绕组的两端为所述装置输出端。通过调节拨盘旋钮连续改变直流电流比例变换装置的电流比例，使得标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检装置的电流比例一致。
Description
技术领域
本发明涉及电流测量技术领域，特别涉及一种直流电流比例变换装置。
背景技术
电流是国际单位制7个基本量之一，直流大电流通常是指100A以上的电流，直流大电流是国际计量局(BIPM)校准和测量能力(Calibration and MeasurementCapabilities，CMCs)库中的关键参数。直流大电流的计量涉及工业生产和科学研究中的诸多领域，例如，智能电网直流输电、电动汽车直流充电以及大型强子对撞机中的直流电流溯源。直流大电流的测量原理主要是利用直流电流比例变换装置将大电流转换成小电流，便于通用电测量仪器测量。因此，直流电流比例变换装置的转换比例的准确度和线性度至关重要。
目前通常采用测差法对直流电流比例变换装置进行校准，采用测差法对直流电流比例变换装置进行校准时，要求标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检的直流电流比例变换装置的电流比例相同。当标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检的直流电流比例变换装置的电流比例不相同时，可以将两台标准直流电流比例变换装置级联后作为标准装置对被检的直流电流比例变换装置进行校准。例如，如图1所示，将两台标准直流电流比例变换装置级联，两台标准直流电流比例变换装置的电流比例分别为n/1和m/n，级联后的电流比例为m/1，从而对电流比例为m/1的被检的直流电流比例变换装置(被检的直流电流比例变换装置即图1中的被较直流电流比较仪)进行校准。
然而，目前的标准直流电流比例变换装置的电流比例均是整数比例且比例的比值有限，不能连续调节，使得一些特殊比例的直流电流比例变换装置不能被校准。例如，电流比例5000/5级联5/1后，可以变成5000/1，但是电流比例为700/0.5的特殊比例不能通过现有的级联方式得到，导致该特殊比例的直流电流比例变换装置不能被校准。
发明内容
本发明提供了一种直流电流比例变换装置，以解决标准直流电流比例变换装置的电流比例不能连续可调的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流电流比例变换装置，所述直流电流比例变换装置包括第一级单元、第二级单元和第三级单元，所述第一级单元和所述第二级单元均包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组、参考绕组和拨盘旋钮；所述第三级单元包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组和拨盘旋钮；
每一级单元中的各部件之间的连接关系如下：每组所述激励/检测绕组均匀绕制于对应的所述主铁芯上，所述两组激励/检测绕组之间反向串联；所述振荡器的输出端连接反向串联的所述两组激励/检测绕组的两个自由端；所述两组激励/检测绕组之间的串联点连接所述解调电路的输入端；所述解调电路的输出端连接所述功放的输入端；所述电屏蔽覆盖所述两组激励/检测绕组设置，所述电屏蔽接地；所述磁屏蔽环绕所述振荡器、所述两个主铁芯、所述两组激励/检测绕组和所述电屏蔽设置；所述一次绕组按照预设的单位步进匝数抽头后连接至对应的拨盘旋钮，拨盘旋钮连续可调；所述一次绕组包括两组以上的线圈，前一组线圈的匝数大于后一组的匝数，前一组第一个引出点的首端连接至后一组第一个引出点的末端；
所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系如下：所述第一级单元中的最后一组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述参考绕组包括1T绕组，所述第一级单元中的参考绕组中的1T绕组、所述第二级中的二次绕组和功放的输出端之间形成串联回路；所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系与所述第一级单元和所述第二级单元之间的连接关系相同；
所述第一级单元第一组第一个引出点的末端和所述第三级单元最后一组第一个引出点的首端为所述直流电流比例变换装置的输入端；在所述第一级单元中，所述功放的输出端与所述二次绕组的两端并联，所述二次绕组的两端为所述直流电流比例变换装置输出端。
可选的，所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元中包含的部件相同。
可选的，所述一次绕组包括三组线圈，第一组匝数共1000T，每100T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第二组匝数共100T，每10T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第三组匝数共10T，每1T抽头引出至对应的拨盘旋钮；
所述第一级单元中的第一组第一个引出点的首端连接至第二组第一个引出点的末端，第二组第一个引出点的首端连接至第三组第一个引出点的末端；
所述第一级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述第二级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第三级单元第一组第一个引出点的末端。
可选的，每一级单元均包括参考绕组，所述参考绕组包括三组线圈，三组线圈的匝数分别为100T、10T和1T。
可选的，所述振荡器为输出对称电压方波的振荡器。
可选的，所述主铁芯和所述磁屏蔽均由经GB/T32286.1-2015退火工艺处理的镯环形坡莫合金制成。
可选的，每一级单元中的所述两个主铁芯的磁性能一致。
可选的，所述直流电流比例变换装置的一次绕组串联于另一台直流电流比例标准的二次绕组。
可选的，所述功放的最大输出电压超过10V，最大输出电流超过2A。
可选的，所述一次绕组和所述二次绕组均由漆包线绕制而成，所述一次绕组的线径大于所述二次绕组的线径。
本发明提供的一种直流电流比例变换装置，可以作为标准直流电流比例变换装置，通过调节拨盘旋钮连续改变直流电流比例变换装置的电流比例，使得标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检装置的电流比例一致，满足直流电流比例校准所要求的同标称比例测差法的前提条件，且校准时的状态与直流电流比例标准实际工作状况相符，有效解决了直流电流比例标准比例变换数量少、误差大的技术问题。
附图说明
图1是采用测差法对直流电流比例变换装置进行校准的电路结构示意图。
图2是本发明一实施例提供的一种直流电流比例变换装置的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种直流电流比例变换装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图2所示，本实施例提供了一种直流电流比例变换装置，所述直流电流比例变换装置包括第一级单元、第二级单元和第三级单元，所述第一级单元和所述第二级单元均包括振荡器、两个主铁芯(主铁芯1和主铁芯2为一对)、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组、参考绕组和拨盘旋钮；所述第三级单元包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组和拨盘旋钮；其中，在图2中从上至下的三个单元分别为第一级单元、第二级单元和第三级单元；
每一级单元中的各部件之间的连接关系如下：每组所述激励/检测绕组均匀绕制于对应的所述主铁芯上，所述两组激励/检测绕组之间反向串联；所述振荡器的输出端连接反向串联的所述两组激励/检测绕组的两个自由端；所述两组激励/检测绕组之间的串联点连接所述解调电路的输入端；所述解调电路的输出端连接所述功放的输入端；所述电屏蔽覆盖所述两组激励/检测绕组设置，所述电屏蔽接地；所述磁屏蔽环绕所述振荡器、所述两个主铁芯、所述两组激励/检测绕组和所述电屏蔽设置；所述一次绕组按照预设的单位步进匝数抽头后连接至对应的拨盘旋钮，拨盘旋钮连续可调；所述一次绕组包括两组以上的线圈，前一组线圈(图2中左侧为前，右侧为后)的匝数大于后一组的匝数，前一组第一个引出点(图2中每组线圈的最右侧为第一个引出点，最左侧为最后一个引出点，一个引出点包括首端和末端)的首端(图2中线圈的左侧为首端)连接至后一组第一个引出点的末端(图2中线圈的右侧为末端)；
所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系如下：所述第一级单元的最后一组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述参考绕组包括1T绕组，所述第一级单元中的参考绕组中的1T绕组、所述第二级中的二次绕组和功放的输出端之间形成串联回路；所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系与所述第一级单元和所述第二级单元之间的连接关系相同；
所述第一级单元第一组第一个引出点的末端和所述第三级单元最后一组第一个引出点的首端为所述直流电流比例变换装置的输入端；在所述第一级单元中，所述功放的输出端与所述二次绕组的两端并联，所述二次绕组的两端为所述直流电流比例变换装置输出端。
本实施例提供的一种直流电流比例变换装置，可以作为标准直流电流比例变换装置，通过调节拨盘旋钮连续改变直流电流比例变换装置的电流比例，使得标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检装置的电流比例一致，满足直流电流比例校准所要求的同标称比例测差法的前提条件，且校准时的状态与直流电流比例标准实际工作状况相符，有效解决了直流电流比例标准比例变换数量少、误差大的技术问题。
可选的，参考图2所示，所述多级单元为三级单元，所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元中包含的部件相同。这样设计可以简化直流电流比例变换装置的内部结构。
可选的，参考图2所示，所述一次绕组包括三组线圈，第一组匝数共1000T，每100T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第二组匝数共100T，每10T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第三组匝数共10T，每1T抽头引出至对应的拨盘旋钮；其中，拨盘旋钮K1～K9可以分别标数字0至10，对应连接一次绕组引出抽头，K1～K3分别连接第一级单元中的10×100T、10×10T、10×1T的引出抽头，例如K1拨到10时表示第一级单元中的第一组线圈的匝数为1000T，T表示匝；所述第一级单元中的第一组第一个引出点的首端连接至第二组第一个引出点的末端，第二组第一个引出点的首端连接至第三组第一个引出点的末端；所述第一级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述第二级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第三级单元第一组第一个引出点的末端。
本实施例提供的一种直流电流比例变换装置中各拨盘旋钮的可调步进为：K1为100T；K2为10T；K3为1T；K4为0.1T；……；K9为0.000001T。二次绕组匝数为1000T，因此，最小可调步进/二次绕组匝数＝10-9，即所述装置的调节分辨率达到1×10-9，可以实现直流电流比例变换装置的电流比例高分辨率连续可调。9个拨盘旋钮可从0至10任意置位，并实现9盘联动的目的，实际应用时可根据目标值调整拨盘的参数。
可选的，参考图2所示，每一级单元均包括参考绕组，所述参考绕组包括三组线圈，三组线圈的匝数分别为100T、10T和1T利用参考绕组可以对所述直流电流比例变换装置本身进行自校准，以确定装置的准确度是否达标。参考绕组法的自校准步骤为现有技术，主要分为两步：第一步、测量每组一次绕组相对于参考绕组的差值电流，将独立的10组一次绕组逐个与对应的参考绕组反向串联，一次绕组中的10×100T、10×10T、10×1T分别对应参考绕组中的100T、10T和1T；第二步、测量同向串联后的10组一次绕组相对于二次绕组的差值电流。
图2中的第一级单元包括振荡器、两个主铁芯(主铁芯1和主铁芯2)、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组(10×100T、10×10T、10×1T)、参考绕组(100T、10T、1T)、二次绕组(1000T)和拨盘旋钮(K1、K2、K3)。
图2对应的装置的工作原理为：根据安匝平衡原理，三级单元处于平衡状态时，可得：
其中，I1表示一次电流(所述装置的输入电流)，I2表示第一级单元的二次电流(所述装置的输出电流)，I22表示第二级单元的二次电流，I23表示第三级单元的二次电流，W11表示第一级单元的一次绕组匝数，W12表示第一级单元的二次绕组匝数，Wf1表示第一级单元的参考绕组匝数，W21表示第二级单元的一次绕组匝数，W22表示第二级单元的二次绕组匝数，Wf2表示第二级单元的参考绕组匝数，W31表示第三级单元的一次绕组匝数，W32表示第三级单元的二次绕组匝数，Wf3表示第三级单元的参考绕组匝数；
I1W11+I22Wf1＝I2W12 (1)
I1W21+I23Wf2＝I22W22 (2)
I1W31＝I23W32 (3)
由公式(1)得：
由公式(2)得：
公式(4)代入公式(5)得：
公式(6)代入公式(3)得：
其中，k1表示第一个盘的置位，k2表示第二个盘的置位，k3表示第三个盘的置位，k4表示第四个盘的置位，k5表示第五个盘的置位，k6表示第六个盘的置位，k7表示第七个盘的置位，k8表示第八个盘的置位，k9表示第九个盘的置位。
所以，图2对应的装置可以实现9盘联动，电流比例连续可调，最高分辨率为10-9。如果一台标准直流电流比例变换装置的电流比例是1000/1，被检装置的电流比例是700/0.5，采用现有技术无法对其校准，但是可以将本实施例提供的装置的电流比例置位1/0.714285714，即拨盘旋钮K1～K9分别旋至7、1、4、2、8、5、7、1、4，所述装置与标准直流电流比例变换装置级联后即可对700/0.5的装置进行校准。
可选的，所述振荡器为输出对称电压方波的振荡器。对称方波容易控制，对称方波用于在两个主铁芯中产生对称的磁场。对称方波具体可以为峰值150V、频率800Hz的方波。
可选的，所述主铁芯和所述磁屏蔽均由经GB/T32286.1-2015退火工艺处理的镯环形坡莫合金制成。
具体的，主铁芯由牌号1J85、外径142mm、内径126mm、高度10mm、由单层0.1mm卷绕而成的镯环形坡莫合金制成，这样有利于减小漏磁和体积。图2中主铁芯数量共6个，经磁性能一致性测量配对后组成3对。
所述磁屏蔽，每组由内、外、上、下四面组成，经GB/T32286.1-2015退火工艺处理的镯环形坡莫合金制成(牌号1J85，内面：外径117mm，内径110mm，高度40mm；外面：外径159mm，内径152mm，高度40mm；上、下面：外径159mm，内径110mm，高度3.5mm)，由单层0.1mm卷绕而成，这样有利于减小漏磁和体积，图2中的磁屏蔽数量共3组。
可选的，每一级单元中的所述两个主铁芯的磁性能一致。这样可以提高直流电流比例变换装置的稳定性。
可选的，所述直流电流比例变换装置的一次绕组串联于另一台直流电流比例标准的二次绕组。直流电流比例标准即标准直流电流比例变换装置，这样级联后，可以通过调节所述直流电流比例变换装置电流比例，使级联后的装置的电流比例连续可调。
可选的，所述解调电路包括峰差检波模块、缓冲放大模块、阻抗变换放大模块和零安匝检测模块。解调电路用于将表征待测直流电流信号从偶次谐波电压信号中解调出来。
可选的，所述功放的最大输出电压超过10V，最大输出电流超过2A。这样满足二次电流额定值超过1A的要求，且有足够裕量。
可选的，所述一次绕组和所述二次绕组均由漆包线绕制而成，所述一次绕组的线径大于所述二次绕组的线径。
具体的，所述一次绕组可以由线径1.5mm的漆包线绕制而成，1000T的电阻值小于6Ω，这样可以降低一次绕组阻值，减轻级联后对上一级标准器带负载能力的要求。
具体的，所述二次绕组可以由线径1.2mm的漆包线绕制而成，这样可以降低二次绕组阻值，减轻对功放的输出要求。
可选的，所述激励/检测绕组由线径0.18mm的漆包线绕制而成。
可选的，所述参考绕组由线径1.5mm的漆包线绕制而成。
作为一个具体的使用案例，参考图2和表1所示，将第1个拨盘旋钮K1旋置10，其余拨盘旋钮旋置0，则一次绕组匝数1000T、二次绕组匝数1000T，形成1A/1A的直流电流比例变换。满足测差法的使用前提，在不同电流下比例变换准确度的校准结果如表1所示。表1中的相对误差＝(比例标称值-比例实际值)/比例实际值。
表1 1A/1A直流电流比例校准结果
由表1可知，所述直流电流比例变换装置的直流电流比例值连续可调，调节分辨率达到1×10-9，比例误差达到10-8数量级。
作为另一个具体的使用案例，参考图2和表2所示，将所述直流电流比例变换装置的一次绕组接于另一台直流电流比例标准(比例为1000A/1A)的二次绕组，将第1个拨盘旋钮旋置5，其余拨盘旋钮旋置0，则级联后的直流电流比例为1000A/0.5A，可以对直流电流比例为1000A/0.5A的被校仪器进行校准，并与被校仪器比例相同。满足测差法的使用前提，在不同电流下被校仪器的校准结果如表2所示。
表2 1000A/0.5A直流电流比例校准结果
由表2可知，所述直流电流比例变换装置与常规直流电流比例标准级联后，可实现特殊直流电流比例的校准。9个拨盘旋钮可从0至10任意置位，并实现9盘联动的目的，实际应用时可根据目标值调整拨盘旋钮的参数。
综上所述，本发明提供的一种直流电流比例变换装置，可以作为标准直流电流比例变换装置，通过调节拨盘旋钮连续改变直流电流比例变换装置的电流比例，使得标准直流电流比例变换装置的电流比例与被检装置的电流比例一致，满足直流电流比例校准所要求的同标称比例测差法的前提条件，且校准时的状态与直流电流比例标准实际工作状况相符，有效解决了直流电流比例标准比例变换数量少、误差大的技术问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述直流电流比例变换装置包括第一级单元、第二级单元和第三级单元，所述第一级单元和所述第二级单元均包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组、参考绕组和拨盘旋钮；所述第三级单元包括振荡器、两个主铁芯、两组激励/检测绕组、电屏蔽、磁屏蔽、解调电路、功放、一次绕组、二次绕组和拨盘旋钮；
每一级单元中的各部件之间的连接关系如下：每组所述激励/检测绕组均匀绕制于对应的所述主铁芯上，所述两组激励/检测绕组之间反向串联；所述振荡器的输出端连接反向串联的所述两组激励/检测绕组的两个自由端；所述两组激励/检测绕组之间的串联点连接所述解调电路的输入端；所述解调电路的输出端连接所述功放的输入端；所述电屏蔽覆盖所述两组激励/检测绕组设置，所述电屏蔽接地；所述磁屏蔽环绕所述振荡器、所述两个主铁芯、所述两组激励/检测绕组和所述电屏蔽设置；所述一次绕组按照预设的单位步进匝数抽头后连接至对应的拨盘旋钮，拨盘旋钮连续可调；所述一次绕组包括两组以上的线圈，前一组线圈的匝数大于后一组的匝数，前一组第一个引出点的首端连接至后一组第一个引出点的末端；
所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系如下：所述第一级单元中的最后一组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述参考绕组包括1T绕组，所述第一级单元中的参考绕组中的1T绕组、所述第二级单元中的二次绕组和功放的输出端之间形成串联回路；所述第二级单元和所述第三级单元之间的连接关系与所述第一级单元和所述第二级单元之间的连接关系相同；
所述第一级单元第一组第一个引出点的末端和所述第三级单元最后一组第一个引出点的首端为所述直流电流比例变换装置的输入端；在所述第一级单元中，所述功放的输出端与所述二次绕组的两端并联，所述二次绕组的两端为所述直流电流比例变换装置输出端；
所述第一级单元、所述第二级单元和所述第三级单元中包含的部件相同；
所述振荡器为输出对称电压方波的振荡器；
每一级单元中的所述两个主铁芯的磁性能一致。
2.如权利要求1所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述一次绕组包括三组线圈，第一组匝数共1000T，每100T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第二组匝数共100T，每10T抽头引出至对应的拨盘旋钮，第三组匝数共10T，每1T抽头引出至对应的拨盘旋钮；
所述第一级单元中的第一组第一个引出点的首端连接至第二组第一个引出点的末端，第二组第一个引出点的首端连接至第三组第一个引出点的末端；
所述第一级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第二级单元第一组第一个引出点的末端；所述第二级单元中的第三组第一个引出点的首端连接至所述第三级单元第一组第一个引出点的末端。
3.如权利要求2所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，每一级单元均包括参考绕组，所述参考绕组包括三组线圈，三组线圈的匝数分别为100T、10T和1T。
4.如权利要求1所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述主铁芯和所述磁屏蔽均由经GB/T32286.1-2015退火工艺处理的镯环形坡莫合金制成。
5.如权利要求1所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述直流电流比例变换装置的一次绕组串联于另一台直流电流比例标准的二次绕组。
6.如权利要求1所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述功放的最大输出电压超过10V，最大输出电流超过2A。
7.如权利要求1所述的一种直流电流比例变换装置，其特征在于，所述一次绕组和所述二次绕组均由漆包线绕制而成，所述一次绕组的线径大于所述二次绕组的线径。
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