Измерительное устройство с делителем электрического напряжения
Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит первый измерительный резистор (1), подсоединенный между входом (2) измерения напряжения и общей точкой (5), и второй измерительный резистор (3), подсоединенный между общей точкой (5) и базовым электрическим заземлением (4). Измерительный выход (6) соединен с общей точкой (5). Кожух (7) внешнего экранирования (7) окружает первый и второй измерительные резисторы и соединен с базовым электрическим заземлением (4). Внутренний емкостный электрод (9), окружающий первый и второй измерительные резисторы, расположен в кожухе (7) внешнего экранирования. При этом устройство дополнительно содержит схему (10) компенсации сдвига фаз, подсоединенную между внутренним емкостным электродом (9) и общей точкой (5). Технический результат заключается в уменьшении сдвига фаз и расширении полосы пропускания. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству с делителем электрического напряжения, содержащему:
первый измерительный резистор, подсоединенный между входом для измерения напряжения и общей точкой,
второй измерительный резистор, подсоединенный между вышеупомянутой общей точкой и базовым электрическим заземлением,
выход для измерения, соединенный с общей точкой,
кожух внешнего экранирования, окружающий первый и второй измерительные резисторы, соединенные с базовым электрическим заземлением, и
внутренний емкостный электрод, окружающий вышеупомянутые первый и второй измерительные резисторы и расположенный внутри вышеупомянутого кожуха внешнего экранирования.
Предшествующий уровень техники
Известные устройства для измерения среднего электрического напряжения и высокого электрического напряжения, представленные на Фиг.1, содержат первый высокоомный резистор 1, соединенный с входом 2 для измерения высокого напряжения, и второй опорный низкоомный резистор 3, соединенный с электрическим заземлением 4. Эти два резистора соединены с общей точкой 5 для формирования моста сопротивления. Общая точка 5 соединена с выходом 6 для измерения моста сопротивления. Известным способом высоковольтные резистивные делители напряжения расположены в кожухе 7 внешнего экранирования, окружающем измерительные резисторы 1 и 3. При таком расположении конструктивные емкости 8 оказываются между резистором 1 и заземленным внешним кожухом. Эти емкости распределяются по всей длине резистора 1 и внешнего кожуха 7. Таким образом, измерительный резистор 1 и емкости 8 формируют распределенный фильтр нижних частот. Такой фильтр генерирует сдвиг фаз выходного сигнала относительно сигнала входного напряжения и ослабляет высокие частоты сигнала, в частности гармонические составляющие.
Другие устройства, представленные на Фиг.2, содержат внутренний емкостный электрод 9, окружающий измерительные резисторы 1 и 3. В целом, этот электрод, расположенный в кожухе 7 внешнего экранирования, соединен с выходом 6 для измерения. Такое устройство описано в заявке на патент DE 19841164.
Устройства, содержащие внутренний емкостный электрод, имеют улучшенный сдвиг фаз. Однако сдвиг фаз все еще слишком высок для использования этих устройств в системах измерения электроэнергии. В этих устройствах, помимо прочего, измерение сигналов, содержащих гармонические составляющие с высоким уровнем, не является достаточно точным.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить измерительное устройство с делителем напряжения, имеющим уменьшенный сдвиг фаз, позволяющий измерять гармонические сигналы высокого уровня, и имеющим малое отклонение сдвига фаз в зависимости от температуры.
Измерительное устройство с делителем электрического напряжения в соответствии с изобретением, содержащее:
первый измерительный резистор, подсоединенный между входом для измерения напряжения и общей точкой,
второй измерительный резистор, подсоединенный между вышеупомянутой общей точкой и базовым электрическим заземлением,
выход для измерения, соединенный с общей точкой,
кожух внешнего экранирования, окружающий первый и второй измерительные резисторы, соединенный с базовым электрическим заземлением, и
внутренний емкостный электрод, окружающий первый и второй измерительные резисторы и расположенный внутри кожуха внешнего экранирования,
содержит схему компенсации сдвига фаз, подсоединенную между внутренним емкостным электродом и общей точкой.
В предпочтительном варианте осуществления схема компенсации является двухполюсной схемой с двумя входами-выходами. Схема компенсации предпочтительно является фазоопережающей схемой. Схема компенсации предпочтительно содержит, по меньшей мере, один резистор и один конденсатор. Схема компенсации предпочтительно содержит, по меньшей мере, один электронный компонент, в котором количество электричества изменяется в зависимости от температуры.
В соответствии с первым альтернативным вариантом осуществления схема компенсации расположена внутри внутреннего емкостного электрода.
В соответствии со вторым альтернативным вариантом осуществления внутренний емкостный электрод соединен с выходом для компенсации, а схема компенсации подсоединена между выходом для компенсации и выходом для измерения.
Первый измерительный резистор предпочтительно имеет значение сопротивления более 50 мегаом.
В конкретном варианте осуществления устройство содержит:
первый изолирующий слой между кожухом внешнего экранирования и внутренним емкостным электродом, и
второй изолирующий слой между внутренним емкостным электродом и первым измерительным резистором,
первый и второй изолирующие слои, имеющие, по существу, идентичные изменения диэлектрических параметров в зависимости от температуры.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и отличительные признаки станут более очевидны из последующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, данного исключительно для неограничивающего примера и показанного в чертежах, на которых:
Фиг.1 и 2 изображают измерительные приборы с мостом сопротивления существующего уровня технологии;
Фиг.3 изображает измерительное устройство в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.4 изображает первую схему для моделирования устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг.5 изображает измерительное устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.6 изображает вторую схему для моделирования устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг.7-9 изображают схемы компенсации, используемые в устройствах в соответствии с изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.3 изображает измерительное устройство с делителем электрического напряжения, содержащим первый измерительный резистор 1, подсоединенный между входом 2 для измерения напряжения и общей точкой 5, второй измерительный резистор 3, подсоединенный между упомянутой общей точкой 5 и базовым электрическим заземлением 4, и выход 6 для измерения, соединенный с упомянутой общей точкой. Устройство также содержит кожух 7 внешнего экранирования, окружающий первый и второй измерительные резисторы 1 и 3 и соединенный с базовым электрическим заземлением 4. Кожух 7 защищает резисторы от внешних по отношению к устройству электромагнитных и электростатических помех. Внутренний емкостный компенсационный электрод 9, окружающий первый и второй измерительные резисторы 1 и 3, расположен в кожухе внешнего экранирования. Это позволяет передавать сигналы, собранные посредством емкостного соединения с резисторами, на выходной сигнал.
В соответствии с изобретением устройство содержит схему 10 компенсации сдвига фаз, подсоединенную между внутренним емкостным компенсационным электродом 9 и упомянутой общей точкой 5. Схема 9 компенсации содержит электронные компоненты, выполняющие точную компенсацию сдвига фаз между выходным сигналом на выходе 6 и входным сигналом высокого напряжения на входе 2. Схема компенсации также позволяет гарантировать практически постоянное ослабление сигнала по полосе пропускания измеряемого сигнала таким образом, чтобы измерять гармонические составляющие высокого уровня. Полоса пропускания измеряемого сигнала должна, например, предпочтительно находиться между основной частотой и гармоникой тринадцать (уровнем 13).
В варианте осуществления на Фиг.3 схема 10 компенсации расположена внутри внутреннего емкостного электрода 9. Схема 10 выполнена в форме печатной платы, содержащей электронные компоненты.
Фиг.4 изображает первую схему для моделирования устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Резисторы 1 и 3 формируют мост резистивного делителя напряжения, распределенные конденсаторы 8 между резистором 1 и внутренним емкостным электродом 9 с одной стороны, а распределенные конденсаторы 11 между внутренним емкостным электродом 9 и внешним кожухом 7 формируют емкостный делитель. Схема 10 компенсации подсоединена между емкостным делителем и резистивным делителем напряжения таким образом, чтобы оптимизировать или сократить сдвиг фаз совместно с увеличением полосы пропускания устройства.
В варианте осуществления на Фиг.5 внутренний емкостный электрод 9 соединен с выходом 12 для компенсации, а схема 10 компенсации подсоединяется между выходом 12 для компенсации и выходом 6 для измерения. Схема 10 выполнена в виде печатной платы, содержащей электронные компоненты в случае их расположения вне внешнего кожуха 7.
Фиг.6 изображает вторую схему для моделирования устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения. В этой схеме распределенный резистор 1 и распределенные конденсаторы 8 представлены посредством последовательности резистивно-емкостных (RC) фильтров.
Схема компенсации предпочтительно является двухполюсной схемой с двумя входами-выходами 13 и 14, как представлено на Фиг.7, 8 и 9. Схема компенсации в большинстве случаев является фазоопережающей схемой. Однако этот сдвиг фаз может настраиваться в соответствии со сдвигом фаз других схем измерения. Например, он будет настраиваться в соответствии со сдвигом фаз, подвергнутых связанной с ним схемой измерения тока, в пределах измерения активной или реактивной мощности или коэффициента мощности установки.
В упрощенных версиях схема компенсации содержит резистор 15, соединенный последовательно с конденсатором 16, как на Фиг.7, или соединенный параллельно с конденсатором 17 и резистором 18, как на Фиг.8.
Слои диэлектрических материалов, расположенные между резистором 1 и внутренним емкостным электродом 9 и между внутренним емкостным электродом и внешним кожухом 7, могут иметь диэлектрические параметры, изменяющиеся в соответствии с температурой. Вследствие этого значения емкостей конденсаторов 8 и 11 также изменяются в соответствии с температурой. Такие изменения влияют на сдвиг фаз и на полосу пропускания. Для ограничения этих эффектов устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения содержит первый изолирующий слой 30 между кожухом внешнего экранирования и внутренним емкостным электродом, и второй изолирующий слой 31 между внутренним емкостным электродом и первым измерительным резистором, изготовленным из материалов, имеющих, по существу, идентичные изменения диэлектрических параметров в соответствии с температурой. Предпочтительно, чтобы материал был идентичен для каждого из этих слоев.
Для улучшения компенсации в соответствии с температурой схема 10 компенсации содержит, по меньшей мере, один электронный компонент, в котором количество электричества изменяется в зависимости от температуры. На Фиг.9 показана сложная схема компенсации. Она содержит первый конденсатор 19, соединенный последовательно с резистором 20 и последовательно с параллельным RC-элементом, содержащим конденсатор 21 и резистор 22, имеющим значения емкости и сопротивления, изменяющиеся в соответствии с температурой. Температурный коэффициент резистора 22 может являться положительным температурным коэффициентом (PTC) или отрицательным температурным коэффициентом (NTC).
Описанная выше схема компенсации позволяет получить устройство для измерения напряжения с очень высокоомными резисторами 1. Измерительный резистор 1 предпочтительно имеет значение сопротивления более 50 мегаом (MΩ). Высокие значения сопротивления позволяют ограничивать рассеяние электроэнергии в измерительных приборах, благодаря чему имеется возможность уменьшить размер устройства.
Описанные выше устройства, в частности, подходят для измерения среднего напряжения, высокого напряжения или сверхвысокого напряжения, например, от 1000 В до 100000 В.
1. Измерительное устройство с делителем электрического напряжения, содержащее:
первый измерительный резистор (1), подсоединенный между входом (2) измерения напряжения и общей точкой (5),
второй измерительный резистор (3), подсоединенный между общей точкой (5) и базовым электрическим заземлением (4),
измерительный выход (6), соединенный с общей точкой (5),
кожух (7) внешнего экранирования, окружающий первый и второй измерительные резисторы, соединенный с базовым электрическим заземлением (4), и
внутренний емкостный электрод (9), окружающий первый и второй измерительные резисторы и расположенный внутри кожуха (7) внешнего экранирования,
отличающееся тем, что содержит схему (10) компенсации сдвига фаз, подсоединенную между внутренним емкостным электродом (9) и общей точкой (5).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема (10) компенсации является двухполюсной схемой с двумя входами-выходами (13, 14).
3. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что схема (10) компенсации является фазоопережающей схемой.
4. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что схема (10) компенсации содержит, по меньшей мере, один резистор (15, 18, 20, 22) и один конденсатор (16, 17, 19, 21).
5. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что схема (10) компенсации содержит, по меньшей мере, один электронный компонент (22), в котором электрический параметр изменяется в соответствии с температурой.
6. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что схема (10) компенсации расположена во внутреннем емкостном электроде (9).
7. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что внутренний емкостный электрод (9) соединен с выходом (12) компенсации, а схема (10) компенсации подсоединена между выходом (12) компенсации и измерительным выходом (6).
8. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что первый измерительный резистор (1) имеет значение сопротивления более 50 мегаом.
9. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что содержит:
первый изолирующий слой (30) между кожухом (7) внешнего экранирования и внутренним емкостным электродом (9), и
второй изолирующий слой (31) между внутренним емкостным электродом (9) и первым измерительным резистором (1),
первый и второй изолирующие слои, имеющие, по существу, идентичные изменения диэлектрических параметров в соответствии с температурой.
