一种基于最佳路径的交流功率量值传递方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于最佳路径的交流功率量值传递方法及系统，先采用分立的过渡基准对实验室基准传递装置中的各参量对应部件进行分立的量值传递，检定实验室基准；分立的过渡基准由中国计量科学研究院的最高标准以及国家高电压计量研究所的最高标准分别对应进行量值传递和标定；再用经过各自分立的量值传递后的实验室基准对下一级实验室工作标准进行各自对应的量值传递；通过上述各自分立的检定路径，获得高置信度的检定结果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流电学计量量值传递方法，具体涉及一种基于最佳路径的 交流功率量值传递方法；本发明还涉及实现这种方法的系统。

背景技术

现有的工频交流电流、电压、功率以及电能的量值传递都是建立在高精度的 组合式单相交流功率标准表(或称多功能标准电能表或功率表，以下简称标准表) 的基础上进行，即标准表是作为量值传递过程中的传递标准器，是实验室基准传 递装置。高精度的标准表一般采用一体化设计，标准表内包括四个核心基准装置： 交流电压比例基准(U/U变换器)、交流电流比例基准(I/U变换器)、直流电压 基准、交直流电压比较器，这四个基准装置位于仪表机箱内部构成一个完整的测 量设备，这种标准表置于地方标准实验室，用于对下一级标准器件进行传递；在 对上述标准表需要进行检定时，由于上述四个基准装置没有对外的接口，只能对 标准表的整体功率参数进行检定，各个基准装置自身的分布参数、器件的交流参 数和温度特性在检定周期中无法单独进行考核、测试和溯源。如图1所示，为现 有技术交流功率量值传递系统及量值传递方法；在实际计量工作中，对标准表的 量值传递需要到国家标准院用精度高两个等级的同类标准器对整机进行整体检 定，因而标准表内各个基准装置的测量不确定度无法得知，也造成了标准表的较 大的测量不确定度，在一定程度上使交流参量量值传递的准确度可信性降低，限 制了标准表对交流参量综合计量技术的应用；而且需要将整机搬运到国家标准院 去检定，对检定带来很多不便。

发明内容

本发明的目的是克服现有一体化的标准表的上述缺点，提供一种基于最佳路 径的交流功率量值传递方法，通过各自分立的检定路径，对实验室基准传递装置 中的各参量对应部件和下一级实验室工作标准进行分立的量值传递，从而获得高 置信度的检定结果。

本发明的另一个目的是提供实现上述一种基于最佳路径的交流功率量值传 递方法的系统。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

一种基于最佳路径的交流功率量值传递方法，先采用分立的过渡基准对实验 室基准传递装置中的各参量对应部件进行分立的量值传递，检定实验室基准；分 立的过渡基准由中国计量科学研究院的最高标准以及国家高电压计量研究所的 最高标准分别对应进行量值传递和标定；再用经过各自分立的量值传递后的实验 室基准对下一级实验室工作标准进行各自对应的量值传递；通过上述各自分立的 检定路径，获得高置信度的检定结果。

本发明所述过渡基准设置有直流电压副基准、交流电阻标准、交流电流比较 的比例标准和/或感应分压的比例标准，过渡基准传递过程包括以下一项或两项：

(a1)用中国计量科学研究院最高标准的直流电压基准和交流电阻标准分别 对直流电压副基准、交流电阻标准进行量值传递和标定；

(a2)用国家高电压计量研究所最高标准的交流比例标准分别对交流电流比 较的比例标准、感应分压的比例标准进行量值传递和标定。

本发明所述实验室基准各自分立的传递过程包括至少以下一项：

(b1)用过渡直流电压副基准，通过八位半数字表对实验室基准传递装置中 直流电压主基准进行量值传递；

(b2)用步骤b1传递后的直流电压主基准，通过八位半数字表对实验室基 准传递装置中第一交直流电压比较基准进行量值传递；

(b3)用过渡感应分压的比例标准，通过互感器校验仪，对实验室基准传递 装置中交流电压比例基准进行量值传递；

(b4)用过渡交流电流比较的比例标准，通过互感器校验仪，对实验室基准 传递装置中交流电流比例基准进行量值传递。

本发明所述实验室工作标准传递过程包括至少以下一项：

(c1)用传递后的直流电压主基准，通过八位半数字表对三相标准表内的第 二直流电压基准进行量值传递；

(c2)用传递后的直流电压主基准，通过八位半数字表对单相多功能校准仪 内的第三直流电压基准进行量值传递；

(c3)用传递后的交流电流比例基准对单相多功能校准仪内的输入电流比例 基准进行量值传递；

(c4)用传递后的交流电压比例基准对单相多功能校准仪内的输入电压比例 基准进行量值传递；

(c5)用传递后的第一交直流电压比较基准对单相多功能校准仪内的第二交 直流电压比较基准进行量值传递；

(c6)用传递后的第一交直流电压比较基准、交流电流比例基准、交流电压 比例基准组成的标准表分别对三相标准表的每一相进行量值传递。

本发明所述交流电流比例基准中小于1A的小电流档用过渡交流电阻标准进 行量值传递。

本发明的另一个目的可通过以下技术方案实现：

一种基于最佳路径的交流功率量值传递方法的系统过渡基准传递装置，包括 直流电压副基准、交流电阻标准器、交流电流比较仪、感应分压器，由中国计量 科学研究院和国家高电压计量研究所的最高标准对过渡基准传递装置进行量值 传递和标定；

实验室基准传递装置，包括交流电压比例基准、交流电流比例基准、第一交 交直流比较器，由各个过渡基准传递装置分别对对应的各个实验室基准传递装置 的组成部分进行量值传递；

实验室工作标准传递件，包括三相工作标准和单相工作标准，由各个实验室 基准传递装置组成部分分别对对应的各个实验室工作标准传递件进行量值传递；

通过各个过渡基准传递装置组成部分分别对应检定各个实验室基准传递装 置的组成部分，并再由各个实验室基准传递装置的组成部分分别对应检定各个实 验室工作标准传递件，以提高检定结果的置信度。

本发明所述实验室基准传递装置还包括直流电压主基准，由所述直流电压副 基准通过八位半数字表对直流电压主基准进行量值传递。

本发明所述直流电压主基准包括至少二台并联运行的直流电压基准器。

本发明所述第一交直流电压比较器具有独立设置的电压输入通道和电流输 入通道，每个输入通道均设有至少二个A/D转换器进行并行采样，并在每个输 入通道设有第一直流电压基准，采样得到的测量值可直接溯源于第一直流电压基 准；由所述直流电压主基准通过八位半数字表对第一直流电压基准进行量值传 递。

本发明所述三相工作标准具有至少两个并列的三相标准表；所述单相工作标 准具有至少两个并列的单相多功能校准仪。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)各个实验室基准传递装置自身的分布参数、器件的交流参数和温度特 性在检定周期中可以单独进行考核、测试和溯源；

(2)可获得各个实验室基准传递装置的不确定度，采用分别检定的方法， 可以将现有的工频交流电流、电压以及功率的量值传递仪器(不确定度约为 100ppm)的量值传递精度提升约两个准确等级，提高到约为20ppm。

(3)可以使各个实验室基准传递装置的误差与标准表整机的误差有一个明 确清晰的比较，从而使得标准表在检定周期中的日常监测和考核更方便，适用应 用于交流参量综合计量技术。

(4)采用分立的检定路径，将轻便的分立过渡基准送往国家标准院，通过 国家标准院对分立的过渡基准进行量值传递，再用分立的过渡基准对实验室基准 传递装置进行量值传递，省去了搬运实验室基准传递装置带来的不便，并且避免 了运输对实验室基准传递装置的量值传递精度所带来的不利影响。

附图说明

图1为现有技术交流功率量值传递装置及传递方法的示意图；

图2为本发明具体实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，为本发明一种基于最佳路径的交流功率量值传递方法及系统， 其量值传递系统包括：过渡基准传递装置，实验室基准传递装置、实验室工作标 准传递件；其中：

过渡基准传递装置，包括直流电压副基准、交流电阻标准器、交流电流比较 仪、感应分压器；

过渡基准的量值传递过程是：用中国计量科学研究院最高标准的直流电压基 准和交流电阻标准分别对直流电压副基准、交流电阻标准进行量值传递和标定； 用国家高电压计量研究所最高标准的交流比例标准分别对交流电流比较仪、感应 分压的比例标准进行量值传递和标定；以上对直流电压副基准、交流电阻标准器、 交流电流比较仪、感应分压器的过渡基准量值传递过程为分立路径的传递，即可 各自独立地进行传递。根据需要可选择对其中一个或多个过渡基准传递装置中的 组成部分进行分立的量值传递。

实验室基准传递装置，包括交流电压比例基准、交流电流比例基准、第一交 直流电压比较器、直流电压主基准，第一交直流电压比较器内具有第一直流电压 基准；

实验室基准各自分立的量值传递过程是：用过渡直流电压副基准，通过八位 半数字表对实验室基准传递装置中直流电压主基准进行量值传递；用经过渡直流 电压副基准传递后的直流电压主基准，通过八位半数字表对实验室基准传递装置 中第一交直流电压比较器进行量值传递；用过渡感应分压的比例标准，通过互感 器校验仪，对实验室基准传递装置中交流电压比例基准进行量值传递；用过渡交 流电流比较仪，通过互感器校验仪，对实验室基准传递装置中交流电流比例基准 进行量值传递，而交流电流比例基准中小于1A的小电流档用过渡交流电阻标准 进行量值传递；以上对电压比例基准、交流电流比例基准、第一交直流电压比较 器、直流电压主基准的实验室基准量值传递过程为分立路径的传递，即可各自独 立地进行传递。需要时也可选择对其中一个或多个实验室基准传递装置中的组成 部分进行分立的量值传递。

实验室工作标准传递件，包括三相工作标准和单相工作标准，三相工作标准 内包括三相标准表，三相标准表内具有第二直流电压基准，单相工作标准包括单 相多功能校准仪，单相多功能校准仪内具有输入电流比例基准、输入电压比例基 准、第二交直流电压比较器，第二交直流电压比较器内具有第三直流电压基准；

实验室工作标准传递件的量值传递过程是：用传递后的实验室直流电压主基 准，通过八位半数字表对三相标准表内的第二直流电压基准进行量值传递；用传 递后的直流电压主基准，通过八位半数字表对单相多功能校准仪内的第三直流电 压基准进行量值传递；用传递后的实验室交流电流比例基准对单相多功能校准仪 内的输入电流比例基准进行量值传递；用传递后的实验室交流电压比例基准对单 相多功能校准仪内的输入电压比例基准进行量值传递；用传递后的第一交直流电 压比较基准对单相多功能校准仪内的第二交直流电压比较基准进行量值传递；用 传递后的第一交直流电压比较基准、交流电流比例基准、交流电压比例基准组成 的标准表分别对三相标准表的每一相进行量值传递；以上对三相标准表、第二直 流电压基准、单相多功能校准仪、第二交直流电压比较器、输入电流比例基准、 输入电压比例基准、第三直流电压基准的实验室基准量值传递过程为分立路径的 传递，即可各自独立地进行传递。需要时也可选择对其中一个或多个实验室工作 标准传递件组成部分进行分立的量值传递。

本发明的方法，可归纳为先采用分立的过渡基准对实验室基准传递装置中的 各参量对应部件进行分立的量值传递，检定实验室基准；分立的过渡基准由中国 计量科学研究院的最高标准以及国家高电压计量研究所的最高标准分别对应进 行量值传递和标定；再用经过各自分立的量值传递后的实验室基准对下一级实验 室工作标准进行各自对应的量值传递；通过上述各自分立的检定路径，获得高置 信度的检定结果。

具体地，将过渡基准传递装置送往中国计量科学研究院和国家高电压计量研 究所进行检定，然后用各个已检定的过渡基准传递装置分别检定安装在试验室内 的各个实验室基准传递装置的组成部分，并由各个实验室基准传递装置分别检定 各个实验室工作标准传递件。实验室基准传递装置将作为实验室工作标准传递装 置的基准，只用于定期给实验室工作标准进行量值传递；而实验室工作标准传递 件用于日常检定中的向下量值传递。

用于过渡基准传递的直流电压副基准的型号为732B，美国FLUKE公司产 的732B是固态电压基准，其年稳定度达2ppm。直流电压副基准经过中国计量 科学研究院的最高标准传递后，将得到的直流电压量值通过采用转移精度达到 0.1ppm的八位半数字电压表(型号为Agilent 3458A)等精度转移至直流电压主 基准的10台YCSD-10基准器上，这项等精度转移操作应在上级基准校准后尽可 能短的时间内完成。

用于过渡基准传递的交流感应分压器型号为FG2，为八盘可自校准感应分压 器，准确度≤lppm。交流感应分压器经过国家高电压计量研究所的最高标准传 递后，再通过互感器校验仪来校准交流电压比例基准各电压档的比值误差和相角 误差。

用于过渡基准传递的交流电流比较仪型号为BL0441，其准确度≤1ppm。交 流电流比较仪经过国家高电压计量研究所的最高标准传递后，再通过互感器校验 仪来校准交流电流比例基准各电流档的比值误差和相角误差。

用于过渡基准传递的交流电阻标准器的型号为YCSR-5，为四端钮精密电阻 器，其标准阻值为20欧姆。采用美国VISHY公司生产的高精密电阻，电阻型 号规格为VCS232ZT-80R00-0.02％，由4只高精密电阻并联构成20欧姆，并装 配成同轴的形式以减小分布参数影响。交流电阻标准器的温度系数≤0.05ppm/ ℃，时间常数≤1×10^-9s，不确定度≤5ppm。交流电阻标准器经过中国计量科学 研究院的最高标准传递后，用于校准交流电流比例基准的1A以下各小电流档的 比值误差和相角误差。

用于实验室基准传递的直流电压主基准是计量实验室的最高直流电压基准。 直流电压主基准采用10台型号为YCSD-10的直流电压基准器并列运行，构成本 发明交流功率量值传递系统中的直流电压主基准。YCSD-10基准器以输出7V 直流电压基准芯片LTZ1000ACH为核心，加上外恒温系统构成。电压基准芯片 本身有片内恒温系统，耗电少而稳定快，其典型的年变化值仅为0.83ppm，温度 系数仅为0.03ppm/℃，噪音低达1.2uVp-p。这10台YCSD-10直流电压基准器 并列运行，其主基准直流电压是经过统计计算后再输出的，使输出直流电压不确 定度只相当于使用一台基准器误差指标的可确保直流电压主基准的年变 差≤1ppm。直流电压主基准的直流电压量值通过采用转移精度达到0.1ppm的八 位半数字电压表给实验室基准装置第一交直流电压比较器内部的高稳定度直流 电压基准和工作标准装置内部的高稳定度直流电压基准进行量值传递。

用于实验室基准传递的互感器校验仪型号为HEG6，互感器校验仪的电流回 路具有0.1A档，电压回路具有5V档，同相分相与正交分量的最小分辨率为1 ×10^-7。通过互感器校验仪，将经过上级传递标定的感应分压器和交流电流比较 仪作为传递标准，来分别校准交流电流比例基准和交流电压比例基准的比值误差 和相角误差。

实验室基准传递装置包括第一交直流电压比较器、交流电流比例基准、交流 电压比例基准，第一交直流电压比较器内部装有第一直流电压基准，共四个基准 装置，即将组合式单相交流功率标准表的四个基准装置分开独立设置。其中的交 流电流比例基准的型号为YCHL-4，由双级电流互感器和80mA/4V的I/U变换 器构成。交流电流比例基准的电流比例档位为0.2A/80mA、0.5A/80mA、 1A/80mA、2A/80mA、5A/80mA、10A/80mA、20A/80mA、50A/80mA、100A/80mA， 设计精度≤2ppm。而80mA/4V的I/U变换器用于将双级电流互感器二次的标准 电流80mA转换成按电流标定的4V交流电压，再输入到第一交直流电压比较器 进行测量。这个80mA/4V的I/U变换器采用了有源阻抗的矢量电压合成技术来 消除互感器的测量误差。交流电流比例基准输入的量程还可以向下扩展，比如从 0.2A以下低至2mA的扩展，也通过I/U变换器来实现。其中的交流电压比例基 准的型号为YCHY-4，采用双级电压互感器进行电压变换，电压比例档位为 50V/4V、100V/4V、200V/4V、400V/4V，设计精度≤2ppm。采用无源技术设计 的双级电压互感器的初级与次级的电压比例仅决定于其初级与次级比例绕组的 匝数比，工艺控制技术成熟，所以交流电压比例基准具有极高的准确度和长期稳 定性。其中的第一交直流电压比较器的型号为YCXX-01B，第一交直流电压比较 器具有电压输入通道和电流输入通道，并在比较器内部的两个通道都装有独立的 高稳定度的第一直流电压基准，测量值可直接溯源于比较器内部的这两个第一直 流电压基准。

第一交直流电压比较器内两个通道的采样电路采用16位串行输出的A/D转 换器，每个通道均配置五个A/D转换器，该A/D转换器采用逐次逼近比较法实 现模拟/数字转换，其转换网络为电容阵列，电容量按二进制权分配。片内还具 有采样/保持和自动校正电路，自动校正电路可校正电容阵列引入的误差以及采 样/保持电路的失调给转换带来的误差影响，所以A/D转换器芯片外不需安装任 何调整元件，即可获得很高的转换性能，转换速率为100kSPS(相当于转换时间 为10μs)，在全量程范围内可获得±1LSB的线性度。为了提高第一交直流比较 器的性能和减少诸多其它不确定因素的影响，确保其不确定度≤5ppm，主要采 取了以下4项技术措施：

①采用高稳定度的直流电压基准：

第一交直流电压比较器机内的电压通道和电流通道均采用独立的7V直流电 压基准芯片LTZ1000ACH来直接溯源，电压通道和电流通道中各自设有独立且 相互隔离的第一直流电压基准。

②采用多路A/D并行采样：

第一交直流电压比较器机内的电压通道和电流通道均采用5个A/D转换器 并行采样方式，采样得到的测量值直接溯源于第一直流电压基准，用统计方法经 计算后输出平均值，可将A/D转换器输出的总不确定度降低为使用单个A/D转 换器时的

③全隔离及全对称设计：

第一交直流电压比较器的电压和电流两个输入通道的A/D采样电路采用完 全隔离的方式，可以减少电压通道与电流通道之间的地线电流交叉影响以及数字 电路的高频噪声影响，提高对谐波信号的频响。

④自校准和绝对0°度校准方式校准：

该A/D转换器内部具有自动校准程序，在测量中可以提高A/D转换器的转 换精度。第一交直流电压比较器的0°度相位测量的长期稳定性决定于机内自带 的时间基准，这个时间基准采用了年变差为1ppm、日变差为0.1ppm的晶体振荡 器来产生时钟脉冲，第一交直流电压比较器在短期使用时要求工频相位精度达到 0.00002度，则上述晶体振荡器无法满足要求。本发明的技术解决方法是采用绝 对0°度校准方式对电压和电流两个通道进行校准，绝对0°度校准方法是把一 个高度稳定的4V信号同时加入第一交直流电压比较器的两个通道，然后启动第 一交直流电压比较器的自校准功能，就得到了两个通道的增益一致性校准和通道 间相移的绝对校准(相位测量实际是脉冲占空比的测量)，得到了比晶体振荡器 时钟精度高的结果，实测两通道延时不一致误差小于1×10^-9秒。

用于日常检定向下传递的实验室工作标准传递件包括三相工作标准和单相 工作标准。

三相工作标准由两台型号为SZ-03A-K33E的三相标准表构成，三相标准表 综合误差小于0.005％，两台三相标准表并列运行，用统计的方法确定和获得测 量三相电功率参量的结果，其不确定度可降为使用单台标准表时的保证交 流功率测量的不确定度≤30ppm。这两台三相标准表经过特殊技术设计，其三相 采样电路互相完全独立，相当于将三台单相标准表装在一个机箱内，三相标准表 内部有三个高稳定度的第二直流电压基准，每相都有一个独立的第二直流电压基 准，用于测量值的机内直接溯源，第二直流电压基准还具有独立的输入输出接口 引出到三相标准表的面板上，由直流电压主基准对第二直流电压基准进行量值传 递，用第一交直流电压比较器、交流电流比例基准、交流电压比例基准组成的标 准表分别对三相标准表的每一相进行量值传递。利用此特性可很方便地进行扩展 使用，比如可将两台三相标准表当成6台单相标准表使用，如果也采用统计的方 法测量单相电功率参量，其测量不确定度可降为使用单台(单相)时的大 大提高测量的可靠性。

用于日常检定向下传递的单相工作标准为三台型号为YC-01B的单相多功 能校准仪构成，三台单相多功能校准仪采用并列运行的方式，采用统计的方法获 得测量单相电功率参量的结果，其测量不确定度可降为使用单台时的保证 测量交流功率的不确定度≤30ppm。单相多功能校准仪是一种一体化设计的组合 式多功能校准仪，主要由输入电压比例基准、输入电流比例基准和第二交直流电 压比较器三个功能部分组成，三个功能部分都具有独立输入输出接口引出到单相 多功能校准仪的面板上，由第一交直流电压比较器、交流电流比例基准、交流电 压比例基准依次分别对第二交直流电压比较器、输入电流比例基准、输入电压比 例基准进行量值传递。输入电压比例基准的设计精度≤5ppm，输入电流比例基 准的设计精度≤10ppm，第二交直流电压比较器的设计精度≤5ppm，综合误差小 于0.005％。其第二交直流电压比较器内部有高稳定度的第三直流电压基准(所 用芯片与三相工作标准以及第一交直流比较器相同)，用于测量值的机内直接溯 源，而且机内的第三直流电压基准输出直接引出到单相多功能校准仪的面板上， 由直流电压主基准对第三直流电压基准进行量值传递，在检定周期中可以很方便 地对第二交直流电压比较器进行检测、考核和溯源。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技 术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做 出其它多种形式的修改、替换或变更，如其它可以实现分部分进行检定的交流量 值传递应用形式，均落在本发明权利保护范围之内。