电压与电流相关测量中的去耦方法

2019-05-09张东红薄焕林

自动化与仪表 2019年4期

张东红，薄焕林

（1.山西太钢工程技术有限公司，太原030009；2.青岛乾宇科技有限公司，青岛266000）

通常在电路中经常遇到需同时精确测量负载两端的电压和通过其电流的情况。如测试传感器特性时就需要同时精确测量出传感器两端的电压和通过其电流。但是，一般的测量方法是达不到同时精确测量传感器两端电压和通过其电流的。这是由于用一般方法在测量过程中，如果电流表与负载串联，电压表接在负载两端，则所测负载的电压是准确的，而电流表中却因为流过电压表中的电流变得不准确；如果把电压表接在电流表和负载两端，则所测电流是准确的，则负载两端的电压由于电流表的内阻的影响，所指示的电压并不是负载两端的电压。

本文的目的就是要介绍一种电压与电流相关测量中的去耦方法，达到同时准确测量负载两端电压和电流的目的。

1 目前的测量方法

一般情况下，测量负载外特性有两种方法。

1.1 第一种测量方法

在用第一种方法测量负载外特性时，如图1 所示，电压表直接与负载并联。此时，电压表指示的就是负载两端的电压[1]，但是从图中可以看出：流过电流表的电流是Iv+Ig。因此要想知道真正流过负载的电流必须从电流表的读数中减去Iv，而要求Iv的值，必须知道Rv和Rg的数值，才能计算出来。

图1 电压表直接与负载并联Fig.1 Voltmeter parallel connection with load directly

1.2 第二种测量方法

在用第二种方法测量负载的外特性时，如图2所示，电流表直接与负载串联。从图中可以看出，流过负载的电流就是流过电流表的电流。但是，电压表指示的电压却是负载上的电压和电流表上的电压之和。要想知道真正加在负载上的电压必须知道电流表的内阻Ri和Rg的数值，通过计算得到。

图2 电流表直接与负载串联Fig.2 Ammeter series connection with load directly

2 目前测量方法存在的问题

以上两种方法都不能直接得到精确的测量结果。精确的测量结果必须经过计算才能获得。而计算需要的参数又不容易得到，甚至不可能得到（若负载特性或仪表内阻是未知的）。一般采用的办法就是尽量采用内阻尽量高的电压表和内阻尽量小的电流表，以减小对测量结果的影响[2]，但这种影响无法从根本上消除。

在测量负载的外特性时，需要同时获得电压和电流的准确值[3]。但是，由于电压表和电流表都有一定的内阻，会因此造成附加的误差[4]。当电压表直接和负载并联，然后和电流表串联时，得到的电压是准确的，但是流过电流表的电流既有流过负载的电流，也有流过电压表的电流。测得的电流就不准确；当电流表和负载串联然后和电压表并联，得到的电流表的读数是准确的，但电压表测得的电压是负载上的电压和电流流过电流表所产生的电压之和，电压表测得的电压就不准确[5]。同时获得负载电压和电流的准确值，是要解决的问题。

3 同时准确测量电压和电流的方法

本方法的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种同时准确测量电压和电流的系统，其可以准确地测量负载两端的电压和电流值。

3.1 技术方案

为实现上述目的，采用如下技术方案：其补偿电阻R1、R2串联后与串联的分流器电阻R、电压表并联，电压表的内阻为RV，设R1/R2=R/RV；补偿电阻R1和R2连接处与分流器电阻R 和电压表连接处之间设有电流表，负载电阻并联在电压表两端。如图3所示。

图3 利用桥式补偿电路测量Fig.3 Measure using bridge type compensation circuit

这是一种特殊的电桥电路[6]。电桥测量有两种工作方式，一种是平衡测量，一般用于实验室如惠斯顿电桥，常常和检流计配用。另一种是非平衡测量，一般应用于工业控制过程，例如常用的称重传感器。本方案中电流测量应用的是非平衡测量，整个测量过程电桥是非平衡的。该电路系统就是能够同时准确测得负载电压和电流的。其作用原理是利用这个桥式补偿电路，将流过电流表的电流中流过电压表的部分补偿掉，使电流表的指示值只含有流过负载的电流[7]。

3.2 具体实施方法验证

本方法的特点是在电流表头和分流器电阻R之间接入补偿电阻R1，由补偿电阻R1、R2和分流器电阻R、电压表内阻Rv构成电流补偿测量电桥。电压表和负载并联，故测得电压是准确的。只要证明电流表流过的电流只与负载电流有关，而与电压值无关，那么，该电路就达到了能同时准确测量负载电压和电流的目的。

叠加原理应用在直流电路，只需要满足是线性电路即可。本电路由电阻构成，是理想的线性电路。适用于叠加原理。根据叠加原理加上负载电流Ig后的状态，可以分别按只加电压源未加负载电流的状况和只加负载电流未加电压源的状况来计算。计算时电路中的电压源看成短路，电流源看成开路。电流表两端的电压可以分别计算后相加。这就是说，电流表两端电压可分为两项。

第一项：只加电压源，不加负载电流时，负载电流看成电流源，开路。

因为：R1/R2=R/RV，电桥平衡，负载未接入，Ig等于0。

所以：Ir在电阻R1上的电压降等于Iv在R 上的电压降，即R1*Ir=R*Iv。在电流表头A 上的电压Uv等于0。

当外加电势E 改变时，由于电桥平衡未受到破坏，所以电流表头上的电压降Uv始终等于0，记作Uv=0。这就表明Iv的存在并不会影响电流表的读数。

第二项：加上负载电流后，电压源看成短路。电桥平衡被破坏。分流器电阻R 上的电压降为R*（Iv+Ig）=R*Iv+R*Ig。因此，电流表头两端的电压差为-Ir*R1-（-R*Iv-R*Ig）=-Ir*R1+R*Iv+R*Ig。

因为：-Ir*R1+R*Iv=0。

所以：电流表头两端的电压差应为R*Ig。此时，电流表两端的电压是负载电流的函数。记作：Ui=f（Ig）。

综合计算：根据叠加原理，电压和电流同时作用时，电流表两端的电压为U=Uv+Ui=0+f（Ig）=f（Ig）。

由于电路中电阻是标准的线性元件，所以电流表的读数与负载电流成严格的正比例。这就证明电流表读数的变化只与负载电流Ig有关，而与流过电压表的电流Iv无关。也就是说，与调节电压无关。电压的调整不会对电流表显示造成影响。即在测量电压改变时，电流表的读数也是准确的。结合电压表和负载并联，测得电压是准确的。这样就达到了同时准确测量负载电流和电压的目的。

4 实际应用

图4 为一个用于校验二线制变送器的测量原理图[8]。二线制变送器是一种恒流性负载，它能在电压12～45 VDC 范围内变化时保持其恒流性。微小的电流附加测量误差，就可能导致误差超标。既要求测量电压的准确，又要求测量电流的准确。

图4 校验二线制变送器的测量原理图Fig.4 Measuring principle diagram of check two-wire transmitter

图4中，A 表示电流表头，由四位半电压数字模块构成，量程为2.0000 V，Ri表示电流表头内阻，R 表示电流取样电阻，R 采用的是精度为1/1000 的100 Ω 线绕电阻，同电流表头A 一起组成测量电流表。改变R 的数值可以改变电流表的量程，构成20.000 mA 的直流电流表，作为4～20 mA 变送器出厂校验电源。V 表示电压表头，采用三位半电压数字模块，Rv表示电压表内阻，包括其取压网络的等效电阻。改变其取压网络可以改变电压表的量程。 Rg表示被测负载，可以是二线制变送器，也可以是其它二端器件。E 表示整流后的直流电压。R1、R2为补偿电阻。 A1为误差放大器，基准稳压管DW和电阻R6、电位器RW构成控制基准电压电路。T 为调整管。R3，R4构成分压器。

其工作过程为由R1，R2，R，RV，R3，R4组成补偿电桥。当电桥平衡时：R1/R2=R/RV//（R3+R4）。其中，RV//（R3+R4）表示RV与（R3+R4）并联。

这样就把控制用的分压器也放在补偿范围内，电流表指示的电流就只有负载电流。负载端电压经分压器分压后送入误差放大器负端，由于误差放大器输入电阻极高（约为1013 Ω）不会破坏电桥的平衡[9]。与电位器RW送入正端的控制基准信号进行比较。误差信号经误差放大器放大后，其输出端通过R5控制调整管T，调节输出到负载上的电压。使其与控制基准所设定的相一致。利用该测量电路，所做成的jh-1 型校验电源，经多年使用，没有出现电流误差问题，可以准确校验二线制变送器特性。说明本方案是可行的。