電壓與電流相關(guān)測(cè)量中的去耦方法

張東紅，薄煥林

（1.山西太鋼工程技術(shù)有限公司，太原030009；2.青島乾宇科技有限公司，青島266000）

通常在電路中經(jīng)常遇到需同時(shí)精確測(cè)量負(fù)載兩端的電壓和通過(guò)其電流的情況。 如測(cè)試傳感器特性時(shí)就需要同時(shí)精確測(cè)量出傳感器兩端的電壓和通過(guò)其電流。 但是，一般的測(cè)量方法是達(dá)不到同時(shí)精確測(cè)量傳感器兩端電壓和通過(guò)其電流的。這是由于用一般方法在測(cè)量過(guò)程中，如果電流表與負(fù)載串聯(lián)，電壓表接在負(fù)載兩端，則所測(cè)負(fù)載的電壓是準(zhǔn)確的，而電流表中卻因?yàn)榱鬟^(guò)電壓表中的電流變得不準(zhǔn)確； 如果把電壓表接在電流表和負(fù)載兩端，則所測(cè)電流是準(zhǔn)確的，則負(fù)載兩端的電壓由于電流表的內(nèi)阻的影響， 所指示的電壓并不是負(fù)載兩端的電壓。

本文的目的就是要介紹一種電壓與電流相關(guān)測(cè)量中的去耦方法，達(dá)到同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載兩端電壓和電流的目的。

1 目前的測(cè)量方法

一般情況下，測(cè)量負(fù)載外特性有兩種方法。

1.1 第一種測(cè)量方法

在用第一種方法測(cè)量負(fù)載外特性時(shí)，如圖1 所示，電壓表直接與負(fù)載并聯(lián)。 此時(shí)，電壓表指示的就是負(fù)載兩端的電壓[1]，但是從圖中可以看出：流過(guò)電流表的電流是Iv+Ig。 因此要想知道真正流過(guò)負(fù)載的電流必須從電流表的讀數(shù)中減去Iv，而要求Iv的值，必須知道Rv和Rg的數(shù)值，才能計(jì)算出來(lái)。

圖1 電壓表直接與負(fù)載并聯(lián)Fig.1 Voltmeter parallel connection with load directly

1.2 第二種測(cè)量方法

在用第二種方法測(cè)量負(fù)載的外特性時(shí)， 如圖2所示，電流表直接與負(fù)載串聯(lián)。 從圖中可以看出，流過(guò)負(fù)載的電流就是流過(guò)電流表的電流。 但是，電壓表指示的電壓卻是負(fù)載上的電壓和電流表上的電壓之和。 要想知道真正加在負(fù)載上的電壓必須知道電流表的內(nèi)阻Ri和Rg的數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到。

圖2 電流表直接與負(fù)載串聯(lián)Fig.2 Ammeter series connection with load directly

2 目前測(cè)量方法存在的問(wèn)題

以上兩種方法都不能直接得到精確的測(cè)量結(jié)果。 精確的測(cè)量結(jié)果必須經(jīng)過(guò)計(jì)算才能獲得。 而計(jì)算需要的參數(shù)又不容易得到，甚至不可能得到（若負(fù)載特性或儀表內(nèi)阻是未知的）。 一般采用的辦法就是盡量采用內(nèi)阻盡量高的電壓表和內(nèi)阻盡量小的電流表，以減小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[2]，但這種影響無(wú)法從根本上消除。

在測(cè)量負(fù)載的外特性時(shí)，需要同時(shí)獲得電壓和電流的準(zhǔn)確值[3]。 但是，由于電壓表和電流表都有一定的內(nèi)阻，會(huì)因此造成附加的誤差[4]。 當(dāng)電壓表直接和負(fù)載并聯(lián)，然后和電流表串聯(lián)時(shí)，得到的電壓是準(zhǔn)確的，但是流過(guò)電流表的電流既有流過(guò)負(fù)載的電流，也有流過(guò)電壓表的電流。 測(cè)得的電流就不準(zhǔn)確；當(dāng)電流表和負(fù)載串聯(lián)然后和電壓表并聯(lián)，得到的電流表的讀數(shù)是準(zhǔn)確的，但電壓表測(cè)得的電壓是負(fù)載上的電壓和電流流過(guò)電流表所產(chǎn)生的電壓之和，電壓表測(cè)得的電壓就不準(zhǔn)確[5]。 同時(shí)獲得負(fù)載電壓和電流的準(zhǔn)確值，是要解決的問(wèn)題。

3 同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流的方法

本方法的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流的系統(tǒng)，其可以準(zhǔn)確地測(cè)量負(fù)載兩端的電壓和電流值。

3.1 技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：其補(bǔ)償電阻R1、R2串聯(lián)后與串聯(lián)的分流器電阻R、 電壓表并聯(lián)，電壓表的內(nèi)阻為RV，設(shè)R1/R2=R/RV；補(bǔ)償電阻R1和R2連接處與分流器電阻R 和電壓表連接處之間設(shè)有電流表，負(fù)載電阻并聯(lián)在電壓表兩端。如圖3所示。

圖3 利用橋式補(bǔ)償電路測(cè)量Fig.3 Measure using bridge type compensation circuit

這是一種特殊的電橋電路[6]。 電橋測(cè)量有兩種工作方式，一種是平衡測(cè)量，一般用于實(shí)驗(yàn)室如惠斯頓電橋，常常和檢流計(jì)配用。 另一種是非平衡測(cè)量，一般應(yīng)用于工業(yè)控制過(guò)程，例如常用的稱重傳感器。 本方案中電流測(cè)量應(yīng)用的是非平衡測(cè)量，整個(gè)測(cè)量過(guò)程電橋是非平衡的。 該電路系統(tǒng)就是能夠同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得負(fù)載電壓和電流的。 其作用原理是利用這個(gè)橋式補(bǔ)償電路，將流過(guò)電流表的電流中流過(guò)電壓表的部分補(bǔ)償?shù)簦闺娏鞅淼闹甘局抵缓辛鬟^(guò)負(fù)載的電流[7]。

3.2 具體實(shí)施方法驗(yàn)證

本方法的特點(diǎn)是在電流表頭和分流器電阻R之間接入補(bǔ)償電阻R1，由補(bǔ)償電阻R1、R2和分流器電阻R、電壓表內(nèi)阻Rv構(gòu)成電流補(bǔ)償測(cè)量電橋。 電壓表和負(fù)載并聯(lián)，故測(cè)得電壓是準(zhǔn)確的。 只要證明電流表流過(guò)的電流只與負(fù)載電流有關(guān)，而與電壓值無(wú)關(guān)，那么，該電路就達(dá)到了能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載電壓和電流的目的。

疊加原理應(yīng)用在直流電路，只需要滿足是線性電路即可。 本電路由電阻構(gòu)成，是理想的線性電路。適用于疊加原理。 根據(jù)疊加原理加上負(fù)載電流Ig后的狀態(tài)，可以分別按只加電壓源未加負(fù)載電流的狀況和只加負(fù)載電流未加電壓源的狀況來(lái)計(jì)算。 計(jì)算時(shí)電路中的電壓源看成短路，電流源看成開(kāi)路。 電流表兩端的電壓可以分別計(jì)算后相加。 這就是說(shuō)，電流表兩端電壓可分為兩項(xiàng)。

第一項(xiàng)：只加電壓源，不加負(fù)載電流時(shí)，負(fù)載電流看成電流源，開(kāi)路。

因?yàn)椋篟1/R2=R/RV，電橋平衡，負(fù)載未接入，Ig等于0。

所以：Ir在電阻R1上的電壓降等于Iv在R 上的電壓降，即R1*Ir=R*Iv。 在電流表頭A 上的電壓Uv等于0。

當(dāng)外加電勢(shì)E 改變時(shí)，由于電橋平衡未受到破壞，所以電流表頭上的電壓降Uv始終等于0，記作Uv=0。 這就表明Iv的存在并不會(huì)影響電流表的讀數(shù)。

第二項(xiàng)：加上負(fù)載電流后，電壓源看成短路。 電橋平衡被破壞。分流器電阻R 上的電壓降為R*（Iv+Ig）=R*Iv+R*Ig。 因此， 電流表頭兩端的電壓差為-Ir*R1-（-R*Iv-R*Ig）=-Ir*R1+R*Iv+R*Ig。

因?yàn)椋?Ir*R1+R*Iv=0。

所以：電流表頭兩端的電壓差應(yīng)為R*Ig。 此時(shí)，電流表兩端的電壓是負(fù)載電流的函數(shù)。 記作：Ui=f（Ig）。

綜合計(jì)算：根據(jù)疊加原理，電壓和電流同時(shí)作用時(shí)，電流表兩端的電壓為U=Uv+Ui=0+f（Ig）=f（Ig）。

由于電路中電阻是標(biāo)準(zhǔn)的線性元件，所以電流表的讀數(shù)與負(fù)載電流成嚴(yán)格的正比例。 這就證明電流表讀數(shù)的變化只與負(fù)載電流Ig有關(guān)，而與流過(guò)電壓表的電流Iv無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，與調(diào)節(jié)電壓無(wú)關(guān)。電壓的調(diào)整不會(huì)對(duì)電流表顯示造成影響。 即在測(cè)量電壓改變時(shí)，電流表的讀數(shù)也是準(zhǔn)確的。 結(jié)合電壓表和負(fù)載并聯(lián)，測(cè)得電壓是準(zhǔn)確的。 這樣就達(dá)到了同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載電流和電壓的目的。

4 實(shí)際應(yīng)用

圖4 為一個(gè)用于校驗(yàn)二線制變送器的測(cè)量原理圖[8]。 二線制變送器是一種恒流性負(fù)載，它能在電壓12～45 VDC 范圍內(nèi)變化時(shí)保持其恒流性。 微小的電流附加測(cè)量誤差，就可能導(dǎo)致誤差超標(biāo)。 既要求測(cè)量電壓的準(zhǔn)確，又要求測(cè)量電流的準(zhǔn)確。

圖4 校驗(yàn)二線制變送器的測(cè)量原理圖Fig.4 Measuring principle diagram of check two-wire transmitter

圖4中，A 表示電流表頭，由四位半電壓數(shù)字模塊構(gòu)成，量程為2.0000 V，Ri表示電流表頭內(nèi)阻，R 表示電流取樣電阻，R 采用的是精度為1/1000 的100 Ω 線繞電阻， 同電流表頭A 一起組成測(cè)量電流表。 改變R 的數(shù)值可以改變電流表的量程， 構(gòu)成20.000 mA 的直流電流表， 作為4～20 mA 變送器出廠校驗(yàn)電源。V 表示電壓表頭，采用三位半電壓數(shù)字模塊，Rv表示電壓表內(nèi)阻， 包括其取壓網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。 改變其取壓網(wǎng)絡(luò)可以改變電壓表的量程。 Rg表示被測(cè)負(fù)載，可以是二線制變送器，也可以是其它二端器件。E 表示整流后的直流電壓。R1、R2為補(bǔ)償電阻。 A1為誤差放大器， 基準(zhǔn)穩(wěn)壓管DW和電阻R6、電位器RW構(gòu)成控制基準(zhǔn)電壓電路。T 為調(diào)整管。R3，R4構(gòu)成分壓器。

其工作過(guò)程為由R1，R2，R，RV，R3，R4組成補(bǔ)償電橋。 當(dāng)電橋平衡時(shí)：R1/R2=R/RV//（R3+R4）。 其中，RV//（R3+R4）表示RV與（R3+R4）并聯(lián)。

這樣就把控制用的分壓器也放在補(bǔ)償范圍內(nèi)，電流表指示的電流就只有負(fù)載電流。 負(fù)載端電壓經(jīng)分壓器分壓后送入誤差放大器負(fù)端，由于誤差放大器輸入電阻極高（約為1013 Ω）不會(huì)破壞電橋的平衡[9]。 與電位器RW送入正端的控制基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。 誤差信號(hào)經(jīng)誤差放大器放大后，其輸出端通過(guò)R5控制調(diào)整管T，調(diào)節(jié)輸出到負(fù)載上的電壓。 使其與控制基準(zhǔn)所設(shè)定的相一致。 利用該測(cè)量電路，所做成的jh-1 型校驗(yàn)電源，經(jīng)多年使用，沒(méi)有出現(xiàn)電流誤差問(wèn)題，可以準(zhǔn)確校驗(yàn)二線制變送器特性。 說(shuō)明本方案是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文中提到的橋式補(bǔ)償電路，將電壓表和電流表與負(fù)載巧妙地連接，消除了電壓表內(nèi)阻對(duì)電流表引起的附加誤差。 即：采用該方法，達(dá)到了電壓與電流相關(guān)測(cè)量中的去耦目的，可以同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量負(fù)載兩端電壓和電流。 對(duì)得到精確的二端器件特性具有重要作用。