阅读说明：本技术 一种建立超低频电压标准及实现量值传递的系统及方法 (System and method for establishing ultralow frequency voltage standard and realizing magnitude transmission ) 是由 石照民 潘仙林 张江涛 宋�莹 丁香 王嵘瑜 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种建立超低频电压标准的方法,基于双加热丝热电变换器输出热电势的平方特性,建立超低频电压交直流转换系统,实现两路幅值相等的正交低频电压信号与直流电压的等效转换,将超低频电压溯源到直流电压标准,建立超低频电压标准,解决了10Hz以下交流电压无法实现交直流转换的难题,为10Hz以下的交流电压测量提供了溯源标准。本发明还结合差分采样系统,以其中一路低频电压为参考标准,通过差分采样测量被测低频电压与超低频电压标准之间的差值对被测低频电压进行校验,实现了超低频电压标准的量值传递。(The invention relates to a method for establishing an ultralow frequency voltage standard, which is characterized in that an ultralow frequency voltage alternating current-direct current conversion system is established based on the square characteristic of thermoelectric potential output by a double-heating-wire thermoelectric converter, equivalent conversion between two paths of orthogonal low frequency voltage signals with equal amplitude and direct current voltage is realized, the ultralow frequency voltage is traced to the direct current voltage standard, the ultralow frequency voltage standard is established, the problem that alternating current-direct current conversion cannot be realized by alternating current voltage below 10Hz is solved, and the tracing standard is provided for alternating current voltage measurement below 10 Hz. The invention also combines a differential sampling system, takes one path of low-frequency voltage as a reference standard, and verifies the measured low-frequency voltage by measuring the difference value between the measured low-frequency voltage and the ultra-low frequency voltage standard through differential sampling, thereby realizing the magnitude transmission of the ultra-low frequency voltage standard.)

一种建立超低频电压标准及实现量值传递的系统及方法

技术领域：

本发明属于交流电压计量标准领域，特别涉及一种建立超低频电压标准及实现量值传递的方法。

背景技术：

目前我国交流电压国家标准的频率下限为10Hz，而在国际计量局公布的各国计量院校准能力中，交流电压校准能力的最低频率也仅为10Hz，无法满足更低频率交流电压的溯源需求。对于10Hz以下超低频信号的测量，在诸多领域都有应用，比如在土木工程、石油勘探、地震监测、精密加工和制造以及国防工业、航空航天等领域，均存在1Hz以下低频振动信号测量的需求，而振动信号的测量往往是通过传感技术转换为电信号实现的，因此建立超低频电压标准，实现量值传递对振动信号的测量具有重要意义。此外随着新能源汽车行业的发展，对于锂离子动力电池的计量校准也是电磁计量领域的一个热点问题，其中的一项主要工作是要建立超低频电压标准。另外在一些高电压试验中，超低频电压技术能有效解决设备体积重量过大的问题，并满足试验品中绝缘分布的要求。因此迫切需要解决10Hz以下超低频电压的量值溯源。

目前交流电压的量值溯源是以热电偶作为标准，通过交直流转换溯源至直流电压标准。对于热电偶，当输入交流信号u_ac与直流信号u_dc产生的热电势相等时，认为两信号是等效的，进而实现交流电量与直流电量的等效转换。热电偶输出热电势与输入电压之间的关系可表示为

E＝K*u²

其中K为热电偶灵敏度系数，由热电偶自身特性决定，u为输入电压。对于热电偶，在直流输入状态和频率高于10Hz的交流输入状态下，输出热电势E是一个常量。当频率高于10Hz时，热电偶自身交直流差较小，可作为标准实现交流电压和直流电压之间的等效转换。当频率低于10Hz时，由于热电偶自身频响特性的影响，对于热电偶而言，输入的交流信号可看作是变化的直流信号，其输出热电势不稳定，自身交直流差较大，已不适合作为标准进行交直流转换。因此目前国际计量局公布的各国交流电压标准的频率下限普遍为10Hz，还没有一种有效的手段能将10Hz以下交流电压溯源至直流电压标准。

发明内容

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本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种建立10Hz以下超低频电压标准的方法，将超低频交流电压与直流电压标准建立关系，实现超低频交流电压的量值溯源；

本发明的另一目的是实现超低频电压标准的量值传递，将被测超低频交流电压与电压标准建立关系，实现对被测低频电压的校验。

本发明是通过以下技术方案实现的：

建立超低频电压标准，是通过超低频电压交直流转换系统，将超低频电压与直流电压实现等效转换，使超低频交流电压溯源到直流电压标准。超低频电压交直流转换系统包括上位机1，直流电压源2，标准直流电压表3，正交信号发生器4，跟随器5，跟随器6，交直流转换开关7，交直流转换开关8，双加热丝热电变换器9和纳伏表10。上位机1通过IEEE-488总线分别与直流电压源2、直流标准电压表3、正交信号发生器4、交直流转换开关7、交直流转换开关8和纳伏表10连接，实现系统自动化控制。正交信号发生器4通过跟随器5、跟随器6分别与交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，直流电压源2分别与直流标准电压表3、交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，交直流转换开关7、交直流转换开关8与双加热丝热电变换器9连接，双加热丝热电变换器9连接到纳伏表10。

建立超低频电压标准的方法，包括以下步骤：

A.由上位机1控制正交信号发生器4输出两路幅值相等的正交低频电压信号U_A和U_B，直流电压源2输出正的直流电压信号U_DC+；

B.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

C.U_A和U_B分别通过跟随器5和跟随器6后输入到交直流转换开关7和交直流转换开关8，并通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

D.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_a1；

E.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到直流状态；

F.由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC+幅值，U_DC+分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

G.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d+；

H.上位机1控制直流电压源2输出负的直流电压信号U_DC-，其中U_DC-＝-U_DC+，由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC-幅值，U_DC-分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

I.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d-；

J.由上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

K.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9在交流输入状态下输出的热电势E_a2；

L.比较E_a1+E_a2和E_d++E_d-的大小，当E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，则低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(1)计算得到

M.当E_a1+E_a2≠E_d++E_d-，通过公式(2)和(3)调整直流电压：

并重复过程A～M，直到保证E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，此时低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(4)计算得到

至此实现了超低频交流电压与直流电压之间的等效转换，将交流电压溯源到直流电压标准，建立超低频交流电压标准。

实现超低频电压标准的量值传递，是以超低频电压标准作为参考，通过差分采样系统测量被测低频电压与低频电压标准之间的差值，实现对被测电压的校验。超低频电压标准量值传递系统包括上位机1，直流电压源2，标准直流电压表3，正交信号发生器4，跟随器5，跟随器6，交直流转换开关7，交直流转换开关8，双加热丝热电变换器9，纳伏表10，交流电压源11和差分采样系统12。上位机1通过IEEE-488总线分别与直流电压源2、直流标准电压表3、正交信号发生器4、交直流转换开关7、交直流转换开关8、纳伏表10、交流电压源11和差分采样系统12连接，实现系统自动化控制。正交信号发生器4通过跟随器5、跟随器6分别与交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，同时正交信号发生器4的一个通道与差分采样系统12的一个通道连接，交流电压源11与差分采样系统12的另一通道连接，直流电压源2分别与标准直流电压表3、交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，交直流转换开关7、交直流转换开关8与双加热丝热电变换器9连接，双加热丝热电变换器9连接到纳伏表10。

实现超低频电压标准量值传递的方法，包括以下步骤：

a.由上位机1控制正交信号发生器4输出两路幅值相等的正交低频电压信号U_A和U_B，直流电压源2输出正的直流电压信号U_DC+，交流电压源11输出被测低频交流电压信号U₁；

b.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

c.U_A和U_B分别通过跟随器5和跟随器6后输入交直流转换开关7和交直流转换开关8，并通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

d.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_a1；

e上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到直流状态；

f.由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC+幅值，U_DC+分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

g.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d+；

h.上位机1控制直流电压源2输出负的直流电压信号U_DC-，其中U_DC-＝-U_DC+，由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC-幅值，U_DC-分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

i.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d-；

j.由上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

k.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9在交流输入状态下输出的热电势E_a2；

l.比较E_a1+E_a2和E_d++E_d-的大小，当E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，则低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(1)计算得到

m.当E_a1+E_a2≠E_d++E_d-，通过公式(2)和(3)调整直流电压：

并重复过程a～m，直到保证E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，此时低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(4)计算得到

n.上位机1控制差分采样系统12采样测量U_A和U₁的差值ΔU，则被测电压U₁可通过公式(5)计算得到

至此实现了超低频交流电压标准的量值传递。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出了一种建立超低频电压标准的方法，解决了单一热电偶无法满足低频电压交直流转换的问题，基于双加热丝热电变换器实现了10Hz以下超低频电压与直流电压标准的等效转换，将超低频交流电压溯源到直流电压标准，建立了超低频电压标准，同时本发明还提出了超低频电压标准的量值传递方法，实现了超低频电压标准的量值传递，实现了超低频交流电压的精确测量。

附图说明：

图1为超低频电压交直流转换系统框图

图2为超低频交流电压标准量值传递系统框图

具体实施方式

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下面结合附图和实施例对发明做进一步的详细说明：

超低频电压交直流转换系统包括上位机1，直流电压源2，直流标准电压表3，正交信号发生器4，跟随器5，跟随器6，交直流转换开关7，交直流转换开关8，双加热丝热电变换器9和纳伏表10。上位机1通过IEEE-488总线分别与直流电压源2、直流标准电压表3、正交信号发生器4、交直流转换开关7、交直流转换开关8和纳伏表10连接，实现系统自动化控制。正交信号发生器4通过跟随器5、跟随器6分别与交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，直流电压源2分别与直流标准电压表3、交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，交直流转换开关7、交直流转换开关8与双加热丝热电变换器9连接，双加热丝热电变换器9连接到纳伏表10。

上位机1用于控制整个系统实现自动化测量；

直流电压源2用于输出直流电压信号；

直流标准电压表3用于准确测量直流电压信号幅值，提供参考标准；

正交信号发生器4用于输出两路幅值相等的正交低频电压信号；

跟随器5和跟随器6用于减小正交信号发生器输出阻抗，并提高带载能力；

交直流转换开关7和交直流转换开关8用于控制双加热丝热电变换器输入端交流电压与直流电压的切换；

双加热丝热电变换器9用于实现两路正交低频交流电压与直流电压之间的等效转换；

纳伏表10用于读取双加热丝热电变换器在交流状态和直流状态下输出的热电势。

实施例1

下面以建立1Hz交流电压标准为例来阐述本发明建立超低频电压标准的方法。

A.由上位机1控制正交信号发生器4输出两路幅值相等，频率均为1Hz的正交电压信号U_A和U_B，直流电压源2输出正的直流电压信号U_DC+；

B.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

C.U_A和U_B分别通过跟随器5和跟随器6后输入到交直流转换开关7和交直流转换开关8，并通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

D.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_a1；

E.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到直流状态；

F.由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC+幅值，U_DC+分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

G.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d+；

H.上位机1控制直流电压源2输出负的直流电压信号U_DC-，并使U_DC-＝-U_DC+，由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC-幅值，U_DC-分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

I.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d-；

J.由上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

K.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9在交流输入状态下输出的热电势E_a2；

L.比较E_a1+E_a2和E_d++E_d-的大小，当E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，则低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(1)计算得到

M.当E_a1+E_a2≠E_d++E_d-，通过公式(2)和(3)调整直流电压：

并重复过程A～M，直到保证E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，此时1Hz电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(4)计算得到

至此实现了1Hz交流电压与直流电压之间的等效转换，将交流电压溯源到直流电压标准，建立1Hz交流电压标准。

超低频电压标准量值传递系统包括上位机1，直流电压源2，直流标准电压表3，正交信号发生器4，跟随器5，跟随器6，交直流转换开关7，交直流转换开关8，双加热丝热电变换器9，纳伏表10，交流电压源11和差分采样系统12。上位机1通过IEEE-488总线分别与直流电压源2、直流标准电压表3、正交信号发生器4、交直流转换开关7、交直流转换开关8，纳伏表10、交流电压源11和差分采样系统12连接，实现系统自动化控制。正交信号发生器4通过跟随器5、跟随器6分别与交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，同时正交信号发生器4的一个通道与差分采样系统的一个通道连接，交流电压源与差分采样系统的另一通道连接，直流电压源2分别与直流标准电压表3、交直流转换开关7、交直流转换开关8连接，交直流转换开关7、交直流转换开关8与双加热丝热电变换器9连接，双加热丝热电变换器9连接到纳伏表10。

上位机1用于控制整个系统实现自动化测量；

直流电压源2用于输出直流电压信号；

直流标准电压表3用于准确测量直流电压信号幅值，提供参考标准；

正交信号发生器4用于输出两路幅值相等的正交低频电压信号；

跟随器5和跟随器6用于减小正交信号发生器输出阻抗，并提高带载能力；

交直流转换开关7和交直流转换开关8用于控制双加热丝热电变换器输入端交流电压与直流电压的切换；

双加热丝热电变换器9用于实现两路正交低频交流电压与直流电压之间的等效转换；

纳伏表10用于读取双加热丝热电变换器在交流状态和直流状态下输出的热电势；

交流电压源11用于提供被测低频交流电压信号；

差分采样系统12用于测量被测电压信号与电压标准的差值，对被测电压进行校验，实现超低频电压标准的量值传递。

实施例2

下面以测量1Hz交流电压为例来阐述超低频电压标准量值传递的方法。

a.由上位机1控制正交信号发生器4输出两路幅值相等，频率均为1Hz的U_A和U_B，直流电压源2输出正的直流电压信号U_DC+，交流电压源11输出1Hz被测交流电压信号U₁；

b.上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

c.U_A和U_B分别通过跟随器5和跟随器6后输入交直流转换开关7和交直流转换开关8，并通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

d.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_a1；

e上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到直流状态；

f.由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC+幅值，U_DC+分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

g.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d+；

h.上位机1控制直流电压源2输出负的直流电压信号U_DC-，并使U_DC-＝-U_DC+，由标准直流电压表3测量直流电压信号U_DC-幅值，U_DC-分别通过交直流转换开关7和交直流转换开关8后输入到双加热丝热电变换器9；

i.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9输出的热电势E_d-；

j.由上位机1控制交直流转换开关7和交直流转换开关8切换到交流状态；

k.由纳伏表10读取双加热丝热电变换器9在交流输入状态下输出的热电势E_a2；

l.比较E_a1+E_a2和E_d++E_d-的大小，当E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，则低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(1)计算得到

m.当E_a1+E_a2≠E_d++E_d-，通过公式(2)和(3)调整直流电压：

并重复过程a～m，直到保证E_a1+E_a2＝E_d++E_d-，此时低频电压信号U_A和U_B的有效值U通过公式(4)计算得到

n.上位机1控制差分采样系统12采样测量U_A和U₁的差值ΔU，则被测电压U₁可通过公式(5)计算得到

至此实现了1Hz交流电压标准的量值传递。