專利名稱：高精密高壓分壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓分壓器。
背景技術(shù)：
高電壓(1千伏以上)在電力傳輸、電子技術(shù)、加速器相關(guān)的科研中使用日益普遍。在很多情況下，比如測(cè)量高電荷態(tài)離子雙電子復(fù)合共振能量時(shí)，人們需要精確的知道高電壓值。對(duì)于超過(guò)1千伏的高壓，直接測(cè)量往往會(huì)造成測(cè)量?jī)x器的損壞，目前人們使用的精密高壓分壓器對(duì)高壓進(jìn)行分壓后測(cè)量，絕對(duì)精度都在1％左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科研的要求。其中主要原因是無(wú)法解決電阻的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)帶來(lái)的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的高壓分壓器，其精度可達(dá)到高于百萬(wàn)分之一(1ppm)。
本實(shí)用新型提出的高精密高壓分壓器，其原理如附圖1所示，高電壓U加在串聯(lián)的電阻R1和R2上，那么R2兩端的電壓Uout可以表達(dá)為Uout＝UR2/(R1+R2)R2/(R1+R2)稱為分壓比，通過(guò)分壓可以由測(cè)量低電壓來(lái)測(cè)量高電壓?？墒荝1和R2的阻值是隨著溫度和電壓變化的，稱為溫度系數(shù)和電壓系數(shù)。為了減少溫度系數(shù)帶來(lái)的誤差，以及對(duì)電壓系數(shù)進(jìn)行修正，本發(fā)明采用了新的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該高壓分壓器由金屬球冠1、內(nèi)筒2、外筒13、高阻值電阻R1、低阻值電阻R2、濾波電容5、信號(hào)輸出BNC接口6、內(nèi)筒溫度傳器4、外筒溫度傳感器10、加熱電阻8和溫度反饋控器9經(jīng)電路連接組成，其中，內(nèi)筒2設(shè)置于外筒13中，內(nèi)筒與外筒之間由擋板3固定；內(nèi)筒與外筒之間有間隙，擋板3下端部開有圓孔14，擋板3下端圓孔14外安裝有風(fēng)扇7，在風(fēng)扇7的作用下，使空氣在內(nèi)筒和外筒之間循環(huán)流通；金屬球冠1設(shè)置于外筒13的頂部，用于連接待測(cè)高壓端，高阻值電阻R1和低阻值電阻R2串聯(lián)，并設(shè)置于內(nèi)筒中，高阻值電阻R1上部與金屬球冠1連接，低阻值電阻R2下部接地；加熱電阻8設(shè)置于外筒3內(nèi)側(cè)下部、內(nèi)筒外側(cè)底部下面；溫度反饋控制器9通過(guò)外筒溫度傳感器10測(cè)量到的溫度控制加熱電阻8的加熱功率，溫度反饋控制器9采用PID控制(比例、積分、微分控制)；濾波電容5和信號(hào)輸出BNC接口6連接在低阻值電阻R2的兩端。
本發(fā)明中，內(nèi)筒2內(nèi)可以填充耐高壓的六氟化硫氣體，以提高放電電壓閾值。高阻值電阻R1、低阻值電阻R2可分別由高阻值的電阻串和低阻值的電阻串組成，電阻串的電阻個(gè)數(shù)和阻值由具體的設(shè)計(jì)要求確定。連接R1和R2的焊點(diǎn)需經(jīng)過(guò)打磨光滑處理，以避免尖端放電。
為了進(jìn)一步減小溫度帶來(lái)的分壓比誤差，本發(fā)明采用高精密金屬模電阻來(lái)組成R1和R2，另外利用恒溫箱測(cè)量所有電阻的溫度系數(shù)，對(duì)電阻進(jìn)行遴選，選出的所有電阻溫度系數(shù)小于50ppm/℃。當(dāng)R1＞＞R2時(shí)，分壓比的溫度系數(shù)等于R1和R2的溫度系數(shù)之差，利用這個(gè)原則，本發(fā)明把高阻值電阻和低阻值電阻進(jìn)行匹配，使分壓比的溫度系數(shù)達(dá)到最小(絕對(duì)值小于10ppm/℃)。對(duì)于電壓系數(shù)，我們利用Keithley公司的6位電壓表MODEL2701和MODEL2000在0～1100伏范圍內(nèi)測(cè)量了各個(gè)電阻的阻值隨著電壓的變化，利用已知電磁理論和量子理論公式進(jìn)行擬合，得出擬合參數(shù)，對(duì)分壓比作出修正。為了讓電阻更加穩(wěn)定，加長(zhǎng)?？讨芷?，所有電阻都經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在不同電壓和不同溫度條件下的老化。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下將待測(cè)高壓端接在金屬球冠1的銅質(zhì)接線柱上，將加熱電阻8、溫度傳感器4和10、接地端按照?qǐng)D2所示連接，并把信號(hào)輸出BNC接口接在萬(wàn)用表上(6位或者更高精度)。設(shè)定工作溫度高于周圍環(huán)境溫度3～10℃，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度的時(shí)候，控制器就驅(qū)動(dòng)電源對(duì)加熱電阻加熱，然后調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，使溫度浮動(dòng)達(dá)到最小。然后對(duì)測(cè)量得到的電壓值用擬合得到的電壓系數(shù)公式進(jìn)行修正。
跟其他分壓器相比，本分壓器解決了溫度系數(shù)和電壓系數(shù)帶來(lái)的影響，使測(cè)量精度達(dá)到1ppm以上，精度提高了幾個(gè)量級(jí)。


圖1為分壓器原理圖。
圖2為分壓器結(jié)構(gòu)圖(軸向剖示)。
圖3為分壓器的內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)圖示。
圖4為擋板結(jié)構(gòu)圖示。
圖5為產(chǎn)品DV36溫度浮動(dòng)測(cè)試結(jié)果。
圖6為產(chǎn)品DV36的R1平均單個(gè)電阻電壓系數(shù)修正曲線。
圖中標(biāo)號(hào)1為金屬球冠，2為內(nèi)筒，3為擋板，4為內(nèi)筒溫度傳感器，5為濾波電容，6為信號(hào)輸出BNC接口，7為風(fēng)扇，8為加熱電阻，9為溫度反饋控制器，10為外筒溫度傳感器，11為空氣，12為六氟化硫氣體，13為外筒，14為擋板下端的洞孔。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)一個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。根據(jù)圖2所示。金屬球冠1用密封螺紋固定在外筒13的頂蓋上，其主要目的是避免尖端放電。內(nèi)筒2和外筒13分別為有機(jī)玻璃，雙層結(jié)構(gòu)能夠保持溫度的恒定，內(nèi)筒和外筒的頂蓋之間有25mm的間隔，用于空氣流通，保持溫度均勻。內(nèi)筒2和外筒13之間用擋板3固定，擋板3底端打有圓孔14，見圖3，風(fēng)扇7固定在擋板下端部，圓孔14處。內(nèi)筒溫度傳感器4采用熱敏電阻溫度傳感器，型號(hào)PT100，它通過(guò)硬質(zhì)導(dǎo)線固定在內(nèi)筒中部靠近擋板面的方向，和內(nèi)筒壁有2mm的間隔。濾波電容5的主要作用是濾去輸出信號(hào)中的噪音。濾波電容5和信號(hào)輸出BNC接口6分別連接在低阻值電阻R2的兩端。加熱電阻8通過(guò)銅質(zhì)散熱片固定在底板上。外筒溫度傳感器10采用熱敏電阻溫度傳感器，型號(hào)為PT100，傳感器10的信號(hào)反饋給溫度控制器9來(lái)控制加熱功率，調(diào)節(jié)控制器的PID(比例積分微分)參數(shù)使內(nèi)外筒夾層間的空氣溫度浮動(dòng)小于0.1℃，內(nèi)筒工作氣體溫度浮動(dòng)小于0.03℃?？諝?1通過(guò)風(fēng)扇7的驅(qū)動(dòng)在內(nèi)筒和外筒間循環(huán)。內(nèi)筒2內(nèi)填充耐高壓的六氟化硫氣體12，可以提高放電電壓閾值。R1和R2分別為串聯(lián)的高阻值和低阻值電阻，電阻的個(gè)數(shù)和阻值由具體設(shè)計(jì)要求決定。連接R1和R2的焊點(diǎn)經(jīng)過(guò)打磨光滑處理，避免尖端放電。
該分壓器為MODEL-DV36，下面以此為例來(lái)說(shuō)明分壓器的工作過(guò)程。
此分壓器量程為36千伏，工作溫度31℃，1000V條件下分壓比等于7433.29，10天內(nèi)電壓系數(shù)修正后誤差小于1ppm。DV36的R1由深圳意杰公司提供的12個(gè)500MΩ的金屬厚膜電阻(SGT52)串聯(lián)組成，R2由3個(gè)400kΩ金屬膜電阻(SGT39)組成，每?jī)蓚€(gè)電阻間的間距為20mm。金屬球直徑30mm，內(nèi)筒內(nèi)徑70mm，外徑8mm，外筒內(nèi)徑120mm，外徑130mm，內(nèi)外筒均使用有機(jī)玻璃材質(zhì)。溫度控制器采用臺(tái)達(dá)DTA4848型號(hào)，溫度控制采用PID控制。濾波電容5電阻大于5GΩ，信號(hào)輸出測(cè)量采用Keithley萬(wàn)用表(MODEL2701)。下面是內(nèi)筒溫度浮動(dòng)測(cè)試和電壓系數(shù)修正測(cè)試結(jié)果溫度浮動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果如圖5。此溫度是放置在內(nèi)筒的溫度傳感器的測(cè)試結(jié)果，測(cè)量時(shí)間為11小時(shí)，在此期間室內(nèi)溫度由空調(diào)調(diào)節(jié)，溫度浮動(dòng)為22～25℃。從圖中可以看出絕大部分溫度測(cè)量值都落在31±0.025℃范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于分壓比的浮動(dòng)為0.25ppm(10ppm/℃×0.025℃)。
R1電壓系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6。此電壓系數(shù)為組成R1的SGT52電阻并聯(lián)得到的總電阻隨電壓的變化關(guān)系(以31℃，100伏條件下電阻值為單位1，對(duì)應(yīng)于串聯(lián)R1電壓為1200伏)，可以通過(guò)換算關(guān)系得到串聯(lián)組成的R1電壓系數(shù)(串聯(lián)電壓系數(shù)是并聯(lián)的12倍)，然后通過(guò)電磁理論的場(chǎng)致發(fā)射和量子暗電流理論的擬合公式來(lái)修正分壓比。從擬合曲線的殘余值可以看出，修正后分壓比的誤差為±0.4ppm，對(duì)于串連電阻R1修正后精度為0.033ppm(0.4ppm/12)。
權(quán)利要求
1.一種高精密高壓分壓器，其特征在于由金屬球冠(1)、內(nèi)筒(2)、外筒(13)、高阻值電阻R1、低阻值電阻R2、濾波電容(5)、信號(hào)輸出BNC接口(6)、內(nèi)筒溫度傳器(4)、外筒溫度傳感器(10)、加熱電阻(8)和溫度反饋控器(9)經(jīng)電路連接組成，其中，內(nèi)筒(2)設(shè)置于外筒(13)中，內(nèi)筒與外筒之間由擋板(3)固定；內(nèi)筒與外筒之間有間隙，擋板(3)下端部開有圓孔(14)，擋板(3)下端圓孔(14)外安裝有風(fēng)扇(7)；金屬球冠(1)設(shè)置于外筒(13)的頂部，用于連接待測(cè)高壓端，高阻值電阻R1和低阻值電阻R2串聯(lián)，并設(shè)置于內(nèi)筒中，高阻值電阻R1上部與金屬球冠(1)連接，低阻值電阻R2下部接地；加熱電阻(8)設(shè)置于外筒(3)內(nèi)側(cè)下部、內(nèi)筒外側(cè)底部下面；溫度反饋控制器(9)通過(guò)外筒溫度傳感器(10)測(cè)量到的溫度控制加熱電阻(8)的加熱功率，溫度反饋控制器(9)采用PID控制；濾波電容(5)和信號(hào)輸出BNC接口(6)連接在低阻值電阻R2的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密高壓分壓器，其特征在于所述內(nèi)筒(2)中填充有六氟化硫氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密高壓分壓器，其特征在于所述高阻值電阻R1和低阻值電阻R2分別由電阻串串聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精密高壓分壓器，其特征在于所述高阻值電阻R1和低阻值電阻R2分別采用金屬膜電阻。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具有為一種高精密高壓分壓器。該高壓分壓器由金屬球冠、內(nèi)外筒體、高阻值電阻R
文檔編號(hào)G01R15/00GK1967265SQ20061011729
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者陳衛(wèi)東, 胡偉 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)