(河南省計量科學(xué)研究院,鄭州 450008)
交直流指示儀表校驗(yàn)裝置、多功能交流采樣變送器校驗(yàn)裝置、電測量儀表檢定裝置和變送器與儀表檢定裝置等設(shè)備(以下通稱多參量電測設(shè)備)作為計量標(biāo)準(zhǔn)器被廣泛用于發(fā)電、鐵路、石油和化工等大型工礦企業(yè)和計量科研機(jī)構(gòu)。為了保證這類設(shè)備的量值有效溯源,國內(nèi)各省級計量部門、電力試驗(yàn)院陸續(xù)購置標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備用于開展多參量電測設(shè)備的校準(zhǔn)工作。但是,目前國內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備幾乎都不能同時進(jìn)行測量功能和輸出功能的校準(zhǔn),并且量程范圍窄,尤其是小電壓(流)和大電壓(流)信號輸出穩(wěn)定性差,不能覆蓋被檢多參量電測設(shè)備的范圍[1]。
為了能夠進(jìn)行更精準(zhǔn)的量值傳遞,更好地服務(wù)市場需求,我們研制了多參量電測設(shè)備自動校準(zhǔn)裝置,重點(diǎn)解決了現(xiàn)有設(shè)備所存在的小電壓(流)和大電壓(流)信號輸出穩(wěn)定性差及測量/輸出功能不能在一個裝置上完成校準(zhǔn)的問題。
多參量電測設(shè)備自動校準(zhǔn)裝置的總體結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示。整個裝置由三相交流標(biāo)準(zhǔn)源、直流標(biāo)準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)表、控制系統(tǒng)和計算機(jī)組成。
圖1 裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖
用戶通過計算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)表、標(biāo)準(zhǔn)源及被檢設(shè)備進(jìn)行通訊,根據(jù)多參量電測設(shè)備類型的不同,采用以下三種模式來完成校準(zhǔn)工作。
1)標(biāo)準(zhǔn)表校源模式:以標(biāo)準(zhǔn)表為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對被校設(shè)備的輸出功能(如直流電壓、電流,三相交流電壓、電流、功率、頻率和相位等)的校準(zhǔn);
2)標(biāo)準(zhǔn)源校表模式:以直流標(biāo)準(zhǔn)源和三相交流標(biāo)準(zhǔn)源為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對被校設(shè)備的測量功能(如直流電壓、電流,三相交流電壓、電流、功率、頻率和相位等)的校準(zhǔn);
3)標(biāo)準(zhǔn)表校表模式:以標(biāo)準(zhǔn)表為標(biāo)準(zhǔn),直流標(biāo)準(zhǔn)源和三相交流標(biāo)準(zhǔn)源為輔助設(shè)備,提供穩(wěn)定的信號輸出,從而實(shí)現(xiàn)對被校設(shè)備的測量功能(如直流電壓、電流,三相交流電壓、電流、功率、頻率、相位等)的校準(zhǔn)。
裝置的工作原理根據(jù)被檢對象模式(被檢表/被檢源)的不同而有所區(qū)別。
檢表模式:控制系統(tǒng)接收用戶發(fā)出的各種命令(計算機(jī)或鍵盤),并通過通訊接口向各相交流標(biāo)準(zhǔn)源或直流標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送指令,標(biāo)準(zhǔn)源輸出用戶要求的電壓、電流信號,并在顯示屏及標(biāo)準(zhǔn)表上同時顯示。
檢源模式:此模式下,標(biāo)準(zhǔn)源不起作用,相當(dāng)于直接用標(biāo)準(zhǔn)表測量被校設(shè)備的輸出值。
由此可以看出,整個裝置的核心在于各標(biāo)準(zhǔn)源的輸出控制及檢表/檢源模式的切換控制。
裝置的控制系統(tǒng)上面設(shè)置有鍵盤、觸摸屏,可以通過它們發(fā)送指令進(jìn)而對裝置的輸出進(jìn)行控制,也可通過計算機(jī)發(fā)送指令。輸出控制的原理框圖如圖2所示。
圖2 裝置的輸出控制原理框圖
其中三相交流標(biāo)準(zhǔn)源的A相作為主控源,它同時向B、C相標(biāo)準(zhǔn)源提供主頻時鐘信號和同步信號。
直流電壓源的實(shí)現(xiàn)分成兩個部分,第一路是10V及以下檔位,由CPU通過D/A合成直流電壓波形信號,然后再對波形信號的放大來實(shí)現(xiàn);第二路是10V以上檔位,采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)大電壓信號的輸出。
直流電流源的實(shí)現(xiàn)是先由CPU通過D/A合成一個直流電壓波形信號,再讓這個電壓信號流過一個高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)電阻而產(chǎn)生一個電流信號,然后再對這個電流信號進(jìn)行放大進(jìn)而得到需要的電流值。
在具體的設(shè)計中,我們采用32位高性能和低功耗的微處理器ARM9芯片;電路的規(guī)劃設(shè)計使用可編程邏輯器件FPGA,實(shí)現(xiàn)對三相標(biāo)準(zhǔn)源和直流標(biāo)準(zhǔn)源[3]的輸出管理控制;為了防止異常情況出現(xiàn),設(shè)計了電壓源過載和短路報警、電流源過載和短路報警系統(tǒng);編碼按鍵使用CPLD芯片實(shí)現(xiàn);液晶顯示屏直接由ARM9芯片管理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時性管理控制。
為了既可對多參量電測設(shè)備的輸出功能進(jìn)行校準(zhǔn),也可對其測量功能進(jìn)行校準(zhǔn),在設(shè)計時,標(biāo)準(zhǔn)裝置有檢表、檢源兩種模式,共用一塊交流標(biāo)準(zhǔn)表,因此要通過切換控制進(jìn)行兩種模式的切換。
裝置開機(jī)默認(rèn)為檢表模式,這時可以調(diào)節(jié)裝置輸出信號,用來校準(zhǔn)多參量電測設(shè)備的測量功能。當(dāng)切換至檢源模式時,控制系統(tǒng)控制繼電器動作切換模式,這時標(biāo)準(zhǔn)源將無法輸出,可進(jìn)行多參量電測設(shè)備輸出功能的校準(zhǔn)。
交流電壓的切換控制如圖3所示。在檢表模式時,K2閉合,此時實(shí)現(xiàn)以源檢表,整個裝置作為輸出源使用;當(dāng)K2斷開時,為檢源模式,實(shí)現(xiàn)以表檢源,整個裝置作為表使用。
圖3 交流電壓的切換控制
交流電流的切換控制以交流電流中的A相電流為例,如圖4所示。K2-1、K2-2控制邏輯為反。在檢表模式時,K2-1閉合,K2-2斷開,此時實(shí)現(xiàn)以源檢表,整個裝置作為輸出源使用;在檢源模式時,K2-1斷開,K2-2閉合,此時實(shí)現(xiàn)以表檢源,整個裝置作為表使用。
圖4 交流電流的切換控制
目前,多參量電測設(shè)備的類型較多,為了能覆蓋此類設(shè)備的量程范圍,要求校準(zhǔn)裝置有足夠?qū)挼妮敵龇秶?,尤其是小電?流)和大電壓(流)要保證其穩(wěn)定性。
1)基準(zhǔn)參考電壓選用ADI公司的AD588,其溫漂系數(shù)為1.5×10-6/℃,準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%。
2)為了防止大電壓(流)源對小電壓(流)源的影響,在電源設(shè)計上采用了分別供電的方式。
3)采用高導(dǎo)磁率的磁性材料對小電壓、小電流電路進(jìn)行電磁屏蔽。首先,使用特制屏蔽罩將小電壓、小電流的生成電路的印制板全部屏蔽起來,然后,再使用屏蔽線將小電壓、小電流的輸出線路部分全部屏蔽起來,避免系統(tǒng)或者外部的射頻信號干擾輸出電壓。
4)在印刷電路板設(shè)計時對發(fā)熱區(qū)、恒溫區(qū)隔離,將可能會影響小電壓(流)源輸出穩(wěn)定性的且有一定溫度敏感的重要電路及元器件置于恒溫區(qū)內(nèi),使這些電子元器件工作溫度始終處于設(shè)定的恒定溫度區(qū)(如40℃)。
5)小電壓(流)源信號的傳輸線采用同種金屬材料和冷焊技術(shù)制成的導(dǎo)線連接,盡量減少接觸電動勢和熱電偶效應(yīng)的影響。
在反饋采樣電路中使用的V/V變換器和I/V變換器,是標(biāo)準(zhǔn)源大電流及大電壓輸出穩(wěn)定可靠的重要保證。
對于大電壓輸出的電壓反饋網(wǎng)路,我們采用了V/V變換器進(jìn)行衰減變換,大電壓信號經(jīng)降壓后變換為小電壓信號,對于小電壓信號則無需分壓衰減,甚至還需要放大電路進(jìn)行適當(dāng)放大,處理后的反饋信號再經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換,并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器,微處理器將采樣的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,并利用控制技術(shù)進(jìn)行處理,采樣的數(shù)據(jù)同時經(jīng)轉(zhuǎn)化后送顯示單元顯示。
對于大電流輸出的電流反饋網(wǎng)路,通常采用I/V變換的互感器,其主要功能是將大電流變換成小電壓信號,其轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度的高低取決于電流互感器準(zhǔn)確度的高低,由于單級電流互感器的準(zhǔn)確度很難提高,因而我們采用雙級補(bǔ)償式電流互感器,其等效線路如圖5所示。
圖5 雙級互感器的等效線路
上述線路可以大大提高測量準(zhǔn)確度,其誤差ε=ε1×ε2,也就是說綜合誤差相當(dāng)于二個單級電流互感器的乘積,可確保電流測量的準(zhǔn)確度。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,以確保電源,用戶(負(fù)載回路)和A/D(微機(jī))之間的相互隔離即保持各自的獨(dú)立性,我們采用無源的補(bǔ)償方式,最終設(shè)計的這種變換器的尺寸僅為100mm×100mm×100mm,可在電源中內(nèi)附,從而大大減少了裝置的復(fù)雜程度,提高了可靠性。
裝置研制完成后,經(jīng)中國計量科學(xué)研究院進(jìn)行計量校準(zhǔn),確認(rèn)裝置技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。交流電壓輸出范圍:100mV~900V;交流電流輸出范圍:100μA~110A;直流電壓輸出范圍:5mV~1100V;直流電流輸出范圍:1μA~33A。其中交流、直流電壓10V以下量程的穩(wěn)定度均可達(dá)0.005%/min;交流電流5mA以下量程的穩(wěn)定度可達(dá)0.02%/min;直流電流1mA以下量程的穩(wěn)定度可達(dá)0.005%/min;交流電流100A量程的穩(wěn)定度達(dá)到了0.01%/min;直流電流30A量程的穩(wěn)定度達(dá)到了0.005%/min。
多參量電測設(shè)備型號較多,且功能各異、量程復(fù)雜、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求較高,在人工校準(zhǔn)時工作量非常大,效率比較低,為此,我們設(shè)計開發(fā)了全自動校準(zhǔn)軟件。
該軟件利用先進(jìn)的計算機(jī)通訊技術(shù),對標(biāo)準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)表和多參量電測設(shè)備進(jìn)行程控,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、自動處理和誤差計算,校準(zhǔn)結(jié)束后可將數(shù)據(jù)自動導(dǎo)出、打印記錄,使得多參量電測設(shè)備的校準(zhǔn)工作更加自動化、規(guī)范化,提高了多參量電測設(shè)備校準(zhǔn)工作的效率。自動校準(zhǔn)軟件的工作流程圖如圖6示。
圖6 軟件工作流程圖
軟件采用模塊化設(shè)計,靈活、方便且具有開放性。用戶可根據(jù)被校準(zhǔn)的多參量電測設(shè)備的功能、量程及客戶的需要自定義校準(zhǔn)方案,隨時增加或減少校準(zhǔn)點(diǎn),可以根據(jù)校準(zhǔn)人員的習(xí)慣從任一功能的任一校準(zhǔn)點(diǎn)開始工作。
多參量電測設(shè)備自動校準(zhǔn)裝置的成功研制,有利于多參量電測設(shè)備校準(zhǔn)工作的開展,能更好的服務(wù)于各級計量測試機(jī)構(gòu)及大型工礦企業(yè),具有很好的推廣應(yīng)用價值。
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