廣東省計(jì)量科學(xué)研究院　曹　欣　吳海益　石劭毅

一、緒論

數(shù)字式雙鉗相位伏安表是一種常見的為現(xiàn)場測量各相交流電壓、交流電流及各相間相位而設(shè)計(jì)的便攜式、雙通道輸入測量設(shè)備，是各行各業(yè)對電力系統(tǒng)進(jìn)行測量的理想設(shè)備，廣泛應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)以及科研院所等領(lǐng)域，目前國內(nèi)市場上沒有專用的數(shù)字式雙鉗相位伏安表全參數(shù)的校準(zhǔn)裝置。各省級、地市級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)絕大部分采用三相標(biāo)準(zhǔn)源作為標(biāo)準(zhǔn)器具校準(zhǔn)數(shù)字式雙鉗相位伏安表。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的三相標(biāo)準(zhǔn)源只能進(jìn)行同相間電壓對電流的相位調(diào)整，不能進(jìn)行兩相間電壓對電壓（如UA對UB）和電流對電流（如IA對IB）相位的調(diào)整，即無法完成不同相間電壓對電壓相位或者電流對電流相位的校準(zhǔn)及溯源，且目前國內(nèi)外生產(chǎn)的各類三相標(biāo)準(zhǔn)源價格高體積大，不利于攜帶進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。本文提出一種高精度雙鉗相位伏安表校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方案，既解決了上述問題還具有準(zhǔn)確度高、價格低、操作簡單以及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

二、電路設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)整體規(guī)劃方案

設(shè)計(jì)中采用五個部分完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包含了各測量參數(shù)量程的自動轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示裝置以及與PC機(jī)外部通信部分。如圖1所示：

圖1　裝置的總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖

2.電壓測量電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)高精度雙鉗相位伏安表校準(zhǔn)裝置的交流電壓測量電路由AC-DC變換器、分壓電路以及數(shù)字電壓表頭三個部分組成。其中分壓器電路的作用是擴(kuò)展數(shù)字表頭電壓測量的范圍，其原理如圖2所示。U0表示數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值，假設(shè)r為數(shù)字電壓表頭的內(nèi)阻，r1、r2為分壓電路中的分壓電阻，Ui0為增加分壓器后數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值。

由于r >> r2，則分壓比：

可以得出增加分壓器電路后數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值：

本設(shè)計(jì)針對各量程加入合適的分壓電阻后其分壓器電路如圖3所示，該電路可以測量的最大交流電壓值為600V。交流電壓測量電路的另一組成部分AC-DC變換器用于將AC信號轉(zhuǎn)變?yōu)镈C信號其原理圖如圖4所示。在實(shí)際應(yīng)用過程中AC-DC變換器通常使用在分壓器電路之后。

本設(shè)計(jì)高精度雙鉗相位伏安表校準(zhǔn)裝置采用的AC-DC變換器主要由運(yùn)算放大器、二極管以及濾波器三大模塊構(gòu)成，電路中還包含一個電壓輸出可調(diào)的電位器，用于在出現(xiàn)較大誤差時對ACV進(jìn)行調(diào)校。

圖2　分壓電路原理

圖3　本設(shè)計(jì)分壓器原理

圖4　AC-DC變換器原理

3.相位測量電路的設(shè)計(jì)

本校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)中最主要的部分就是相位測量，本節(jié)將主要完成相位測量電路的設(shè)計(jì)，相位測量電路的設(shè)計(jì)主要包括整形電路以及鑒相電路的設(shè)計(jì)。

整形電路的主要原理是通過過零比較的方式，將兩路被測信號轉(zhuǎn)換成矩形信號，然后將整形后的信號通過鑒相器進(jìn)行下一步的鑒相工作。為了避免兩路信號在測量轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)相移的現(xiàn)象，在本裝置設(shè)計(jì)的過程中，在兩路信號中使用了相同的整形電路。因此，雖然兩路信號在轉(zhuǎn)換的過程中都出現(xiàn)了位移的現(xiàn)象，但是由于兩路信號整形電路相同，所以兩路信號的相對相位差保持不變。本設(shè)計(jì)相位測量電路如圖5所示：

圖5　相位測量電路的設(shè)計(jì)

假設(shè)進(jìn)行相位測量的兩路輸入信號中其中一路為Ua，另一路為Ub，經(jīng)過整形電路后的信號分別為Uc以及Ud，經(jīng)過三極管整形后的信號為Ue、Uf，此時信號只有0或1，信號Ue、Uf將作為JK觸發(fā)器的時鐘信號，信號通過JK觸發(fā)器后輸出信號為Ug、Uh，同時這兩個信號也是在電路中鑒相器的輸入信號，信號通過鑒相器后兩路信號的相位差由Ui表示，同時將信號取反后的信號由Uj表示。同時為了避免信號在過零時受到干擾的情況出現(xiàn)，如圖4完成相位檢測電路的設(shè)計(jì)中采用LM339芯片。LM339類似一個三極管，只是其集電極不接電阻，它在使用過程中輸出端一般連接一個阻值為（3-15k）的電阻，其作用是控制LM339輸出的大小。在本設(shè)計(jì)高精度雙鉗相位伏安表中，選取的上拉電阻值大小為10k。

4.穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

通過穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)為系統(tǒng)提供5V直流電壓，主要為單片機(jī)以及串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等提供其正常工作的電壓。

圖6　穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)原理圖

如圖6所示，組成該穩(wěn)壓電路的主要元器件為LM7805型穩(wěn)壓管，輸入端信號為12V的直流電壓，通過穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定的5V電路，而外部穩(wěn)壓電路可為繼電器正常工作提供電源。

5.晶振電路的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，實(shí)際上是一個復(fù)雜的時序電路，為了能夠保證單片機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須在電路中增加一個時鐘信號才行。本設(shè)計(jì)高精度雙鉗相位伏安表校準(zhǔn)裝置晶振電路的設(shè)計(jì)如圖7所示：

圖7　單片機(jī)晶振電路的設(shè)計(jì)原理圖

三、結(jié)論

本文在簡要分析了雙鉗相位伏安表的校準(zhǔn)現(xiàn)狀后簡要介紹了一種基于單片機(jī)的雙鉗相位伏安表校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方法，并分別從測量原理和電路設(shè)計(jì)兩個方面做出了簡要的介紹。該設(shè)計(jì)解決了雙鉗相位伏安表全參數(shù)的溯源問題和客戶現(xiàn)場計(jì)量的問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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