南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 邱冠英 羅宇航 鄭星星 林錦鋒 劉煌宇 鄭炯光 葛萃輝

目前大多數(shù)轉(zhuǎn)換器使用數(shù)字電壓表“磚型”（萬用表）使用，在使用過程中出現(xiàn)以下問題：測量地板上壓力板的電位時操作員須同時使用雙手，一手接地、一手測量壓力板，這對操作來說是不舒服的；萬用表為通用型。只有雙手操作才能放在地板上，不便于觀看讀數(shù)。傳統(tǒng)的解決方案是用熱熔膠密封萬用表中的電流傳輸以避免濫用，但如需測量電流則無法使用，增益不值損失，且操作不舒適[1]。

1 電場強(qiáng)度測量

電場測量和分析是評估帶電物體存在的常用方法。早期主要使用基于電學(xué)原理的方法測量工頻電場，如小球法和電容充電法（包括電位平衡法和充電法）。電位平衡法的測量原理是通過測量可能的分布來測量電場，精度較差；負(fù)載測量原理是通過計算小球在電場中記錄的電荷來測量電場，最常用于測量強(qiáng)電場，包括電場。近年來在測量高振幅和高頻率的電場時，基于光學(xué)原理的電場測量裝置得到了廣泛應(yīng)用，但這種類型的電場傳感器價格昂貴，還有一些技術(shù)問題需要解決，就像電光效應(yīng)傳感器的溫度靈敏度一樣。使用電場傳感器測量高壓電場是20世紀(jì)60年代首次提出的。長期以來，用于測量空間電流的雙球、微型火箭、旋轉(zhuǎn)葉片等結(jié)構(gòu)的電場傳感器一直被應(yīng)用于空氣和其他領(lǐng)域。

2 電場測量儀設(shè)計

2.1 電場測量儀原理

電場測量裝置主要由電容電極、信號預(yù)處理單元、單片機(jī)數(shù)據(jù)分析處理單元、電場強(qiáng)度顯示、電池電量檢測、電源等相關(guān)單元組成。電容電極通過靜電感應(yīng)原理接收工頻信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電壓信號。信號預(yù)處理完成感應(yīng)電壓信號的相應(yīng)處理（濾波和放大）；單片機(jī)對模擬電路處理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，確定被測點(diǎn)的電場強(qiáng)度值，與預(yù)設(shè)的電場極限值進(jìn)行比較，并進(jìn)行評估電場是否超限并顯示報警信號（聲光報警）；電場強(qiáng)度的顯示可指示測量的電場強(qiáng)度。

2.2 電極設(shè)計

在一定工況條件下，很多系統(tǒng)部件如傳感器、執(zhí)行器等均有規(guī)定的電阻值，通過測量各部件相應(yīng)端子間的電阻可判斷部件是否存在故障。也可利用萬用表的電阻檔，測量電氣開關(guān)在不同檔位時對應(yīng)端子間的通斷情況，以判斷開關(guān)的工作狀況是否正常；利用萬用表的電阻檔對插接器同一插孔兩端間的電阻進(jìn)行測量，以判斷插接器的接觸是否可靠；利用萬用表的電阻檔，在繼電器觸點(diǎn)閉合的情況下測量觸點(diǎn)兩端間的電阻，以判斷繼電器觸點(diǎn)是否燒蝕或臟污；利用萬用表的電阻檔對二極管等電子元件的通斷情況進(jìn)行檢查，以判斷相應(yīng)的電子元件是否正常；利用萬用表的電阻檔對系統(tǒng)部件的相關(guān)端子與搭鐵點(diǎn)間的電阻進(jìn)行測量，以判斷部件的搭鐵情況是否正常等。

采用電容電極，正面為圓形電極、背面與板底連接，電極尺寸為直徑為30mm的圓形。電場傳感部分由運(yùn)算放大器0pa211的高配置和低效率實(shí)現(xiàn)。該信號通過自動增益模塊、帶通濾波器、精度校正和濾波轉(zhuǎn)換為直流信號，并通過ADC單片機(jī)進(jìn)行AD檢測。

2.3 信號預(yù)處理

正弦曲線信號將隨著電場強(qiáng)度的增加而線性增加。該信號通過自動增益模塊、帶通濾波器、精度校正和濾波轉(zhuǎn)換為直流信號，并通過ADC單片機(jī)進(jìn)行AD檢測。自動增益模塊采用MCP41010數(shù)字電位器，最大電阻為10K，中間有256個插頭，通過標(biāo)準(zhǔn)ISP接口控制。數(shù)字電位計Rx、電阻R5和運(yùn)算放大器U4構(gòu)成一個反比例放大電路。

如果信號小，放大后可以采集，用采集的值除以相應(yīng)的放大倍數(shù)可以精確確定電場的光信號；類似地，如果信號強(qiáng)度足夠大，可減少一定的多重性來捕獲它，然后以這種方式乘以相應(yīng)的減少因子，則大大增加了覆蓋范圍。為避免某些高頻和低頻信號的干擾，在自動增益模塊后增加了由RC高通和RC低通濾波器組成的帶通濾波器。7.2Hz以下和159.2Hz以上的干擾信號可通過上述帶通濾波器進(jìn)行濾波，這樣獲得的數(shù)據(jù)可視為50Hz交流電場的感應(yīng)。經(jīng)過濾波后，感應(yīng)信號為正弦曲線交流信號。

經(jīng)過精確的整流和濾波后交流信號變成直流信號。信號強(qiáng)度與單個單片機(jī)采集的感應(yīng)電場強(qiáng)度成正比。單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行處理，并通過外部LED燈顯示。外部16通道LED光束管顯示強(qiáng)度放大，三個閃爍明亮的LED燈顯示磨損，不同頻率的總和表示強(qiáng)度。

2.4 萬用表的結(jié)構(gòu)

指針式萬用表由表頭、測量電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。表頭是一只高靈敏度的磁電系直流電流表，萬用表的主要性能指標(biāo)取決于表頭的性能。表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉(zhuǎn)時流過表頭的直流電流值，這個值越小表頭的靈敏度愈高。測量線路是用來把各種被測量轉(zhuǎn)換到適合表頭測量的微小直流電流的電路，能將各種不同的物理量(如電流、電壓、電阻等)、不同的量程，經(jīng)過一系列的處理(如整流、分流、分壓等)，轉(zhuǎn)變成微小直流電流送入表頭進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)換開關(guān)用來選擇各種不同的測量線路，以滿足不同種類和不同量程的測量要求。轉(zhuǎn)換開關(guān)有一個或兩個，標(biāo)有不同的功能和量程。

對指針式萬用表直流電壓是表頭通過串聯(lián)不同的電阻構(gòu)成，利用串聯(lián)電路的分壓特性來得到不同的直流電壓量程，因而直流電壓檔位、尤其是大量程內(nèi)阻較大(例如MF47萬用表的DCV1000V檔高達(dá)9MQ2)，如該檔并聯(lián)在電路當(dāng)中對原電路的影響較小，而串聯(lián)到電路中則通過的電流很小，基本相當(dāng)于開路。直流電流檔位為表頭并聯(lián)電阻構(gòu)成，利用并聯(lián)電路的分流特性來得到不同的直流電流量程，因而直流電流檔位內(nèi)阻很小，串聯(lián)到電路中對原電路的影響一般較小，近似于連接導(dǎo)線，但如并聯(lián)到電路中，大部分電流將通過萬用表[2]。

萬用表測量時應(yīng)水平放置并進(jìn)行機(jī)械零點(diǎn)調(diào)節(jié)。一般應(yīng)將萬用表紅表筆接入“+”插孔，黑表筆接入“-”插孔，如有大電流或大電壓，紅表筆接入相應(yīng)大量程插孔。測量直流電壓時萬用表與待測電壓并聯(lián)，例如測量某電路中a、b兩點(diǎn)電壓Uab，應(yīng)試探性地將黑表筆接a、紅表筆接b，若指針向順時針偏轉(zhuǎn)則電壓值記為正值，由于萬用表逆時針偏轉(zhuǎn)即反偏會損壞指針，因此試探性連接時發(fā)現(xiàn)指針反偏應(yīng)立即將表筆換向連接，同時電壓值記為負(fù)值。測量直流電流時萬用表串聯(lián)入待測點(diǎn)，電流正負(fù)值選擇方式與電壓測量時相似。不管是直流電壓還是電流檔都應(yīng)先選大量程，只有發(fā)現(xiàn)其大小確實(shí)小于下一量程才能將切換到下一量程。注意在切換功能或量程前，應(yīng)將萬用表表筆斷開。

2.5 萬用表的量程與讀數(shù)

必須根據(jù)萬用表轉(zhuǎn)換開關(guān)指示的功能和量程選用相應(yīng)的刻度盤讀數(shù)。讀數(shù)時視線應(yīng)與刻度盤盤面垂直，指針、刻度線(或估讀數(shù)據(jù)理論上的刻度線)和指針在刻度盤鏡面內(nèi)的像三條線在同一平面上，讀數(shù)還應(yīng)估讀一位。對直流電壓電流檔位而言，待測物理量和指針偏轉(zhuǎn)角度是線性關(guān)系，因而刻度線是均勻的、估讀也較容易。對MF47型萬用表而言，直流電壓電流檔讀數(shù)為刻度盤中部010、050和0250這一區(qū)域的刻度線，若滿量程為10、50和250直接利用這三個刻度線即可；若為其他量程，可選擇該量程為這三個刻度線慢量程的整十倍或整十分之一讀數(shù)，這樣讀數(shù)換算最簡單，例如用1000V量程，那么讀滿刻度為10的數(shù)據(jù)，再乘以100即得所測電壓大小。

初學(xué)者往往忽視指針式萬用表接入電路后對原電路的影響。即使正確地使用萬用表測量數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生誤差，不僅是萬用表本身精確度等級帶來的誤差，且有萬用表接入電路改變了原電路，后者往往被初學(xué)者忽略。而某些情況下，這種改變不僅會出現(xiàn)誤差，而且會產(chǎn)生錯誤的數(shù)據(jù)。因此不能迷信萬用表的精確度等級，而應(yīng)根據(jù)萬用表和電路本身的參數(shù)分析誤差，并避免出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)。

3 電場測量儀軟件設(shè)計

自動增益模塊和濾波模塊對高壓電的電場感應(yīng)信號進(jìn)行精確校正。壓縮后用單片機(jī)模擬信號檢測。然后須將強(qiáng)度指示器的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為聲學(xué)組合。

如果n-l=0，則強(qiáng)度指示器顯示為低頻報警。這種狀態(tài)表明它周圍有電場，但電場強(qiáng)度很弱。如果n-l=1，則高亮顯示的LED以1Hz頻率閃爍，以1Hz頻率報警；如果n-l=2，則兩個標(biāo)記的LED以2.5Hz的頻率交替閃爍，以2.5 Hz的頻率報警；如果n-l=3，三個選定的LED以5Hz的頻率交替閃爍，也以5Hz的頻率報警；如果n-l=4，則三個LED同時閃爍10Hz，將按頻率發(fā)出10Hz警報；如果n-l=5，則三個LED始終亮起、將成為一個尖銳的警報。

便攜式數(shù)字萬用表的基本原理：表頭是采用一只靈敏的磁電式微安表制作的。如測微小電流時儀表正常顯示測量值；如測大電流時，便攜式數(shù)字萬用表通過表頭并聯(lián)和串聯(lián)電阻進(jìn)行分流或降壓來實(shí)現(xiàn)測量。在測直流電流時，表頭并聯(lián)分流電阻來擴(kuò)展電流量程，通過改變分流電阻來改變電流測量范圍。在測直流電壓時，表頭上串聯(lián)降壓電阻來擴(kuò)展電壓量程，通過改變倍增電阻的阻值來改變電壓的測量范圍。在測交流電壓時，這時表頭需加一個并串式半波整流電路將交流變成直流(原因是表頭是直流表)，之后原理與測直流電壓相似。在測電阻時，在表頭上并聯(lián)一個分流電阻和串聯(lián)一個調(diào)零電阻，并串聯(lián)一節(jié)電池，根據(jù)通過被測電阻的電流大小來測出電阻值，通過改變分流電阻阻值來改變電阻的量程。便攜式數(shù)字萬用表測量電壓范圍較寬、單電源供電，采用9V電池使儀表小型化，輸入阻抗高，其內(nèi)部模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)零與極性轉(zhuǎn)換。

4 穿戴式壓板測量表在應(yīng)用的注意事項

為驗(yàn)證裝置原理的準(zhǔn)確性，測試環(huán)境由一個自耦變壓器和兩個平行金屬板組成。兩塊板的尺寸為40cm×40cm，并平行放置。兩塊板之間的距離設(shè)置為30厘米。上下板加交流信號，可實(shí)現(xiàn)0～240V的控制。實(shí)驗(yàn)環(huán)境假設(shè)兩板間電場分布均勻，電場強(qiáng)度與板間電壓成正比。電壓值由0～240V交流信號以累進(jìn)形式測量，測量數(shù)據(jù)為單片機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)。

使用前務(wù)必選擇正確的測量設(shè)備：根據(jù)作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，便攜式數(shù)字萬用表的損壞通常是由錯誤的測量設(shè)備造成的。如，當(dāng)測量交流電時，選擇測量裝置將其置于電阻驅(qū)動中。當(dāng)表筆通電時萬用表的內(nèi)部部件可能會立即損壞。

測量信號時測量范圍的選擇：如測量無法預(yù)測測量信號的近似范圍，則須首先將測量裝置設(shè)置為最大測量范圍，并根據(jù)測量情況調(diào)整測量裝置以獲得更準(zhǔn)確的測量值。數(shù)字萬用表的損壞主要是由測量的電壓或電流超出范圍引起的。如，在數(shù)字萬用表的交流20V傳輸中測量功率時，很容易損壞萬用表的交流放大器，失去萬用表的交流測量功能。測量直流電壓時，測量的電壓超出測量范圍也很容易導(dǎo)致萬用表斷電。

測量高壓大電流時嚴(yán)禁用電切換量程。當(dāng)測量高壓（220V以上）或大電流（0.5A以上）時，如改變測量范圍很容易產(chǎn)生電弧并燒壞開關(guān)觸點(diǎn)；測量電壓和電流時，保持探頭與測量點(diǎn)良好接觸。測量電壓和電流時應(yīng)盡量單手操作，尤其是測量高壓和大電流時，應(yīng)加絕緣措施（如防護(hù)手套）或使用短路鉗等輔助工具將探頭直接連接到測量點(diǎn)，以確保測量過程中的人身安全。此外，在測量過程中須使萬用表探針與測量點(diǎn)保持良好接觸?；蝿踊蜥尫艜r測量值可能不準(zhǔn)確，或測量裝置上沒有指示、甚至被測電源可能短路，裝置和設(shè)備可能損壞。

不得用電測量電阻：如果用電測量電阻，不僅會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確還會損壞萬用表。測量信號時萬用表的正確連接：測量電流時萬用表必須在電路中串聯(lián)，而測量電阻或電壓時萬用表必須與電路并聯(lián)；及時更換電池，避免出現(xiàn)較大的測量誤差。萬用表中安裝的電池在長期使用后，如電壓低于一定水平須更換電池，以避免出現(xiàn)較大的測量誤差。

5 穿戴式壓板測量表常見故障現(xiàn)象及處理方法

計數(shù)器屏幕上沒有顯示：首先檢查萬用表中的蓄電池電壓、設(shè)備保護(hù)、電流界限和穩(wěn)壓塊是否正常，然后檢查PCB是否短路、斷路或腐蝕，如有須及時焊接。印刷電路板須清潔并保持干燥；PCB潮濕或漏電會導(dǎo)致測量過程中出現(xiàn)不可見和漏字現(xiàn)象。如故障未修復(fù)，檢查探針是否接觸不良或輸入電路中的焊接錯誤。如缺陷依然存在，檢查測試后電阻是否因功率降低或部件過熱而劣化。如果是、請及時更換部件。

直流電平不歸零：這種現(xiàn)象最常見的原因是電壓元件電阻附近臟污。首先清潔電阻周圍區(qū)域，然后在測量裝置中設(shè)置直流電位計，并使用直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源設(shè)置1V電壓進(jìn)行校準(zhǔn)；測量高壓或不準(zhǔn)確甚至不穩(wěn)定時，測量值不準(zhǔn)確。該誤差主要由一個或多個組件性能不足引起的熱效應(yīng)引起，導(dǎo)致組件在測量后幾秒鐘內(nèi)縮放；無法測量電流傳輸：此問題主要由操作不當(dāng)引起。檢查保險絲、限流電阻和電壓元件電阻是否燒斷，當(dāng)燒壞時更換它們；如果沒有、檢查連接線與放大器是否完好，如果沒有、就把他接回去，如果完好、更換放大器。

無法測量變速器電阻：首先檢查電阻變速器中的連接電阻是否燒壞。如果是、及時更換：如不是、識別每個鏈路元件并及時更換損壞的元件：如電路板外觀沒有異常、請識別集成塊，如損壞及時更換；顯示不準(zhǔn)確：一般情況下主要是由于測量電路中的電阻或容量故障造成的。首先檢查并更換輸出電阻或容量。如故障未修復(fù)，檢查電路中電阻的電阻值（包括熱反應(yīng)中的電阻值）。如熱反應(yīng)中的電阻值發(fā)生變化，應(yīng)及時更換電阻。如故障停止，檢查a/D轉(zhuǎn)換器參考范圍內(nèi)的電阻和容量，如損壞及時更換。