CN104316892A - 互感器负荷箱校验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种互感器负荷箱校验装置，包括：输入电源、功放单元、档位切换单元、采样单元、主***模块，其中：所述输入电源连接所述功放单元，所述功放单元的输入端主***模块，所述功放单元输出端连接所述档位切换单元的输入端，所述档位切换单元的输出端连接所述采样单元的输入端，所述采样电路的输出端连接所述主***模块的输入端。所述装置为一体化设计，操作方便，体积小，满足工业现场的使用要求。

Description

互感器负荷箱校验装置

技术领域

本发明涉及电工仪器设备技术领域，具体地，涉及一种互感器负荷箱校验装置。

背景技术

互感器负荷箱是在校准电流或电压互感器时，为被校互感器提供模拟负荷的一种多量值的计量仪器。国民经济的迅猛发展使得电力的需求越来越大，电测量互感器工作的稳定性、可靠性，在电测过程控制中至关重要。作为互感器负荷箱校验设备，传统的互感器负荷箱的检测设备体积庞大，环节复杂，操作不方便，不能满足工业现场的使用要求。

随着互感器负荷箱的大量使用，互感器负荷箱的校验工作也日益加剧，传统方法采用大功率程控源输出电压电流信号，采用高精度标准表测试负荷箱两端电压、回路中的电流及电压与电流间的相位，当电压电流负荷箱负载很小时，测量的电压或电流将会很小，这样一般的标准表将不能满足测量精度。且在用外置标准表测量时，也将会给电压电流带来误差，更无法实现实时记录数据和计算出误差，而且操作非常繁琐，要实现大量的检定，费时，费力。

公开号为CN 102313878A的中国发明专利申请，该专利公开了一种高准确度互感器负荷箱校准装置，该装置采用麦克斯韦电桥原理，调节电桥中电容桥臂的电阻电容值，即可方便的计算出被测负荷箱的阻抗值，其准确度只与阻容元件及电路固有元件的准确度有关，测试结果不受电源频率或谐波等质量影响。该技术由于采用的阻容原件受环境、材质影响，长期稳定度不好，可靠性不高。

公开号为CN 202330557U的中国实用新型专利，该专利公开了一种互感器负荷箱自动校准装置，包括***控制器、校验仪、测试信号源、信号切换控制器、LCD显示屏和蜂鸣器，只需要发首次命令到装置，整个校准过程便可自动完成，操作简洁、测试快速；可以采用傅里叶变换法模型进行运算，能够有效地把谐波滤除、测出基波分量，无需硬件滤波，从而避免了硬件滤波造成的峰值偏差和相位偏差。该技术虽然能实现自动校准，但并没有给出控制器等具体的技术实现介绍，且装置的体积相对较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种互感器负荷箱校验装置，所述装置为一体化设计，操作方便，体积小，满足使用要求。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种互感器负荷箱校验装置，包括：输入电源、功放单元、档位切换单元、采样单元、主***模块，其中：所述输入电源连接所述功放单元，所述功放单元的输入端主***模块，所述功放单元输出端连接所述档位切换单元的输入端，所述档位切换单元的输出端连接所述采样单元的输入端，所述采样电路的输出端连接所述主***模块的输入端；所述功放单元对输入的功率源进行放大，并将放大后的信号传给所述档位切换单元，所述档位切换单元根据输入功率源大小，自动选择电压或电流档位，使测量信号传输到采样单元的值保持在输入范围内；所述采样单元对输入的电压或电流信号进行采样，经A/D转换成数字信号并传输给所述主***模块；所述主***模块对采集的数据进行实时处理，并通过显示单元显示出来；所述主***模块同时通过所述功放单元进行采样控制。

所述输入电源采用大功率开关电源，该大功率开关电源与电压或电流精密采样单元结合。采用大功率功率源与多量限高精度标准表结合，将电压大功率源和电流高精度表结合或将电流大功率源与电压高精度表结合，电压或电流校验采用一路功放单元分时复用，这样避免了电压电流间的相互干扰，且降低了合并，校验装置体积也可以做小，轻便，易于携带。

优选的，所述采样单元采用精密电压或电流采样电路，进一步的，所述精密电压或电流采样电路可以采用逐次逼近型模数转换电路，该模数转换电路内设有一个16位无失码采样模数转换器、一个内部转换时钟、一个多功能串行接口端口以及一个采样保持电路。

优选的，所述主***模块采用ARM与DSP双核设计，所述DSP与模数转换电路负责交流部分采样、计算，而所述ARM负责直流采样和计算及对电压或电流采样、计算、校准、存储校准数据以及档位切换，，最后将直流测量实时值通过SPI通讯方式与DSP通讯，从而使交直流间采用电路严格独立分开，保证设备的可靠性与精度要求。DSP主要负责电压或电流信号的采集与FFT计算，电压或电流档位计算与切换以及人机界面与键盘控制，这样既可以减轻DSP计算的负担，又可以将表源分开，使表源之间互相不受影响。

优选的，所述档位切换单元设有模拟多路开关，该开关与芯片74HC595控制继电器将大小电压独立分开测量，改变取样保持电路放大倍数，根据输入电压大小，自动选择合适的档位，使测量信号传输到模数转换器的值保持在输入范围内。

优选的，所述主***模块设有人机界面，界面采用中文汉字显示，使设备的人际界面更方便更人性化，并通过实时操作***完成实时控制任务，可以手动操作观测实时数据外；所述的主***模块还可以进一步连接到PC机上的配套标准仪器校验***软件，就可以实时将数据传用到上位机上，若校验***软件中配上被检设备的通讯协议，就可以实时得出被检装置的误差，根据不同的被检设备，配上检定方案，就可以实现全自动校验。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明主要针对于国内外互感器负荷箱校验的空缺，着重研究互感器负荷箱校验装置的一体化设计，采用大功率功率源与多量限高精度标准表结合，将电压大功率源和电流高精度表结合或将电流大功率源与电压高精度表结合，同时采用一路功放分时复用，这样避免了电压电流间的相互干扰，且降低了合并，以及校验装置体积也可以做小，轻便，易于携带。本发明采用中文汉字显示和实时操作***，使设备的人机界面更方便更人性化。将本发明与PC机连接，可以实现不同标准设备的全自动校验，时间周期变短，使得校验精确更高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例总体结构框图；

图2为本发明一实施例总体电路原理图；

图3为本发明一实施例交流电压采样电路图；

图4为本发明一实施例档位切换单元电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明一种互感器负荷箱校验装置的实施例结构框图，包括：输入电源、功放单元、档位切换单元、采样单元、主***模块，其中：所述输入电源连接所述功放单元，所述功放单元的输入端主***模块，所述功放单元输出端连接所述档位切换单元的输入端，所述档位切换单元的输出端连接所述采样单元的输入端，所述采样电路的输出端连接所述主***模块的输入端；所述功放单元对输入的功率源进行放大，并将放大后的信号传给所述档位切换单元，所述档位切换单元根据输入功率源大小，自动选择电压或电流档位，使测量信号传输到采样单元的值保持在输入范围内；所述采样单元对输入的电压或电流信号进行采样，经A/D转换成数字信号并传输给所述主***模块；所述主***模块对采集的数据进行实时处理，并通过显示单元显示出来；所述主***模块同时通过所述功放单元进行采样控制。

如图2所示，为本发明一较优实施例的电路原理框图，其中输入电源采用变压器线性电源模块1，档位切换单元、采样单元采用精密交流电压采样与档位切换模块3，精密交流电流采样与档位切换模块4来实现，显示单元采用液晶屏模块2。具体的，所述装置包括：变压器线性电源模块1，液晶屏模块2，精密交流电压采样与档位切换模块3，精密交流电流采样与档位切换模块4，主***模块5，功放单元6。所述变压器线性电源模块1、液晶屏模块2、精密交流电压采样与档位切换模块3、精密交流电流采样与档位切换模块4、主***模块5、功放单元6。其中，变压器线性电源模块1的电源输出端并联连接液晶屏模块2的电源输入端、精密交流电压采样与档位切换模块3的电源输入端、精密交流电流采样与档位切换模块4的电源输入端、主***模块5的电源输入端、功放单元6的电源输入端。所述主***模块5的液晶信号输出端接彩色液晶屏模块2的信号输入端；主***模块5的交流电压模拟信号输入端接精密交流电压采样与档位切换模块3的交流电压模拟信号输出端；主***模块5的控制信号线接精密交流电压采样与档位切换模块3的控制信号接口；主***模块5的交流电流模拟信号输入端接精密交流电流采样与档位切换模块4的交流电流模拟信号输出端；主***模块5的控制信号线接精密交流电流采样与档位切换模块4的控制信号接口；功放单元6对输入的功率源进行放大，并将放大后的信号传给精密交流电压采样与档位切换模块3、精密交流电流采样与档位切换模块4，主***模块5同时通过功放单元6进行采样控制。由此构成的本实施例的互感器负荷箱校验装置为一体化设计经试制试用被证明操作方便，体积小，大大提高了校验员的工作效率，减轻了其工作量，满足工业现场的使用要求。

为保证测量精度且可靠，将模拟信道和测量信道分离。模拟信道中，测量电压由精密交流电压采样与档位切换模块3转换为小电压信号，测量电流由电流互感器采样并将其转换为小电压信号，分别将交流模拟信道转换后的小信号送入各自的测量信道中进行测量计算。其中模拟信道还执行通道中的档位自动切换功能。

所述输入电源(变压器线性电源模块1)采用大功率开关电源，该大功率开关电源与电压或电流精密采样单元结合。采用大功率功率源与多量限高精度标准表结合，将电压大功率源和电流高精度表结合或将电流大功率源与电压高精度表结合，现有技术中大都采用大功率源与标准表采用分离技术，源就是源，表是表分为两块，而且无极低(10mV以下)电压高精度表。电压或电流校验采用一路功放单元分时复用，这样避免了电压电流间的相互干扰，且降低了合并，校验装置体积也可以做小，轻便，易于携带。

所述大功率开关电源可以采用0.05级电压或电流大功率源。电压电流大功率功放，由于电压电流量限宽，要考虑电压最大量限与最小量限之间的相互影响，以及如何保证大电压量限与小电压量限的线性与精度。本实施例中选取合适的镀金继电器，减少切换档位过程中采样电阻的变化，有效的保证精度，同时将电压大小量限采用电路切换开，减少它们之间的相互影响。选取合适的功放，减少小电压量限与大电压量限间的非线性失真度。

所述档位切换单元(精密交流电压采样与档位切换模块3，精密交流电流采样与档位切换模块4)设有模拟多路开关，该开关与芯片74HC595控制继电器将大小电压独立分开测量，改变取样保持电路放大倍数，根据输入电压大小，自动选择合适的档位，如图4所示。使测量信号传输到模数转换器的值保持在输入范围内，这样可以将交流电压档位在100V到10mV之间调整，电流档位在5A到10mA之间调整。

在本发明另一优选实施例中，所述采样单元(精密交流电压采样与档位切换模块3，精密交流电流采样与档位切换模块4)采用精密电压或电流采样电路，进一步的，所述精密电压或电流采样电路可以采用逐次逼近型模数转换电路，该模数转换电路内设有一个16位无失码采样模数转换器、一个内部转换时钟、一个多功能串行接口端口以及一个采样保持电路。具体的，所述采样单元可以采用AD7688芯片实现，该芯片是一款16位、500kSPS、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器(ADC)，采用5V单电源(VDD)供电。该器件内置一个极低功耗、高速、16位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口，还集成了一个低噪声、宽带宽、极短孔径延迟的采样保持电路。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-引脚之间的电压差进行采样。这两个引脚上的电压摆幅通常在0V至REF之间、相位相反。基准电压(REF)由外部提供，最高可设置为电源电压。功耗和吞吐量呈线性变化关系。SPI兼容串行接口还能够利用SDI输入，将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上，并提供一个可选的忙闲指示。采用独立电源VIO时，该器件与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容。AD7688采用10引脚μSOIC封装或10引脚QFN封装(CSP芯片级封装)，工作温度范围为-40℃至+85℃。

附图3所示，交流信号采集电路主要采用16位A/D转换器AD7685，采用独立的6路A/D采集电路,能够同时获得6路测量信号的采样结果，采用CPLD EPM1270控制6路A/D，分别对每路交流电压信号和交流电流信号进行转换，并最终通过串行方式发送到DSP ADI BF532。同时，DSP控制显示控制CPLD EPM1270，将实时数据显示在液晶屏上。

在本发明另一实施例中，所述主***模块还连接有显示单元和输入单元，所述显示单元可以采用液晶屏等显示设备，所述输入单元可以采用键盘等常用输入设备。进一步的，本实施例中采用EPM1270芯片做液晶显示控制器，直接数字合成频率计，以及***的一些扩展，其中包括键盘，旋钮等。EPM1270是Altera公司MAXII系列的芯片，Altera公司推出的MAXII器件系列，是迄今成本最低的CPLD。MAX II器件采用了全新的CPLD体系结构，在所有CPLD系列中单位I/O成本最低，功耗最低。MAX II运用了低功耗的工艺技术，和前一代MAX器件相比，成本降低了一半，功率降至十分之一，容量增加了四倍，性能增加了两倍。

在本发明另一优选实施例中，所述主***模块采用ARM与DSP双核设计，所述DSP与模数转换电路负责交流部分采样、计算，而所述ARM负责直流采样和计算及对电压或电流采样、计算、校准、存储校准数据以及档位切换，，最后将直流测量实时值通过SPI通讯方式与DSP通讯，从而使交直流间采用电路严格独立分开，保证设备的可靠性与精度要求。DSP主要负责电压或电流信号的采集与FFT计算，电压或电流档位计算与切换以及人机界面与键盘控制，这样既可以减轻DSP计算的负担，又可以将表源分开，使表源之间互相不受影响。

所述ARM可以采用芯片LPC2114。

所述DSP采用芯片BF532即ADI BF532高速DSP，该DSP具有：

84KB片上L1存储器，可以配置为:48KB L1指令存储器(SRAM/高速缓存)；32KB L1数据存储器(SRAM/高速缓存)；4KB L1暂存器(SRAM)；

并行外设接口，支持ITU-R 656视频数据格式；

两个双通道、全双工同步串行端口，支持8个立体声I2S通道；

12个DMA通道，支持一维或二维数据传输；

存储器控制器提供与多组外部SDRAM、SRAM、Flash或ROM的无缝连接；

3个定时器/计数器，支持PWM、脉宽和事件计数模式；

支持的UART、SPI兼容端口、事件处理器、实时时钟、看门狗定时器；

PLL，具有1倍～63倍倍频能力160引脚(12mm×12mm)迷你BGA封装，176引脚(24mm×24mm)LQFP封装，以及169引脚(19mm×19mm)稀疏PBGA无铅封装，工业级温度范围以上为BF532的基本特性，利用其接口丰富，调试方便，以及可外扩数据存储器，程序存储器的特性，可顺利嵌入微型***，很容易做好DFT和FFT计算。

所述主***模块设有人机界面，界面采用中文汉字显示，使设备的人际界面更方便更人性化，并通过实时操作***完成实时控制任务，可以手动操作观测实时数据外。

另外，所述处理器连接到PC机，实时操作***上再加上RS232通讯协议接口，连接PC机上的配套标准仪器校验***软件，就可以实时将数据传用到上位机上，若校验***软件中配上被检设备的通讯协议，就可以实时得出被检装置的误差，根据不同的被检设备，配上不同的检定方案，就可以实现不同标准设备的全自动校验。原本需要一天时间的才能校验完成的标准设备，现在只需1小时左右就可以完成，大大缩短了校验的时间，使得校验精确更高效。

上述实施例装置的主要技术指标：

(1)交流电压输出

(2)交流电流输出

本发明装置采用表源一体设计，同时是一种便携式交直流测量一体装置，能实现实时记录数据和计算出误差，而且操作非常简单，校验周期短，校验精确更高效，体积小，满足使用的要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种互感器负荷箱校验装置，其特征在于，包括：输入电源、功放单元、档位切换单元、采样单元、主***模块，其中：所述输入电源连接所述功放单元，所述功放单元的输入端主***模块，所述功放单元输出端连接所述档位切换单元的输入端，所述档位切换单元的输出端连接所述采样单元的输入端，所述采样电路的输出端连接所述主***模块的输入端；所述功放单元对输入的功率源进行放大，并将放大后的信号传给所述档位切换单元，所述档位切换单元根据输入功率源大小，自动选择电压或电流档位，使测量信号传输到采样单元的值保持在输入范围内；所述采样单元对输入的电压或电流信号进行采样，经A/D转换成数字信号并传输给所述主***模块；所述主***模块对采集的数据进行实时处理，并通过显示单元显示出来；所述主***模块同时通过所述功放单元进行采样控制。

2.根据权利要求1所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述输入电源采用大功率开关电源，该大功率开关电源与电压或电流精密采样单元结合；采用大功率功率源，与多量限高精度标准表结合，将电压大功率源和电流高精度表结合或将电流大功率源与电压高精度表结合，电压或电流校验采用一路功放单元分时复用。

3.根据权利要求1所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述采样单元采用精密电压或电流采样电路，所述精密电压或电流采样电路采用逐次逼近型模数转换电路，该模数转换电路内设有一个16位无失码采样模数转换器、一个内部转换时钟、一个多功能串行接口端口以及一个采样保持电路。

4.根据权利要求1-3任一项所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述主***模块采用ARM与DSP双核设计，所述DSP与模数转换电路负责交流部分采样、计算，而所述ARM负责直流采样和计算及对电压或电流采样、计算、校准、存储校准数据以及档位切换，，最后将直流测量实时值通过SPI通讯方式与DSP通讯，从而使交直流间采用电路严格独立分开，保证设备的可靠性与精度要求。

5.根据权利要求4所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，DSP主要负责电压或电流信号的采集与FFT计算，电压或电流档位计算与切换以及人机界面与键盘控制。

6.根据权利要3所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述档位切换单元设有模拟多路开关，该开关与芯片74HC595控制继电器将大小电压独立分开测量，改变取样保持电路放大倍数，根据输入电压大小，自动选择合适的档位，使测量信号传输到模数转换器的值保持在输入范围内。

7.根据权利要求1-3任一项所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述主***模块设有人机界面，界面采用中文汉字显示，并通过实时操作***完成实时控制任务。

8.根据权利要求7所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述的主***模块进一步连接到PC机上的配套标准仪器校验***软件，实时将数据传用到上位机上，校验***软件中配上被检设备的通讯协议，就可以实时得出被检装置的误差，根据不同的被检设备，配上检定方案，实现全自动校验。

9.根据权利要求1-8任一项所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，所述输入电源采用变压器线性电源模块，所述档位切换单元、采样单元采用精密交流电压采样与档位切换模块、精密交流电流采样与档位切换模块来实现，显示单元采用液晶屏模块，其中：变压器线性电源模块的电源输出端并联连接液晶屏模块的电源输入端、精密交流电压采样与档位切换模块的电源输入端、精密交流电流采样与档位切换模块的电源输入端、主***模块的电源输入端、功放单元的电源输入端；所述主***模块的液晶信号输出端接彩色液晶屏模块的信号输入端；主***模块的交流电压模拟信号输入端接精密交流电压采样与档位切换模块的交流电压模拟信号输出端；主***模块的控制信号线接精密交流电压采样与档位切换模块的控制信号接口；主***模块的交流电流模拟信号输入端接精密交流电流采样与档位切换模块的交流电流模拟信号输出端；主***模块的控制信号线接精密交流电流采样与档位切换模块的控制信号接口；功放单元对输入的功率源进行放大，并将放大后的信号传给精密交流电压采样与档位切换模块、精密交流电流采样与档位切换模块，主***模块同时通过功放单元进行采样控制。

10.根据权利要求9所述的互感器负荷箱校验装置，其特征在于，为保证测量精度且可靠，将模拟信道和测量信道分离：模拟信道中，测量电压由精密交流电压采样与档位切换模块转换为小电压信号，测量电流由电流互感器采样并将其转换为小电压信号，分别将交流模拟信道转换后的小信号送入各自的测量信道中进行测量计算。其中模拟信道还执行通道中的档位自动切换功能。