CN1057909A - 多功能智能电量检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明是检测仪，特别是一种用于电量变送器和 电表的检测仪，它由单片机***、互感器、控制器、放 大器、模拟乘法器、低通滤波器、放大滤波器、A/D 转换器、纹波检测电路、相位频率测试电路、采样频率 自动跟踪电路、分压器等组成，其特点是精度高，功能 强、智能化、体积小、重量轻、稳定性好、携带方便等。 本发明用于测试和调整校验交、直流电压、电流、各种 功率、各种电能、功率因素、频率等各种变送器及各种 电表。

Description

本发明是一种电量检测仪，特别是一种多功能智能的用于电量变送器和电表的检测仪。

在电力***中，广泛应用各种电量变送器和各种电表。从小到县级变电所、变电站，大到发电厂、发电站，地调、省调都有大量的变送器承担着发电输电、配电***中的监测和控制使命。变送器的性能好坏，将直接影响着电力***的工作。因此，电力部门规定，每年必须对变送器进行一次年检，要对所有0.2～0.5级交直流电流、电压、功率、电度、频率、功率因素等变送器和电表进行全面校验和测试，所用的仪表是很多的。首先要有一台稳定度在0.01%～0.02%的调频、调幅、调相的三相交流信号源，然后，还需配有各种标准表，如标准直流数字电压表、标准直流数字电流表、校准交流数字电流表、标准直流数字电压表、标准有功无功（单相、三相）数字功率表、标准有功无功（单相、三相）电能表、标准数字工频相位计、标准工频频率计等。

目前电量变送器校验台，一般都是利用多个指针式或数字式仪表组合在一起构成一个大台子，来对变送器进行校检和测试。这些台子有一些共同的缺点，即成本高、体积大、笨重、精度低、不能满足现场测试的需要。由于没有智能化，仪器的功能不强，操作复杂、费时、费功、读数不直观，且不能自动记录测试数据和计算误差。例如：江西九江仪表厂生产的JJD-⁰² ₀₃型单、三相电度表校验台、精度0.1级。在1989年能源部电力司电度表校验装置展评会上荣获一、二等优质产品奖。但是，它体积大、成本高，只能校验单、三相电度表，不能对各种变送器进行检测。其操作方面以如上述不能令人满意。又如：辽宁电子仪器厂生产的XDB-^100A _100B型电量变送器校验台，精度为0.15级，需要配备各种标准电表才能校验交流电压，电流及三相有功、无功功率变送器，且体积大、笨重，不能进行自动和半自动测试，不能自动计算误差和自动打印，操作不变。因此，研制一种精度高、体积小、重量轻、成本低、携带方便、能到现场测试和校准各种变送器的多功能的测试仪就成为一个紧迫的课题。

本发明的目的在于为克服现有技术的不足，提供一种能够实现多功能的智能电量变送器和电表的检测仪，其特点是体积小、重量轻、精度高、功能强、智能化、携带方便，能够到现场进行高精度的、自动和半自动的测试和校准各种各样的变送器和电表，并且能提高被调整较验的变送器的精度。

本发明是由以下措施实现的。其特征是它由单片机***、三相电源插座、变送器输入、输出插座、互感器组合、三个多路开关、三个控制器、基准电源、两个程控放大器、模拟乘法器、低通滤波器、放大滤波器、A/D转换器、纹波检测电路、相位频率测试电路、采样频率自动跟踪电路、弱信号放大及控制电路和分压器等组成。信号（数据）传输关系如下：单片机***分别与外接两个电源、A/D转换器、三个控制器、弱信号放大及控制电路、二个程控放大器采样频率自动跟踪电路、相位频率测试电路等相联接;如果被测变送器是电度变送器，则其输出脉冲直接送入单片机***，否则被测变送器输出送多路开关14和纹波检测电路。当按下自动测某一种交流变送器的启动键，则单片机***立即给出一组控制三相电源的频率、相位和幅值的数字量，外接程控三相电源则输出测试变送器的第一个测试点所需的电源，传送给三相电源插座（如果按下的是半自动测试某种交流变送器启动键，外接程控三相电源的频率、幅值和相位则由手工调节），通过三相电源插座输出两路，一路传输给变送器输入输出插座，再传给被测交流变送器，另一路传送给互感器组合，该组合输出四路，一路传送给多路开关5，一路传送给多路开关6，一路传送给采样频率自动跟踪电路、再传给单片机***、还有一路传送给相位频率测试电路，再传给单片机***。单片机***，通过控制器控制多路开关5、6、14。多路开关5和6的输出分别通过程控放大器10和11传输给模拟乘法器的X、Y端，模拟乘法器的输出通过低通滤波器、多路开关14、放大滤波器传送给A/D转换器。A/D转换器的输出传给单片机***。基准电源输出三路，一路传输给多路开关5，一路传送给多路开关6，一路传输给多路开关14。外接程控直流电源输出的毫伏级电压传输给弱信号放大及控制电路，再传给多路开关14、程控直流电源输出的伏特级的电压，传输给变送器输入输出插座和分压器，分压器的输出传送给多路开关14。被测变送器的输出，一路传送给多路开关14，一路传输给纹波检测电路，还有一路传送给单片机***。

该发明工作原理如下：本仪器主要完成测试和调整校验各种变送器的任务，也可以用于测试和校验各种电表。调整和校验各种变送器是利用各功能键来完成的。其测试原理如下：整个发明是在单片机***控制下有序协调地进行，在半自动方式测各种交流变送器时，程控电源输出电流、电压的频率，相位和幅值，通过旋钮或键盘装定;在自动工作方式时，由计算机软件给出一组数码来设置。当计算机设置好电源各种参数后，电源的输出传送给三相电源转接插座，经转接插座送到交流变送器输入端和互感器组合。经互感器组合再送到多路开关5和多路开关6，单片机***通过控制器7和8来选通被测的交流量。如果是测试交流电压变送器，先测它的输入电压U_ab的有效值，则单片机***控制多路开关5、6都选通交流电压U_ab，经放大后送入模拟乘法器，乘法器的输出为Ku_ab·u_ab＝K√2U_abcosωt·√2U_abcosωt＝KU²ab-KU²abcos2ωt，式中K是系数，第二项是交流分量，用低通滤波器将其滤除（包括二次模拟滤波，一次数字滤波），就剩下第一项直流电压KU²ab，将其转换为数字量，再用单片机***进行开方运算，就可得到真有效值U_ab了。如果测各种交流功率变送器的输入功率，单片机***就分批选通交流功率变送器的各相应的输入量进入模拟乘法器相乘，其运算是①如果是测二瓦特法三相三线有功功率P＝P_A+P_C，P_A＝u_ab·I_a＝√2U_ab·cosωt·√2Iacos（ωt-φ）＝I_AU_abcosφ-I_AU_abcos（2ωt-φ）;P_C＝U_CBI_Ccosφ-U_CBI_ccos（2ωt-φ）P_a、和P_C式中的第二项为交流分量，用低通滤波器将其滤除，剩下第一项直流分量，即分别为P_A和P_C（因交流分量的平均值为0），乘法器计算P_A、P_C是由单片机***通过控制多路开关分批选通相应的量来相乘实现的。求P_A+P_C的计算由单片机***完成。②测三瓦特法的三相四线有功率以及各种无功功率，都是根据有关公式作相应的计算。交流量经模拟乘法器相乘后，再经过低通滤波器13滤掉交流成分后，传送给多路开关14，单片机操纵控制器15选通低通滤波器13的输出，送到放大滤波器16放大滤波后再送到A/D转换器，转换为数字量存入单片机***，经过数据处理就可得到变送器的输入交流量的值。被校交流变送器的各输出量送到多路开关14，控制器15分别选通各输出量，经放大滤波器放大滤波，送给A/D转换器，单片机***操纵A/D转换器进行采样，经过单片机***进行数据处理，可得变送器的输出量的值，单片机***再计算出变送器各输出量的误差，然后送显示器同时显示出变送器的各个输入量、输出量及其误差。还可以送打印机打印出报表。同样可对直流变送器进行测试，不同的只是直流变送器是通过多路开关14来分别选通变送器的各输入、输出器进行测试、计算、显示和打印。频率和功率因素变送器的测试方法：单片机***控制程控三相交流稳压电源，给定频率或相位后，再由相位频率测试电路精确测出相位或频率存入单片机***内存。单片机***再测出变送器的输出，并计算出误差，送显示器同时显示出各输入、输出量及其误差，同样可打印报表。对电度表或电度变送器的输入电能的测量，是通过单片机***内部标准定时器来产生标准定时，再乘上所测的标准功率来完成（为了避免因电源电压电流在测试电能过程中发生变化带来误差，所以实际上是按 △P、△t的公式进行测试计算电能的）。电度变送器的输出是脉冲，把这些脉冲直接送到单片机***去测试和计算。该发明工作方式，已如前述，它有全自动式和半自动式两种工作方式。全自动工作方式是按一下全自动方式键，单片机***控制程控三相稳压电源按变送器校验规律依次给出不同的测试点的输入电量，测试电路依次测出变送器的各个入量和各输出量并计算其误差，边测边按一定格式显示打印各输入、输出量和误差。1分多钟后，打印机送出一份按校验规程测试的全部数据报表。半自动工作方式是由人工装定变送器的各输入量，而后由测试仪自动测试和计算出各输入输出量的值，计算出各输出量的误差，同时显示在各显示器上，同样也可以自动打印报表（是否打印可以人为控制），半自动方式也是一种最常用的方式。

本发明与现有技术相比实现了小型化：其体积仅为410×380×150mm³，重量为12kg;智能化：可自动校正比例系数，自动修正非线性误差，自动消除零位漂移，可进行自动和半自动测试校验各种各样的变送器的各输入量、各输出量并计算各输出量的误差;精度高：经省计量局委托省电力测试研究所测试证明，本仪器测试各种电量的误差一般为万分之一、二，少数点误差为万分之三、四;稳定性好;经省电力测试研究所测定，测交流电压温度系数仅为3ppm/℃，功率温度系数为3ppm/℃，操作方便、简单、显示直观：本仪器有四组32位字码显示，可同时显示变送器各输入量、各输出量及其误差，并可打印报表。功能多：本仪器硬件电路灵活，功能强，软件丰富，因而做到了一仪多用，可测试和调整校验交直流电压、电流、有功功率、无功功率，视在功率，有功电度、无功电度、功率因素，频率等各种电量变送器，也能测各种电表，并可提高被调整校验的变送器的精度。

附图  是本发明的结构方框图

现结合本发明的结构方框图对技术解决方案做进一步的描述。该发明由单片机***1、三相电源插座2、变送器输入、输出插座3、互感器组合4、多路开关5和6、控制器7和8、基准电源9、程控放大器10和11、模拟乘法器12、低通滤波器13、多路开关14、控制器15、放大滤波器16、A/D转换器17、纹波检测电路18、相位频率测试电路19、采样频率自动跟踪电路20、弱信号放大及控制电路21和分压器22等组成。该技术解决方案联接关系如下

整个技术解决方案是在单片机***1程序控制下运行。单片机***1由8032单片机一片、74LS245两片、74LS373一片、74LS273一片、74LS138两片、27256一片、6264一片、8279两片、74LS154一片、75451八片、32个专用功能键（每键都有上、下档功能，其中少数的键还有三功能，按一下某一键、就执行该键所决定的程序。本发明的各种工作都是在程序控制下进行的），32个字码管、一台打印机和一个打印机接口等组成。单片机***分别与外接两个电源、A/D转换器17、控制器7、8和15、弱信号放大及控制电路21、程控放大器10和11、被测变送器的输出、相位频率测试电路19、采样频率自动跟踪电路20等相联接。当按下自动测试某一种交流变送器的启动键，则单片机***1立即给出一组控制三相电源的频率、相位和幅值的数字量，外接程控三相电源25则输出测试变送器的第一个测试点所需的电源，传送给型号为CA-20的三相电源插座2、型号为CD₁-51-K的变送器输入输出插座3，再传送给被测变送器，另一路传送给互感器组合4，互感器组合4由三个电压互感器和三个电流互感器组成，电压互感器采用φ58/φ36×30的D340或Z11环形铁心，每匝0.06伏，原边的输入电压有120伏、100伏和60伏三档，输出为一个3.5伏或两个3.5伏的电压;电流互感器采用φ58/φ36×30的1J79或1J85环形铁心，原边电流为5安培、1安培和0.5安培三档，输出电流为20mA。经一个175欧姆的精密电阻将20mA的电流转换成3.5伏的电压，该互感器的原边档级多少和大小均可根据用户的要求改变设计。互感器组合4输出四路，其中两路，传送给由CD4967担任，用以将互感器的输出电压进行各种各样的组合，以完成多功能测试任务的多路开关5和6;一路传送给采样频率自动跟踪电路20，该电路是由CD4046和74LS93构成，该电路实际是锁相环倍频电路，它将变送器的输出电源信号32倍频、64倍频或128倍频作为8032单片去控制A/D转换器的采样频率的查询信号，以便在数字滤波时，有效地滤除与测试电源同频率的干扰和直流信号中的交流成分，采样频率自动跟踪电路20的输出，传送给单片机***1;还有一路传送给相位频率测试电路19，再传给单片机***1、相位频率测试电路由LF₃₅₄组成的放大倍数为10，带宽为0～10KH的放大器、过零比较器LM393、74LS125和8032单片机中的两个定时器计数器组成，用以测试变送器输电压和电流之间的相位和频率。单片机***1通过由74LS373和放大器LM323组成的用以锁成单片机***1送来的地址码，并进行电平转换的控制器7和8去控制由CD4067担任的多路开关5和6，多路开关5和6的输出，分别传送给由运算放大器AD517L和精密电阻，通用继电器等组成的线性精度为0.003%r程控放大器10和11，再传送给模拟乘法器12的X、Y端用以放大多路开关5和6输出的电压，程控放大器的其放大倍数有2、6、10三档，由程序控制继电器予以改变，以保证在小信号下，整个测试电路的精度。模拟乘法器12是精度为0.02%，频带为0～100KHz的乘法器，模拟乘法器12的输出，通过由AD517L和电阻，电容组成的低通滤波器13传给多路开关14。低通滤波器13的截止频率为20Hz，传递系数为1，用以滤除信号中的交流成分。多路开关14由CD4067担任。多路开关14的输出传送给由AD517L和电阻电容组成的放大滤波器16，用以进一步滤除信号中的交流分量。放大器滤波器16的输出传给A/D转换器17，A/D转换器采用ADC80、精度为0.012%，A/D转换器的输出传给单片机***1。在信号传给多路开关14以前，单片机***1将通道地址经过由LM324和74LS373等组成并用以控制多路开关14的控制器15。基准电源9输有2伏、5伏、75毫伏三档，稳定度为±0.3PPm/℃，用来作自动比例系数校正，该电源输出三路，一路传输给多路开关5，一路传送给多路开关6，一路传输给多路开关14。外接程控直流电源24输出的毫伏级电压传输给弱信号放大及控制电路21，当测直流75毫伏的变送器时，被测的0～75毫伏的直流电压必须经过弱信号放大器放大66.6倍，得到5伏的电压再传输送多路开关14，弱信号放大电路由AD517L和电阻等组成，为了对弱信号放大器进行比例系数和零位的自动校正采用了由多路开关CD4052和LM324、74LS373等组成的控制电路，由程序来完成版比例系数校正，零位校正和测试直变送器流的输出信号工作。弱信号放大及控制电路21输出传给多路开关14。外接电源的伏特级的电压送给变送器输入输出插座3和分压器22。由于被测直流变送器的输入电压有75毫伏、50伏、150伏、200伏、250伏、300伏、450伏、500伏和600伏等档级，其中75毫伏的电压需经过弱信号放大器将其放大成为5伏的电压，再送到多路开关14，其余的电压则经分压器降压为5伏，再送到多路开关14，其分压系数为1/10、1/30……1/120，分压器的输入电阻在50伏档时为45K，其它档依次为145K、195K、245K、295K、445K、495K和595K。被测变送器的输出，一路传送给多路开关14，一路传输给纹波检测电路18，该电路用以放大各种变送器输出和直流电压、电流中的交流成分，所以它是有隔直流电容的交流低频放大器，其输出与被测变送器的输出中的纹波电压成正比，而不含直流成分，低频放大器的放大倍数为50，频带为10～50KH，线性精度为0.1%。

Claims (2)

1、本发明是一种多功能智能电量变送器、电表检测仪，其特征是：它由单片机***1、三相电源插座2、变送器输入、输出插座3、互感器组合4、多路开关5和6、控制器7和8、基准电源9、程控放大器10和11、模拟乘法器12、低通滤波器13、多路开关14、控制器15、放大滤波器16、A/D转换器17、纹波检测电路18、相位频率测试电路19、采样频率自动跟踪电路20、弱信号放大及控制电路21和分压器22等组成，该技术方案的联接关系如下：单片机***1、分别与外接两个电源24、25、A/D转换器17、控制器7、8和15、弱信号放大及控制电路21、程控放大器10和11、相位频率测试电路采样频率自动跟踪电路20相联连；如果被测变送器是电度变送器，则其输出脉冲直接送入单片机***1(如果不是电度变送器，则其输出送多路开关14和纹波检测电路18)；当按下自动测某一种交流变送器的启动键、则单片机***1立即给出一组控制三相电源的频率、相位和幅值的数字量，外接程控三相电源25，则输出测试变送器的第一个测试点所需的电源，传送给三相电源插座2(如果按下的是半自动测试某种交流变送器启动键，外接程控三相电源25的频率、幅值和相位则由手工调节)，通过三相电源插座2输出两路，一路传输给变送器输入输出插座3，通过变送器输出插3传送给被测交流变送器，另一路传送给互感器组合4、互感器组合4的输出有四，一路传送给多路开关5、一路传送给多路开关6，一路传送给采样频率自动跟踪电路20、再传给单片机***1、一路传送给相位频率测试电路19，再传给单片机***1。单片机***1、通过控制器7和8去控制多路开关5和6，多路开关5和6的输出分别通过程控放大器10和11传给模拟乘法器12的X、Y端，模拟乘法器12的输出，通过低道滤波器13、多路开关14、放大滤波器16、A/D转换器17传给单片机***1；在信号传给多路开关14时，单片机***1，将通道地址，经过控制器15传送给多路开关14。基准电源9输出三路，一路传输给多路开关5，一路传送给多路开关6，一路传输给多路开关14。外接程控直流电源24输出的毫伏级电压传输给弱信号放大及控制电路21，弱信号放大及控制电压21的输出，传给多路开关14；程控直流电源24送出的伏特级的电压，一路传输给变送器输入输出插座3再传送给直流变送器，另一路传给分压器22、分压器22的输出传送给多路开关14，被测变送器23的输出，一路传送给多路开关14，一路传输给纹波检测电路18，还有一路传送给单片机***1。

2、根据权利要求1所述的多功能智能电量变送器电表测试仪，其特征在于互感器组合4，由三个电压互感器和三个电流互感器组成。

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