(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

0 引言

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(cè)量?jī)x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(cè)設(shè)備)作為計(jì)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(jì)量科研機(jī)構(gòu)。為了保證這類設(shè)備的量值有效溯源，國(guó)內(nèi)各省級(jí)計(jì)量部門(mén)、電力試驗(yàn)院陸續(xù)購(gòu)置標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備用于開(kāi)展多參量電測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)工作。但是，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備幾乎都不能同時(shí)進(jìn)行測(cè)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(hào)輸出穩(wěn)定性差，不能覆蓋被檢多參量電測(cè)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(chǎng)需求，我們研制了多參量電測(cè)設(shè)備自動(dòng)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(hào)輸出穩(wěn)定性差及測(cè)量/輸出功能不能在一個(gè)裝置上完成校準(zhǔn)的問(wèn)題。

1 裝置的總體結(jié)構(gòu)

多參量電測(cè)設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的總體結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示。整個(gè)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(jì)算機(jī)組成。

圖1 裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖

用戶通過(guò)計(jì)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(cè)設(shè)備類型的不同，采用以下三種模式來(lái)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(duì)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(duì)被校設(shè)備的測(cè)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(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被校設(shè)備的測(cè)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)。

2 裝置的工作原理

裝置的工作原理根據(jù)被檢對(duì)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(jì)算機(jī)或鍵盤(pán))，并通過(guò)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(hào)，并在顯示屏及標(biāo)準(zhǔn)表上同時(shí)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(cè)量被校設(shè)備的輸出值。

由此可以看出，整個(gè)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。

2.1 裝置的輸出控制

裝置的控制系統(tǒng)上面設(shè)置有鍵盤(pán)、觸摸屏，可以通過(guò)它們發(fā)送指令進(jìn)而對(duì)裝置的輸出進(jìn)行控制，也可通過(guò)計(jì)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(shí)向B、C相標(biāo)準(zhǔn)源提供主頻時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)。

直流電壓源的實(shí)現(xiàn)分成兩個(gè)部分，第一路是10V及以下檔位，由CPU通過(guò)D/A合成直流電壓波形信號(hào)，然后再對(duì)波形信號(hào)的放大來(lái)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(hào)的輸出。

直流電流源的實(shí)現(xiàn)是先由CPU通過(guò)D/A合成一個(gè)直流電壓波形信號(hào)，再讓這個(gè)電壓信號(hào)流過(guò)一個(gè)高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)電阻而產(chǎn)生一個(gè)電流信號(hào)，然后再對(duì)這個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行放大進(jìn)而得到需要的電流值。

在具體的設(shè)計(jì)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(jì)使用可編程邏輯器件FPGA，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)了電壓源過(guò)載和短路報(bào)警、電流源過(guò)載和短路報(bào)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(shí)性管理控制。

2.2 裝置的切換控制

為了既可對(duì)多參量電測(cè)設(shè)備的輸出功能進(jìn)行校準(zhǔn)，也可對(duì)其測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)切換控制進(jìn)行兩種模式的切換。

裝置開(kāi)機(jī)默認(rèn)為檢表模式，這時(shí)可以調(diào)節(jié)裝置輸出信號(hào)，用來(lái)校準(zhǔn)多參量電測(cè)設(shè)備的測(cè)量功能。當(dāng)切換至檢源模式時(shí)，控制系統(tǒng)控制繼電器動(dòng)作切換模式，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源將無(wú)法輸出，可進(jìn)行多參量電測(cè)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(shí)，K2閉合，此時(shí)實(shí)現(xiàn)以源檢表，整個(gè)裝置作為輸出源使用；當(dāng)K2斷開(kāi)時(shí)，為檢源模式，實(shí)現(xiàn)以表檢源，整個(gè)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(shí)，K2-1閉合，K2-2斷開(kāi)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)以源檢表，整個(gè)裝置作為輸出源使用；在檢源模式時(shí)，K2-1斷開(kāi)，K2-2閉合，此時(shí)實(shí)現(xiàn)以表檢源，整個(gè)裝置作為表使用。

圖4 交流電流的切換控制

3 關(guān)鍵技術(shù)

目前，多參量電測(cè)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。

3.1 小電壓、小電流的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度保證

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(duì)小電壓(流)源的影響，在電源設(shè)計(jì)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(duì)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(lái)，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(lái)，避免系統(tǒng)或者外部的射頻信號(hào)干擾輸出電壓。

4)在印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)發(fā)熱區(qū)、恒溫區(qū)隔離，將可能會(huì)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(hào)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(dòng)勢(shì)和熱電偶效應(yīng)的影響。

3.2 大電壓、大電流的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度保證

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(duì)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(hào)經(jīng)降壓后變換為小電壓信號(hào)，對(duì)于小電壓信號(hào)則無(wú)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(hào)再經(jīng)過(guò)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(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)化后送顯示單元顯示。

對(duì)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(hào)，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(jí)電流互感器的準(zhǔn)確度很難提高，因而我們采用雙級(jí)補(bǔ)償式電流互感器，其等效線路如圖5所示。

圖5 雙級(jí)互感器的等效線路

上述線路可以大大提高測(cè)量準(zhǔn)確度，其誤差ε=ε1×ε2，也就是說(shuō)綜合誤差相當(dāng)于二個(gè)單級(jí)電流互感器的乘積，可確保電流測(cè)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(wú)源的補(bǔ)償方式，最終設(shè)計(jì)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。

4 裝置達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

裝置研制完成后，經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，確認(rèn)裝置技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)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。

5 全自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)

多參量電測(cè)設(shè)備型號(hào)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(shí)工作量非常大，效率比較低，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了全自動(dòng)校準(zhǔn)軟件。

該軟件利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)表和多參量電測(cè)設(shè)備進(jìn)行程控，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理和誤差計(jì)算，校準(zhǔn)結(jié)束后可將數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出、打印記錄，使得多參量電測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)工作更加自動(dòng)化、規(guī)范化，提高了多參量電測(cè)設(shè)備校準(zhǔn)工作的效率。自動(dòng)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(jì)，靈活、方便且具有開(kāi)放性。用戶可根據(jù)被校準(zhǔn)的多參量電測(cè)設(shè)備的功能、量程及客戶的需要自定義校準(zhǔn)方案，隨時(shí)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(kāi)始工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

多參量電測(cè)設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的成功研制，有利于多參量電測(cè)設(shè)備校準(zhǔn)工作的開(kāi)展，能更好的服務(wù)于各級(jí)計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)及大型工礦企業(yè)，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] JJG(豫)147—2010 電測(cè)量?jī)x表校驗(yàn)裝置檢定規(guī)程

[2] 劉瑋蔚.高精度全自動(dòng)交直流指示儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì).河南科技，2012(18)

[3] 徐民，等.電量變送器校驗(yàn)裝置直流測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)，2009(1)

[4] 劉忠戰(zhàn)，等. 有源電子式互感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)無(wú)源化的改進(jìn).高壓電器，2011(10)

[5] 張彥，等.電測(cè)儀表微機(jī)檢定管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2003，40(6)

[6] 董鵬，等. 新型直流標(biāo)準(zhǔn)源的研究[J].計(jì)量技術(shù)，2003(7)

[7] 陳家華. 高精度標(biāo)準(zhǔn)源的開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)計(jì)量，2011(2)