孫麗麗，李亞東

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津　300350)

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一種智能電阻測試儀的設(shè)計開發(fā)

孫麗麗，李亞東

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350)

摘要：采用常規(guī)的QJ44型雙臂直流電橋測試電力系統(tǒng)開關(guān)控制設(shè)備的接觸電阻時，存在測試電流過小，難以回路導(dǎo)體截面積減少的缺陷，同時在導(dǎo)電回路接觸電阻測試時，由于受觸頭之間油膜和氧化層的影響，測量值偏大若干倍，無法真實地反映出接觸電阻值。通過研究設(shè)計，開發(fā)出一種測試電流大且精度高的智能電阻測試儀，該測試儀集測試、人機(jī)交互界面、存儲、打印于一體，實現(xiàn)了對接觸電路的精確測試功能，具有精度高、性能穩(wěn)定、功能豐富、使用方便等特點。

關(guān)鍵詞：接觸電阻；測試；智能；電阻測試儀

0引言

有關(guān)電力系統(tǒng)的控制以及保護(hù)，目前是使用高壓開關(guān)，在電力企業(yè)中，高壓開關(guān)這種設(shè)備是必不可少的。高壓開關(guān)可以有效保證電網(wǎng)系統(tǒng)中沒有故障部分的電網(wǎng)正常運(yùn)行、降低相關(guān)電器設(shè)備的故障率和切實保證維修人員的安全，這主要是因為根據(jù)電力系統(tǒng)中電網(wǎng)運(yùn)行的需要，高壓開關(guān)可以及時地將電力系統(tǒng)中的一部分電力設(shè)備以及電網(wǎng)中的有關(guān)線路投入到正常的運(yùn)行當(dāng)中或者將電網(wǎng)中的有關(guān)線路退出正常的運(yùn)行狀態(tài)，并且當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的時候，高壓開關(guān)還可以將與之有關(guān)的設(shè)備或與之有關(guān)的線路及時地從所在電力系統(tǒng)中快速地隔離，由此可見在電力系統(tǒng)中，高壓開關(guān)的使用是相當(dāng)頻繁的設(shè)備。因為高壓開關(guān)在電力系統(tǒng)中起到控制和保護(hù)這兩種重要的作用，所以分析高壓開關(guān)的安全性能以及穩(wěn)定運(yùn)行狀況是十分必要的。

因此對電力系統(tǒng)中使用的高壓開關(guān)的相關(guān)重要參數(shù)指標(biāo)的可靠性進(jìn)行綜合評估具有非常重要的意義，在這些重要的參數(shù)中接觸電阻阻值的大小是非常重要的參數(shù)之一。

由于高壓開關(guān)的觸頭接觸面在通常的電力系統(tǒng)使用過程中需要經(jīng)過多次的開斷，因而會造成高壓開關(guān)的觸頭接觸面逐漸地被磨損，這樣經(jīng)過長時間地使用將會導(dǎo)致高壓開關(guān)的接觸電阻變大，接觸電阻增大會對高壓開關(guān)的開斷以及導(dǎo)電性能會產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的負(fù)作用。

那么通過測量高壓開關(guān)的接觸電阻阻值的大小，根據(jù)阻值的大小進(jìn)而估計出接觸觸頭的磨損程度和回路的接觸狀況為保證電網(wǎng)系統(tǒng)中沒有故障部分的電網(wǎng)正常運(yùn)行、降低相關(guān)電器設(shè)備的故障率和切實保證維修人員的安全顯得尤為重要。

目前，在電力系統(tǒng)中為了測量接觸電阻阻值的大小普遍采用常規(guī)的QJ44型雙臂直流電橋，然而這類電橋的缺點是測試電流過小，僅mA級，對于發(fā)現(xiàn)回路導(dǎo)體截面積減少的缺陷是非常困難的，并且在測量高壓開關(guān)導(dǎo)電回路接觸電阻時，由于受觸頭之間油膜以及氧化層這兩個方面的原因，將會導(dǎo)致測量值偏大若干倍，無法真實的反映接觸電阻值，難以滿足電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗規(guī)程的要求。因此，必須克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、測試電流大且精度高的智能接觸電阻測試儀，根據(jù)該智能電阻測試儀測量出接觸電阻阻值的大小，進(jìn)而分析出觸頭的磨損程度以及回路的接觸情況，確保高壓開關(guān)在電力系統(tǒng)中始終起到控制和保護(hù)的作用。

1智能接觸電阻測試儀的硬件構(gòu)成

為了既滿足較準(zhǔn)確地測出電路系統(tǒng)中的接觸電阻阻值的大小，又可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、操作方便的雙重特點，本設(shè)計的一種智能接觸電阻測試儀的硬件構(gòu)成主要包括外部結(jié)構(gòu)部分和內(nèi)部的測試電路部分兩個部分。其中智能接觸測試儀的外部結(jié)構(gòu)部分主要包括顯示屏、微型打印機(jī)、斷線指示燈、鍵盤、電源輸入端口、信號輸入端子和電流輸出端子等，內(nèi)部的測試電路部分主要包括信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號隔離切換電路、人機(jī)接口電路等其它相關(guān)電路。由外部結(jié)構(gòu)部分和內(nèi)部的測試電路部分可明顯地看出新設(shè)計的智能接觸電阻測試儀集測試、人機(jī)交互界面、存儲、打印于一體。

1.1智能接觸電阻測試儀的外部結(jié)構(gòu)

在智能接觸電阻測試儀的機(jī)殼上設(shè)置有顯示屏1、微型打印機(jī)2、斷線指示燈3、兩個電流輸出端子4、兩個信號輸入端子5、鍵盤6和交流電源輸入端口7并與機(jī)殼內(nèi)的測試電路相連接，該智能接觸電阻測試儀的機(jī)殼結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中顯示屏1采用128*64位點陣LCD，用于顯示各種提示信息以及對接觸電阻的測量結(jié)果，并將顯示屏安裝在機(jī)殼的前面板上，方面操作者觀察各種提示信息和測量結(jié)果；微型打印機(jī)嵌裝在機(jī)殼的上蓋上用于打印測試結(jié)果，操作者可以將打印出來的紙質(zhì)測試結(jié)果用于存檔、傳閱等；兩個電流輸出端子和兩個信號輸入端子用于連接被測試的接觸電阻；三個鍵盤鍵包括測試鍵、存儲鍵、打印鍵，測試鍵用于開始對接觸電阻的測試、存儲鍵用于將相關(guān)結(jié)果存儲起來、打印鍵用于將接觸電阻的測試結(jié)果打印出來；斷線指示燈用于指示出現(xiàn)斷線情況即若在測試接觸電阻阻值的過程中，斷線指示燈亮表明整個的電路連接系統(tǒng)中有連線斷開的地方。

圖1　機(jī)殼結(jié)構(gòu)

1.2智能接觸電阻測試儀的測試電路

為了使設(shè)計的智能接觸電阻測試儀的128*64位點陣LCD顯示屏顯示有效的相關(guān)信息、微型打印機(jī)可以正確打印相關(guān)結(jié)果、斷線指示燈準(zhǔn)確顯示斷路情況以及其它結(jié)構(gòu)之間可以實時傳遞有效信息，因此必須使用穩(wěn)定可靠的測試電路來支持智能電阻測試儀的外部結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的機(jī)殼內(nèi)的測試電路(如下圖2所示)，該測試電路主要包括單片機(jī)、100A恒流源、顯示驅(qū)動模塊、隔離切換開關(guān)、兩個運(yùn)算放大器和電流傳感器這幾部分，其中單片機(jī)通過三個輸出端口(OUT1、OUT2、OUT3)分別與100A恒流源、隔離切換開關(guān)和斷線指示燈相連接，100A恒流源輸出端連接到電流輸出端口和電流傳感器上，該電流傳感器的輸出端進(jìn)行信號采集后連接到第二運(yùn)算放大器上，信號輸入端口進(jìn)行信號采集后直接連接到第一運(yùn)算放大器上，此時第一運(yùn)算放大器以及第二運(yùn)算放大器便會連接到隔離切換開關(guān)上，該隔離切換開關(guān)的輸出端連接到單片機(jī)的AD0端口上；該單片機(jī)還通過并口與顯示驅(qū)動模塊相連接，該顯示驅(qū)動模塊與液晶顯示屏相連接實現(xiàn)顯示功能，單片機(jī)通過并口與鍵盤相連接用于接收鍵盤操作信息，單片機(jī)通過串口與微型打印機(jī)相連接實現(xiàn)打印輸出功能。本文設(shè)計的智能電阻測試儀的測試電路既結(jié)構(gòu)簡單，又操作方便、性能穩(wěn)定，完全可以滿足該智能電阻測試儀的要求。

圖2　內(nèi)部測試電路

2智能接觸電阻測試儀的軟件設(shè)計

本文設(shè)計的智能電阻測試儀可以實現(xiàn)測量非常小的接觸電阻功能，其測量范圍為可以達(dá)到1～2000μΩ，工作輸出電流為100A，功率為1000W。為了實現(xiàn)測試儀能夠在短時間內(nèi)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后判斷電流及電壓的峰值，軟件設(shè)計非常重要。該軟件主程序流程如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

按照主程序設(shè)計，按下智能電阻測試儀的“測量”鍵后，單片機(jī)通過AD0端口采集標(biāo)準(zhǔn)電阻Ref兩端的電壓，然后控制隔離切換開關(guān)進(jìn)行切換，單片機(jī)通過AD0端口采集被測接觸電阻Rx兩端電壓，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后得出測試結(jié)果，單片機(jī)采用的計算方法為：被測接觸電阻Rx電壓除以標(biāo)準(zhǔn)電阻Ref電壓后乘以標(biāo)準(zhǔn)電阻Ref電阻(Ref電阻為已知內(nèi)部參考電阻)等于被測電阻。測量完畢后通過顯示屏可以將測試結(jié)果顯示出來，此時按下“存儲”鍵，可以將測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，供以后調(diào)閱，若需要打印，按下“打印”按鍵后，測試結(jié)果將被微型打印機(jī)自動打印出來。

3智能接觸電阻測試儀的操作過程

該智能電阻測試儀不僅外部結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)部的測試電路簡單，而且操作比較人性化、簡潔化，現(xiàn)將本文設(shè)計的智能電阻測試儀的操作步驟作如下介紹：

(1)開機(jī)后在顯示屏上顯示“歡迎使用智能接觸電阻測試儀”，3秒后顯示初始信息“電阻0000μΩ電流0000A”。

(2)按“測量”鍵，單片機(jī)的OUT1端口輸出高電平，OUT2端口、OUT3端口輸出低電平，此時測量AD0口的電壓，顯示屏以電流的形式顯示出來(1V=100A)，顯示“測量中……電流：xxxxA”2秒后存儲電流數(shù)據(jù)，并且OUT2端口輸出高電平，測量AD0口的電壓，用此電壓除以上一次存儲的電壓(電流數(shù)據(jù))乘以1000，顯示該結(jié)果為xxxxμΩ。

(3)再1秒后，鎖存該電阻值并低電平，OUT2輸出低電平，顯示屏顯示“測量完畢：測試電流：xxxxA；被測電阻：xxxxμΩ?！?/p>

(4)按“存儲”鍵存儲此次測試結(jié)果，按“打印”鍵打印結(jié)果：“1.編號______；2.測試電流xxxxA；3.被測電阻xxxxμΩ；日期：______；操作人：______”

(5)如果按下“測量”鍵以后，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的OUT1輸出高電平，然而OUT2、OUT3輸出低電平，測量AD0口的電壓以后，若發(fā)現(xiàn)此時的測量結(jié)果小于80A，OUT3口輸出高電平驅(qū)動斷線指示燈閃爍，并且屏幕顯示“測試線沒連接好，請檢查！”

4智能接觸電阻測試儀的技術(shù)性能指標(biāo)

經(jīng)過外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和內(nèi)部測試電路的設(shè)計、組裝、測試等過程，使新設(shè)計的智能電阻測試儀能夠滿足對高壓開關(guān)的接觸電阻進(jìn)行測試的目的，并且該儀器操作比較方便。但對該儀器的相關(guān)參數(shù)還有一些技術(shù)性能指標(biāo)的要求，例如供電電壓的范圍：AC 220V、接觸電阻的測量范圍：1～2000Ω、儀器的工作輸出電流：100A等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，該智能接觸電阻測試儀的相關(guān)參數(shù)的有關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)的選取如表1。

表1　智能接觸電阻測試儀的技術(shù)性能指標(biāo)

5結(jié)束語

本文針對由于高壓開關(guān)的觸頭接觸面在通常的電力系統(tǒng)使用過程中需要經(jīng)過多次的開斷，因而會造成高壓開關(guān)的觸頭接觸面逐漸地被磨損，這樣經(jīng)過長時間地使用將會導(dǎo)致高壓開關(guān)的接觸電阻變大，進(jìn)而對高壓開關(guān)的開斷和導(dǎo)電性能都會產(chǎn)生非常不利的影響的特殊情況設(shè)計了一種智能電阻測試儀，該儀器由外部結(jié)構(gòu)(顯示屏、微型打印機(jī)、斷線指示燈、兩個電流輸出端子、兩個信號輸入端子、鍵盤等)和內(nèi)部測試電路(單片機(jī)、100A恒流源、顯示驅(qū)動模塊、隔離切換開關(guān)、兩個運(yùn)算放大器等)這兩部分組成，且該智能接觸電阻測試儀集測試、人機(jī)交互界面、存儲、打印于一體，經(jīng)過實際的運(yùn)行檢驗，該智能電阻測試儀測量出接觸電阻阻值的大小，該儀器具有精度高、性能穩(wěn)定、功能豐富、使用方便等特點，實現(xiàn)了對接觸電路的精確測試功能。

根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)而分析出觸頭的磨損程度以及回路的接觸情況，確保高壓開關(guān)在電力系統(tǒng)中始終起到控制和保護(hù)的作用。

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Design and Development of an Intelligent Resistance Test Instrument

SUN Li-li, LI Ya-dong

(TianjinModernVocationalandTechnologyCollege,Tianjin, 300350)

Abstract:when using conventional QJ 44 double-arm direct current bridge to measure the contact resistance value of switch control equipment of electric system, there are some defects like measured current is too small and circuit conductor section area is reduced. And when conducting contact resistance value in conductive loop, affected by oil film and oxide coating between contacts, the measured value will be several times larger, which cannot reflect the real contact resistance value. An intelligent resistance test instrument is developed for measuring large current with high precision through R&D. This instrument combines measurement, HMI, storage and printing as a whole, which realizes precise measurement for contact circuit with the features of high precision, stable performance, rich functions, and easy to use.

Key words:contact resistance; measurement; intelligent; resistance measurement instrument

中圖分類號：TM502

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-582X(2016)02-0098-05

作者簡介：孫麗麗(1976-)，女，山東青島人，天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化；李亞東(1987-)，男，河南省商丘市人，助教，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

收稿日期：2015-03-16