國家摩托車質量監(jiān)督檢驗中心　楊　棟　李曙光　李　皓　趙清泉

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電工電子產品電參數有效值測量方法探討

國家摩托車質量監(jiān)督檢驗中心楊棟李曙光李皓趙清泉

在電氣參數測量中，真有效值是一個重要的電參數。真有效值檢測在工業(yè)生產、電網系統(tǒng)和日常生活中有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的有效值測量一般采用峰值法或平均法。針對含有高次頻率諧波的失真正弦波的真有效值的測量，一般的測量儀表準確度偏低。本文通過分析比較，提出了一種信號真有效值測量裝置。

有效值；測量；電壓

1　引言

在日常的設備管理、維護、維修中經常出現(xiàn)設備的保險熔斷、斷路器頻繁跳閘等情況。此類現(xiàn)象的發(fā)生都有其隨機性，究其原因有兩個方面。一是電路回路里真實的電流高于設備電流使用限值，但運行中測量又是正常的。二是設備負載，在設備開啟時所產生的沖擊電流?？傊@種情況的發(fā)生是因為電壓過高引起的。

在實際的電壓測量中經常會出現(xiàn)測量值比實際值低這種情況，究其原因是電子測量儀器對于失真（畸變）電壓的測量不夠準確，做到精確測量有一定的難度。據有關資料介紹，波形失真度在5 %時，有效值誤差已經大大超過±0. 5 %。對正弦波，即使存在1 % 的波形失真。也要產生約0.3%的誤差［1］［2］。如果，那么測量儀表就存在問題，這樣就有了真有效值的概念。

2　真有效值及其測量

真有效值（TRMS，True Root Mean Sqarel Value），是一個重要的電氣參數。有效值是根據能量等效來規(guī)定的，當交流電壓通過電阻器時，經過一個周期的時間所發(fā)出的熱量與直流電壓通過同一電阻器并經過同一時間所發(fā)出的熱量相等，則對于標準電壓，該直流電壓的大小就是交流電的有效值，而對于波形失真的交流電，其值就是該交流電的真有效值，又稱為均方根值。

真有效值的測量，在我們實際生產，生活，交通，尤其是電力系統(tǒng)方面，有著非常重要的應用。

電壓失真是由于非線性負荷的諧波電流造成的。由于現(xiàn)代化的發(fā)展，生活中出現(xiàn)了許多含有非線性元件的產品設備。如筆記本電腦，電視機，含有鎮(zhèn)流器的熒光燈，燈光調節(jié)器，常用電機速度控制器，電動車中的逆變電源等。它們在運行時，產生的諧波，會對所在電網產生污染［3］。而常用的檢測設備如平均值電壓表，因為設計采用了均值法原理，而不是真有效值的原理進行測量，則電參數測量會產生誤差。

另外，電子電工設備，如保險絲、導線、電纜，開關等都是通過在工頻下的有效值來標定的。由于電參數測量誤差，會造成電網電流過大或過小，引起誤跳閘，或者引發(fā)火災，造成設備產生故障，數據丟失，甚至生產控制癱瘓等，嚴重影響了人們的日常生活，也造成了電能的浪費諧波會對設備所在電網產生污染，使標準正弦波產生畸變。

如果用真有效值儀表來測量，就會得到其真值，也就會消減這些影響。據此，引入了真有效值的測量概念。

3　真有效值測量的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

3.1真有效值測量的發(fā)展

“平均值”法。其原理是在一個標準的正弦波在測量時，信號在進行全波整流處理后得到平均值，再乘以波形因數，得到有效值［4］。這種方法被廣泛用于所有的模擬測量儀表。用這種方法測量的有效值是個近似值。對于一個標準的正弦波來說，相對準確。對于非正弦波、含有諧波的正弦波以及有畸變的正弦波則無法準確測出，只能給出一個誤差各不相同的有效值，甚至給出一個錯誤的結果。

隨著科學技術的發(fā)展，對測試水平提出更高的要求，需要測量交流信號的真有效值。根據真有效值的定義，出現(xiàn)了熱電式和運算式的真有效值測量儀器。用這兩種方式研制的儀器轉換交流均可獲得較高的精確度。熱電式測量儀器例如基于熱電偶的熱電儀，其工作原理是熱電偶的輸出電勢與流過加熱絲的電流成平方關系。熱電式有熱電偶和熱電阻兩種，熱電偶具有溫差效應，熱電阻具有熱敏效應。它們作為變換元件，通過比較交、直流流過它們時產生的熱量而得到交流有效值。運算式測量裝置的原理主要是基于真有效值定義。一般儀表測量原理主要是首先通過電路對輸入信號進行處理，如衰減或者放大，或者是電流與電壓的相互轉化。然后就是對信號進行整流，再由運放組成的對數-反對數運算電路對信號進行“平方/求平均值/開平方”的運算，再進行濾波處理，就得到了交流信號真有效值。

隨著計算機的發(fā)展，特別是單片機的產生，真有效值測量也向數字化方向發(fā)展。隨著單片機和真有效值集成芯片的發(fā)展，基于單片機和真有效值轉換芯片成為真有效值測量的發(fā)展趨勢。

3.2真有效值測量研究現(xiàn)狀

目前，信號真有效值測量方法主要有電子式有效值變換器、熱電偶電橋有效值變換器、單片機逐點采樣數據并運算得出有效值、真有效值轉換器。

其中電子式有效值變換器主要組成是熱電阻或熱電偶，其轉化特點是準確度高，頻帶寬，但對于環(huán)境及溫度有著較高的要求，適用于試驗室。

電子式有效值變換器主要運用模擬運算放大器組成積分器、平方器等，并通過其完成有效值的轉變。這種方法由于運用模擬運算發(fā)達器，所以必然存在離散性和平方電路等誤差且運放電路易受到如零漂等干擾。

單片機逐點采樣數據并運算得出有效值這種方法采用AD芯片采樣，利用微處理機中的AD芯片對測信號進行離散采樣，后通過不同采樣算法進行運算并得出有效值。

真有效值轉換器，如AD736系列，LTC1966系列。其具有能計算較為復雜輸入信號的有效值，電路接法簡單，精度較高，線性化良好，易于校準等特性。這些性能主要歸結于內部集成芯片的出現(xiàn)，為真有效值測量的發(fā)展，注入了活力，使其向小型化，標準化，智能化方向發(fā)展。

4　一種真有效值測量方案

本方案是基于單片機構成的一個真有效值測量。目的是設計出一種可以測量真有效值的裝置。

在闡明真有效值測量的發(fā)展及現(xiàn)狀之后，綜合了幾種方案設計了一種測量真有效值的裝置。

真有效值測量裝置示意如下：

圖1　電流真有效值檢測電路的結構框圖

4.1信號采集電路

信號在輸入之前需經過調制，主要作用是使得模擬信號完成衰減、放大、濾波等功能。因為在測量時，理想狀態(tài)下需要將低的信號轉化為高輸出電平值，在實際測量中，信號采集時，輸入信號一般都是比較弱的低電平值，因此需要在前期對低電平信號進行放大，使其滿足模擬輸入信號放大到與其滿量程電壓相應的電平這一條件。

由于本設計輸入信號是0-5ACV，要根據真有效值芯片的輸入電壓范圍來設計信號采集電路。

4.2真有效值轉換

經過前端量程轉換電路處理的交流信號，經過真有效值轉換芯片，輸出一個與交流信號等效的直流電壓信號，即為交流信號的真有效值。

4.3AD轉換

前端輸出的等效直流電壓為模擬信號，通過AD芯片對信號進行采樣，數模轉化，以便單片機的處理。

4.4單片機數據處理

單片機主要是對輸入數據進行處理，以便顯示，其次，單片機還要控制量程轉換開關等。

4.5測量裝置的調試和標定

真有效值測量裝置設計搭建完成后，要對裝置進行電路調試和標定，使其滿足設計要求。

［1］襲學元，郭永坤.關于交流失真波電壓真有效值的測量［J］.中國知網.

［2］楊志遠.電網電壓監(jiān)測方案.三明高等專科學校學報［J］，2004-12，21（4）: 33-37.

［3］美國Fluke公司.電能質量與諧波測量［M］.19962122.

［4］張永瑞.電路分析基礎［M］.陜西:西安電子科技大學出版社，2010:183.

楊棟（1983-），男，碩士，現(xiàn)供職于國家摩托車質量監(jiān)督檢驗中心，主要從事設備管理工作。