一種數位化測量交流電的相位差的方法
2023-10-23 14:40:02 1
一種數位化測量交流電的相位差的方法
【專利摘要】本發明公開了一種數位化測量交流電的相位差的方法，採用數字積分並插值的方式處理連續的數字採樣信號，利用積分開始點P1點和根據差值的方式獲取的積分結束點k的虛擬發生時間計算電信號的零點，有一系列電信號的過零點計算電信號的頻率或周期。最後根據不同信號的過零點時間的差異和信號周期，計算獲取信號之間的相位差。本發明不需要將低頻信號轉換成方波，克服了傳統的過零點檢測抗幹擾能力差的缺點，尤其適合於低頻信號的相位差測量，系統檢測方便，硬體開銷小；系統的抗幹擾能力較強；實現起來簡單合理，數據準確、可靠、有較廣泛的應用前景。
【專利說明】一種數位化測量交流電的相位差的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數位化測量交流電的相位差的技術，也可以用於其它低頻率信號的相位差測量。
【背景技術】
[0002]在日常生活、生產過程中常常需要測量交流電信號的相位差，測量的相位差越準確，應用的效果往往更好。在現有的相位差測量方法中，大多數採用將信號轉變成方波，然後測量兩個方波之間上升沿的時間差，從而得出兩個信號的相位差，但這種算法易於實現但需要額外的硬體，且容易受到幹擾的影響。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中交流電信號的相位差測量精度不夠準確，提出了一種數位化測量交流電的相位差的方法。
[0004]本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案:
[0005]一種數位化測量交流電的相位差的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1)，對被測電信號進行採樣，得到被測電信號的採樣值，然後生成採樣信號；
[0007]步驟2)，在被測電信號的採樣信號中，當被測電信號在一個周波內越過負峰值後選擇m個在採樣時間上按次序排放的採樣點，設這m個採樣點的採樣時間分別為t2、...t1、ti+1、...tm,採樣值分別為 ΧρΧ2、...x1、xi+1...Xm，其中 1、m 均為自然數且 I ≤ i〈m ;
[0008]步驟3)，令Si為從第I採樣點(X1J1)到第i採樣點(XiJi)的數字積分，則Si+1為從第I採樣點(Xl，ti)到第i+Ι採樣點(xi+1，ti+1)的數字積分；當Si和si+1的乘積小於等於O時，在第i個採樣點和第i+Ι個採樣點之間通過插值的方式獲取一個數字積分結束點k，使得從第I採樣點(Xpt1)到積分結束點(xk，tk)的數字積分為零，計算得出積分結束點k的虛擬發生時間tk ；
[0009]步驟4)，計算過零點時間'丁乂今'
[0010]步驟5)，重複步驟2)至步驟4)依次得到若干個過零點時間:Tzl, Tz2...Tzj, Tz(j+1)...Tzn,其中，j=l、2、…η，η為正整數，則被測電信號的周期:tpJ=tz(j+1)-tzJ,因此獲得被測電信號的周期依次為Tpl，Tp2, Tp3,......Tp(n_D ；
[0011]步驟6)，對於兩個頻率相同的被測電信號，根據步驟I)至步驟5)分別得到兩個被測電信號的過零點時間；再根據兩個被測電信號的過零點時間的差異，以及步驟5)得到的被測電信號的周期，計算得到兩個被測電信號之間的相位差。
[0012]進一步的，本發明的一種數位化測量交流電的相位差的方法，步驟I)所述對被測電信號進行採樣是等時間間隔採樣或者是不等時間間隔採樣。
[0013]進一步的，本發明的一種數位化測量交流電的相位差的方法，步驟I)所述的採樣為對被測電信號的整周波進行採樣。[0014]進一步的，本發明的一種數位化測量交流電的相位差的方法，所述第I採樣點的選取方案為:當被測電信號的周波過負峰值後未到達零點時選擇一個採樣點作為第I採樣點。
[0015]進一步的，本發明的一種數位化測量交流電的相位差的方法，所述步驟6)的具體步驟如下:
[0016]設由步驟I)至步驟5)分別計算得到的第一路被測電信號的過零點時間為T1#第二路被測電信號的過零點時間為T2zp則兩路被測電信號的相位差的值以度數表示為:
PrX360°，或者以弧度表示為-A = Τ2ζ}τ Ιζ,χ2χπ，其中，Tp是依步驟5)計算
PP
得出的被測電信號周期的瞬時值，或者是依步驟5)計算得出的被測電信號的前若干個周期值的平均值。
[0017]進一步的，本發明的一種數位化測量交流電的相位差的方法，所述數字積分方式包括:梯形積分或者矩形積分；所述插值方式包括:矩形插值或者梯形插值。
[0018]本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0019]I)傳統的零交法採用符號相反的兩個連續點來確定零點，雖然算法物理概念清晰，但是容易受諧波、測量誤差等的幹擾，測量精度低。只有準確定位零點，才能計算出精確的相位差。針對電信號大多數是對稱的特點，對被測電信號過峰值後進行數字積分，通過插值的方式獲取一個積分結束點，使得從積分開始點到積分結束點的數字積分為零，由積分開始時間和積分結束時間計算電信號的零點。確定了信號的過零點之後，可以計算出電信號的頻率和周期。最後根據不同信號的過零點時間的差異和信號周期，計算獲取信號之間的相位差。相比較傳統的零交法而言，運算量有所增加，但測量的精度、抗幹擾性得到了很大的提聞。
[0020]2)本發明所涉及的採樣可以是等時間間隔採樣，也可以是不等時間間隔採樣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是採用矩形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖；
[0022]圖2是採用梯形積分、梯形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖；
[0023]圖3是採用梯形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖；
[0024]圖4是採用矩形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖；
[0025]圖5是採用梯形積分、梯形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖；
[0026]圖6是採用梯形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖；
[0027]圖7是採用矩形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖；[0028]圖8是採用梯形積分、梯形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖；
[0029]圖9是採用梯形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
[0031]本發明的實質是採用數字積分並插值的方式處理連續的數字採樣信號，在信號過正負峰值之後選取一個採樣點P1作為積分開始點，在後續的採樣點中會存在這樣連續的兩個點Pi和pi+1，如果從P1到Pi的數字積分數值和從P1到pi+1的數字積分數值的乘積小於等於O時，則可以在Pi和Pi+1之間通過插值的方式獲取一個積分結束點k，k的獲取條件是從P1到k的數字積分為O。則可以由P1的採樣發生時間和k的虛擬發生時間計算電信號的零點，由一系列電信號的過零點計算電信號的頻率或周期。這裡所謂的數字積分有如下幾種方式:梯形積分、矩形積分方式；這裡所謂的插值有矩形插值、梯形插值方式。最後根據不同信號的過零點時間的差異和信號周期，計算獲取信號之間的相位差。選取的P1不宜過於接近零點，如果接近零點的話容易受到噪聲的幹擾導致測量結果不夠準確。
[0032]為獲得較為精確的測量結果，建議的採樣點Pl的選取方案是:不宜過於接近零點。
[0033]本發明的特點和優點將通過實例結合附圖進行詳細說明。本發明的原理通過測量低頻信號的相位差來進行說明，隨著採樣速度的提高，在一個周波內的發生的採樣次數也越來越多。本發明的具體實施過程如下:
[0034]1.對被測信號進行採樣，這裡所述的採樣為對整周波進行的採樣。可以是等時間間隔採樣，也可以是不等時間間隔採樣。
`[0035]2.在被測電信號過負峰值後選擇若干個在採樣時間上按次序排放的採樣點，假設每個採樣點的採樣時間為ti，採樣值為Xi，i>=l，$Si為從點(Xpt1)到第i點的數字積分；如果Si和Si+1的乘積小於等於0，則可在第i點和第i+Ι點之間通過插值的方式獲取一個積分結束點k，使得從點(Xl，h)到點k的數字積分為零，可計算得出點k的虛擬發生時間tk ;
[0036]3.得到過零點的過程如下，則所選擇的峰值之後的過零點時間的計算:
j- _ h 土 h.z 2
[0037]4.計算過零點時間的具體操作可以參見圖1、圖2、圖3。圖1是採用矩形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖。圖1中從h開始數字積分，tk是插值獲取的積分結束點的虛擬發生時間，圖中從h到tk的數字積分為
O。Tz是計算獲取的過零點。圖2是採用梯形積分、梯形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖。圖2中從^開始數字積分，tk是插值獲取的積分結束點的虛擬發生時間，圖中從&到4的數字積分為O。Tz是計算獲取的過零點。圖3是採用梯形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，並獲取過零點的示意圖。圖3中從^開始數字積分，tk是插值獲取的積分結束點的虛擬發生時間，圖中Wt1到tk的數字積分為O。Tz是計算獲取的過零點。如果純粹採用梯形積分法，在進行插值計算時存在計算量偏大的情況。圖3在開始積分的時候採用梯形積分法，但是在進行插值運算時，採用了矩形插值的方法，這樣做的目的是降低運算的複雜度。為取得較為準確的測量結果，在附圖的計算中設該矩形的高度是鄰近的兩個採樣點的平均值。
[0038]5.得到若干個過零點時間後可進行信號周期的計算，具體可以參見圖4、圖5、圖 6。圖4是採用矩形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖。圖5是採用梯形積分、梯形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖。圖6是採用梯形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算交流電周期的示意圖。圖4、圖5、圖6中的低頻信號一共存在3個負峰值，因此在負峰值出現後一共進行了 3次插值並計算，水平軸上時間分別為Tzl、Tz2、Tz3的空心園點是計算得出的3個過零點，由於被測信號的周期可表示為:Tpj=Tzj+1-Tzj，因此圖4、圖5、圖6中信號周期可表示為:Tp2=Tz3-Tz2、Tpl_Tz2_Tzl。
[0039]6.相位差的計算可參見圖7、圖8、圖9。圖7是採用矩形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖。圖8是採用梯形積分、梯形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖。圖9是採用梯形積分、矩形插值的方式獲取一系列過零點並計算兩路信號計算相位差的示意圖。圖7、圖8、圖9中正弦波I在負峰值出現後有兩個過零點，這兩個過零點的時間分別為Tly和Tlzw，正弦波11在負峰值出現後也有兩個過零點，這兩個過零點的時間分別為T2y和T2zm，則正弦波I和
正弦波II的相位差可表不為:
【權利要求】
1.一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟1)，對被測電信號進行採樣，得到被測電信號的採樣值，然後生成採樣信號； 步驟2)，在被測電信號的採樣信號中，當被測電信號在一個周波內越過負峰值後選擇m個在採樣時間上按次序排放的採樣點，設這m個採樣點的採樣時間分別為t2、...ti+1、...tm,採樣值分別為x1、x2、...x1、xi+1...Xm，其中1、m均為自然數且I≤i〈m ; 步驟3)，令Si為從第I採樣點(Xpt1)到第i採樣點(Xpti)的數字積分，則Si+1為從第I採樣點(X1, ti)到第i+Ι採樣點(xi+1, ti+1)的數字積分；當Si和Si+1的乘積小於等於O時，在第i個採樣點和第i+Ι個採樣點之間通過插值的方式獲取一個數字積分結束點k，使得從第I採樣點(Xl，U到積分結束點(xk，tk)的數字積分為零，計算得出積分結束點k的虛擬發生時間tk ； 步驟4),計算過零點時間-J2 二 ; 步驟5)，重複步驟2)至步驟4)依次得到若干個過零點時間:Tzl，Tz2...Tzj, TZ(J+1)...Tzn,其中，j=l、2、".η，η為正整數，則被測電信號的周期:Tpj=Tz(j+1)-Tzj，因此獲得被測電信號的周期依次為Tpl，
Τρ2，Τρ3>......Τρ(η-ι)； 步驟6)，對於兩個頻率相同的被測電信號，根據步驟I)至步驟5)分別得到兩個被測電信號的過零點時間；再根據兩個被測電信號的過零點時間的差異，以及步驟5)得到的被測電信號的周期，計算得到兩個被測電信號之間的相位差。
2.根據權利要求1所述的一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:步驟I)所述對被測電信號進行採樣是等時間間隔採樣或者是不等時間間隔採樣。
3.根據權利要求1所述的一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:步驟I)所述的採樣為對被測電信號的整周波進行採樣。
4.根據權利要求1所述的一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:所述第I採樣點的選取方案為:當被測電信號的周波過負峰值後未到達零點時選擇一個採樣點作為第I採樣點。
5.根據權利要求1所述的一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:所述步驟6)的具體步驟如下: 設由步驟I)至步驟5)分別計算得到的第一路被測電信號的過零點時間為T1#第二路被測電信號的過零點時間為T2zp則兩路被測電信號的相位差的值以度數表示為: y'o _ y jy'ο _ y' jPr 二 \ " x36O0，或者以弧度表示為-A 二 % ?x2x^r，其中，Tp是依步驟5)計算 Ip.P得出的被測電信號周期的瞬時值，或者是依步驟5)計算得出的被測電信號的前若干個周期值的平均值。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的一種數位化測量交流電的相位差的方法，其特徵在於:所述數字積分方式包括:梯形積分或者矩形積分；所述插值方式包括:矩形插值或者梯形插值。
【文檔編號】G01R25/00GK103575988SQ201210260874
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月26日 優先權日:2012年7月26日
【發明者】戴爾晗 申請人:南京郵電大學