介質損耗自動測量儀的製作方法
2023-09-18 03:04:15 1
專利名稱：介質損耗自動測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自動測量電力設備介質損耗因素tgδ和電容量C以及測量兩交流信號之間的夾角θ的儀器。
目前國內外測量電力設備的介質損失和電容量，多採用西林電橋來實現，在我國廣泛採用的是上海產QS-1電橋，該電橋是手動平衡的電橋，其缺點是調整平衡操作既麻煩又費時，並且在光線強的地方檢流計的光帶很難看清楚，在介質質損耗因素和電容量隨時間變化的場合因無法平衡而不能採用QS-1電橋，並且受外施電壓的限制，不能用於很高的電壓(一般用於≤10KV的場合)。另外，國外還有一些測量儀器，由於它們都是採用高頻和低電壓，不適宜用來測量電力設備的介質損耗因素tgδ和C。為解決上述問題，專利號為88104054.1的(電力系統介質損失和電容量自動測量儀)，雖然可取代QS1電橋，但由於受模擬電路準確度的限制，其測量準確度僅與QS1電橋相當。隨著電力設備質量的提高，相當於QS1電橋的測量準確度，已不能滿足要求，例如，現代薄膜型電容器，要求介質損耗因素tgδ≤0.001，測量準確度的絕對誤差高達0.003的儀器設備，已不能滿足要求了。目前，在試驗室應用的測量和校驗介質損耗因素的儀器，如QS30型電橋或類似產品，雖然準確較高，但由於操作平衡過程複雜，也急需用新型測量儀器來取而代之。
本發明的目的是提供一種構思新穎，結構簡單，測量精度高，速度快，測量範圍大，操作十分簡便的一種介質損耗自動測量儀。
本發明的目的是通過如下方案實現的包括信號轉換器、數據處理器、顯示器、控制系統、電源電路、屏蔽箱及絕緣箱構成，其中所說的信號轉換器的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX，其中UN為參考信號，UX為待測信號，UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器、電容分壓器、電阻分壓器、互感器、電流電壓變換器、光電轉換器或放大器獲得，信號轉換器1的輸出信號為數位訊號，亦即參考信號UN及待測信號UX在信號轉換器1中進行了模數轉換，轉換精度由信號轉換器中所採用的模數轉換器的位數決定，信號轉換器1輸出的信號送到數據處理器2，由該處理器無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1，求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)，求出UN1及UX1的峰值(UN1m及UX1m)，求出UN1及UX1之間的夾角δ求出介質損耗因素tgδ，求出電容量C，進行雜散電容的補償，進行抗脈衝幹擾處理，進行曲線擬合，對峰值UNm、UXm、UN1m、UX1m、tgδ、C加以格式化，其中數據處理器2由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成，其輸出信號送至顯示器3中將測量結果UNm、UXm、tgδ及C顯示出來，該顯示器3可以是液晶顯示器、數碼管顯示器或屏幕顯示器；可用於測量介質損耗因素，電容量和兩信號之間的相位角。
本發明所說的信號轉換器1包括參考信號轉換電路11，待測信號轉換電路12、參考信號模數轉換電路13、待測信號模數轉換電路14、鎖相電路15及模數轉換控制電路16組成，其中參考信號轉換電路11的輸入信號為UN，該電路主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成，其中在端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓V，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，轉換電路11的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器將UN送至信號模數轉換電路13，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路15；所說的待測信號轉換電路12主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成，其中在端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數值，其輸出端一路通過電壓跟隨器將UX送至模數轉換電路14，信號轉換電路12中開關K4D6W的其他三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理，其中模數轉換電路13和14均由模數轉換器AD676及常規外圍元件組成，鎖相電路15主要由CD4046、CD4040及常規外圍元件組成，模數轉換控制電路16由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常規外圍元件組成。
本發明所說的鎖相電路產生的頻率與信號頻率同步，以保證每周波的採樣次數不隨信號頻率的變化而變化，實現每周波的採樣次數是固定的；模數轉換控制電路16產生的採樣信號，同時送給參考信號轉換電路13及待測信號模數轉換電路14，以實現兩路信號同時被採集；模數轉換控制電路16在採樣前先產生一個校對脈衝信號，同時送給參考模數轉換電路13和待測信號模數轉換電路14，啟動兩路模數轉換器校對，校對結束後，模數轉換控制電路16再產生採樣脈衝信號，同時送給13和14，以保證採集的數據準確。
本發明所說的數據處理器2，可在各種工作狀態下(包括正反接法及各量擋下)，分別進行誤差補償和曲線擬合，從而保證各種工作狀態下，具有相同的測量準確度。
本發明所說的反接法時電源電路5的供電技術方案有二，一為採用可充電電池，二為採用高壓隔離變壓器。
本發明所說的信號轉換器1，數據處理器2，顯示器3，控制系統4，電源電路5均安裝於屏蔽箱6的內部，從而具有極強的抗外幹擾的能力。
本發明用於反接法時，屏蔽箱6的絕緣方案有二，一為絕緣箱7的方案，將屏蔽箱6裝在絕緣箱7的內部。二為採用絕緣支柱和法拉弟籠方案。
本發明所說的控制系統4採用8098或80C31等單片機或微機構成。
與現有測量介質損耗因素的設備相比較，本發明的優點為重量輕，體積小，直接讀數，準確度極高，測量速度快，不需操作或操作簡便，不受試驗電壓的限制，可在任意高電壓下應用，測量範圍大，tgδ的測量範圍為±0～∝)，兩信號間夾角的測量範圍為±(0～π)；既可用於電力設備預防性試驗或電力產品的質量檢驗，又可用於帶電設備絕緣的在線鑑測；既可用來作現場用的試驗設備，又可用來作試驗室用的校驗設備；而且，本發明抗諧波幹擾的能力和抗脈衝幹擾的能力都非常強。
以下結合附圖及實施例，對本發明作進一步的詳述。
圖1介質損耗自動測量儀原理框圖；圖2介質損耗自動測量儀主機正面外形示意圖；圖3介質損耗自動測量儀主機背面外形示意圖；圖4介質損耗自動測量儀正接法原理接線5介質損耗自動測量儀反接法原理接線6介質損耗自動測量儀用於在線鑑測時的接線7介質損耗自動測量儀電路框圖如圖1，本發明主要由信號轉換器1，數據處理器2，顯示器3，控制系統4，電源電路5，屏蔽箱6，及絕緣箱7組成。
本發明系測量兩模擬信號電壓之間的基波夾角θ，要測量的兩信號電壓，通常很高，從數百伏至50萬伏；而模擬信號通常不便於處理和分析；因此需要加以轉換，把高電壓轉換成低電壓和把模擬信號轉換成數位訊號。信號的這兩種轉換由信號轉換器1完成。信號轉換器1的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX；UN為參考信號，UX為待測信號；UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器，電容分壓器，電阻分壓器，互感器，電流電壓變換器，光電轉換器或放大器獲得；信號轉換器1的輸出信號為數位訊號，亦即參考信號UN及待測信號UX，在信號轉換器1中進行了模數轉換，轉換精度由信號轉換器中所採用的模數轉換器的位數決定，例如，採用12位模數轉換器時，精度為2.44×10-4；採用16位AD轉換器時，精度為1.53×10-5；採用20位模數轉換器時，精度為9.54×10-7，採用24位模數轉換器時，精度為5.96×10-8等等。採用多少位的AD轉換器，可由用戶的實際需要決定。模數轉換時採用了同步技術，以保證每個信號周波內，採集次數和相位完全固定。為了保證兩信號的相位差正確，採用了兩信號同時採樣的技術。信號轉換器1的輸出送到數據處理器2中。
數據處理器2完成下列任務求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)；無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1；求出UN1及UX1的峰值(UN1m及UX1m)；求出UN1及UX1之間的夾角δ，求出介質損耗因素tgδ；求出電容量C；進行雜散電容的補償；進行抗脈幹擾處理；進行曲線擬合；對UNm，UXm，tgδ，C加以格式化；等等。數據處理器2的輸入，為信號轉換器1的輸出；數據處理器2的輸出為UNm，UXm，tgδ和C。數據處理器2，由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成。數據處理器2的輸出，送至顯示器3。
根據UN和UX，求出UN1及UX1，一般稱為濾波技術。一般數字濾波技術，數字濾波前後信號的相位角，會產生一定的誤差，這對於高精度介質損耗的測量來說，是不能允許的。本發明採用了無崎變數字濾波技術，其準確度由設定的計算誤差決定，因而其準確度可以是任意的。
茲舉例說明如下。設UN＝0.3+sin(ωt+0.3)+0.3sin(3ωt+0.3)+0.3sin(5ωt+0.3)UX＝0.6+0.7sin(ωt+0.2999999)+0.6sin(3ωt+0.6)+0.6sin(5ωt+0.6)(1)由(1)式知UN的基波UN1＝sin(ωt+0.3)UX的基波UX1＝0.7sin(ωt+0.2999999)
即UN1與UX1之間夾角θ＝0.0000001弧度。
設介質損耗因素自動測量儀測出的UN1與UX1之間夾角為δ，當計算精度足夠時，很容易做到δ＝0.0000001弧度合格的工頻試驗電壓中，其諧波分量遠比1式為小；1式中直流分量和諧波分量都是跨大了的，目的在於說明，本發明採用的無崎變數字濾波技術的功能是很強的，即測量結果不受諧波分量的影響。
根據UN1及UX1的數據，即可算出tgδ和C，並將tgδ和C的數據轉換成方便的顯示格式。
設 UX1＝UX1Msin(ωt+θX)UN1＝UN1Msin(ωt+θN)則θ＝θN-θXtgδ＝tgθC=UX1MUN1Mkc----(2)]]>
式(2)中，KC為比例因子。KC的值，由各種具體情況決定。例如，UN為流過標準電容器CN的電流in在電阻RN上的壓降，UX為流過試品CX的電流iX在RX的壓降，則KC=RXRN]]>而且C為CX/CN之比值。當CN＝50PF固定不變時，KC變為KC=RXRN50]]>，C亦可直接表示為C=UX1MUN1MRXRN50PF]]>等等。總之，數據格式宜按實際要求而定。
其它需要處理的數據，下面結合實施例再進一步詳述。
顯示器3的任務是將來自數據處理器2的參數顯示出來，亦即將測量結果UNm、UXm，tgδ及C顯示出來。顯示器3可以是晶液顯示器、數碼管顯示器、或屏幕顯示器等等。顯示格式可以是直接讀數式，或浮點格式等等。顯示方案可以各參數同時顯示，或各參數自動巡迴顯示，或各參數通過按鍵顯示等等。顯示位數根據需要決定。
控制系統4可由8098或80C31等單板機或微機組成。測量儀各部分1-3均在控制系統4控制下進行工作。若要求測量速度快速時，則宜用微機做控制系統。
儀器所用電源，可以是可充電直流電源或交流電源，根據實際需要決定。
例如，對在線鑑測，一般用交流電源；又例如，要用反接法作試驗的儀器，用可充電直流電源較方便和安全。電源電路5由變壓器，5伏穩壓電路，±9伏穩壓電路，±12伏可充電直流電源，和多刀多投開關組成。一般用4投開關時有四個工作狀態交流、直流、斷開、充電。如果需要更多的工作狀態，可用更多投的開關獲得。如用五刀6投開關，可有6個工作狀態。電源電路5的輸入或者是220伏50周交流電，或者是±12伏可充電電池，由多刀多投開關切換，切換開關位於交流位置時，則用於交流電輸入；位於直流時，則用±12伏可充電直流電池輸入；位於充電位置則用交流電為±12伏可充電電池充電。反接法時由於儀器電路處於高電位(通常為1萬伏至50萬伏)，不能使用交流電，一般只能使用±12伏可充電電池或其它適宜的可充電電池。
至於試驗電壓為1萬伏的場合，反接法時，也可用交流電方案，這時，電源變壓器要採用高壓隔離變壓器。採用高壓隔離變壓器的方案時，體積將較大，價格將較貴。
屏蔽箱6，目的是消除外電幹擾。儀器的面板和背板是屏蔽箱6的一部分(二面)，儀器箱的其它四面，採用良導體材料，如銅板或鋁板等構成。所有電路元器件，均安裝在屏蔽箱內，屏蔽箱與圖3-5中的E點相連結。亦即正接法和在線鑑測時，屏蔽箱處於低電位，反接法時，屏蔽箱處於高電位。
絕緣箱7，用絕緣材料製作，如有機玻璃，四聚氟乙烯，電木，塑料等，(反接法時能耐住試驗電壓的材料均可)。屏蔽箱裝在絕緣箱內部。絕緣箱主要用於反接法。因此，對於只用正接法的場合，絕緣箱可略去；用於在線鑑測時，絕緣箱亦可略去。試驗電壓在1萬伏左右時，反接法時採用絕緣箱的方案是方便的。若試驗電壓很高，例如，50萬伏，則不宜採用絕緣箱方案，而採用絕緣支柱方案和法拉弟籠方案。
對於不需要作反接法的場合，絕緣箱可以略去。
以上為本發明的主機結構，一些附件，結合實施例再說明之。
根據圖1的原理圖和上述說明，可製造出各種形式的介質損耗自動測量儀。
實施例下面結合圖2～圖7說明一個具體的實施例子。
介質損耗自動測量儀，由主機、二根2米長引線、一根10米長引線、一個操作棒和一個包裝箱組成。
主機外形圖如圖2、圖3所示。
圖2、3中，L1、機箱。(屏蔽箱)L2、絕緣材料。
L3、電源開關(分充電、斷電、直流、和交流四檔)L4、試品電流選擇波段開關，共分6檔。
L5、正接法與反接法轉換開關。
L6、8位數碼管顯示器。
L7、測量復位開關。
L8、試驗電壓選擇波段開關，共分6檔。
L9、充電電源插座。
L10、保險座。
L11、UN接線端子。
L12、E接線端子。
L13、UX接線端子。
一根二米長的引線用於E端與接地端的連接(正接法)或用於E端與高壓端的連接(反接法)。另一根二米長引線，用於UN端與標準電容器CN端的連接。一根10米長的引線，用於UX端與試品CX端的連接。介質損耗自動測量儀，測量過程中一般不需要任何操作，若需要操作(例如電流量檔選擇不適當)時，用操作棒進行操作，以保證安全。
包裝箱的作用有二個，一為運輸儀器時保護儀器，一為試驗時放置儀器。
試驗電壓量檔選擇開關(L8)，適用於各種不同的試驗電壓(3-1000KV)或適用於各種電容量的標準電容器。對於試驗電壓和標準電容器電容量固定的場合，例如用於絕緣預防性試驗時，試驗電壓常用10KV，標準電容器電容量常用CN＝50PF，這時，可略去圖2中的試驗電壓選擇波段開關(L8)。電流選擇量檔分6檔，適用於試品電流在50μA～4A的範圍。量檔不夠用，可適當擴大量檔。量檔選擇是否正確，決定於信號電壓UN和UX的幅值是否在0.5～5伏之間。若UNM和UXM不在0.5～5伏範圍，宜改變量檔，以保證測量的準確度達到目標。圖4～圖6為適用於正接法，反接法和在線鑑測時的試驗接線圖。引線等雜散電容的影響可以通過補償加以消除。在線鑑測時電壓互感器PT的角誤差或CPT的介質損耗因素，可預先加以補償。
圖7為介質損耗自動測量儀的電路框圖。圖7中略去了圖1中的6和7，亦即圖7中只晝出與電路有關的結構部分，未晝出與電路無關的結構部分。本實施例中的屏蔽箱，由2mm鋁板構成，面板及背板是屏蔽箱的一部分，屏蔽箱的其它四面為鋁板，本實施例中的所有電路，均裝在屏蔽箱中，因此，本實施例具有很強的防外電幹擾的性能。本實施例中，絕緣箱由四聚氟乙烯構成，具有很高的耐電強度，適用於試驗電壓為1萬伏的場合。
圖7中，信號轉換器1，由參考信號轉換電路11，待測信號轉換電路12，參考信號模數轉換電路13，待測信號模數轉換電路14，鎖相電路15及模數轉換控制電路16組成。參考信號轉換電路11的輸入為UN；參考信號轉換電路兒主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成；端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓U，使UNm＝0.5～5V；K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理；11的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器，將UN送至13，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路15。12的輸入為UX；12主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成；端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的試品電流，使UXm＝0.5～5V；12的一路輸出，系通過電壓跟隨器將UX送至14，12的K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理。13和14均由模數轉換器AD676及常規外圍元器件組成。鎖相電路15主要由鎖相器CD4046，計數器CD4040及常規外圍元器件組成鎖相電路，15產生的脈衝波頻率，與UN信號頻率同步，設UN的頻率為f，則15產生的頻率為256f，(f＝50時，256f＝12800HZ)；電力系統的額定頻率為50周波，但實際的頻率不是正好50HZ，一般頻率範圍為f＝50±0.2HZ均是合格的，每周採樣256次，若兩次採樣之間的時間間隔為Δt，當Δt固定為Δt＝(0.02/256)·S＝78.125μS時，則當電力系統的頻率不是正好50HZ，將引起各周波的測量結果不一致。例如，f＝49.8HZ，則每周時間為0.02008321秒，每周波的採樣次數m1＝0.02008321×106/78.125＝257.0281124次，這樣一來，兩相鄰周波第一點的採樣相位將存在相位差2-2f50=0.025059695]]>弧度，這對於高精度介質損耗自動測量儀來說，將引起不能允許的誤差；本實施例解決此問題的方案是採用同步技術，亦即使15的振蕩頻率隨f變化，採用t=2f256]]>，亦即兩次採樣之間的時間間隔Δt是隨頻率f變化的，這樣一來，不管頻率f是多少，均保證兩相鄰周波第一採樣點的相位相同且每周波的採樣次數總是256次，不隨f改變。16主要由GAL20V8，74LS123，74LS125，74LS74，及常規外圍元器件組成，16的任務是，在單片微機控制下，實現兩信號同時採樣，和實現採樣256次以前，對兩路模數轉換器進行校對一次；這是保證測量結果高精度的關鍵技術之一。本實施例中，由於15和16電路的作用，二信號同時被採集和轉換，每周波採集2n個數據，n一般為3～9即足夠，n之大小，需視具體要求而定，本實施例中n＝8，設nH為信號電壓中的最高諧波次數，雖然一般說來(2n-1)＞nH即可，但採樣次數宜符合採樣定理。為了減少脈衝幹擾以採集40周波數據的濾波平均值作為顯示結果。即每顯示結果一次，採集2×40×2n個數據。由於採用了鎖相電路保證了各周波的採集相位完全一致，以及各周波內的採集次數完全一致。為了減少儀器波動因素帶來的影響，每次採集數據前對模數轉換器進行校正一次。按採樣精度要求，確定模數轉換器的位數；本實施例採用16位模數轉換器，可達到的精度為，分辯率2×10-5，tgδ的測量誤差≤±(1％+10-4)；電容量的測量誤差≤±(1％讀數+5PF)。採樣和校驗均由控制系統4指揮。
為明確起見，茲把本實施例中與1有關的三個關鍵技術重述一下。本實施例中，實現UN和UX同時採樣的技術方案，是採用二路模數轉換器13和14，由16產生的採樣脈衝信號，同時送給13和14，以實現兩路信號同時採樣。本實施例中，實現同步的技術方案為採用鎖相電路15，將同步信號UN送給15，使15產生的採樣頻率為256f，使採樣頻率隨電力系統頻率f變化，以實現每周波總是採集256次。本實施例中，實現採樣前進行校對的技術方案為，16在採樣前先產生一個校對脈衝信號，同時送給13和14，啟動兩路模數轉換器校對，校對結束後，16再產生採樣脈衝信號，同時送給13和14，使二路信號同時採樣。
本實施例中，數據處理器2由只讀存儲器27128及2個存儲器6264組成。數據處理器2接收1送來的數位化數據UN及UX，然後加以處理，得出UNm，UXm，tgδ，C送去顯示器3。現將數據處理中的幾個關鍵技術，介紹如下根據UN，UX，求出基波UN1和UX1，一般稱為濾波技術，如前所述，本實施例採用的是無畸變數字濾波技術，這時，當採集的數據有9位有效數字時，例如，一周波採集8個數據如下Un[1]＝0.77283233 Ux[1]＝0.20686408Un[2]＝1.05911065 Ux[2]＝0.61914244Un[3]＝1.25533649 Ux[3]＝0.66873556Un[4]＝0.89193917 Ux[4]＝0.32659246Un[5]＝-0.17283233Ux[5]＝-0.20686408Un[6]＝-0.45911065Ux[6]＝-0.61914244Un[7]＝-0.65533649Ux[7]＝-0.66873556Un[8]＝-0.29193917Ux[8]＝-0.32659246將這些數據送到濾波功能塊(3)處理後，可得出UN1＝sin(ωt+0.3)UX1＝0.7sin(ωt+0.2999999)即δ＝0.0000001弧度。實際上，這是準確的數值。即沒有誤差。可見當模數轉換器位數足夠時，可做到無崎變濾波。但具體到本實施例，由於採用的是16位模數轉換器，採集的數據中，只有5位有效數字，這時，測量的準確情況，以五組數據說明之。
第一組數據Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20686Un[2]＝1.0591Ux[2]＝0.61914Un[3]＝1.2553Ux[3]＝0.668745Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.326592Un[5]＝-0.17283 Ux[5]＝-0.20686Un[6]＝-0.45911 Ux[6]＝-0.61914Un[7]＝-0.65534 Ux[7]＝-0.66874Un[8]＝-0.29194 Ux[8]＝-0.32659準確之θ＝0.0000001 tgθ＝0.0000001測出之tgδ＝3.88·10-6絕對誤差Δtgδ＝3.78·10-6＜10-4第二組數據Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20680Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.61911Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.66876Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.32665Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.20680Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.61911Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.66876Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.32665準確之θ＝0.0001 tgθ＝1·10-4測出之tgδ＝0.000096530Δtgδ＝-3.47·10-6＜10-4第三組數據Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20017Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.61585Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.67077Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.33277Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.20017Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.61585Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.67077Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.33277準確之θ＝0.01 tgθ＝0.01000測出之tgδ＝0.0099763絕對誤差Δtgδ＝2.4033·10-5＜10-4第四組數據Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.13907Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.58344Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.68605Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.38677Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.13907Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.58344Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.68605Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.38677準確之θ＝0.1 tgθ＝0.10033測出之tgδ＝0.10033Δtgδ＝0第五組數據Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.13907Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.38677Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.68605Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.58344Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.13907Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.38677Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.686055Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.58344準確之θ＝0.5 tgθ＝0.5463測出之tgδ＝0.54630Δtgδ＝0從以上五組數據可知，本實施例中，並無濾波失真，當θ較小時，由於採集的數據有效位數只有5位，必然引起截斷誤差，也就是說，上述第一組至第三組數據，其誤差來源是截斷誤差，而不是濾波引起的誤差。由於本實施例中，要求δ小時Δtgδ＜0.0001就到達目標，故五組數據的測量，是達到了目標。如果需要更高的準確度，則採集數據的有效位數要多些。上述五組數據中，諧波分量均超過30％；而合格的試驗電壓或工頻電壓其諧波分量小於7％，可見，本實施例抗諧波的能力非常強。
數據處理中的第二個關鍵技術為抗脈衝幹擾技術。諧波幹擾是一種穩定的幹擾，可以用無畸變濾波技術消除其影響。而脈衝幹擾乃是一不穩定的幹擾，例如，試驗電源容量不夠大，而試驗時同時有電焊機工作時，就會存在脈衝幹擾。本實施例中，採用濾波平均值的方法，消除脈衝幹擾的影響，抗脈衝幹擾能力不小於40％。(抗脈衝幹擾能力的極限值為50％)。
數據處理中的第三個關鍵技術為消除雜散電容影響的補償技術。用QS37或2801電橋測量tgδ時，雜散電容的影響是採用屏蔽電位加以消除的。本實施例中，採用補償的方法消除雜散電容的影響，由於可在各種工作狀態下分別進行補償，因此，本實施例中，無論是正接法，反接法，或各種量檔下，測量的準確度都是完全一樣的。
數據處理中的第四個關鍵技術為曲線擬合技術，應用曲線擬合法，可使顯示結果，與校驗設備顯示的結果完全一致，因此，本實施例的測量準確度可達到和校驗設備的準確度一致，可在各種工作狀態下，分別進行曲線擬合。
本實施例中，為了節省元器件，數據處理器與單板微機共用27128和6264。
本實施例中，顯示器3由顯示控制電路31和8位數碼管32組成。顯示控制電路31主要由8279及其外圍元器件構成，32由8個數碼管構成。顯示器3接收從2送來的數據UNm，UXm，tgδ及C，處理後送往32進行顯示。8位數碼管的顯示內容為第一位顯示參數，d代表tgδ之值，C代表電容量之值，1代表UN的最大值，2代表Ux的最大值。第二位顯示參數的符號，當參數為正值時，顯示＝號，當參數為負值時，顯示-號。其它6位為參數的數值。例如d＝0.00005表示tgδ＝+0.00005；d-0.00016表示tgδ＝-0.00016，1＝4.9567表示UNM＝4.9567伏等等。本實施例中，顯示格式為巡迴顯示UNm，UXm，tgδ和C。(顯示格式可按用戶要求改變)。本實施例中，自動巡迴顯示1＝xxxxxx，2＝xxxxxx，C＝xxxxxx，d＝xxxxxx，不需要操作，前面9次，顯示C和tgδ的單次測量結果，第十次起顯示十次測量結果的平滑濾波平均值。顯示三次平滑濾波平均值後，自動復位和重新開始測量。這種顯示方式，可兼顧測量速度快，和具有很強的抗脈衝幹擾能力。當tgδ＞9.9999時，顯示θ＝xxxxxx(單位為弧度)，θ為UN1與UX1之間的夾角，這樣θ的顯示範圍為±(0～π)，而tgδ的顯示範圍為±(0～∝)，但|tgδ|＞9.9999時，需經過換算。
本實施例中，控制系統4由8098，27128，2個6264及常規外圍元器件組成的單板微機實現。4又可簡稱為單板微機。為節省元器件，4及2共用相同的27128和6264。
本實施例中，儀器電源為交直流兩用；直流電源為±12V可充電電池；交流電源為220V50HZ市電，通過電源變壓器降壓，整流和穩壓，獲得儀器用電源。
由於本實施例中，所有電路均裝在一個屏蔽箱中，因此，具有很強的抗外電幹擾的能力。
本實施例中，反接法時的絕緣方案，採用絕緣箱的方案。
由於本發明tgδ的測量範圍大，即使試品受到強烈的外電幹擾和阻抗幹擾，亦可用精確正反相法和變阻法方便地測出tgδ之準確值。
權利要求
1.一種介質損耗自動測量儀，包括信號轉換器(1)、數據處理器(2)、顯示器(3)、控制系統(4)、電源電路(5)、屏蔽箱(6)及絕緣箱(7)，可用於測量介質損耗因素，電容量及兩信號之間的相位角，其特徵在於信號轉換器(1)的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX，其中UN為參考信號，UX為待測信號，UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器、電容分壓器、電阻分壓器、互感器、電流電壓變換器、光電轉換器或放大器獲得，信號轉換器(1)的輸出信號為數位訊號，亦即參考信號UN及待測信號UX在信號轉換器(1)中進行了模數轉換，轉換精度由信號轉換器中所採用的模數轉換器的位數決定，信號轉換器(1)輸出的信號送到數據處理器(2)，由該處理器無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1，求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)，求出UN1及UX1的峰值UN1m及UX1m，求出UN1及UX1之間的夾角δ求出介質損耗因素tgδ，求出電容量C，進行雜散電容的補償，進行抗脈衝幹擾處理，進行曲線擬合，對峰值UNm、UXM，U1m。UX1m、tgδ、C加以格式化，其中數據處理器(2)由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成，其輸出信號送至顯示器(3)中將測量結果UNm、UXm、tgδ及C顯示出來，該顯示器(3)可以是液晶顯示器、數碼管顯示器或屏幕顯示器。
2.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於所說的信號轉換器包括參考信號轉換電路(11)，待測信號轉換電路(12)、參考信號模數轉換電路(13)、待測信號模數轉換電路(14)、鎖相電路(15)及模數轉換控制電路(16)組成，其中參考信號轉換電路(11)的輸入信號為UN，該電路主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成，其中在端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓U，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，轉換電路(11)的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器將UN送至信號模數轉換電路(13)，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路(15)；所說的待測信號轉換電路(12)主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成，其中在端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數值，由轉換開關K4D6W的位置決定，以適應不同的試品電流，使UNm＝0.5～5伏，其輸出端一路通過電壓跟隨器將UX送至模數轉換電路(14)，信號轉換電路(12)中開關K4W6D的其他三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理，其中模數轉換電路(13)和(14)均由模數轉換器及常規外圍元件組成，鎖相電路(15)主要由鎖相器、計數器及常規外圍元件組成，模數轉換控制電路(16)由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常規外圍元件組成。
3.根據權利要求2所述的測量儀，其特徵在於鎖相電路產生的頻率與信號頻率同步，以保證每周波的採樣次數不隨信號頻率的變化而變化，實現每周波的採樣次數是固定的；模數轉換控制電路(16)產生的採樣信號，同時送給參考信號轉換電路(13)及待測信號模數轉換電路(14)，以實現兩路信號同時被採集；模數轉換控制電路(16)在採樣前先產生一個校對脈衝信號，同時送給參考模數轉換電路(13)和待測信號模數轉換電路(14)，啟動兩路模數轉換器校對，校對結束後，模數轉換控制電路(16)再產生採樣脈衝信號，同時送給(13)和(14)，以保證採集的數據準確。
4.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於數據處理器(2)，可在各種工作狀態下(包括正反接法及各量擋下)，分別進行誤差補償和曲線擬合，從而保證各種工作狀態下，具有相同的測量準確度。
5.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於反接法時電源電路(5)的供電技術方案有二，一為採用可充電電池，二為採用高壓隔離變壓器。
6.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於信號轉換器(1)，數據處理器(2)，顯示器(3)，控制系統(4)，電源電路(5)均安裝於屏蔽箱(6)的內部，從而具有極強的抗外幹擾的能力。
7.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於用於反接法時，屏蔽箱(6)的絕緣方案有二，一為絕緣箱(7)的方案，將屏蔽箱(6)裝在絕緣箱(7)的內部。二為採用絕緣支柱和法拉弟籠方案。
8.根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於所說的控制系統(4)採用8098或80C31等單片機或微機構成。
全文摘要
本發明提供了一種介質損耗自動測量儀,包括信號轉換器、數據處理器、顯示器、控制系統、電源電路及屏蔽箱、絕緣箱等。其特徵在於:信號轉換器的輸入電壓為兩模擬信號,其輸出信號送到處理器中,由處理器無畸變地求出參考信號及待測信號的峰值及其夾角θ,並求出介質損耗因素和電容量,並對雜散電容進行補償,抗脈衝幹擾處理,進行曲線擬合,對峰值加以格式化等等。由上述構成的測量儀可用於測量介質損耗因素,電容量及兩信號之間的相位角。
文檔編號G01R27/26GK1185585SQ9612299
公開日1998年6月24日 申請日期1996年11月20日 優先權日1996年11月20日
發明者羅卓林, 張茂城, 黃智佳, 孔高祥 申請人:羅卓林, 廣州白雲輕工實業公司