交流耐壓測試裝置製造方法
2023-06-01 05:01:26 2
交流耐壓測試裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了交流耐壓測試裝置，對來自耐壓儀設備電壓通過電壓取樣電路進行採樣，採樣後的電壓送入計量裝置，計量裝置將數據傳送至混合處理器，所述混合處理器將數據在顯示單元上顯示出來；所述電壓取樣電路採用電阻分壓的原理，串聯了多個電阻，最末的兩個電阻中每個電阻的兩端均與對應的電容相併聯。本裝置首次實現了對耐壓儀的精確測量，測量電壓高。本發明裝置測試電壓範圍為1000-5000V。裝置準確度高。電壓顯示保留兩位小數，精度達到0.1％，漏電流範圍在0.05mA—0.25mA。
【專利說明】交流耐壓測試裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高壓計量的交流耐壓測試裝置。
【背景技術】
[0002]耐壓儀屬於測量器具，主要用於電力企業之間、供電企業與用戶之間電錶、採集器、終端等設備測試的儀器，而標準耐壓測試儀及其檢定裝置又是衡量電錶、採集器、終端等設備準確性的重要組成部分。為保證現場測試工作準確無誤地順利開展，交流耐壓測試裝置顯得尤為重要。
[0003]目前國際和國內還沒有測試耐壓儀準確的測量器具，而交流耐壓測試項目是電能表強檢項目之一，故對交流耐壓儀的準確度提出了更高的要求，因此設計一款準確計量耐壓儀的交流耐壓測試裝置顯得特別重要，同時可以滿足交流耐壓測試裝置的潛在市場需求。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了交流耐壓測試裝置，解決當前電能表做耐壓測試過程中耐壓儀的準確度無法判定的問題，該測試裝置準確度達到0.1 %。裝置設計簡潔、直觀、輕便，方便操作人員接線、測試、讀取數據，能夠極大的提高耐壓測試的可靠性和準確性。
[0005]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0006]交流耐壓測試裝置，對來自耐壓儀設備的電壓通過電壓取樣電路進行採樣，採樣後的電壓送入計量裝置，計量裝置將數據傳送至混合處理器，所述混合處理器將數據在顯示單元上顯示出來；所述電壓取樣電路採用電阻分壓的原理，串聯了多個電阻，最末的兩個電阻均與對應的電容相併聯後接地；
[0007]所述電壓取樣電路與計量裝置的V2N/V2P電壓通道相連，利用計量裝置的完全差動輸入方式，對來自耐壓儀的高壓信號通過電壓取樣電路變為幅值為O-1V的交流信號，通過電壓通道送入計量裝置。
[0008]在測試裝置上電或計量裝置受幹擾復位時，由混合處理器通過SPI 口對校表數據進行更新；SIG信號是用來通知混合處理器的一個握手信號，因此混合處理器對SIG信號進行監控，為使在上電和復位後計量裝置能與混合處理器同步進行SPI操作，其復位過程保持RESET信號大於20us低電平，晶片復位，此時SIG輸出高電平，然後混合處理器將RESET信號拉高，設定時間後，計量裝置完成初始化，SIG輸出低電平信號，然後進行SPI操作。
[0009]所述計量裝置的RESET埠和混合處理器的SIG輸入口均接入去耦電容。
[0010]所述混合處理器還與紅外通訊單元、顯示單元、存儲單元、時鐘電路、鍵盤及電池相連。
[0011]所述計量裝置通過SPI接口與混合處理器通訊。
[0012]所述存儲單元包括存儲晶片AT24LC256和Flash存儲器AT45DB161D，用於對數據進行存儲。
[0013]所述紅外通訊單元包括紅外接收單元、紅外發送單元及紅外喚醒單元。
[0014]所述紅外通訊單元初始狀態/CVIR為高電平，當有外部紅外信號照射時，光敏二極體V8接收光信號導通，三極體VlO的基極為高電平，三極體VlO導通，IR-R變為低電平，此時混合處理器控制/CVIR引腳為低電平，打開接收管VI管腳，VIR為變為高電平，接收光信號，經過調製解調後發出，IR-T管腳由混合處理器控制，產生PWM。
[0015]所述測試裝置的外部還包括絕緣外殼。
[0016]本裝置利用電阻分壓的原理，對來自耐壓儀設備(1000V-5000V)電壓進行採樣，採樣電壓通過電阻分壓電路送入計量晶片ATT7026E中，ATT7026E與MSP430F5438通過SPI接口進行通訊，採樣值通過液晶顯示出來。
[0017]外部耐壓儀電壓通過裝置外殼的接線端子接入，耐壓儀開始工作時，測試裝置通過計量電路測出耐壓儀的輸出電壓，通過液晶顯示出來。
[0018]混合處理器，通過SPI接口與ATT7026E進行通訊，ATT7026E通過採樣電路對取樣電壓進行計量，計量值通過液晶屏幕顯示出來，採樣電路通過電阻分壓的原理，通過存儲晶片AT24LC256和Flash存儲器AT45DB161D進行數據存儲，當CPU處於低功耗狀態時，可通過紅外喚醒電錶，讀取測試記錄和時間等，同時通訊也利用紅外接收管HM238RL-W進行校表等操作。也可以按鍵喚醒裝置，進行上下翻屏顯示。
[0019]由耐壓儀發送的高壓信號(1000V-5000V)，經電壓取樣電路I分壓後變為幅值在O-1V的電壓，通過V2N/V2P管腳送至計量晶片控制電路2，V2N/V2P電壓信道的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大輸入Vpp為± 1.5V，兩個引腳內部都有ESD保護電路，最大承受電壓為±6V，計量晶片採集到電壓值通過SPI串行通信接口送入MCU晶片控制電路3中，計量晶片的SPI接口採用從屬方式工作，使用2條控制線和2條數據線:CS、SCLK, DIN和DOUT。MCU控制電路3把採集到的耐壓儀上的電壓值通過IXD顯示電路6顯示出來，當需要紅外喚醒時，啟動紅外通訊電路5，紅外通訊通過一體化的紅外接收器IRM3638L作為接收管，選用高效率的IR7393C作為發射管。每次做耐壓實驗的數據通過存儲器用事件存儲下來，事件包含實驗時的時間、最大電壓值、持續時間，可以分屏顯示。存儲電路7包含串行E2PR0M和FLASH存儲器，串行EEPR0M，存儲容量為256Kbit，它與MCU採用I2C接口進行通訊。耐壓測試裝置一般工作在低功耗狀態，做耐壓測試時才需要喚醒CPU，打開電源電路。採用電池供電，電池電壓由VIN輸入，使能端EN置高，經過線性降壓晶片LDO後降為5V，達到CPU的工作電壓。
[0020]交流耐壓測試裝置的工作原理:通過電阻分壓電路採集耐壓儀產生的高壓信號，送入計量晶片進行計量，計量晶片與MCU通過SPI接口進行通訊，計量晶片為高精度三相有功無功電能專用計量晶片ATT7026E。ATT7026E集成了六路二階Σ - Λ ADC,參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數位訊號處理等電路。ATT7026E能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。ATT7026A支持電阻網路校表以及軟體校表兩種方式。電阻網絡校表適用於電壓通道採用電阻網絡取樣的系統應用，通過簡單的調節電阻網絡就可以將系統誤差校正在I級表的要求以內。而軟體校表是通過相關的校表寄存器對增益、相位進行補償，可以將系統誤差校正在0.5級表的要求以內。有功、無功頻率校驗輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7026E內部的電壓監控電路可以保證加電和斷電時正常工作。ATT7026E片內包含一個(AVcc)電源監控電路，連續對模擬電源進線監控。當電源電壓低於4V±5%時,晶片將被復位。這有利於電路上電和掉電時晶片的正確啟動和正常工作。電源監控電路被安排在延時和濾波環節中，這在最大程度上防止有電源噪聲引發的錯誤，為保證晶片正常工作應對電源去耦，使AVcc的波動不超過5V±5%。
[0021]紅外通信以紅外作為介質來傳送數據信息，由紅外接收器和紅外發射器來完成信號的無線收發。在發射端，對發送的數位訊號經適當的編碼和調製後，送入電光變換電路，驅動紅外二極體發射紅外光脈衝，在接收端，紅外接收器對收到的紅外信號進行光電轉換，並進行調製和解碼後，恢復原信號。紅外發射電路由調製電路、驅動電路及紅外發射器件組成，紅外接收電路由紅外接收器件、前置放大電路、解調電路等構成。
[0022]紅外通訊容易受到環境條件的限制及幹擾，而採用高發射功率的紅外發射管或帶有濾光器的接收器可以大大提高通訊的抗幹擾能力。本裝置設計選用高效率的IR7393C作為發射管，一體化的紅外接收器IRM3638L作為接收管。其中，IR7393C的光功率達到150mW，能有效增強紅外通訊的抗幹擾能力；IRM3638L接收器將光敏二極體、前置放大器和解調器封裝為一體，具有接收紅外信號、內置信號放大、38kHZ濾波、波形檢測輸出的作用。
[0023]本方案使用的E2PR0M採用ATMEL公司的AT24LC256，Flash採用ATMEL公司的AT45DB161D Flash存儲器，時鐘晶片為EPSON公司的RX-8205，LCD液晶為HQ71291-01 (高耐久)。
[0024]本發明的有益效果:
[0025]傳統三相電錶做耐壓試驗時，耐壓儀的誤差較大，精度不高，無法精確測量三相電錶所承受的耐壓值，耐壓實驗是電能表實驗的強檢項目之一，所以耐壓測試需要精確測量。本發明採用高精度計量採樣晶片，在輸入動態工作範圍(1000:1)內，非線性測量誤差小於
0.1%。計量準確，耐壓事件可以查詢，可以保存10次耐壓事件，採集數據更加可靠。
[0026]1、本裝置首次實現了對耐壓儀的精確測量，測量電壓高。本發明裝置測試電壓範圍為 1000-5000V。
[0027]2、裝置準確度高。電壓顯示保留兩位小數，精度達到0.1 %，漏電流範圍在
0.05mA一0.25mA。
[0028]3、耐壓實驗的數據通過存儲器用事件存儲下來，事件包含實驗時的時間、最大電壓值、持續時間，可以分屏顯示。
[0029]4、裝置供電簡單，採用電池供電，功耗小，大約為8mA，能夠記錄I萬次以上耐壓試驗。
[0030]5、裝置設計輕便，簡潔、直觀，有較好的應用推廣前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的耐壓測試裝置的工作原理框圖；
[0032]圖2為電阻分壓採樣電路；
[0033]圖3計量晶片ATT7026E單元；
[0034]圖4 為 MCU 單元 MSP430F54:38 ；
[0035]圖5為紅外通訊單元；
[0036]圖6液晶顯不電路；
[0037]圖7存儲單元；
[0038]圖8電源電路；
[0039]圖9時鐘電路；
[0040]圖中，I高壓輸入信號，2電壓取樣電路，3計量晶片ATT7026E，4MCU單元，5紅外通訊單元，6顯示單元IXD，7存儲單元，8時鐘電路，9按鍵，11LD0晶片，12電池。
【具體實施方式】
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[0041]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
[0042]如圖1所示，交流耐壓測試裝置，交流耐壓儀的高壓輸入信號I傳送至電壓取樣電路2，電壓取樣電路2對高壓輸入信號I進行電壓取樣，電壓取樣電路2將取樣後的信號傳送至計量晶片ATT7026E3，計量晶片ATT7026E3對接受信號進行計量處理後傳送至MCU單元4，MSP430F5438, MCU單元4將數據在顯示單元IXD6上顯示，MCU單元4還與按鍵9相連，用於接收按鍵9操作的指令，MCU單元4還與紅外通訊單元5、存儲單元7及時鐘電路8進行通信，MCU單元4及計量晶片ATT7026E3均與LDO晶片11相連，LDO晶片11與電池12相連。
[0043]電壓取樣電路把採集到的耐壓儀高壓信號轉化為低壓信號，送入計量晶片中，計量晶片通過控制晶片進行通訊，採集到的電壓值通過液晶電路顯示出來，耐壓儀發出高壓信號作為一個事件通過存儲晶片E2PR0M電路存儲起來，電源電路包括線性穩壓器LDO晶片，工作時打開LDO晶片。
[0044]採用計量晶片的V2N/V2P電壓通道，完全差動輸入方式，來自耐壓儀的高壓信號通過電阻分壓電路變為幅值為O-1V的交流信號，通過電壓通道送入計量晶片。計量晶片的ADC為16位，ADC採樣速率可達到3.2KHZ。可以準確採集耐壓儀輸出的高壓信號，誤差在
0.1%，同時可以記錄高壓信號持續的時間，計量晶片採樣速度特別快，持續時間記錄完整，高壓事件通過存儲晶片保存下來。
[0045]測試時，交流耐壓儀高壓側輸出，接在測試裝置的強電端子，交流耐壓儀低壓側輸出，接在測試裝置的弱電端子。
[0046]本裝置利用電阻分壓的原理，對來自耐壓儀設備(1000V-5000V)電壓進行採樣，採樣電壓通過電阻分壓電路送入計量晶片ATT7026E中，ATT7026E與MSP430F5438通過SPI接口進行通訊，採樣值通過液晶顯示出來。
[0047]圖2為電阻分壓採樣電路，採用電阻分壓的原理，串聯了 67個300K電阻(20.1M)，本裝置中電壓通道採用ATT7026E中的V2P/V2N兩個引腳。晶片採樣電壓值範圍為0-1V，，外部高壓為5000V時採樣電壓0.25V，外部電壓為1000V時採樣電壓為0.05V，都在採樣範圍內。串聯多個電阻，一是考慮電阻的溫漂影響，二是考慮電阻的分壓左右，本文選擇的電阻在15ppm以下，確保了測量精度。
[0048]圖3計量晶片ATT7026E單元，ATT7026E為高精度三相有功無功電能專用計量晶片，ATT7026E集成了六路二階Σ-AADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數位訊號處理等電路。ATT7026E與MCU之間有6條接線，其中4條是SPI通訊接口線CS、SCLK, DIN、DOUT，一條ATT7026E的復位控制線，一條握手信號線SIG。ATT7026E提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。
[0049]ATT7026E本身SPI讀寫有很完善的校驗手段，但還更需要加強信號線的抗幹擾能力，因此在設計中SPI通訊接口連線應儘可能的短些，為使SPI傳輸信號不受到幹擾應在周圍用地線包起來。為消除接收信號的高頻幹擾，可在SPI信號線上串聯一個10 Ω的電阻，並在信號輸入端加一個去耦電容，這可近似構成一個低通濾波器，去耦電容可適當的選大些，以增強抗幹擾能力。SPI接口中CS、SCLK, DIN所串電阻和所並電容要儘量靠近ATT7026E晶片，DOUT端所串電阻和所並電容要靠近MCU。
[0050]在上電或ATT7026E受幹擾復位時，必須由外部MCU通過SPI 口對校表數據進行更新，以保證計量的準確性，SIG信號就是用來通知外部MCU的一個握手信號，因此MCU必須對SIG信號進行監控。為使在上電和復位後ATT7026E能與MCU同步進行SPI操作，其復位過程必須保持RESET信號大於20us低電平，晶片復位，此時SIG輸出高電平，然後MCU將RESET信號拉高，大約500us，ATT7026E完成初始化，SIG輸出低電平信號，此過程之後可進行SPI操作，為增強抗幹擾能力在RESET埠和MCU的SIG輸入口都應接入0.1uF的去耦電容。
[0051]圖4為MCU單元MSP430F5438，作為核心控制晶片，MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)推出的16位超低功耗微控制器，因其具有精簡指令集的混合處理器，所以稱之為混合處理器。具有以下優點:
[0052](I)處理能力強(2)運算速度快，MSP430系列單片機能在25MHZ晶體的驅動下，實現40nS的指令周期。16位的數據寬度、以及多功能的硬體乘法器，能實現數位訊號處理的某些算法(如FFT等)。(3)超低功耗，單片機的電源電壓採用的是1.8V-3.6V電壓，因而可使其在IMHZ的時鐘條件下運行時，晶片的電流最低會在165uA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.luA。(4)片內資源豐富，256K快閃記憶體，16KRAM，12位ADC，4個USCI，32位HW乘法器。
[0053]圖5為紅外通訊單元，紅外通訊單元包括3部分，(一)為紅外接收單元，(二)為紅外發送單元，(三)為紅外喚醒單元。
[0054]針對實現手持調校等功能的需要，系統引入了紅外通訊。同時紅外通訊容易受到環境條件的限制及幹擾，而採用高發射功率的紅外發射管或帶有濾光器的接收器可以大大提高通訊的抗幹擾能力。本裝置設計選用高效率的IR7393C作為發射管，一體化的紅外接收器IRM3638L作為接收管。其中，IR7393C的光功率達到150mW，能有效增強紅外通訊的抗幹擾能力；IRM3638L接收器將光敏二極體、前置放大器和解調器封裝為一體，具有接收紅外信號、內置信號放大、38kHZ濾波、波形檢測輸出的作用。
[0055]工作原理:初始狀態/CVIR為高電平，當有外部紅外信號照射時，光敏二極體V8接收光信號導通，VlO的基極為高電平，VlO導通，IR-R變為低電平，此時CPU控制/CVIR引腳為低電平，打開VI管腳，VIR為變為高電平。接收光信號，經過調製解調後發出。IR-T管腳由CPU控制，產生38KHZ的PTOL
[0056]圖6液晶顯示電路，液晶顯示為一塊獨立的模塊，以插件的方式與主板相連，液晶驅動晶片選用BU97950，該晶片支持35*8 = 280段顯示驅動，2線串行接口 SCA、SDA,內置液晶驅動電源電路。
[0057]圖7存儲單元，存儲單元包含(一)串行E2PR0M(二)FLASH存儲器。串行E2PR0M，作為計量的裝置有許多數據如電壓電流係數是變動的或可以通過正常手段修改的，但是不能因系統中的幹擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失，因此裝置必須滿足數據的存儲，而串行E2PR0M是本裝置適合的器件，本裝置使用的是串行EEPR0M，存儲容量為256Kbit，它與MCU採用I2C接口進行通訊。電路如圖7所示，A0A1A2為地址輸入腳，用於多片AT24LC256同時使用時，接相應的高低電平可以作為片選，第7腳WP為保護腳，SCL為讀/寫的時鐘控制端，SDA為讀寫的數據輸出/入口。
[0058]FLASH存儲器，Flash存儲器是一種可在系統進行電擦寫，掉電後信息不丟失的存儲器，它具有低功耗、大容量、擦寫速度快等特點，本裝置採用AT45DB161D Flash存儲器，具有4096頁，每頁512個字節，總容量為16Mbit，內部集成兩個數據緩存SPRAM，對外提供SPI接口。
[0059]圖8電源電路
[0060]測試裝置測試時不需要外部供電，由電池進行供電，電池採用武漢力源的CR-P2電池，電池電壓為6V，晶片輸入電壓由電池提供，本文使用線性穩壓電源晶片RP130N501D，晶片具有反應速度快，輸出紋波小，工作產生的噪聲低等優點，晶片輸出電壓為5V，測試裝置在低功耗設計方面進行了考慮，電池的容量1500mAh，耐壓測試時啟動電池，實驗結束後關閉電池，電池功耗大約為8mA，大約能做I萬次耐壓測試。
[0061]圖9時鐘電路，實時時鐘採用EPSON公司的RX8025-T晶片，其特點如下:
[0062](I)內置高精度32.768KHZ的DTCX (數字溫度補償晶體振蕩器)(2)支持I2C總線功能的高速模式(400K) (3)定時報警功能(4)固定周期定時中斷功能(5)時間更新中斷功能(6)32.768KHZ頻率輸出(具有時能OE功能)(7)閏年自動調節功能(8)寬範圍接口電壓:2.2V到5.5V(9)寬範圍的時間保持電壓1.8V到5.5V(10)低電流功耗:0.8uA/3V。
【權利要求】
1.交流耐壓測試裝置，對來自耐壓儀設備的電壓通過電壓取樣電路進行採樣，採樣後的電壓送入計量裝置，計量裝置將數據傳送至混合處理器，所述混合處理器將數據在顯示單元上顯示出來；所述電壓取樣電路採用電阻分壓的原理，串聯了多個電阻，最末的兩個電阻均與對應的電容相併聯後接地； 所述電壓取樣電路與計量裝置的V2N/V2P電壓通道相連，利用計量裝置的完全差動輸入方式，對來自耐壓儀的高壓信號通過電壓取樣電路變為幅值為O-1V的交流信號，通過電壓通道送入計量裝置。
2.如權利要求1所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，在測試裝置上電或計量裝置受幹擾復位時，由混合處理器通過SPI 口對校表數據進行更新；SIG信號是用來通知混合處理器的一個握手信號，因此混合處理器對SIG信號進行監控，為使在上電和復位後計量裝置能與混合處理器同步進行SPI操作，其復位過程保持RESET信號大於20us低電平，晶片復位，此時SIG輸出高電平，然後混合處理器將RESET信號拉高，設定時間後，計量裝置完成初始化，SIG輸出低電平信號，然後進行SPI操作。
3.如權利要求1或2所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述計量裝置的RESET埠和混合處理器的SIG輸入口均接入去耦電容。
4.如權利要求1所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述混合處理器還與紅外通訊單元、顯示單元、存儲單元、時鐘電路、鍵盤及電池相連。
5.如權利要求1所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述計量裝置通過SPI接口與混合處理器通訊。
6.如權利要求4所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述存儲單元包括存儲晶片AT24LC256和Flash存儲器AT45DB161D，用於對數據進行存儲。
7.如權利要求4所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述紅外通訊單元包括紅外接收單元、紅外發送單元及紅外喚醒單元。
8.如權利要求7所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述紅外通訊單元初始狀態/CVIR為高電平，當有外部紅外信號照射時，光敏二極體V8接收光信號導通，三極體VlO的基極為高電平，三極體VlO導通，IR-R變為低電平，此時混合處理器控制/CVIR引腳為低電平，打開接收管VI管腳，VIR為變為高電平，接收光信號，經過調製解調後發出，IR-T管腳由混合處理器控制，產生PWM。
9.如權利要求1所述的交流耐壓測試裝置，其特徵是，所述測試裝置的外部還包括絕緣外殼。
【文檔編號】G01R35/04GK104181488SQ201410377013
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】何毓函, 翟曉卉, 孫豔玲 申請人:國家電網公司, 國網山東省電力公司電力科學研究院