多参量电测设备自动校准装置的研究*

2013-05-14河南省计量科学研究院郑州450008

计量技术 2013年12期

(河南省计量科学研究院，郑州 450008)

0 引言

交直流指示仪表校验装置、多功能交流采样变送器校验装置、电测量仪表检定装置和变送器与仪表检定装置等设备(以下通称多参量电测设备)作为计量标准器被广泛用于发电、铁路、石油和化工等大型工矿企业和计量科研机构。为了保证这类设备的量值有效溯源，国内各省级计量部门、电力试验院陆续购置标准设备用于开展多参量电测设备的校准工作。但是，目前国内现有标准设备几乎都不能同时进行测量功能和输出功能的校准，并且量程范围窄，尤其是小电压(流)和大电压(流)信号输出稳定性差，不能覆盖被检多参量电测设备的范围[1]。

为了能够进行更精准的量值传递，更好地服务市场需求，我们研制了多参量电测设备自动校准装置，重点解决了现有设备所存在的小电压(流)和大电压(流)信号输出稳定性差及测量/输出功能不能在一个装置上完成校准的问题。

1 装置的总体结构

多参量电测设备自动校准装置的总体结构[2]如图1所示。整个装置由三相交流标准源、直流标准源、标准表、控制系统和计算机组成。

图1 装置的总体结构框图

用户通过计算机和标准表、标准源及被检设备进行通讯，根据多参量电测设备类型的不同，采用以下三种模式来完成校准工作。

1)标准表校源模式：以标准表为标准，实现对被校设备的输出功能(如直流电压、电流，三相交流电压、电流、功率、频率和相位等)的校准；

2)标准源校表模式：以直流标准源和三相交流标准源为标准，实现对被校设备的测量功能(如直流电压、电流，三相交流电压、电流、功率、频率和相位等)的校准；

3)标准表校表模式：以标准表为标准，直流标准源和三相交流标准源为辅助设备，提供稳定的信号输出，从而实现对被校设备的测量功能(如直流电压、电流，三相交流电压、电流、功率、频率、相位等)的校准。

2 装置的工作原理

装置的工作原理根据被检对象模式(被检表/被检源)的不同而有所区别。

检表模式：控制系统接收用户发出的各种命令(计算机或键盘)，并通过通讯接口向各相交流标准源或直流标准源发送指令，标准源输出用户要求的电压、电流信号，并在显示屏及标准表上同时显示。

检源模式：此模式下，标准源不起作用，相当于直接用标准表测量被校设备的输出值。

由此可以看出，整个装置的核心在于各标准源的输出控制及检表/检源模式的切换控制。

2.1 装置的输出控制

装置的控制系统上面设置有键盘、触摸屏，可以通过它们发送指令进而对装置的输出进行控制，也可通过计算机发送指令。输出控制的原理框图如图2所示。

图2 装置的输出控制原理框图

其中三相交流标准源的A相作为主控源，它同时向B、C相标准源提供主频时钟信号和同步信号。

直流电压源的实现分成两个部分，第一路是10V及以下档位，由CPU通过D/A合成直流电压波形信号，然后再对波形信号的放大来实现；第二路是10V以上档位，采用PWM技术实现大电压信号的输出。

直流电流源的实现是先由CPU通过D/A合成一个直流电压波形信号，再让这个电压信号流过一个高稳定度的标准电阻而产生一个电流信号，然后再对这个电流信号进行放大进而得到需要的电流值。

在具体的设计中，我们采用32位高性能和低功耗的微处理器ARM9芯片；电路的规划设计使用可编程逻辑器件FPGA，实现对三相标准源和直流标准源[3]的输出管理控制；为了防止异常情况出现，设计了电压源过载和短路报警、电流源过载和短路报警系统；编码按键使用CPLD芯片实现；液晶显示屏直接由ARM9芯片管理，实现实时性管理控制。

2.2 装置的切换控制

为了既可对多参量电测设备的输出功能进行校准，也可对其测量功能进行校准，在设计时，标准装置有检表、检源两种模式，共用一块交流标准表，因此要通过切换控制进行两种模式的切换。

装置开机默认为检表模式，这时可以调节装置输出信号，用来校准多参量电测设备的测量功能。当切换至检源模式时，控制系统控制继电器动作切换模式，这时标准源将无法输出，可进行多参量电测设备输出功能的校准。

交流电压的切换控制如图3所示。在检表模式时，K2闭合，此时实现以源检表，整个装置作为输出源使用；当K2断开时，为检源模式，实现以表检源，整个装置作为表使用。

图3 交流电压的切换控制

交流电流的切换控制以交流电流中的A相电流为例，如图4所示。K2-1、K2-2控制逻辑为反。在检表模式时，K2-1闭合，K2-2断开，此时实现以源检表，整个装置作为输出源使用；在检源模式时，K2-1断开，K2-2闭合，此时实现以表检源，整个装置作为表使用。

图4 交流电流的切换控制

3 关键技术

目前，多参量电测设备的类型较多，为了能覆盖此类设备的量程范围，要求校准装置有足够宽的输出范围，尤其是小电压(流)和大电压(流)要保证其稳定性。

3.1 小电压、小电流的稳定性及准确度保证

1)基准参考电压选用ADI公司的AD588，其温漂系数为1.5×10-6/℃，准确度可达0.01%。

2)为了防止大电压(流)源对小电压(流)源的影响，在电源设计上采用了分别供电的方式。

3)采用高导磁率的磁性材料对小电压、小电流电路进行电磁屏蔽。首先，使用特制屏蔽罩将小电压、小电流的生成电路的印制板全部屏蔽起来，然后，再使用屏蔽线将小电压、小电流的输出线路部分全部屏蔽起来，避免系统或者外部的射频信号干扰输出电压。

4)在印刷电路板设计时对发热区、恒温区隔离，将可能会影响小电压(流)源输出稳定性的且有一定温度敏感的重要电路及元器件置于恒温区内,使这些电子元器件工作温度始终处于设定的恒定温度区(如40℃)。

5)小电压(流)源信号的传输线采用同种金属材料和冷焊技术制成的导线连接，尽量减少接触电动势和热电偶效应的影响。

3.2 大电压、大电流的稳定性及准确度保证

在反馈采样电路中使用的V/V变换器和I/V变换器，是标准源大电流及大电压输出稳定可靠的重要保证。

对于大电压输出的电压反馈网路，我们采用了V/V变换器进行衰减变换，大电压信号经降压后变换为小电压信号，对于小电压信号则无需分压衰减，甚至还需要放大电路进行适当放大，处理后的反馈信号再经过AC/DC转换，并经A/D转换后送微处理器，微处理器将采样的数据与预设值进行比较，并利用控制技术进行处理，采样的数据同时经转化后送显示单元显示。

对于大电流输出的电流反馈网路，通常采用I/V变换的互感器，其主要功能是将大电流变换成小电压信号，其转换准确度的高低取决于电流互感器准确度的高低，由于单级电流互感器的准确度很难提高，因而我们采用双级补偿式电流互感器，其等效线路如图5所示。

图5 双级互感器的等效线路

上述线路可以大大提高测量准确度，其误差ε=ε1×ε2，也就是说综合误差相当于二个单级电流互感器的乘积，可确保电流测量的准确度。为了提高系统的抗干扰能力，以确保电源，用户(负载回路)和A/D(微机)之间的相互隔离即保持各自的独立性，我们采用无源的补偿方式，最终设计的这种变换器的尺寸仅为100mm×100mm×100mm，可在电源中内附，从而大大减少了装置的复杂程度，提高了可靠性。

4 装置达到的技术指标

装置研制完成后，经中国计量科学研究院进行计量校准，确认装置技术指标达到设计要求。交流电压输出范围：100mV～900V；交流电流输出范围：100μA～110A；直流电压输出范围：5mV～1100V；直流电流输出范围：1μA～33A。其中交流、直流电压10V以下量程的稳定度均可达0.005%/min；交流电流5mA以下量程的稳定度可达0.02%/min；直流电流1mA以下量程的稳定度可达0.005%/min；交流电流100A量程的稳定度达到了0.01%/min；直流电流30A量程的稳定度达到了0.005%/min。