电工电子产品电参数有效值测量方法探讨

国家摩托车质量监督检验中心　杨　栋　李曙光　李　皓　赵清泉



电工电子产品电参数有效值测量方法探讨

国家摩托车质量监督检验中心杨栋李曙光李皓赵清泉

在电气参数测量中，真有效值是一个重要的电参数。真有效值检测在工业生产、电网系统和日常生活中有着广泛的应用。传统的有效值测量一般采用峰值法或平均法。针对含有高次频率谐波的失真正弦波的真有效值的测量，一般的测量仪表准确度偏低。本文通过分析比较，提出了一种信号真有效值测量装置。

有效值；测量；电压

1　引言

在日常的设备管理、维护、维修中经常出现设备的保险熔断、断路器频繁跳闸等情况。此类现象的发生都有其随机性，究其原因有两个方面。一是电路回路里真实的电流高于设备电流使用限值，但运行中测量又是正常的。二是设备负载，在设备开启时所产生的冲击电流。总之，这种情况的发生是因为电压过高引起的。

在实际的电压测量中经常会出现测量值比实际值低这种情况，究其原因是电子测量仪器对于失真（畸变）电压的测量不够准确，做到精确测量有一定的难度。据有关资料介绍，波形失真度在5 %时，有效值误差已经大大超过±0. 5 %。对正弦波，即使存在1 % 的波形失真。也要产生约0.3%的误差［1］［2］。如果，那么测量仪表就存在问题，这样就有了真有效值的概念。

2　真有效值及其测量

真有效值（TRMS，True Root Mean Sqarel Value），是一个重要的电气参数。有效值是根据能量等效来规定的，当交流电压通过电阻器时，经过一个周期的时间所发出的热量与直流电压通过同一电阻器并经过同一时间所发出的热量相等，则对于标准电压，该直流电压的大小就是交流电的有效值，而对于波形失真的交流电，其值就是该交流电的真有效值，又称为均方根值。

真有效值的测量，在我们实际生产，生活，交通，尤其是电力系统方面，有着非常重要的应用。

电压失真是由于非线性负荷的谐波电流造成的。由于现代化的发展，生活中出现了许多含有非线性元件的产品设备。如笔记本电脑，电视机，含有镇流器的荧光灯，灯光调节器，常用电机速度控制器，电动车中的逆变电源等。它们在运行时，产生的谐波，会对所在电网产生污染［3］。而常用的检测设备如平均值电压表，因为设计采用了均值法原理，而不是真有效值的原理进行测量，则电参数测量会产生误差。

另外，电子电工设备，如保险丝、导线、电缆，开关等都是通过在工频下的有效值来标定的。由于电参数测量误差，会造成电网电流过大或过小，引起误跳闸，或者引发火灾，造成设备产生故障，数据丢失，甚至生产控制瘫痪等，严重影响了人们的日常生活，也造成了电能的浪费谐波会对设备所在电网产生污染，使标准正弦波产生畸变。

如果用真有效值仪表来测量，就会得到其真值，也就会消减这些影响。据此，引入了真有效值的测量概念。

3　真有效值测量的发展及研究现状

3.1真有效值测量的发展

“平均值”法。其原理是在一个标准的正弦波在测量时，信号在进行全波整流处理后得到平均值，再乘以波形因数，得到有效值［4］。这种方法被广泛用于所有的模拟测量仪表。用这种方法测量的有效值是个近似值。对于一个标准的正弦波来说，相对准确。对于非正弦波、含有谐波的正弦波以及有畸变的正弦波则无法准确测出，只能给出一个误差各不相同的有效值，甚至给出一个错误的结果。

随着科学技术的发展，对测试水平提出更高的要求，需要测量交流信号的真有效值。根据真有效值的定义，出现了热电式和运算式的真有效值测量仪器。用这两种方式研制的仪器转换交流均可获得较高的精确度。热电式测量仪器例如基于热电偶的热电仪，其工作原理是热电偶的输出电势与流过加热丝的电流成平方关系。热电式有热电偶和热电阻两种，热电偶具有温差效应，热电阻具有热敏效应。它们作为变换元件，通过比较交、直流流过它们时产生的热量而得到交流有效值。运算式测量装置的原理主要是基于真有效值定义。一般仪表测量原理主要是首先通过电路对输入信号进行处理，如衰减或者放大，或者是电流与电压的相互转化。然后就是对信号进行整流，再由运放组成的对数-反对数运算电路对信号进行“平方/求平均值/开平方”的运算，再进行滤波处理，就得到了交流信号真有效值。

随着计算机的发展，特别是单片机的产生，真有效值测量也向数字化方向发展。随着单片机和真有效值集成芯片的发展，基于单片机和真有效值转换芯片成为真有效值测量的发展趋势。

3.2真有效值测量研究现状

目前，信号真有效值测量方法主要有电子式有效值变换器、热电偶电桥有效值变换器、单片机逐点采样数据并运算得出有效值、真有效值转换器。

其中电子式有效值变换器主要组成是热电阻或热电偶，其转化特点是准确度高，频带宽，但对于环境及温度有着较高的要求，适用于试验室。

电子式有效值变换器主要运用模拟运算放大器组成积分器、平方器等，并通过其完成有效值的转变。这种方法由于运用模拟运算发达器，所以必然存在离散性和平方电路等误差且运放电路易受到如零漂等干扰。

单片机逐点采样数据并运算得出有效值这种方法采用AD芯片采样，利用微处理机中的AD芯片对测信号进行离散采样，后通过不同采样算法进行运算并得出有效值。

真有效值转换器，如AD736系列，LTC1966系列。其具有能计算较为复杂输入信号的有效值，电路接法简单，精度较高，线性化良好，易于校准等特性。这些性能主要归结于内部集成芯片的出现，为真有效值测量的发展，注入了活力，使其向小型化，标准化，智能化方向发展。

4　一种真有效值测量方案

本方案是基于单片机构成的一个真有效值测量。目的是设计出一种可以测量真有效值的装置。

在阐明真有效值测量的发展及现状之后，综合了几种方案设计了一种测量真有效值的装置。

真有效值测量装置示意如下：

图1　电流真有效值检测电路的结构框图

4.1信号采集电路

信号在输入之前需经过调制，主要作用是使得模拟信号完成衰减、放大、滤波等功能。因为在测量时，理想状态下需要将低的信号转化为高输出电平值，在实际测量中，信号采集时，输入信号一般都是比较弱的低电平值，因此需要在前期对低电平信号进行放大，使其满足模拟输入信号放大到与其满量程电压相应的电平这一条件。

由于本设计输入信号是0-5ACV，要根据真有效值芯片的输入电压范围来设计信号采集电路。

4.2真有效值转换

经过前端量程转换电路处理的交流信号，经过真有效值转换芯片，输出一个与交流信号等效的直流电压信号，即为交流信号的真有效值。

4.3AD转换

前端输出的等效直流电压为模拟信号，通过AD芯片对信号进行采样，数模转化，以便单片机的处理。

4.4单片机数据处理

单片机主要是对输入数据进行处理，以便显示，其次，单片机还要控制量程转换开关等。

4.5测量装置的调试和标定

真有效值测量装置设计搭建完成后，要对装置进行电路调试和标定，使其满足设计要求。

［1］袭学元，郭永坤.关于交流失真波电压真有效值的测量［J］.中国知网.

［2］杨志远.电网电压监测方案.三明高等专科学校学报［J］，2004-12，21（4）: 33-37.

［3］美国Fluke公司.电能质量与谐波测量［M］.19962122.

［4］张永瑞.电路分析基础［M］.陕西:西安电子科技大学出版社，2010:183.

杨栋（1983-），男，硕士，现供职于国家摩托车质量监督检验中心，主要从事设备管理工作。