低压电器通断检测对数据采集主机要求分析

叶小木，王建新

（温州海关综合技术服务中心低压电器实验室，浙江温州 325604）

0 引言

低压电器通断试验所必要的测量参数（如：电压、电流及其峰值、功率因数、直流时间常数、焦耳热能∫i2dt、电弧能量∫u·idt、分断时间、电流的初始上升率等）都是电量参数不同方式的体现，都可以对电流、电压的瞬变量值进行测量并通过处理来获取。在低压电器试验中大多数被测的电量（电流、电压）不能直接接至仪表，要通过传感环节减小或放大这些电量，使其适应测量仪表。而通断类检测类试验，由于通电时间很短，且信号中含有高频分量，对此类信号传统仪表有反应慢、结果不直观而且部分信息难以分析处理的弊端，通常需要采样频率较高的波形记录仪器来进行辅助分析。普通数字存储示波器虽然频带较宽，但其通道较少、精度不高、分析处理需要人工操作或使用另外的计算机配合处理，因此并不适于通断类检测。通断类检测可以使用多通道光线示波器配合传感器进行测量，但光线示波器有采样频率低、结果分析仍需要人工处理、精度较低的缺点。随着计算机技术的发展，计算机数据采集系统在低压电器检测行业得到了普遍应用，限于成本，计算机数据采集系统在通断类检测中应用较多，本文将主要针对低压电器通断类检测论述计算机数据采集主机的特点和技术应用要求。

1 采集主机的构成分析

低压电器通断数据采集系统主机的构成有以下几种形式[1]：1）工控机配合数据采集器件；2）专用架构计算机采集主机配合数据采集器件；3）多通道示波器或类似设备配合数据采集器件；4）单片机构成的专用采集、显示设备。

无论哪种形式，实际上都是由数据采集器件和数据处理核心构成。数据采集器件将各种传感器的输出转换成数据处理核心可以识别的数字量后进行处理、显示、存储或打印，各种数据采集器件以数据采集卡较为常见，数据采集卡是一种能够进行数据采集的计算机扩展卡，使用时只需要安放在计算机相应插槽上或通过USB等方式连接，对数据采集的各种控制可通过计算机软件实现，因操作和使用方便而应用较为广泛。数据采集卡按总线方式主要有ISA、PCI、CPCI和USB等，ISA是比较早的一种总线，目前应用较少，主要缺点是传输速率相对较低，而且其中断是独占的，限制了插槽的数目而影响扩展能力。PCI是目前计算机常用的一种总线，相对ISA总线，它支持即插即用，速率较高、扩展能力好，主要用于家用或普通工业控制计算机。CPCI是在PCI基础上发展的总线，相对于PCI总线具有可热插拔、高开放性、高可靠性，传输率更高的特点，更适用于需要高速、环境条件较差的军工、检测等领域。USB总线最大优点是操作方便，但是相对其它总线可靠性较差，多用于对检测要求相对不高的环境。

数据采集器件按照采集的物理量可分为数字量和模拟量采集两种，模拟量采集是最常用的一种，主要由A/D转换、采样保持、滤波、放大、存储、传输等各种功能模块组成，目前市场上生产数据采集器件的厂商较多，数据采集产品的功能也各不相同。鉴于低压电器通断检测的特殊性，完全满足要求的采集器件并不多。

2 采集主机的技术要求

总体来说，能够在低压电器通断试验使用的采集器件应满足如下要求。

2.1 多通道、并行采集

采集器件要能采集三相回路相间电压、端口电压、各相电流，以及选相电压等额外物理量，常见的采集卡通道数多为数字4的倍数，一般来说具有12个通道的采集卡可以满足一个低压电器通断试验端口的全部测量任务，这可以使用1块或多块数据采集卡组合来完成。随着自动化水平要求的提高，低压电器检测的数据采集逐渐向集中采集和控制方向发展，例如集中控制具有多个回路的电寿命试验系统，相应要求更多的采集通道并能够对各回路对应器件协调控制和处理[2]。

由于低压电器通断试验传感器的输出多为模拟量，采集器件的通道也相应为模拟量采集方式，数据采集卡多使用A/D转换器件进行采集，而根据各通道是否共用A/D转换可分为并行式和串行式采集，串行式采集器件通过多路转换开关使得各通道轮流共用A/D转换，因此各通道的数据并不是同步的，理论上如果串行采集器件采样频率足够高，则各通道数据间由于时间引起的误差可以控制在容许范围内。由于通断检测需要多通道，而采样频率要求又较高，因此目前基本采用并行方式的采集器件，即要求各通道有独立的A/D转换和存储等功能。

2.2 采样频率和存储深度

低压电器通断试验的测量信号属于单次瞬变性质的信号，不能够使用连续信号的采样定理来选用系统的采样频率。一般试验情况下熔断器的极限分断试验的分断时间最短，对于图1所示的电流波形，设从通电到峰值时间为0.2 ms，波形为等腰三角波，则最不利的时候是峰值正好落在两个采样点中间。由于信号单次瞬变的性质，数据采集系统端软件多采用简单的直线段相连的方式显示波形而没有采用拟合、滤波等处理方式，因此峰值正好落在两个采样点中间时可能获得最大的峰值误差。在图1 中设采样频率为f次/s，峰值左侧一点为第n个采样点，峰值落在第n+0.5点，右侧则为第n+1个采样点，则可得：

图1 峰值在采样点中间的三角波

式中：If为峰值电流；Is为对应第n个采样点的实际采样值。

当采样频率为500 kHz时，实际采样峰值与真实峰值之比为99.5%，也就是有0.5%的误差，如果频率提高到1 MHz时，则误差只有0.25%[3]。

上述推导是针对波形为三角波的情况，如果是正弦波则因峰值处变化较平缓，误差则更小些，符合下式：

其中，m为采样频率和正弦信号频率的比值。

熔断器的极限分断试验与上述三角波情况分析相类似，对应频谱范围约为5 kHz，则按照上式对应正弦波时误差e为0.01%。事实上，在快速分断时产生的过电压的波形频率有可能会达到20 kHz，设波形为正弦波，当采样频率为1 MHz时约为0.2%，如果采样频率只有200 kHz时，e达到5%。所以数据采集系统的采样频率应尽可能高一些，但一味提高也没有太大的意义，考虑到成本和技术发展的情况，目前采样频率一般在1～3 MHz左右为宜。对于一些不进行熔断器等快速分断试验的系统，采样频率可以适当降低一些。

由于采集器件频率较高，又是多通道并行采集，因此它与计算机之间的传输一般不是实时的，通常的做法是加大采集器件上的存储芯片容量，如对应1 MHz的采样频率，其每通道存储芯片可以做到16 M以上，这样可以保证可以暂存10 s左右时间的数据。低压电器的通断时间一般在几十毫秒以内，预期波拍摄时间一般不超过200 ms，特殊的（如短时耐受试验）可以通过降低采样频率来获得较长的存储时间，因此有1 s左右的缓冲时间基本上已经能够满足要求，待试验操作完成后将数据传输到计算机进行处理。存储深度较大也是低压电器通断试验所用数据采集器件与普通产品的一个重要区别。

此外，在高速采集器件中一般设有专用的硬件触发电路，这一点与普通低速的采集卡不同，因为在低速情况下，数据传输速率完全能够保证计算机和采集器件数据的长期连续读取，因此触发判断可以通过软件解决。

2.3 精度和量程

采集器件的系统精度受到其内部多种部件的影响，如A/D转换的量化误差、放大器的误差等，如前所述，最终测量精度甚至要受到测试信号频率的影响。量化误差是信号从模拟量转换成数字量，由A/D转换的位数决定的，常用的数据采集卡的A/D转换位数有8位、12位、14位、16位、18位等，对于有舍有入的量化误差其占满量程的比例为

式中：n为A/D转换位数；对于12位的A/D转换，q为1/8192。

实际上，量化误差对测试的影响还要受到信号的幅值影响，例如信号峰值如果只有A/D转换量程的1/4，则量化误差占信号峰值的比例q为1/2048。实际的数据采集器件量化误差还要受到信号频率、窗口不确定性等诸多因素影响，真实量化误差要小于上述公式计算值，实际试验过程中，测试物理量的幅值有时是难以估计的，即所选量程有可能大大超过实际信号幅值，而试验通常是单次不可重复的，因此量化误差也要越小越好，现在多数低压电器试验所用采集器件A/D位数多在14位以上[4]。

受采集器件各种功能部件的影响，其本身的系统误差都要大于量化误差，这取决于产品的技术和制造水平，一般来说数据采集器件的精度相对于整个采集系统的其它器件是比较高的，可以做到1‰以下。

计算机数据采集器件的输入一般都是低压信号，量程的大小视传感器输出而定，也可以通过增加中间放大、衰减器件来调配量程。为了提高测试精度和方便操作，低压电器通断试验所使用的数据采集器件一般都有多个量程可选，例如±1 V、±2 V、±3 V、±10 V、±20 V等，可以通过软件操作，配合隔离放大器等可搭配出多种量程以适用于不同的测试需要。

2.4 可靠性、抗干扰能力

由于低压电器通断检测具有不可重复性、强电磁干扰等特点，因而对数据采集器件的可靠性和抗干扰能力要求较高，要求采集器件的信噪比、共模抑制比要好，在实际使用中，也可以采取一些措施来提高可靠性和抗干扰能力，如采用屏蔽性比较好的主机机箱、将数据采集器件远离试验现场等。

无论形式如何，采集的数据最终要汇总到计算机形式的处理核心进行处理，低压电器通断检测的数据采集器件多采用计算机扩展卡形式装在计算机主机箱内，计算机主机通常距离试验现场不远，基于现场条件的特殊性，对计算机主机的主要要求有如下几点：1）架构和配置满足多通道、可扩展和高数据传输速率要求；2）除了部分大电流试验端口采用专机专用形式外，对于类似多端口电寿命系统、多磁路特性试验系统等检测条件，主机形式应有较好的可移动性、便捷性；3）具有较强的抗干扰能力和可靠性。

3 综述

数据采集系统所使用的计算机可分为通用的工控机和专用架构主机2种。工控机就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的振动、灰尘特别多、有很高的电磁场力干扰等特点，通常安装有ISA或PCI总线插槽，可用于放置数据采集卡等器件。相对普通计算机，工控机采用了一些特殊的措施，如钢结构机箱、特制主板等，增强了可靠性，可以长时间稳定工作。工控机的优点是价格较低、比较通用，缺点是大部分工控机是为一般工业环境设计，插槽数目有限，扩展不方便，相对应使用的数据采集卡一般不是为低压电器通断检测等专业条件设计，性能不高，接线不便。

另一种主机形式是为数据采集特制的专用计算机主机，通常主机和数据采集器件为同一厂商生产，因此采集器件和计算机主机的兼容性更好，使用更方便。这种机箱结构考虑了各种更恶劣的环境条件，适于强电流冲击检测、电力系统、军工等应用。主机扩展功能较强，可以有多种功能扩展卡选择。专用主机多采用CPCI总线，可以提供更高的传输速率和可靠性，甚至可以做到在高速率下连续长期采集，通常厂商提供相应的配套软件，系统更稳定而且接线方便。此类主机在低压电器检测行业中应用较广，缺点是价格比工控机高得多。

上述工控机或专用主机多适于专机专用的场合，在低压电器检测领域，通常是一台主机对应一个或几个端口，但是布线已经固定且主机体积和质量较大。然而有许多场合由于检测位置的变动或临时需要，都需要一种能够接线方便、易移动的数据采集设备。近年来市场上出现了一种类似示波器形式的数据采集主机，它实际上是由一体化计算机和数据采集器构成，集主机、显示、采集、隔离功能于一体。这种形式的体积和质量不大、接线方便，比较适用于经常移动的场合，它的主要缺点是由于增加了隔离功能而采样速率不高，一般为200 k/s左右，但是对于类似电寿命等信号频率不高的情况基本能满足需求。

4 结语

现有传感数据处理和计算机系统的综合精度可以达到2.5%[5]。随着时间的推移和科技的进步，测量技术也在不断发展，数据采集测试系统在低压电器通断检测中的应用将会日新月异地改变和进化。鉴于低压通道检测项目的特殊性，数据采集主机的科学配置显得尤为重要，相关实验室应该谨慎选择符合标准要求的数据采集主机，保证试验数据的准确性。