多參量電測設備自動校準裝置的研究*

(河南省計量科學研究院，鄭州 450008)

0 引言

交直流指示儀表校驗裝置、多功能交流采樣變送器校驗裝置、電測量儀表檢定裝置和變送器與儀表檢定裝置等設備(以下通稱多參量電測設備)作為計量標準器被廣泛用于發(fā)電、鐵路、石油和化工等大型工礦企業(yè)和計量科研機構。為了保證這類設備的量值有效溯源，國內各省級計量部門、電力試驗院陸續(xù)購置標準設備用于開展多參量電測設備的校準工作。但是，目前國內現有標準設備幾乎都不能同時進行測量功能和輸出功能的校準，并且量程范圍窄，尤其是小電壓(流)和大電壓(流)信號輸出穩(wěn)定性差，不能覆蓋被檢多參量電測設備的范圍[1]。

為了能夠進行更精準的量值傳遞，更好地服務市場需求，我們研制了多參量電測設備自動校準裝置，重點解決了現有設備所存在的小電壓(流)和大電壓(流)信號輸出穩(wěn)定性差及測量/輸出功能不能在一個裝置上完成校準的問題。

1 裝置的總體結構

多參量電測設備自動校準裝置的總體結構[2]如圖1所示。整個裝置由三相交流標準源、直流標準源、標準表、控制系統(tǒng)和計算機組成。

圖1 裝置的總體結構框圖

用戶通過計算機和標準表、標準源及被檢設備進行通訊，根據多參量電測設備類型的不同，采用以下三種模式來完成校準工作。

1)標準表校源模式：以標準表為標準，實現對被校設備的輸出功能(如直流電壓、電流，三相交流電壓、電流、功率、頻率和相位等)的校準；

2)標準源校表模式：以直流標準源和三相交流標準源為標準，實現對被校設備的測量功能(如直流電壓、電流，三相交流電壓、電流、功率、頻率和相位等)的校準；

3)標準表校表模式：以標準表為標準，直流標準源和三相交流標準源為輔助設備，提供穩(wěn)定的信號輸出，從而實現對被校設備的測量功能(如直流電壓、電流，三相交流電壓、電流、功率、頻率、相位等)的校準。

2 裝置的工作原理

裝置的工作原理根據被檢對象模式(被檢表/被檢源)的不同而有所區(qū)別。

檢表模式：控制系統(tǒng)接收用戶發(fā)出的各種命令(計算機或鍵盤)，并通過通訊接口向各相交流標準源或直流標準源發(fā)送指令，標準源輸出用戶要求的電壓、電流信號，并在顯示屏及標準表上同時顯示。

檢源模式：此模式下，標準源不起作用，相當于直接用標準表測量被校設備的輸出值。

由此可以看出，整個裝置的核心在于各標準源的輸出控制及檢表/檢源模式的切換控制。

2.1 裝置的輸出控制

裝置的控制系統(tǒng)上面設置有鍵盤、觸摸屏，可以通過它們發(fā)送指令進而對裝置的輸出進行控制，也可通過計算機發(fā)送指令。輸出控制的原理框圖如圖2所示。

圖2 裝置的輸出控制原理框圖

其中三相交流標準源的A相作為主控源，它同時向B、C相標準源提供主頻時鐘信號和同步信號。

直流電壓源的實現分成兩個部分，第一路是10V及以下檔位，由CPU通過D/A合成直流電壓波形信號，然后再對波形信號的放大來實現；第二路是10V以上檔位，采用PWM技術實現大電壓信號的輸出。

直流電流源的實現是先由CPU通過D/A合成一個直流電壓波形信號，再讓這個電壓信號流過一個高穩(wěn)定度的標準電阻而產生一個電流信號，然后再對這個電流信號進行放大進而得到需要的電流值。

在具體的設計中，我們采用32位高性能和低功耗的微處理器ARM9芯片；電路的規(guī)劃設計使用可編程邏輯器件FPGA，實現對三相標準源和直流標準源[3]的輸出管理控制；為了防止異常情況出現，設計了電壓源過載和短路報警、電流源過載和短路報警系統(tǒng)；編碼按鍵使用CPLD芯片實現；液晶顯示屏直接由ARM9芯片管理，實現實時性管理控制。

2.2 裝置的切換控制

為了既可對多參量電測設備的輸出功能進行校準，也可對其測量功能進行校準，在設計時，標準裝置有檢表、檢源兩種模式，共用一塊交流標準表，因此要通過切換控制進行兩種模式的切換。

裝置開機默認為檢表模式，這時可以調節(jié)裝置輸出信號，用來校準多參量電測設備的測量功能。當切換至檢源模式時，控制系統(tǒng)控制繼電器動作切換模式，這時標準源將無法輸出，可進行多參量電測設備輸出功能的校準。

交流電壓的切換控制如圖3所示。在檢表模式時，K2閉合，此時實現以源檢表，整個裝置作為輸出源使用；當K2斷開時，為檢源模式，實現以表檢源，整個裝置作為表使用。

圖3 交流電壓的切換控制

交流電流的切換控制以交流電流中的A相電流為例，如圖4所示。K2-1、K2-2控制邏輯為反。在檢表模式時，K2-1閉合，K2-2斷開，此時實現以源檢表，整個裝置作為輸出源使用；在檢源模式時，K2-1斷開，K2-2閉合，此時實現以表檢源，整個裝置作為表使用。

圖4 交流電流的切換控制

3 關鍵技術

目前，多參量電測設備的類型較多，為了能覆蓋此類設備的量程范圍，要求校準裝置有足夠寬的輸出范圍，尤其是小電壓(流)和大電壓(流)要保證其穩(wěn)定性。

3.1 小電壓、小電流的穩(wěn)定性及準確度保證

1)基準參考電壓選用ADI公司的AD588，其溫漂系數為1.5×10-6/℃，準確度可達0.01%。

2)為了防止大電壓(流)源對小電壓(流)源的影響，在電源設計上采用了分別供電的方式。

3)采用高導磁率的磁性材料對小電壓、小電流電路進行電磁屏蔽。首先，使用特制屏蔽罩將小電壓、小電流的生成電路的印制板全部屏蔽起來，然后，再使用屏蔽線將小電壓、小電流的輸出線路部分全部屏蔽起來，避免系統(tǒng)或者外部的射頻信號干擾輸出電壓。

4)在印刷電路板設計時對發(fā)熱區(qū)、恒溫區(qū)隔離，將可能會影響小電壓(流)源輸出穩(wěn)定性的且有一定溫度敏感的重要電路及元器件置于恒溫區(qū)內,使這些電子元器件工作溫度始終處于設定的恒定溫度區(qū)(如40℃)。

5)小電壓(流)源信號的傳輸線采用同種金屬材料和冷焊技術制成的導線連接，盡量減少接觸電動勢和熱電偶效應的影響。

3.2 大電壓、大電流的穩(wěn)定性及準確度保證

在反饋采樣電路中使用的V/V變換器和I/V變換器，是標準源大電流及大電壓輸出穩(wěn)定可靠的重要保證。

對于大電壓輸出的電壓反饋網路，我們采用了V/V變換器進行衰減變換，大電壓信號經降壓后變換為小電壓信號，對于小電壓信號則無需分壓衰減，甚至還需要放大電路進行適當放大，處理后的反饋信號再經過AC/DC轉換，并經A/D轉換后送微處理器，微處理器將采樣的數據與預設值進行比較，并利用控制技術進行處理，采樣的數據同時經轉化后送顯示單元顯示。

對于大電流輸出的電流反饋網路，通常采用I/V變換的互感器，其主要功能是將大電流變換成小電壓信號，其轉換準確度的高低取決于電流互感器準確度的高低，由于單級電流互感器的準確度很難提高，因而我們采用雙級補償式電流互感器，其等效線路如圖5所示。

圖5 雙級互感器的等效線路

上述線路可以大大提高測量準確度，其誤差ε=ε1×ε2，也就是說綜合誤差相當于二個單級電流互感器的乘積，可確保電流測量的準確度。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以確保電源，用戶(負載回路)和A/D(微機)之間的相互隔離即保持各自的獨立性，我們采用無源的補償方式，最終設計的這種變換器的尺寸僅為100mm×100mm×100mm，可在電源中內附，從而大大減少了裝置的復雜程度，提高了可靠性。

4 裝置達到的技術指標

裝置研制完成后，經中國計量科學研究院進行計量校準，確認裝置技術指標達到設計要求。交流電壓輸出范圍：100mV～900V；交流電流輸出范圍：100μA～110A；直流電壓輸出范圍：5mV～1100V；直流電流輸出范圍：1μA～33A。其中交流、直流電壓10V以下量程的穩(wěn)定度均可達0.005%/min；交流電流5mA以下量程的穩(wěn)定度可達0.02%/min；直流電流1mA以下量程的穩(wěn)定度可達0.005%/min；交流電流100A量程的穩(wěn)定度達到了0.01%/min；直流電流30A量程的穩(wěn)定度達到了0.005%/min。

5 全自動校準軟件的設計

多參量電測設備型號較多，且功能各異、量程復雜、數據準確度要求較高，在人工校準時工作量非常大，效率比較低，為此，我們設計開發(fā)了全自動校準軟件。

該軟件利用先進的計算機通訊技術，對標準源、標準表和多參量電測設備進行程控，可實現數據的實時采集、自動處理和誤差計算，校準結束后可將數據自動導出、打印記錄，使得多參量電測設備的校準工作更加自動化、規(guī)范化，提高了多參量電測設備校準工作的效率。自動校準軟件的工作流程圖如圖6示。

圖6 軟件工作流程圖

軟件采用模塊化設計，靈活、方便且具有開放性。用戶可根據被校準的多參量電測設備的功能、量程及客戶的需要自定義校準方案，隨時增加或減少校準點，可以根據校準人員的習慣從任一功能的任一校準點開始工作。

6 結束語

多參量電測設備自動校準裝置的成功研制，有利于多參量電測設備校準工作的開展，能更好的服務于各級計量測試機構及大型工礦企業(yè)，具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

[1] JJG(豫)147—2010 電測量儀表校驗裝置檢定規(guī)程

[2] 劉瑋蔚.高精度全自動交直流指示儀表標準裝置設計.河南科技，2012(18)

[3] 徐民，等.電量變送器校驗裝置直流測量系統(tǒng)的設計.儀表技術，2009(1)

[4] 劉忠戰(zhàn)，等. 有源電子式互感器實現準無源化的改進.高壓電器，2011(10)

[5] 張彥，等.電測儀表微機檢定管理系統(tǒng)的開發(fā)與設計[J].電測與儀表，2003，40(6)

[6] 董鵬，等. 新型直流標準源的研究[J].計量技術，2003(7)

[7] 陳家華. 高精度標準源的開發(fā)[J].中國計量，2011(2)