剩余電壓測(cè)試儀的研制

【作 者】曾小輝，吳明軍，曹俐，賀金義，鄧振生

1 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410083

2 湖南省醫(yī)療器械與藥用包裝材料(容器)檢測(cè)所，長(zhǎng)沙市，410001

0 引言

剩余電壓是指用插頭連接電源的電氣設(shè)備通電后，在拔掉插頭的瞬間，插頭上L、N之間以及L、N分別對(duì)地的殘余電壓[1-3]。醫(yī)療環(huán)境中的操作者或者病人，在意外接觸到拔斷插頭的瞬間，可能會(huì)引起安全方面的危險(xiǎn)。因此，在儀器設(shè)計(jì)中，剩余電壓測(cè)量顯然具有重要的意義。

剩余電壓的產(chǎn)生是由于電氣設(shè)備內(nèi)部存在電容、電感等儲(chǔ)能元件。當(dāng)電氣設(shè)備斷電后，電容、電感等儲(chǔ)能元件上的殘余電荷（也可稱之為“殘余能量”）會(huì)通過自身的回路釋放電荷，放電的速率取決于殘余電荷的電荷量、儲(chǔ)能元件的容量大小及回路電阻的大小[4-6]。

目前，測(cè)量剩余電壓的方法主要有專用設(shè)備測(cè)試以及存儲(chǔ)示波器測(cè)試[7-8]。專業(yè)測(cè)試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是操作使用方便，直接顯示測(cè)量結(jié)果，并且設(shè)置了超壓的報(bào)警提示。其缺點(diǎn)是專用測(cè)試設(shè)備每次測(cè)試值相差較大，無法滿足測(cè)試的精密度，且不能獲得放電曲線，一旦出現(xiàn)過壓報(bào)警，不易于依據(jù)原理排除故障數(shù)據(jù)[9]。存儲(chǔ)示波器測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試過程直接明了，能夠全程顯示放電曲線，測(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確，已被絕大多數(shù)測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)可。其缺點(diǎn)是難以準(zhǔn)確地在峰值處斷電，需要許多次的重復(fù)測(cè)量才能得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的值[10]。上述常用的兩種測(cè)量方法，都存在一定程度上的不足。針對(duì)其缺點(diǎn)與不足，本文對(duì)剩余電壓測(cè)試的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，采用模擬電路和通用微機(jī)研制成功了基于電壓峰值檢測(cè)斷電的剩余電壓測(cè)試儀，該測(cè)試儀不僅能在峰值處準(zhǔn)確斷電，還能實(shí)現(xiàn)放電波形曲線和電壓數(shù)值的雙重顯示及報(bào)警等功能。1 剩余電壓測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 被測(cè)儀器放電等效分析

根據(jù)被測(cè)儀器中儲(chǔ)能元件的性質(zhì)，可以將儀器放電等效為兩種模型：電容通過電阻放電和電容電感震蕩放電。兩種等效模型剩余電壓在各個(gè)時(shí)刻的最大值均是在電源峰值處斷電，因此，只要能使被測(cè)電氣設(shè)備在供電電源峰值處斷電，就能把剩余電壓在各個(gè)時(shí)刻的最大值運(yùn)用數(shù)值和波形進(jìn)行顯示。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本儀器硬件設(shè)計(jì)是通過模擬電路（過零檢測(cè)電路）檢測(cè)供電電源的零點(diǎn)，然后將檢測(cè)到的零點(diǎn)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，輸入到微處理器中，再通過微處理器計(jì)算延時(shí)時(shí)間，最后在電壓峰值的瞬間，通過微處理器輸出信號(hào)來控制繼電器給儀器斷電，使被測(cè)儀器在電壓峰值處斷電，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)或示波器實(shí)時(shí)顯示供電波形和放電波形，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Hardware design framework

儀器硬件電路主要包括三個(gè)部分：(1)電壓峰值斷電檢測(cè)系統(tǒng)；(2)數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)；(3)電源供電系統(tǒng)。

電壓峰值檢測(cè)斷電系統(tǒng)由過零檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路以及繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路組成。圖2為過零檢測(cè)電路，供電電源電壓通過變壓器降壓到15 V交流，再經(jīng)過橋式整流器對(duì)電源進(jìn)行整流，得到全波整流后的電壓波形，當(dāng)全波整流后的電壓過零點(diǎn)附近時(shí)，三極管斷開，由于電容和穩(wěn)壓管的作用，輸出電壓約為+5 V；當(dāng)電源電壓大于三極管的Ube時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)，三極管的Uce約為0，輸出電平為低；該信號(hào)通過非門變?yōu)門TL信號(hào)，得到脈寬更窄的脈沖信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)的外部觸發(fā)中斷，啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器，定時(shí)一定時(shí)間，然后輸出控制信號(hào)控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路，使繼電器釋放從而使儀器斷電。其中，由于國(guó)內(nèi)的供電電源是50 Hz的交流電，因此，從零點(diǎn)到峰值點(diǎn)的時(shí)間為5 ms。檢測(cè)到的脈沖信號(hào)脈寬約為0.3 ms，繼電器的釋放時(shí)間跟繼電器的工作電壓以及繼電器本身的性能有關(guān)。本文使用finder 40.52繼電器，該繼電器為雙刀雙擲的直流控制交流繼電器，負(fù)載電流可達(dá)8 A，釋放時(shí)間最大為4 ms，實(shí)際電路中測(cè)量結(jié)果為9.6 ms，為了能夠使儀器在峰值處準(zhǔn)確斷電，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為T：

其中，T1為儀器供電電壓的1/4周期，T2為脈沖信號(hào)的1/2，T4為繼電器的實(shí)際延時(shí)，本設(shè)計(jì)中N為正整數(shù)。本設(shè)計(jì)中電路實(shí)際的延時(shí)時(shí)間為15 ms，程序定時(shí)延時(shí)時(shí)間為5.55 ms。

圖2 過零檢測(cè)電路Fig.2 Zero cross detection circuit

數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)包括分壓電路、跟隨電路以及由單片機(jī)控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送電路。如圖3所示，分壓電路采用高值電阻串聯(lián)分壓，設(shè)計(jì)合適的分壓比，盡可能的消除測(cè)量電路對(duì)實(shí)際結(jié)果的影響,，同時(shí)采用電壓跟隨器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端。系統(tǒng)采用串口通信實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，在上位機(jī)中用虛擬儀器LabVIEW編程，控制電路和顯示。分壓電路分壓比為100:1，選用高阻金屬膜電阻。金屬膜電阻具有精度高、穩(wěn)定性好、噪聲及溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，且阻值范圍很寬，為(l～1000)MΩ，精度可達(dá)±0.05%。電路總電阻為1010 MΩ，這樣分壓電路的電流最大約為0.5 μA，因此，可以忽略測(cè)量電路對(duì)儲(chǔ)能元件放電的影響。為了使測(cè)量電路阻抗匹配，采用OPA277系列運(yùn)放做電壓跟隨電路，其共模輸入阻抗可達(dá)到1013Ω，輸出阻抗很小。因此，基本上不會(huì)對(duì)分壓電路的分壓比產(chǎn)生影響，同時(shí)又能很好的將信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片中。

圖3 分壓及跟隨電路Fig.3 Voltage division and follower circuit

剩余電壓測(cè)量需要測(cè)量火線對(duì)地，零線對(duì)地，以及火線對(duì)零線的電壓，由于測(cè)量結(jié)果中含有交流電壓，所以需要選擇可雙極性輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了±5 V的芯片供電電源以及+12 V的繼電器工作電源。

1.3 關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)

儀器軟件設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)初始化、外部中斷延時(shí)和控制信號(hào)輸出等過程，具體流程如圖4所示。其中系統(tǒng)初始化包括控制繼電器吸合給儀器供電、啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口通信、顯示當(dāng)前測(cè)量結(jié)果等。開始檢測(cè)后，單片機(jī)開始檢測(cè)外部中斷的電平，若檢測(cè)到電平由低到高，則啟動(dòng)延時(shí)程序，等待延時(shí)結(jié)束，發(fā)出信號(hào)控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器給儀器斷電。本文設(shè)計(jì)的延時(shí)為可調(diào)延時(shí)，既可以大幅度的調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間也可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)。當(dāng)觀測(cè)到的波形不是在峰值處斷電時(shí)，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間來使得測(cè)量能夠準(zhǔn)確的在峰值處斷電，并顯示完整的波形。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software fl ow chart

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5 剩余電壓測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measurement results of residual voltage

本儀器采用上位機(jī)顯示、LabVIEW軟件編寫控制和顯示界面，通過該界面可以直接控制使被測(cè)儀器斷電，也可以通過本儀器上的按鈕實(shí)現(xiàn)斷電功能。如圖5所示，將被測(cè)儀器連接好后通電，選擇開始采樣，首先采集到的是220 V的市電，在繼續(xù)采樣的同時(shí)，選擇開始檢測(cè)，然后上位機(jī)與單片機(jī)通信發(fā)出控制信號(hào)使得繼電器斷開，即儀器斷電，此時(shí)采集到的即為被測(cè)儀器的放電曲線。從圖中可以看出，該儀器能夠同時(shí)顯示放電曲線、放電時(shí)間、斷電時(shí)長(zhǎng)以及1 s后的剩余電壓值，還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)采樣頻率，延時(shí)時(shí)間以及報(bào)警電壓。同時(shí)也可以和示波器一起聯(lián)立實(shí)驗(yàn)，即采用該系統(tǒng)使被測(cè)儀器在電壓峰值時(shí)刻斷電，而顯示部分則采用示波器來顯示，這樣使用示波器也可以一次就能觀測(cè)到剩余電壓的最大值，同時(shí)也是所有對(duì)應(yīng)放電時(shí)刻的最大值，然后可以根據(jù)不同的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)去選擇需要時(shí)刻的測(cè)量值。

圖5為使用本文開發(fā)的剩余電壓測(cè)試儀測(cè)量數(shù)字示波斷電后的放電結(jié)果，在交流電正向最大時(shí)儀器剛好斷電。從圖5的斷電曲線可以看出，該被測(cè)儀器內(nèi)部是容性儲(chǔ)能元件放電，同時(shí)從斷電點(diǎn)處可以看出，該儀器都能夠準(zhǔn)確地在峰值處斷電，誤差小于0.1 ms，也證明了該儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的兩種主要測(cè)量方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有儀器不能準(zhǔn)確峰值斷電測(cè)量的缺陷，也解決了存儲(chǔ)示波器法需要大量實(shí)驗(yàn)才能得到結(jié)果的不足，該設(shè)計(jì)可以直接與示波器法聯(lián)立只需一次就能得到峰值電壓。從供電曲線可知，該設(shè)計(jì)能夠比較好的顯示220 V交流電。對(duì)比這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果，1 s后的剩余電壓值基本上相等，均為2.5 V左右。

存儲(chǔ)示波器測(cè)量剩余電壓是通過手動(dòng)拔插頭，再通過示波器觀察測(cè)量結(jié)果。在拔斷插頭的瞬間，供電電壓可能處于峰值，可能處于峰值之前、峰值之后，甚至可能處于零點(diǎn)。然后通過多次測(cè)量，人為地選取一個(gè)最大值，而實(shí)際上，這個(gè)最大值可能并不是真實(shí)的最大值。專用設(shè)備測(cè)試法是通過模擬的方法使被測(cè)儀器在電網(wǎng)峰值處斷電，能夠顯示1 s后的剩余電壓值，但是不能提供儀器斷電后的放電曲線。而本文研制的儀器可以很直觀的顯示供電-放電曲線，從供電-放電曲線中可以很容易的看出是否真的是在電網(wǎng)峰值處斷電、是否是真的剩余電壓的最大值。

表1為使用本文研制的剩余電壓測(cè)試儀對(duì)數(shù)字示波器和電源適配進(jìn)行多次測(cè)量的測(cè)量后的結(jié)果，得出的30次測(cè)量結(jié)果的剩余電壓平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出，本文開發(fā)的儀器具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results

3 結(jié)論

本文研制的剩余電壓檢測(cè)儀電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，電壓峰值斷電控制精確，測(cè)量結(jié)果誤差極小，且能夠同時(shí)顯示放電曲線和剩余電壓數(shù)值。這些優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有常用剩余電壓測(cè)量?jī)x的不足。本儀器中的電壓峰值斷電系統(tǒng)的應(yīng)用消除了現(xiàn)有儀器工作量大，且不能在峰值準(zhǔn)確斷電的缺點(diǎn)，儀器還能同時(shí)使用上位機(jī)和示波器顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文開發(fā)的儀器能夠準(zhǔn)確地在峰值處斷電，在剩余電壓的準(zhǔn)確檢測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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