一種0.01級(jí)雙標(biāo)準(zhǔn)表三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

姜榮華 王 莉

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 山東 濟(jì)南 250002

0 引言

三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置作為電力行業(yè)電測(cè)計(jì)量專(zhuān)業(yè)的主標(biāo)準(zhǔn)，擔(dān)負(fù)著交流電壓、交流電流、交流功率及頻率、相位等電參量的量值溯源與傳遞任務(wù)，其準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前，在國(guó)內(nèi)科研院所使用的0.01級(jí)三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，大多采用國(guó)外設(shè)備或國(guó)產(chǎn)電源配國(guó)外三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表。成套的進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、故障率低，但價(jià)格昂貴，其軟件設(shè)計(jì)具有局限性，不適應(yīng)種類(lèi)繁多的電測(cè)量?jī)x表的檢定。早期的國(guó)產(chǎn)裝置受當(dāng)時(shí)硬件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的限制，在裝置的操控便捷性、程序的穩(wěn)定性方面存在著不足，在校準(zhǔn)過(guò)程中存在死機(jī)現(xiàn)象，且三相功率源易出現(xiàn)三相電壓極不平衡現(xiàn)象。為此，研制了一種新型的0.01級(jí)雙標(biāo)準(zhǔn)表交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)裝置）。

此標(biāo)準(zhǔn)裝置是一套集交流電壓、交流電流、交流功率及頻率、相位輸出與測(cè)量功能于一體的多功能電測(cè)儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以完成三相多功能儀表及三相多功能儀表檢定裝置的檢定校準(zhǔn)工作。為了提高裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，方便于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部質(zhì)量控制及期間核查，本裝置配備了雙標(biāo)準(zhǔn)表，一只為國(guó)產(chǎn)TD3300型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，另一只為進(jìn)口的穩(wěn)定性高的0.01級(jí)RD33型三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表。兩只標(biāo)準(zhǔn)表采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的接線裝置進(jìn)行切換，可以完成使用任意一只標(biāo)準(zhǔn)表作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同等級(jí)的被試品的檢定校準(zhǔn)工作，或者同時(shí)接兩只標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的比對(duì)以及期間核查等工作。使該標(biāo)準(zhǔn)裝置成為具有雙標(biāo)準(zhǔn)表的新型交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能

標(biāo)準(zhǔn)裝置以創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齊全的檢定功能、方便的使用接線與全自動(dòng)的結(jié)果處理為研制宗旨，采用了高穩(wěn)定度的功率模塊設(shè)計(jì)、全數(shù)字校準(zhǔn)和自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，具有線性度好、穩(wěn)定度高、準(zhǔn)確度高和輸出響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，并且能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定值內(nèi)任意點(diǎn)的高精度輸出。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)

裝置主要由主控制臺(tái)、三相交流源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表和計(jì)算機(jī)等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)框圖

該裝置在結(jié)構(gòu)上采用臺(tái)體設(shè)計(jì)，所有設(shè)備如主控臺(tái)、三相交流源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表、計(jì)算機(jī)以及被檢表／源均置于臺(tái)體中，簡(jiǎn)潔美觀，操作便捷，集成度高。標(biāo)配一只TD3300型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，作為工作標(biāo)準(zhǔn)。為了提高裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，方便于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部質(zhì)量控制及期間核查，另配一只進(jìn)口的RD33型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，實(shí)現(xiàn)了具有雙標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)準(zhǔn)裝置所有設(shè)備按圖1所示連接好后，可由運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)交流電壓表、電流表、功率表、頻率表、相位表及其中任意功能組合的電測(cè)量?jī)x表及儀表檢定裝置的全自動(dòng)檢定。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)性能

標(biāo)準(zhǔn)裝置具有電流、電壓、功率、相位和頻率等輸出和測(cè)量功能。配備的三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表的電壓、電流全量程無(wú)繼電器、無(wú)檔位切換。

標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流量程為0.01～120A，電壓量程為30～600V，最大輸出功率為120VA，最大允許誤差小于等于±0.01%，能夠完成0.05級(jí)及以下數(shù)字式、指針式交流電流表、電壓表包括寬范圍數(shù)字式電能表的電流、電壓功能的檢定及校準(zhǔn)工作。功率量程為電壓量程、電流量程任意組合組成的所有量程，當(dāng)功率因數(shù)為 1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C條件下，均能滿足最大允許誤差小于等于±0.01%，輸出功率穩(wěn)定度滿足±0.003%FS／min （FS-滿量程），能夠完成0.05級(jí)及以下指針式交流功率表、數(shù)字式單三相交流功率表包括寬范圍數(shù)字式電能表的功率功能的檢定及校準(zhǔn)工作。相位的移相范圍：0.000°～359.999°，分辨率：0.001°，最大允許誤差小于等于0.01°，能夠滿足0.05°及以下相位表的檢定校準(zhǔn)工作。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)的先進(jìn)性

2.1 高穩(wěn)定度的精密交流源

作為0.01級(jí)交流電壓電流及功率標(biāo)準(zhǔn)，交流源的穩(wěn)定度是最大的研究難點(diǎn)，而幅度穩(wěn)定電路是保證輸出穩(wěn)定的重要措施。本裝置設(shè)計(jì)了獨(dú)特的穩(wěn)幅電路，它的基本思路是將輸出的變化量取出，補(bǔ)償?shù)捷斎攵?。?dāng)輸出增大時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬秦?fù)反饋，使輸出信號(hào)被抵消一部分。當(dāng)輸出減小時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬钦答仯馆斎胄盘?hào)增大一部分，以保證輸出不變。穩(wěn)幅電路采用20位電壓型高精度調(diào)幅D／A實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)幅，保證了輸出的三相高穩(wěn)定恒壓源和恒流源特性。選用的ROM表可使相位調(diào)節(jié)細(xì)度達(dá)到0.005°，頻率細(xì)度達(dá)到0.001 Hz，總諧波失真小于0.2%。

其原理框圖如圖2所示：

圖2 穩(wěn)幅電路原理框圖

如圖2所示，輸出信號(hào)經(jīng)衰減和交直流變換后與直流給定值相比較，誤差經(jīng)積分器放大控制壓控放大器（乘法器）的增益，由壓控放大器改變功放信號(hào)的幅度，以穩(wěn)定輸出。此種電路輸出信號(hào)與給定信號(hào)沒(méi)有靜差，直流給定值由直流基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生，具有極高的穩(wěn)定度和極好的線性，所以交流輸出信號(hào)也有很好的穩(wěn)定度和很好的線性。其穩(wěn)定性指標(biāo)用最嚴(yán)格的最大最小法測(cè)試可達(dá)到30ppm（0.003%／1分鐘），完全滿足組建0.01級(jí)交流標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

2.2 采用數(shù)字信號(hào)源

信號(hào)發(fā)生電路是三相電源的核心，本裝置采用數(shù)字信號(hào)源，是以數(shù)字電路為基礎(chǔ)構(gòu)成的，正弦信號(hào)采用數(shù)字波合成的方法產(chǎn)生，諧波含量較大，可以通過(guò)低通濾波器予以改善。

數(shù)字波形合成的原理是，將理想信號(hào)波形的一個(gè)周期進(jìn)行若干等分，將每個(gè)等分線所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值變成數(shù)字信息存到存儲(chǔ)器里，合成時(shí)按照固定的頻率和相同的順序從存儲(chǔ)器里取出幅值信號(hào)，經(jīng)DA電路變成模擬信號(hào)，即可得到與理想波形近似的階梯波形，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到正弦波形。信號(hào)頻率、相位、幅度調(diào)節(jié)用計(jì)數(shù)方法通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行，因此不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但可減小步進(jìn)值，提高調(diào)節(jié)細(xì)度。輸出信號(hào)頻率、相位、幅度穩(wěn)定性好，相位調(diào)節(jié)對(duì)信號(hào)幅度沒(méi)有影響。

2.3 報(bào)警保護(hù)功能

為了保護(hù)功放管，電路中選用耐壓高、額定電流大的器件，并設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。該裝置采用預(yù)功放加功放對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大，它具有集成度高、故障率低和維修方便等特點(diǎn)，同時(shí)具有電壓／電流過(guò)載、電壓短路、電流開(kāi)路保護(hù)等功能。

2.4 創(chuàng)新的人機(jī)交互設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)主流的產(chǎn)品目前均采用按鍵輸入，操作繁瑣，且屏幕較小，不利于查看。該裝置采用高清彩色液晶觸摸屏，尺寸大小為7寸，分辨率為800*600，高亮清晰，且功耗低。大屏幕的設(shè)計(jì)，使用戶可以全面直觀的查看當(dāng)前所需的各種信息。而采用觸摸屏為行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，可以便捷的進(jìn)行各項(xiàng)操作，人機(jī)交互界面友好。該裝置具有旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)、按位調(diào)節(jié)、百分比步進(jìn)調(diào)節(jié)等多種量值調(diào)節(jié)方式，方便用戶手動(dòng)校驗(yàn)，大大提高了檢定效率。

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)的先進(jìn)性

該裝置配套設(shè)計(jì)了功能完備的檢定軟件，可以方便地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)和半自動(dòng)檢定，裝置的嵌入式軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，具有占用空間小、效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 具有多種工作模式

該裝置具有多種工作模式，既有以源檢表的工作模式，又有以表檢源的工作模式。工作模式通過(guò)軟件可自由選定和設(shè)置，大大提高工作效率。

圖3 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 具有軟件自動(dòng)保護(hù)功能

過(guò)壓或過(guò)流時(shí)軟件能自動(dòng)控制電源的升降以確保標(biāo)準(zhǔn)表不被損壞，并可根據(jù)需要或輸出電壓電流值自動(dòng)選擇標(biāo)準(zhǔn)表量程，安全性高。

3.3 具有多種調(diào)節(jié)方式

具有三相調(diào)節(jié)、分相調(diào)節(jié)、模擬調(diào)節(jié)3種調(diào)節(jié)方式，滿足不同檢定需求下量值的設(shè)定。其中A相、B相、C相的電壓、電流、相位同時(shí)調(diào)節(jié)，是系統(tǒng)開(kāi)機(jī)默認(rèn)的調(diào)節(jié)方式。分相調(diào)節(jié)是A相、B相、C相單獨(dú)調(diào)節(jié)，相互不受影響，分相調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)節(jié)的對(duì)象是主顯示框顯示的當(dāng)前電量。模擬調(diào)節(jié)通過(guò)遙控調(diào)節(jié)箱同時(shí)調(diào)節(jié)三相交流電壓、電流輸出。此時(shí)電壓和電流數(shù)字調(diào)節(jié)無(wú)效，但頻率和相位使用數(shù)字調(diào)節(jié)依然有效。

3.4 可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢定

傳統(tǒng)的電測(cè)儀表檢定與校準(zhǔn)方法，需要檢定人員按照檢定規(guī)程的步驟進(jìn)行操作，被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)儀器的操作與讀數(shù)、計(jì)量結(jié)果的記錄和處理，均需人工來(lái)完成。部分電測(cè)儀表由于其功能多，檢定校準(zhǔn)點(diǎn)繁雜，存在著大量的重復(fù)勞動(dòng)，使得儀表校準(zhǔn)的工作效率極低。同時(shí)要求檢定人員素質(zhì)高，使得測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和一致性比較差，從而檢定可靠性得不到保證。該裝置配套的上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)電量的自動(dòng)控制、被檢表讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值的自動(dòng)獲取、存儲(chǔ)計(jì)算并自動(dòng)生成校準(zhǔn)證書(shū)，可實(shí)現(xiàn)以源檢表和以表檢源的功能，和整個(gè)系統(tǒng)的其他各功能模塊實(shí)現(xiàn)通訊，以組建0.01級(jí)全自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

3.5 可完成裝置的期間核查與比對(duì)工作

標(biāo)準(zhǔn)裝置可以完成雙標(biāo)準(zhǔn)表之間的期間核查與比對(duì)工作，方便計(jì)量設(shè)備的內(nèi)部質(zhì)量控制。裝置的標(biāo)準(zhǔn)表可分別設(shè)置為核查標(biāo)準(zhǔn)、核查設(shè)備，按照一定的核查周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按核查要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并給出數(shù)據(jù)控制線、畫(huà)出核查圖表，便于標(biāo)準(zhǔn)表質(zhì)量性能的分析控制，確保其可信度保持在可控線的區(qū)間之內(nèi)。如果測(cè)量結(jié)果有偏離數(shù)據(jù)控制線的趨勢(shì)，可做出預(yù)警，以便于查找原因，確保標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，該0.01級(jí)三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)0.05級(jí)及以下等級(jí)各種電測(cè)量?jī)x表、儀表裝置以及標(biāo)準(zhǔn)源等儀器設(shè)備的檢定校準(zhǔn)。雙標(biāo)準(zhǔn)表的設(shè)計(jì)，有效地保證了裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。功能完備的檢定軟件，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)和半自動(dòng)檢定，避免了人工操作引入的誤差，重復(fù)性和一致性好。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，便于檢定人員進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和打印等操作，大大提高了檢定效率。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局計(jì)量司，重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院.計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范［S］.2008.

［2］范巧成 .簡(jiǎn)化的測(cè)量過(guò)程統(tǒng)計(jì)控制方法［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2012，33（3）：284-288.

［3］中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，航空航天部三○四研究所.交流數(shù)字功率表檢定規(guī)程［S］.1992.