型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置設(shè)計(jì)

郭洪巖，何慧，張秀勇，馬炎，杜雨豐，李俊簫，賈超

(北京振興計(jì)量測試研究所，北京100074)

0 引言

型號用特種交流電源是為特殊負(fù)載或場合而設(shè)計(jì)的，給特定型號產(chǎn)品供電的專用交流電源。由于型號用特種交流電源對電壓、電流和頻率穩(wěn)定度、帶載能力、紋波、相位以及失真度有特殊要求，使得在檢定此類電源時(shí)要比普通電源有更特殊甚至更嚴(yán)格的要求。

近年來，越來越多的特種交流電源被廣泛應(yīng)用在國防武器裝備嚴(yán)重過程中，為各型號武器裝備提供持續(xù)穩(wěn)定、合乎要求的能量，是各型號設(shè)備不可或缺的“心臟”，在武器裝研制生產(chǎn)中具有重大作用。任何型號設(shè)備都需要供電，但是這種供電不是一般意義上的供電，由于其自身負(fù)載特殊或其所處場合特殊，普通電源無法滿足供電要求，這就需要采用經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的電源。例如，某型號彈上電源變換器的研制、生產(chǎn)過程中就必須用到雙組三相中頻電源。電源變換器是武器裝備中不可缺少的關(guān)鍵部件，其功能主要是把裝備自身發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的雙組三相中頻電整流成直流電，進(jìn)而給裝備各模塊供電。所以電源變換器的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)武器系統(tǒng)的質(zhì)量。而某型號雙組三相中頻電源是生產(chǎn)、調(diào)試電源變換器的重要設(shè)備，對其進(jìn)行定期周檢是保證其性能指標(biāo)的重要手段。因此，型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置對整個(gè)武器系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

某型號雙組三相中頻電源體積大，且多安裝在武器裝備研制現(xiàn)場，在武器裝備研制過程中，根據(jù)研制進(jìn)度和試驗(yàn)需求，經(jīng)常需要對中頻電源進(jìn)行測試或計(jì)量。目前使用的檢定電源的標(biāo)準(zhǔn)儀器主要有臺式數(shù)字多用表、示波器、音頻分析儀，這些儀器體積和重量較大，不便于開展現(xiàn)場計(jì)量工作;且各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備彼此之間接線較多且復(fù)雜，對計(jì)量過程準(zhǔn)確性、可靠性和安全性有一定影響。因此，研制現(xiàn)場便攜式檢定裝置是十分有必要的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 組成和原理

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的硬件基于PXI平臺開發(fā)，所用的硬件有:PXI機(jī)箱、PXI控制器、PXI數(shù)字多用表、PXI數(shù)字化儀(俗稱PXI示波器)以及交流負(fù)載。

本論文所采用的PXI總線是目前主流的虛擬儀器總線技術(shù)，其模塊化儀器的特性非常適合用于現(xiàn)場測量環(huán)境，并且易于系統(tǒng)集成。由PXI儀器設(shè)備等組成的平臺是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的自動(dòng)化測試與控制平臺。與基于傳統(tǒng)儀器組成的測試平臺相比，PXI測試平臺的測試效率更高，體積更小，成本更低，便于維護(hù)。型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置檢定原理圖如圖1所示。

圖1中被檢電源選擇檢定任務(wù)中所占比例較多的典型樣品ZPD-3中頻電源，該電源的輸出端通過航插和電纜連接到交流負(fù)載的輸入端，交流負(fù)載內(nèi)部有電壓表和電流表，能夠?qū)崟r(shí)測量交流電壓和交流電流(交流電壓也可用PXI數(shù)字表測量)，同時(shí)交流負(fù)載還帶有RS485接口，能夠接收上位機(jī)(PXI控制器)的指令進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果傳回上位機(jī)。

圖1 型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置檢定原理圖

1.1.2 硬件接口及電纜設(shè)計(jì)

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置PXI機(jī)箱部分的硬件接口采用PXI板卡自身的接口，其中數(shù)字表模塊采用標(biāo)準(zhǔn)香蕉插座，從被檢電源輸出端通過香蕉插頭線可連接到PXI數(shù)字表模塊，進(jìn)行交流電壓和頻率測量;示波器模塊采用標(biāo)準(zhǔn)BNC插座，從被檢電源輸出端通過示波器探頭可連接到PXI示波器模塊，進(jìn)行失真度和相位測量。這樣可以避免因多次接線引入的噪聲信號以及有用信號的衰減，還可節(jié)省重復(fù)制作接口增加的額外成本。型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置交流負(fù)載部分的硬件接口采用航插加電纜的方式，所有的電纜靠近交流負(fù)載端都采用同樣的與負(fù)載相匹配的航插，另一端則采用與被檢電源相匹配的航插。通過設(shè)計(jì)制作不同的電纜，保證每一臺被檢電源都有相應(yīng)的電纜可供連接至負(fù)載進(jìn)行檢定。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 軟件概述

本論文的PXI總線平臺運(yùn)行Windows 7操作系統(tǒng)，可以使用各種通用的應(yīng)用軟件與編程語言，如Lab-VIEW，C，C++等，考慮到軟硬件要結(jié)合緊密，以及軟件開發(fā)效率，本文的編程語言選用LabVIEW圖形化編程語言，該技術(shù)途徑可以實(shí)現(xiàn):

1)對硬件接口(GPIB接口、串口、LAN接口等)具有良好的支持性;

2)具有模塊化的編程方式，可以靈活地實(shí)現(xiàn)軟件功能配置;

3)具有強(qiáng)大的圖形化處理功能，在信號采集、處理以及波形顯示、分析方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的程序流程圖如圖2所示。

圖2 型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置程序流程圖

PXI控制器運(yùn)行型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置軟件，通過RS485接口與交流負(fù)載通信，整個(gè)檢定過程如下:

1)用合適的航插和電纜將被檢電源輸出端連接到交流負(fù)載的輸入端，確認(rèn)無誤后開機(jī)上電。

2)運(yùn)行型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置軟件，發(fā)送指令控制交流負(fù)載設(shè)置模式，比如設(shè)置為115V/7A。

3)發(fā)送指令控制交流負(fù)載測量空載電壓，回讀測量值，并將測量值存入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)。

4)發(fā)送指令控制交流負(fù)載加載，測量滿載載電壓和電流，回讀測量值，并將測量值存入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)。

5)用本軟件創(chuàng)建的公式計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率。

6)從被檢電源輸出端通過示波器探頭連接到PXI示波器模塊，進(jìn)行失真度測量，并暫存測量值。

7)從被檢電源輸出端通過香蕉插頭線連接到PXI數(shù)字表模塊，進(jìn)行頻率測量，并暫存測量值。

8)通過自動(dòng)檢測軟件，將計(jì)算機(jī)緩存區(qū)的測量值寫入檢定記錄對應(yīng)的表格中，最終生成檢定記錄和證書。

1.2.2 相位測量軟件

三相中頻電源在航空器材的生產(chǎn)調(diào)試中不可或缺，其三相相電壓間相位是衡量三相供電系統(tǒng)平衡供電的重要指標(biāo)，相位測量是三相中頻電源的重要測量項(xiàng)目之一。目前，國內(nèi)外用于測量電壓間相位的方法主要是三電壓表法和過零鑒相法。三電壓表法只需用到數(shù)字電壓表，但相位測量精度有限;而以過零鑒相法為原理的儀器主要有示波器和相位計(jì)等。示波器靠人眼讀取兩波形過零點(diǎn)時(shí)刻，這樣帶入了較大的人眼讀數(shù)誤差，使得整體精度不高，而且體積和重量較大，不便攜帶。相位計(jì)精度較高，但是價(jià)格昂貴，而且對使用環(huán)境要求高，一般只適合在實(shí)驗(yàn)室使用，此外，較大的體積和重量同樣影響其便攜性。

目前，數(shù)字化儀(即PXI示波器模塊)分辨率高、準(zhǔn)確度高、線性好，是使用過零鑒相法測量相位的首選。本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的基于PXI總線的PXI-5124型數(shù)字化儀是其中的典型代表，具有150 MHz帶寬，200 MS/s的實(shí)時(shí)采樣率，以及雙通道12Bit分辨率，準(zhǔn)確度高、線性好，完全滿足本論文要求。軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，測量方法為過零鑒相法，并據(jù)此設(shè)計(jì)軟件算法，最終實(shí)現(xiàn)對三相中頻電源任意兩相之間相位的自動(dòng)測量，具體設(shè)計(jì)過程如下:

1)配置數(shù)字化儀的兩個(gè)通道同時(shí)采集信號;

2)編程尋找信號A幅值過零時(shí)刻點(diǎn)t1;

3)編程尋找信號B幅值過零時(shí)刻點(diǎn)t2;

4)計(jì)算t2與t1的時(shí)間差并除以周期T再乘以360得到相位角;

1.2.3 失真度測量軟件

失真度是表征交流電信號的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于整個(gè)電網(wǎng)存在大量的感性負(fù)載，以及交流電源本身大量采用的非線性元器件，使得輸出的交流電帶有大量的諧波成分，所以在電源輸出端必須加濾波電路，失真度測量就是衡量濾波效果好壞的核心方法。

基于PXI總線的失真度測量系統(tǒng)體積小、精度高、價(jià)格適中，具有良好的便攜性和環(huán)境適應(yīng)能力，尤其適用于現(xiàn)場計(jì)量，而且通過控制主機(jī)能夠與其他的設(shè)備通信，接收指令進(jìn)行程控操作，并將測量數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

失真度測量基于PXI總線的PXI-5124型數(shù)字化儀，具有150 MHz帶寬，200 MS/s的實(shí)時(shí)采樣率，軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，測量方法為頻譜分析法，并據(jù)此設(shè)計(jì)軟件算法，具體設(shè)計(jì)過程如下:

1)配置數(shù)字化儀的一個(gè)通道采集信號;

2)根據(jù)采集的信號選定相應(yīng)的窗函數(shù)并加窗處理;

3)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，并對各點(diǎn)相對于最大值進(jìn)行歸一化處理;

4)編程尋找基波頻率點(diǎn)及其幅值;

5)在各諧波頻率點(diǎn)附近尋找最大各諧波幅值;

6)由失真度定義計(jì)算出失真度。

2 測量能力及結(jié)論

2.1 電壓和頻率測量能力

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的電壓和頻率采用七位半的PXI-4071數(shù)字多用表模塊測量，其電壓和頻率的測量準(zhǔn)確度能夠達(dá)到0.01%，而被檢設(shè)備的電壓和頻率指標(biāo)都處于0.5%至1%之間，根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與被檢設(shè)備的三分之一法則，即計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級應(yīng)小于等于被檢設(shè)備準(zhǔn)確度等級的三分之一，可知本裝置的電壓和頻率測量能力完全能夠滿足要求。

2.2 電流測量能力

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的電流采用交流負(fù)載上的五位半電流表測量，其電流測量準(zhǔn)確度能夠達(dá)到0.1%，而被檢電源的電流指標(biāo)都大于等于1%，同樣根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與被檢設(shè)備的三分之一法則，可知本裝置的電流測量能力完全能夠滿足要求。

2.3 相位測量能力

通過采用兩臺美國福祿克公司生產(chǎn)的9100型多功能校準(zhǔn)源作為相位標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生具有一定相位角的同步信號u(A)和u(B)，同時(shí)以400 Hz為中心頻率選取6個(gè)頻率點(diǎn)(10 Hz，50 Hz，100 Hz，400 Hz，500 Hz，1 kHz)進(jìn)行測量，相位測量結(jié)果如表1所示。

表1 相位測量結(jié)果

由表1可見，10 Hz頻率點(diǎn)相位誤差在0.3°以內(nèi)，其他頻率點(diǎn)相位誤差在0.2°以內(nèi)，而被檢電源的相位指標(biāo)都大于等于2°，說明基于PXI-5124型數(shù)字化儀開發(fā)的相位自動(dòng)測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，頻率響應(yīng)較好，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對型號用特種交流電源相位的測量，同時(shí)能夠滿足10 Hz～1 kHz中頻帶較高精度的相位測量要求。

2.4 失真度測量能力

本裝置失真度測量能力驗(yàn)證所用標(biāo)準(zhǔn)信號源名稱為:低失真度測量儀檢定裝置，型號為:DSJ-90A，生產(chǎn)廠家為:浙江省計(jì)量測試技術(shù)研究所。對比的標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備為美國安捷倫公司生產(chǎn)的8903B型音頻分析儀。

表2 失真THD(%)測量結(jié)果

由表2可見，各頻率點(diǎn)的失真度測量準(zhǔn)確度都在0.5%以內(nèi)，最常用的400Hz、3%點(diǎn)甚至達(dá)到了0.03%，部分點(diǎn)還優(yōu)于8903B，說明基于PXI-5124型數(shù)字化儀開發(fā)的失真度自動(dòng)測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，頻率響應(yīng)較好，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對型號用特種交流電源失真度的測量，同時(shí)能夠滿足10Hz～100kHz頻帶較高精度的失真度測量要求，具有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

本文介紹了型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置設(shè)計(jì)方案，硬件基于PXI總線儀器，軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對型號用特種交流電源的現(xiàn)場檢定，并且操作簡便、省時(shí)省力，使檢定時(shí)間縮短，效率提高，這對保證軍用電源的檢定質(zhì)量、提高工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

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