低壓電器通斷檢測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)采集主機(jī)要求分析

葉小木，王建新

（溫州海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心低壓電器實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325604）

0 引言

低壓電器通斷試驗(yàn)所必要的測(cè)量參數(shù)（如：電壓、電流及其峰值、功率因數(shù)、直流時(shí)間常數(shù)、焦耳熱能∫i2dt、電弧能量∫u·idt、分?jǐn)鄷r(shí)間、電流的初始上升率等）都是電量參數(shù)不同方式的體現(xiàn)，都可以對(duì)電流、電壓的瞬變量值進(jìn)行測(cè)量并通過處理來獲取。在低壓電器試驗(yàn)中大多數(shù)被測(cè)的電量（電流、電壓）不能直接接至儀表，要通過傳感環(huán)節(jié)減小或放大這些電量，使其適應(yīng)測(cè)量?jī)x表。而通斷類檢測(cè)類試驗(yàn)，由于通電時(shí)間很短，且信號(hào)中含有高頻分量，對(duì)此類信號(hào)傳統(tǒng)儀表有反應(yīng)慢、結(jié)果不直觀而且部分信息難以分析處理的弊端，通常需要采樣頻率較高的波形記錄儀器來進(jìn)行輔助分析。普通數(shù)字存儲(chǔ)示波器雖然頻帶較寬，但其通道較少、精度不高、分析處理需要人工操作或使用另外的計(jì)算機(jī)配合處理，因此并不適于通斷類檢測(cè)。通斷類檢測(cè)可以使用多通道光線示波器配合傳感器進(jìn)行測(cè)量，但光線示波器有采樣頻率低、結(jié)果分析仍需要人工處理、精度較低的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在低壓電器檢測(cè)行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，限于成本，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通斷類檢測(cè)中應(yīng)用較多，本文將主要針對(duì)低壓電器通斷類檢測(cè)論述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集主機(jī)的特點(diǎn)和技術(shù)應(yīng)用要求。

1 采集主機(jī)的構(gòu)成分析

低壓電器通斷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)的構(gòu)成有以下幾種形式[1]：1）工控機(jī)配合數(shù)據(jù)采集器件；2）專用架構(gòu)計(jì)算機(jī)采集主機(jī)配合數(shù)據(jù)采集器件；3）多通道示波器或類似設(shè)備配合數(shù)據(jù)采集器件；4）單片機(jī)構(gòu)成的專用采集、顯示設(shè)備。

無論哪種形式，實(shí)際上都是由數(shù)據(jù)采集器件和數(shù)據(jù)處理核心構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器件將各種傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理核心可以識(shí)別的數(shù)字量后進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)或打印，各種數(shù)據(jù)采集器件以數(shù)據(jù)采集卡較為常見，數(shù)據(jù)采集卡是一種能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，使用時(shí)只需要安放在計(jì)算機(jī)相應(yīng)插槽上或通過USB等方式連接，對(duì)數(shù)據(jù)采集的各種控制可通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，因操作和使用方便而應(yīng)用較為廣泛。數(shù)據(jù)采集卡按總線方式主要有ISA、PCI、CPCI和USB等，ISA是比較早的一種總線，目前應(yīng)用較少，主要缺點(diǎn)是傳輸速率相對(duì)較低，而且其中斷是獨(dú)占的，限制了插槽的數(shù)目而影響擴(kuò)展能力。PCI是目前計(jì)算機(jī)常用的一種總線，相對(duì)ISA總線，它支持即插即用，速率較高、擴(kuò)展能力好，主要用于家用或普通工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。CPCI是在PCI基礎(chǔ)上發(fā)展的總線，相對(duì)于PCI總線具有可熱插拔、高開放性、高可靠性，傳輸率更高的特點(diǎn)，更適用于需要高速、環(huán)境條件較差的軍工、檢測(cè)等領(lǐng)域。USB總線最大優(yōu)點(diǎn)是操作方便，但是相對(duì)其它總線可靠性較差，多用于對(duì)檢測(cè)要求相對(duì)不高的環(huán)境。

數(shù)據(jù)采集器件按照采集的物理量可分為數(shù)字量和模擬量采集兩種，模擬量采集是最常用的一種，主要由A/D轉(zhuǎn)換、采樣保持、濾波、放大、存儲(chǔ)、傳輸?shù)雀鞣N功能模塊組成，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集器件的廠商較多，數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的功能也各不相同。鑒于低壓電器通斷檢測(cè)的特殊性，完全滿足要求的采集器件并不多。

2 采集主機(jī)的技術(shù)要求

總體來說，能夠在低壓電器通斷試驗(yàn)使用的采集器件應(yīng)滿足如下要求。

2.1 多通道、并行采集

采集器件要能采集三相回路相間電壓、端口電壓、各相電流，以及選相電壓等額外物理量，常見的采集卡通道數(shù)多為數(shù)字4的倍數(shù)，一般來說具有12個(gè)通道的采集卡可以滿足一個(gè)低壓電器通斷試驗(yàn)端口的全部測(cè)量任務(wù)，這可以使用1塊或多塊數(shù)據(jù)采集卡組合來完成。隨著自動(dòng)化水平要求的提高，低壓電器檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集逐漸向集中采集和控制方向發(fā)展，例如集中控制具有多個(gè)回路的電壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)要求更多的采集通道并能夠?qū)Ω骰芈穼?duì)應(yīng)器件協(xié)調(diào)控制和處理[2]。

由于低壓電器通斷試驗(yàn)傳感器的輸出多為模擬量，采集器件的通道也相應(yīng)為模擬量采集方式，數(shù)據(jù)采集卡多使用A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行采集，而根據(jù)各通道是否共用A/D轉(zhuǎn)換可分為并行式和串行式采集，串行式采集器件通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)使得各通道輪流共用A/D轉(zhuǎn)換，因此各通道的數(shù)據(jù)并不是同步的，理論上如果串行采集器件采樣頻率足夠高，則各通道數(shù)據(jù)間由于時(shí)間引起的誤差可以控制在容許范圍內(nèi)。由于通斷檢測(cè)需要多通道，而采樣頻率要求又較高，因此目前基本采用并行方式的采集器件，即要求各通道有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)等功能。

2.2 采樣頻率和存儲(chǔ)深度

低壓電器通斷試驗(yàn)的測(cè)量信號(hào)屬于單次瞬變性質(zhì)的信號(hào)，不能夠使用連續(xù)信號(hào)的采樣定理來選用系統(tǒng)的采樣頻率。一般試驗(yàn)情況下熔斷器的極限分?jǐn)嘣囼?yàn)的分?jǐn)鄷r(shí)間最短，對(duì)于圖1所示的電流波形，設(shè)從通電到峰值時(shí)間為0.2 ms，波形為等腰三角波，則最不利的時(shí)候是峰值正好落在兩個(gè)采樣點(diǎn)中間。由于信號(hào)單次瞬變的性質(zhì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)端軟件多采用簡(jiǎn)單的直線段相連的方式顯示波形而沒有采用擬合、濾波等處理方式，因此峰值正好落在兩個(gè)采樣點(diǎn)中間時(shí)可能獲得最大的峰值誤差。在圖1 中設(shè)采樣頻率為f次/s，峰值左側(cè)一點(diǎn)為第n個(gè)采樣點(diǎn)，峰值落在第n+0.5點(diǎn)，右側(cè)則為第n+1個(gè)采樣點(diǎn)，則可得：

圖1 峰值在采樣點(diǎn)中間的三角波

式中：If為峰值電流；Is為對(duì)應(yīng)第n個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際采樣值。

當(dāng)采樣頻率為500 kHz時(shí)，實(shí)際采樣峰值與真實(shí)峰值之比為99.5%，也就是有0.5%的誤差，如果頻率提高到1 MHz時(shí)，則誤差只有0.25%[3]。

上述推導(dǎo)是針對(duì)波形為三角波的情況，如果是正弦波則因峰值處變化較平緩，誤差則更小些，符合下式：

其中，m為采樣頻率和正弦信號(hào)頻率的比值。

熔斷器的極限分?jǐn)嘣囼?yàn)與上述三角波情況分析相類似，對(duì)應(yīng)頻譜范圍約為5 kHz，則按照上式對(duì)應(yīng)正弦波時(shí)誤差e為0.01%。事實(shí)上，在快速分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的過電壓的波形頻率有可能會(huì)達(dá)到20 kHz，設(shè)波形為正弦波，當(dāng)采樣頻率為1 MHz時(shí)約為0.2%，如果采樣頻率只有200 kHz時(shí)，e達(dá)到5%。所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率應(yīng)盡可能高一些，但一味提高也沒有太大的意義，考慮到成本和技術(shù)發(fā)展的情況，目前采樣頻率一般在1～3 MHz左右為宜。對(duì)于一些不進(jìn)行熔斷器等快速分?jǐn)嘣囼?yàn)的系統(tǒng)，采樣頻率可以適當(dāng)降低一些。

由于采集器件頻率較高，又是多通道并行采集，因此它與計(jì)算機(jī)之間的傳輸一般不是實(shí)時(shí)的，通常的做法是加大采集器件上的存儲(chǔ)芯片容量，如對(duì)應(yīng)1 MHz的采樣頻率，其每通道存儲(chǔ)芯片可以做到16 M以上，這樣可以保證可以暫存10 s左右時(shí)間的數(shù)據(jù)。低壓電器的通斷時(shí)間一般在幾十毫秒以內(nèi)，預(yù)期波拍攝時(shí)間一般不超過200 ms，特殊的（如短時(shí)耐受試驗(yàn)）可以通過降低采樣頻率來獲得較長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間，因此有1 s左右的緩沖時(shí)間基本上已經(jīng)能夠滿足要求，待試驗(yàn)操作完成后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。存儲(chǔ)深度較大也是低壓電器通斷試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)采集器件與普通產(chǎn)品的一個(gè)重要區(qū)別。

此外，在高速采集器件中一般設(shè)有專用的硬件觸發(fā)電路，這一點(diǎn)與普通低速的采集卡不同，因?yàn)樵诘退偾闆r下，數(shù)據(jù)傳輸速率完全能夠保證計(jì)算機(jī)和采集器件數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期連續(xù)讀取，因此觸發(fā)判斷可以通過軟件解決。

2.3 精度和量程

采集器件的系統(tǒng)精度受到其內(nèi)部多種部件的影響，如A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差、放大器的誤差等，如前所述，最終測(cè)量精度甚至要受到測(cè)試信號(hào)頻率的影響。量化誤差是信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)決定的，常用的數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、12位、14位、16位、18位等，對(duì)于有舍有入的量化誤差其占滿量程的比例為

式中：n為A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)；對(duì)于12位的A/D轉(zhuǎn)換，q為1/8192。

實(shí)際上，量化誤差對(duì)測(cè)試的影響還要受到信號(hào)的幅值影響，例如信號(hào)峰值如果只有A/D轉(zhuǎn)換量程的1/4，則量化誤差占信號(hào)峰值的比例q為1/2048。實(shí)際的數(shù)據(jù)采集器件量化誤差還要受到信號(hào)頻率、窗口不確定性等諸多因素影響，真實(shí)量化誤差要小于上述公式計(jì)算值，實(shí)際試驗(yàn)過程中，測(cè)試物理量的幅值有時(shí)是難以估計(jì)的，即所選量程有可能大大超過實(shí)際信號(hào)幅值，而試驗(yàn)通常是單次不可重復(fù)的，因此量化誤差也要越小越好，現(xiàn)在多數(shù)低壓電器試驗(yàn)所用采集器件A/D位數(shù)多在14位以上[4]。

受采集器件各種功能部件的影響，其本身的系統(tǒng)誤差都要大于量化誤差，這取決于產(chǎn)品的技術(shù)和制造水平，一般來說數(shù)據(jù)采集器件的精度相對(duì)于整個(gè)采集系統(tǒng)的其它器件是比較高的，可以做到1‰以下。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器件的輸入一般都是低壓信號(hào)，量程的大小視傳感器輸出而定，也可以通過增加中間放大、衰減器件來調(diào)配量程。為了提高測(cè)試精度和方便操作，低壓電器通斷試驗(yàn)所使用的數(shù)據(jù)采集器件一般都有多個(gè)量程可選，例如±1 V、±2 V、±3 V、±10 V、±20 V等，可以通過軟件操作，配合隔離放大器等可搭配出多種量程以適用于不同的測(cè)試需要。

2.4 可靠性、抗干擾能力

由于低壓電器通斷檢測(cè)具有不可重復(fù)性、強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn)，因而對(duì)數(shù)據(jù)采集器件的可靠性和抗干擾能力要求較高，要求采集器件的信噪比、共模抑制比要好，在實(shí)際使用中，也可以采取一些措施來提高可靠性和抗干擾能力，如采用屏蔽性比較好的主機(jī)機(jī)箱、將數(shù)據(jù)采集器件遠(yuǎn)離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)等。

無論形式如何，采集的數(shù)據(jù)最終要匯總到計(jì)算機(jī)形式的處理核心進(jìn)行處理，低壓電器通斷檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集器件多采用計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡形式裝在計(jì)算機(jī)主機(jī)箱內(nèi)，計(jì)算機(jī)主機(jī)通常距離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不遠(yuǎn)，基于現(xiàn)場(chǎng)條件的特殊性，對(duì)計(jì)算機(jī)主機(jī)的主要要求有如下幾點(diǎn)：1）架構(gòu)和配置滿足多通道、可擴(kuò)展和高數(shù)據(jù)傳輸速率要求；2）除了部分大電流試驗(yàn)端口采用專機(jī)專用形式外，對(duì)于類似多端口電壽命系統(tǒng)、多磁路特性試驗(yàn)系統(tǒng)等檢測(cè)條件，主機(jī)形式應(yīng)有較好的可移動(dòng)性、便捷性；3）具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性。

3 綜述

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)可分為通用的工控機(jī)和專用架構(gòu)主機(jī)2種。工控機(jī)就是專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般具有強(qiáng)烈的振動(dòng)、灰塵特別多、有很高的電磁場(chǎng)力干擾等特點(diǎn)，通常安裝有ISA或PCI總線插槽，可用于放置數(shù)據(jù)采集卡等器件。相對(duì)普通計(jì)算機(jī)，工控機(jī)采用了一些特殊的措施，如鋼結(jié)構(gòu)機(jī)箱、特制主板等，增強(qiáng)了可靠性，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低、比較通用，缺點(diǎn)是大部分工控機(jī)是為一般工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，插槽數(shù)目有限，擴(kuò)展不方便，相對(duì)應(yīng)使用的數(shù)據(jù)采集卡一般不是為低壓電器通斷檢測(cè)等專業(yè)條件設(shè)計(jì)，性能不高，接線不便。

另一種主機(jī)形式是為數(shù)據(jù)采集特制的專用計(jì)算機(jī)主機(jī)，通常主機(jī)和數(shù)據(jù)采集器件為同一廠商生產(chǎn)，因此采集器件和計(jì)算機(jī)主機(jī)的兼容性更好，使用更方便。這種機(jī)箱結(jié)構(gòu)考慮了各種更惡劣的環(huán)境條件，適于強(qiáng)電流沖擊檢測(cè)、電力系統(tǒng)、軍工等應(yīng)用。主機(jī)擴(kuò)展功能較強(qiáng)，可以有多種功能擴(kuò)展卡選擇。專用主機(jī)多采用CPCI總線，可以提供更高的傳輸速率和可靠性，甚至可以做到在高速率下連續(xù)長(zhǎng)期采集，通常廠商提供相應(yīng)的配套軟件，系統(tǒng)更穩(wěn)定而且接線方便。此類主機(jī)在低壓電器檢測(cè)行業(yè)中應(yīng)用較廣，缺點(diǎn)是價(jià)格比工控機(jī)高得多。

上述工控機(jī)或?qū)Ｓ弥鳈C(jī)多適于專機(jī)專用的場(chǎng)合，在低壓電器檢測(cè)領(lǐng)域，通常是一臺(tái)主機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)端口，但是布線已經(jīng)固定且主機(jī)體積和質(zhì)量較大。然而有許多場(chǎng)合由于檢測(cè)位置的變動(dòng)或臨時(shí)需要，都需要一種能夠接線方便、易移動(dòng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。近年來市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種類似示波器形式的數(shù)據(jù)采集主機(jī)，它實(shí)際上是由一體化計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，集主機(jī)、顯示、采集、隔離功能于一體。這種形式的體積和質(zhì)量不大、接線方便，比較適用于經(jīng)常移動(dòng)的場(chǎng)合，它的主要缺點(diǎn)是由于增加了隔離功能而采樣速率不高，一般為200 k/s左右，但是對(duì)于類似電壽命等信號(hào)頻率不高的情況基本能滿足需求。

4 結(jié)語

現(xiàn)有傳感數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合精度可以達(dá)到2.5%[5]。隨著時(shí)間的推移和科技的進(jìn)步，測(cè)量技術(shù)也在不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)在低壓電器通斷檢測(cè)中的應(yīng)用將會(huì)日新月異地改變和進(jìn)化。鑒于低壓通道檢測(cè)項(xiàng)目的特殊性，數(shù)據(jù)采集主機(jī)的科學(xué)配置顯得尤為重要，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇符合標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)采集主機(jī)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。