專利名稱：介質損耗自動測量儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自動測量電力設備介質損耗因素tgδ和電容量C以及測量兩交流信號之間的夾角θ的儀器。
目前國內外測量電力設備的介質損失和電容量，多采用西林電橋來實現(xiàn)，在我國廣泛采用的是上海產(chǎn)QS-1電橋，該電橋是手動平衡的電橋，其缺點是調整平衡操作既麻煩又費時，并且在光線強的地方檢流計的光帶很難看清楚，在介質質損耗因素和電容量隨時間變化的場合因無法平衡而不能采用QS-1電橋，并且受外施電壓的限制，不能用于很高的電壓(一般用于≤10KV的場合)。另外，國外還有一些測量儀器，由于它們都是采用高頻和低電壓，不適宜用來測量電力設備的介質損耗因素tgδ和C。為解決上述問題，專利號為88104054.1的(電力系統(tǒng)介質損失和電容量自動測量儀)，雖然可取代QS1電橋，但由于受模擬電路準確度的限制，其測量準確度僅與QS1電橋相當。隨著電力設備質量的提高，相當于QS1電橋的測量準確度，已不能滿足要求，例如，現(xiàn)代薄膜型電容器，要求介質損耗因素tgδ≤0.001，測量準確度的絕對誤差高達0.003的儀器設備，已不能滿足要求了。目前，在試驗室應用的測量和校驗介質損耗因素的儀器，如QS30型電橋或類似產(chǎn)品，雖然準確較高，但由于操作平衡過程復雜，也急需用新型測量儀器來取而代之。
本發(fā)明的目的是提供一種構思新穎，結構簡單，測量精度高，速度快，測量范圍大，操作十分簡便的一種介質損耗自動測量儀。
本發(fā)明的目的是通過如下方案實現(xiàn)的包括信號轉換器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器、控制系統(tǒng)、電源電路、屏蔽箱及絕緣箱構成，其中所說的信號轉換器的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX，其中UN為參考信號，UX為待測信號，UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器、電容分壓器、電阻分壓器、互感器、電流電壓變換器、光電轉換器或放大器獲得，信號轉換器1的輸出信號為數(shù)字信號，亦即參考信號UN及待測信號UX在信號轉換器1中進行了模數(shù)轉換，轉換精度由信號轉換器中所采用的模數(shù)轉換器的位數(shù)決定，信號轉換器1輸出的信號送到數(shù)據(jù)處理器2，由該處理器無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1，求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)，求出UN1及UX1的峰值(UN1m及UX1m)，求出UN1及UX1之間的夾角δ求出介質損耗因素tgδ，求出電容量C，進行雜散電容的補償，進行抗脈沖干擾處理，進行曲線擬合，對峰值UNm、UXm、UN1m、UX1m、tgδ、C加以格式化，其中數(shù)據(jù)處理器2由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成，其輸出信號送至顯示器3中將測量結果UNm、UXm、tgδ及C顯示出來，該顯示器3可以是液晶顯示器、數(shù)碼管顯示器或屏幕顯示器；可用于測量介質損耗因素，電容量和兩信號之間的相位角。
本發(fā)明所說的信號轉換器1包括參考信號轉換電路11，待測信號轉換電路12、參考信號模數(shù)轉換電路13、待測信號模數(shù)轉換電路14、鎖相電路15及模數(shù)轉換控制電路16組成，其中參考信號轉換電路11的輸入信號為UN，該電路主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成，其中在端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數(shù)值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓V，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，轉換電路11的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器將UN送至信號模數(shù)轉換電路13，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路15；所說的待測信號轉換電路12主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成，其中在端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數(shù)值，其輸出端一路通過電壓跟隨器將UX送至模數(shù)轉換電路14，信號轉換電路12中開關K4D6W的其他三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理，其中模數(shù)轉換電路13和14均由模數(shù)轉換器AD676及常規(guī)外圍元件組成，鎖相電路15主要由CD4046、CD4040及常規(guī)外圍元件組成，模數(shù)轉換控制電路16由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常規(guī)外圍元件組成。
本發(fā)明所說的鎖相電路產(chǎn)生的頻率與信號頻率同步，以保證每周波的采樣次數(shù)不隨信號頻率的變化而變化，實現(xiàn)每周波的采樣次數(shù)是固定的；模數(shù)轉換控制電路16產(chǎn)生的采樣信號，同時送給參考信號轉換電路13及待測信號模數(shù)轉換電路14，以實現(xiàn)兩路信號同時被采集；模數(shù)轉換控制電路16在采樣前先產(chǎn)生一個校對脈沖信號，同時送給參考模數(shù)轉換電路13和待測信號模數(shù)轉換電路14，啟動兩路模數(shù)轉換器校對，校對結束后，模數(shù)轉換控制電路16再產(chǎn)生采樣脈沖信號，同時送給13和14，以保證采集的數(shù)據(jù)準確。
本發(fā)明所說的數(shù)據(jù)處理器2，可在各種工作狀態(tài)下(包括正反接法及各量擋下)，分別進行誤差補償和曲線擬合，從而保證各種工作狀態(tài)下，具有相同的測量準確度。
本發(fā)明所說的反接法時電源電路5的供電技術方案有二，一為采用可充電電池，二為采用高壓隔離變壓器。
本發(fā)明所說的信號轉換器1，數(shù)據(jù)處理器2，顯示器3，控制系統(tǒng)4，電源電路5均安裝于屏蔽箱6的內部，從而具有極強的抗外干擾的能力。
本發(fā)明用于反接法時，屏蔽箱6的絕緣方案有二，一為絕緣箱7的方案，將屏蔽箱6裝在絕緣箱7的內部。二為采用絕緣支柱和法拉弟籠方案。
本發(fā)明所說的控制系統(tǒng)4采用8098或80C31等單片機或微機構成。
與現(xiàn)有測量介質損耗因素的設備相比較，本發(fā)明的優(yōu)點為重量輕，體積小，直接讀數(shù)，準確度極高，測量速度快，不需操作或操作簡便，不受試驗電壓的限制，可在任意高電壓下應用，測量范圍大，tgδ的測量范圍為±0～∝)，兩信號間夾角的測量范圍為±(0～π)；既可用于電力設備預防性試驗或電力產(chǎn)品的質量檢驗，又可用于帶電設備絕緣的在線鑒測；既可用來作現(xiàn)場用的試驗設備，又可用來作試驗室用的校驗設備；而且，本發(fā)明抗諧波干擾的能力和抗脈沖干擾的能力都非常強。
以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步的詳述。


圖1介質損耗自動測量儀原理框圖；圖2介質損耗自動測量儀主機正面外形示意圖；圖3介質損耗自動測量儀主機背面外形示意圖；圖4介質損耗自動測量儀正接法原理接線5介質損耗自動測量儀反接法原理接線6介質損耗自動測量儀用于在線鑒測時的接線7介質損耗自動測量儀電路框圖如圖1，本發(fā)明主要由信號轉換器1，數(shù)據(jù)處理器2，顯示器3，控制系統(tǒng)4，電源電路5，屏蔽箱6，及絕緣箱7組成。
本發(fā)明系測量兩模擬信號電壓之間的基波夾角θ，要測量的兩信號電壓，通常很高，從數(shù)百伏至50萬伏；而模擬信號通常不便于處理和分析；因此需要加以轉換，把高電壓轉換成低電壓和把模擬信號轉換成數(shù)字信號。信號的這兩種轉換由信號轉換器1完成。信號轉換器1的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX；UN為參考信號，UX為待測信號；UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器，電容分壓器，電阻分壓器，互感器，電流電壓變換器，光電轉換器或放大器獲得；信號轉換器1的輸出信號為數(shù)字信號，亦即參考信號UN及待測信號UX，在信號轉換器1中進行了模數(shù)轉換，轉換精度由信號轉換器中所采用的模數(shù)轉換器的位數(shù)決定，例如，采用12位模數(shù)轉換器時，精度為2.44×10-4；采用16位AD轉換器時，精度為1.53×10-5；采用20位模數(shù)轉換器時，精度為9.54×10-7，采用24位模數(shù)轉換器時，精度為5.96×10-8等等。采用多少位的AD轉換器，可由用戶的實際需要決定。模數(shù)轉換時采用了同步技術，以保證每個信號周波內，采集次數(shù)和相位完全固定。為了保證兩信號的相位差正確，采用了兩信號同時采樣的技術。信號轉換器1的輸出送到數(shù)據(jù)處理器2中。
數(shù)據(jù)處理器2完成下列任務求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)；無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1；求出UN1及UX1的峰值(UN1m及UX1m)；求出UN1及UX1之間的夾角δ，求出介質損耗因素tgδ；求出電容量C；進行雜散電容的補償；進行抗脈干擾處理；進行曲線擬合；對UNm，UXm，tgδ，C加以格式化；等等。數(shù)據(jù)處理器2的輸入，為信號轉換器1的輸出；數(shù)據(jù)處理器2的輸出為UNm，UXm，tgδ和C。數(shù)據(jù)處理器2，由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成。數(shù)據(jù)處理器2的輸出，送至顯示器3。
根據(jù)UN和UX，求出UN1及UX1，一般稱為濾波技術。一般數(shù)字濾波技術，數(shù)字濾波前后信號的相位角，會產(chǎn)生一定的誤差，這對于高精度介質損耗的測量來說，是不能允許的。本發(fā)明采用了無崎變數(shù)字濾波技術，其準確度由設定的計算誤差決定，因而其準確度可以是任意的。
茲舉例說明如下。設UN＝0.3+sin(ωt+0.3)+0.3sin(3ωt+0.3)+0.3sin(5ωt+0.3)UX＝0.6+0.7sin(ωt+0.2999999)+0.6sin(3ωt+0.6)+0.6sin(5ωt+0.6)(1)由(1)式知UN的基波UN1＝sin(ωt+0.3)UX的基波UX1＝0.7sin(ωt+0.2999999)
即UN1與UX1之間夾角θ＝0.0000001弧度。
設介質損耗因素自動測量儀測出的UN1與UX1之間夾角為δ，當計算精度足夠時，很容易做到δ＝0.0000001弧度合格的工頻試驗電壓中，其諧波分量遠比1式為??；1式中直流分量和諧波分量都是跨大了的，目的在于說明，本發(fā)明采用的無崎變數(shù)字濾波技術的功能是很強的，即測量結果不受諧波分量的影響。
根據(jù)UN1及UX1的數(shù)據(jù)，即可算出tgδ和C，并將tgδ和C的數(shù)據(jù)轉換成方便的顯示格式。
設 UX1＝UX1Msin(ωt+θX)UN1＝UN1Msin(ωt+θN)則θ＝θN-θXtgδ＝tgθC=UX1MUN1M·kc----(2)]]>
式(2)中，KC為比例因子。KC的值，由各種具體情況決定。例如，UN為流過標準電容器CN的電流in在電阻RN上的壓降，UX為流過試品CX的電流iX在RX的壓降，則KC=RXRN]]>而且C為CX/CN之比值。當CN＝50PF固定不變時，KC變?yōu)镵C=RXRN50]]>，C亦可直接表示為C=UX1MUN1M·RXRN·50PF]]>等等。總之，數(shù)據(jù)格式宜按實際要求而定。
其它需要處理的數(shù)據(jù)，下面結合實施例再進一步詳述。
顯示器3的任務是將來自數(shù)據(jù)處理器2的參數(shù)顯示出來，亦即將測量結果UNm、UXm，tgδ及C顯示出來。顯示器3可以是晶液顯示器、數(shù)碼管顯示器、或屏幕顯示器等等。顯示格式可以是直接讀數(shù)式，或浮點格式等等。顯示方案可以各參數(shù)同時顯示，或各參數(shù)自動巡回顯示，或各參數(shù)通過按鍵顯示等等。顯示位數(shù)根據(jù)需要決定。
控制系統(tǒng)4可由8098或80C31等單板機或微機組成。測量儀各部分1-3均在控制系統(tǒng)4控制下進行工作。若要求測量速度快速時，則宜用微機做控制系統(tǒng)。
儀器所用電源，可以是可充電直流電源或交流電源，根據(jù)實際需要決定。
例如，對在線鑒測，一般用交流電源；又例如，要用反接法作試驗的儀器，用可充電直流電源較方便和安全。電源電路5由變壓器，5伏穩(wěn)壓電路，±9伏穩(wěn)壓電路，±12伏可充電直流電源，和多刀多投開關組成。一般用4投開關時有四個工作狀態(tài)交流、直流、斷開、充電。如果需要更多的工作狀態(tài)，可用更多投的開關獲得。如用五刀6投開關，可有6個工作狀態(tài)。電源電路5的輸入或者是220伏50周交流電，或者是±12伏可充電電池，由多刀多投開關切換，切換開關位于交流位置時，則用于交流電輸入；位于直流時，則用±12伏可充電直流電池輸入；位于充電位置則用交流電為±12伏可充電電池充電。反接法時由于儀器電路處于高電位(通常為1萬伏至50萬伏)，不能使用交流電，一般只能使用±12伏可充電電池或其它適宜的可充電電池。
至于試驗電壓為1萬伏的場合，反接法時，也可用交流電方案，這時，電源變壓器要采用高壓隔離變壓器。采用高壓隔離變壓器的方案時，體積將較大，價格將較貴。
屏蔽箱6，目的是消除外電干擾。儀器的面板和背板是屏蔽箱6的一部分(二面)，儀器箱的其它四面，采用良導體材料，如銅板或鋁板等構成。所有電路元器件，均安裝在屏蔽箱內，屏蔽箱與圖3-5中的E點相連結。亦即正接法和在線鑒測時，屏蔽箱處于低電位，反接法時，屏蔽箱處于高電位。
絕緣箱7，用絕緣材料制作，如有機玻璃，四聚氟乙烯，電木，塑料等，(反接法時能耐住試驗電壓的材料均可)。屏蔽箱裝在絕緣箱內部。絕緣箱主要用于反接法。因此，對于只用正接法的場合，絕緣箱可略去；用于在線鑒測時，絕緣箱亦可略去。試驗電壓在1萬伏左右時，反接法時采用絕緣箱的方案是方便的。若試驗電壓很高，例如，50萬伏，則不宜采用絕緣箱方案，而采用絕緣支柱方案和法拉弟籠方案。
對于不需要作反接法的場合，絕緣箱可以略去。
以上為本發(fā)明的主機結構，一些附件，結合實施例再說明之。
根據(jù)圖1的原理圖和上述說明，可制造出各種形式的介質損耗自動測量儀。
實施例下面結合圖2～圖7說明一個具體的實施例子。
介質損耗自動測量儀，由主機、二根2米長引線、一根10米長引線、一個操作棒和一個包裝箱組成。
主機外形圖如圖2、圖3所示。
圖2、3中，L1、機箱。(屏蔽箱)L2、絕緣材料。
L3、電源開關(分充電、斷電、直流、和交流四檔)L4、試品電流選擇波段開關，共分6檔。
L5、正接法與反接法轉換開關。
L6、8位數(shù)碼管顯示器。
L7、測量復位開關。
L8、試驗電壓選擇波段開關，共分6檔。
L9、充電電源插座。
L10、保險座。
L11、UN接線端子。
L12、E接線端子。
L13、UX接線端子。
一根二米長的引線用于E端與接地端的連接(正接法)或用于E端與高壓端的連接(反接法)。另一根二米長引線，用于UN端與標準電容器CN端的連接。一根10米長的引線，用于UX端與試品CX端的連接。介質損耗自動測量儀，測量過程中一般不需要任何操作，若需要操作(例如電流量檔選擇不適當)時，用操作棒進行操作，以保證安全。
包裝箱的作用有二個，一為運輸儀器時保護儀器，一為試驗時放置儀器。
試驗電壓量檔選擇開關(L8)，適用于各種不同的試驗電壓(3-1000KV)或適用于各種電容量的標準電容器。對于試驗電壓和標準電容器電容量固定的場合，例如用于絕緣預防性試驗時，試驗電壓常用10KV，標準電容器電容量常用CN＝50PF，這時，可略去圖2中的試驗電壓選擇波段開關(L8)。電流選擇量檔分6檔，適用于試品電流在50μA～4A的范圍。量檔不夠用，可適當擴大量檔。量檔選擇是否正確，決定于信號電壓UN和UX的幅值是否在0.5～5伏之間。若UNM和UXM不在0.5～5伏范圍，宜改變量檔，以保證測量的準確度達到目標。圖4～圖6為適用于正接法，反接法和在線鑒測時的試驗接線圖。引線等雜散電容的影響可以通過補償加以消除。在線鑒測時電壓互感器PT的角誤差或CPT的介質損耗因素，可預先加以補償。
圖7為介質損耗自動測量儀的電路框圖。圖7中略去了圖1中的6和7，亦即圖7中只晝出與電路有關的結構部分，未晝出與電路無關的結構部分。本實施例中的屏蔽箱，由2mm鋁板構成，面板及背板是屏蔽箱的一部分，屏蔽箱的其它四面為鋁板，本實施例中的所有電路，均裝在屏蔽箱中，因此，本實施例具有很強的防外電干擾的性能。本實施例中，絕緣箱由四聚氟乙烯構成，具有很高的耐電強度，適用于試驗電壓為1萬伏的場合。
圖7中，信號轉換器1，由參考信號轉換電路11，待測信號轉換電路12，參考信號模數(shù)轉換電路13，待測信號模數(shù)轉換電路14，鎖相電路15及模數(shù)轉換控制電路16組成。參考信號轉換電路11的輸入為UN；參考信號轉換電路兒主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成；端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數(shù)值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓U，使UNm＝0.5～5V；K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理；11的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器，將UN送至13，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路15。12的輸入為UX；12主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成；端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數(shù)值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的試品電流，使UXm＝0.5～5V；12的一路輸出，系通過電壓跟隨器將UX送至14，12的K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理。13和14均由模數(shù)轉換器AD676及常規(guī)外圍元器件組成。鎖相電路15主要由鎖相器CD4046，計數(shù)器CD4040及常規(guī)外圍元器件組成鎖相電路，15產(chǎn)生的脈沖波頻率，與UN信號頻率同步，設UN的頻率為f，則15產(chǎn)生的頻率為256f，(f＝50時，256f＝12800HZ)；電力系統(tǒng)的額定頻率為50周波，但實際的頻率不是正好50HZ，一般頻率范圍為f＝50±0.2HZ均是合格的，每周采樣256次，若兩次采樣之間的時間間隔為Δt，當Δt固定為Δt＝(0.02/256)·S＝78.125μS時，則當電力系統(tǒng)的頻率不是正好50HZ，將引起各周波的測量結果不一致。例如，f＝49.8HZ，則每周時間為0.02008321秒，每周波的采樣次數(shù)m1＝0.02008321×106/78.125＝257.0281124次，這樣一來，兩相鄰周波第一點的采樣相位將存在相位差2π-2πf50=0.025059695]]>弧度，這對于高精度介質損耗自動測量儀來說，將引起不能允許的誤差；本實施例解決此問題的方案是采用同步技術，亦即使15的振蕩頻率隨f變化，采用Δt=2πf256]]>，亦即兩次采樣之間的時間間隔Δt是隨頻率f變化的，這樣一來，不管頻率f是多少，均保證兩相鄰周波第一采樣點的相位相同且每周波的采樣次數(shù)總是256次，不隨f改變。16主要由GAL20V8，74LS123，74LS125，74LS74，及常規(guī)外圍元器件組成，16的任務是，在單片微機控制下，實現(xiàn)兩信號同時采樣，和實現(xiàn)采樣256次以前，對兩路模數(shù)轉換器進行校對一次；這是保證測量結果高精度的關鍵技術之一。本實施例中，由于15和16電路的作用，二信號同時被采集和轉換，每周波采集2n個數(shù)據(jù)，n一般為3～9即足夠，n之大小，需視具體要求而定，本實施例中n＝8，設nH為信號電壓中的最高諧波次數(shù)，雖然一般說來(2n-1)＞nH即可，但采樣次數(shù)宜符合采樣定理。為了減少脈沖干擾以采集40周波數(shù)據(jù)的濾波平均值作為顯示結果。即每顯示結果一次，采集2×40×2n個數(shù)據(jù)。由于采用了鎖相電路保證了各周波的采集相位完全一致，以及各周波內的采集次數(shù)完全一致。為了減少儀器波動因素帶來的影響，每次采集數(shù)據(jù)前對模數(shù)轉換器進行校正一次。按采樣精度要求，確定模數(shù)轉換器的位數(shù)；本實施例采用16位模數(shù)轉換器，可達到的精度為，分辯率2×10-5，tgδ的測量誤差≤±(1％+10-4)；電容量的測量誤差≤±(1％讀數(shù)+5PF)。采樣和校驗均由控制系統(tǒng)4指揮。
為明確起見，茲把本實施例中與1有關的三個關鍵技術重述一下。本實施例中，實現(xiàn)UN和UX同時采樣的技術方案，是采用二路模數(shù)轉換器13和14，由16產(chǎn)生的采樣脈沖信號，同時送給13和14，以實現(xiàn)兩路信號同時采樣。本實施例中，實現(xiàn)同步的技術方案為采用鎖相電路15，將同步信號UN送給15，使15產(chǎn)生的采樣頻率為256f，使采樣頻率隨電力系統(tǒng)頻率f變化，以實現(xiàn)每周波總是采集256次。本實施例中，實現(xiàn)采樣前進行校對的技術方案為，16在采樣前先產(chǎn)生一個校對脈沖信號，同時送給13和14，啟動兩路模數(shù)轉換器校對，校對結束后，16再產(chǎn)生采樣脈沖信號，同時送給13和14，使二路信號同時采樣。
本實施例中，數(shù)據(jù)處理器2由只讀存儲器27128及2個存儲器6264組成。數(shù)據(jù)處理器2接收1送來的數(shù)字化數(shù)據(jù)UN及UX，然后加以處理，得出UNm，UXm，tgδ，C送去顯示器3。現(xiàn)將數(shù)據(jù)處理中的幾個關鍵技術，介紹如下根據(jù)UN，UX，求出基波UN1和UX1，一般稱為濾波技術，如前所述，本實施例采用的是無畸變數(shù)字濾波技術，這時，當采集的數(shù)據(jù)有9位有效數(shù)字時，例如，一周波采集8個數(shù)據(jù)如下Un[1]＝0.77283233 Ux[1]＝0.20686408Un[2]＝1.05911065 Ux[2]＝0.61914244Un[3]＝1.25533649 Ux[3]＝0.66873556Un[4]＝0.89193917 Ux[4]＝0.32659246Un[5]＝-0.17283233Ux[5]＝-0.20686408Un[6]＝-0.45911065Ux[6]＝-0.61914244Un[7]＝-0.65533649Ux[7]＝-0.66873556Un[8]＝-0.29193917Ux[8]＝-0.32659246將這些數(shù)據(jù)送到濾波功能塊(3)處理后，可得出UN1＝sin(ωt+0.3)UX1＝0.7sin(ωt+0.2999999)即δ＝0.0000001弧度。實際上，這是準確的數(shù)值。即沒有誤差。可見當模數(shù)轉換器位數(shù)足夠時，可做到無崎變?yōu)V波。但具體到本實施例，由于采用的是16位模數(shù)轉換器，采集的數(shù)據(jù)中，只有5位有效數(shù)字，這時，測量的準確情況，以五組數(shù)據(jù)說明之。
第一組數(shù)據(jù)Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20686Un[2]＝1.0591Ux[2]＝0.61914Un[3]＝1.2553Ux[3]＝0.668745Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.326592Un[5]＝-0.17283 Ux[5]＝-0.20686Un[6]＝-0.45911 Ux[6]＝-0.61914Un[7]＝-0.65534 Ux[7]＝-0.66874Un[8]＝-0.29194 Ux[8]＝-0.32659準確之θ＝0.0000001 tgθ＝0.0000001測出之tgδ＝3.88·10-6絕對誤差Δtgδ＝3.78·10-6＜10-4第二組數(shù)據(jù)Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20680Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.61911Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.66876Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.32665Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.20680Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.61911Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.66876Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.32665準確之θ＝0.0001 tgθ＝1·10-4測出之tgδ＝0.000096530Δtgδ＝-3.47·10-6＜10-4第三組數(shù)據(jù)Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.20017Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.61585Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.67077Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.33277Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.20017Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.61585Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.67077Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.33277準確之θ＝0.01 tgθ＝0.01000測出之tgδ＝0.0099763絕對誤差Δtgδ＝2.4033·10-5＜10-4第四組數(shù)據(jù)Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.13907Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.58344Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.68605Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.38677Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.13907Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.58344Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.68605Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.38677準確之θ＝0.1 tgθ＝0.10033測出之tgδ＝0.10033Δtgδ＝0第五組數(shù)據(jù)Un[1]＝0.77283 Ux[1]＝0.13907Un[2]＝1.0591 Ux[2]＝0.38677Un[3]＝1.2553 Ux[3]＝0.68605Un[4]＝0.89194 Ux[4]＝0.58344Un[5]＝-0.17283Ux[5]＝-0.13907Un[6]＝-0.45911Ux[6]＝-0.38677Un[7]＝-0.65534Ux[7]＝-0.686055Un[8]＝-0.29194Ux[8]＝-0.58344準確之θ＝0.5 tgθ＝0.5463測出之tgδ＝0.54630Δtgδ＝0從以上五組數(shù)據(jù)可知，本實施例中，并無濾波失真，當θ較小時，由于采集的數(shù)據(jù)有效位數(shù)只有5位，必然引起截斷誤差，也就是說，上述第一組至第三組數(shù)據(jù)，其誤差來源是截斷誤差，而不是濾波引起的誤差。由于本實施例中，要求δ小時Δtgδ＜0.0001就到達目標，故五組數(shù)據(jù)的測量，是達到了目標。如果需要更高的準確度，則采集數(shù)據(jù)的有效位數(shù)要多些。上述五組數(shù)據(jù)中，諧波分量均超過30％；而合格的試驗電壓或工頻電壓其諧波分量小于7％，可見，本實施例抗諧波的能力非常強。
數(shù)據(jù)處理中的第二個關鍵技術為抗脈沖干擾技術。諧波干擾是一種穩(wěn)定的干擾，可以用無畸變?yōu)V波技術消除其影響。而脈沖干擾乃是一不穩(wěn)定的干擾，例如，試驗電源容量不夠大，而試驗時同時有電焊機工作時，就會存在脈沖干擾。本實施例中，采用濾波平均值的方法，消除脈沖干擾的影響，抗脈沖干擾能力不小于40％。(抗脈沖干擾能力的極限值為50％)。
數(shù)據(jù)處理中的第三個關鍵技術為消除雜散電容影響的補償技術。用QS37或2801電橋測量tgδ時，雜散電容的影響是采用屏蔽電位加以消除的。本實施例中，采用補償?shù)姆椒ㄏs散電容的影響，由于可在各種工作狀態(tài)下分別進行補償，因此，本實施例中，無論是正接法，反接法，或各種量檔下，測量的準確度都是完全一樣的。
數(shù)據(jù)處理中的第四個關鍵技術為曲線擬合技術，應用曲線擬合法，可使顯示結果，與校驗設備顯示的結果完全一致，因此，本實施例的測量準確度可達到和校驗設備的準確度一致，可在各種工作狀態(tài)下，分別進行曲線擬合。
本實施例中，為了節(jié)省元器件，數(shù)據(jù)處理器與單板微機共用27128和6264。
本實施例中，顯示器3由顯示控制電路31和8位數(shù)碼管32組成。顯示控制電路31主要由8279及其外圍元器件構成，32由8個數(shù)碼管構成。顯示器3接收從2送來的數(shù)據(jù)UNm，UXm，tgδ及C，處理后送往32進行顯示。8位數(shù)碼管的顯示內容為第一位顯示參數(shù)，d代表tgδ之值，C代表電容量之值，1代表UN的最大值，2代表Ux的最大值。第二位顯示參數(shù)的符號，當參數(shù)為正值時，顯示＝號，當參數(shù)為負值時，顯示-號。其它6位為參數(shù)的數(shù)值。例如d＝0.00005表示tgδ＝+0.00005；d-0.00016表示tgδ＝-0.00016，1＝4.9567表示UNM＝4.9567伏等等。本實施例中，顯示格式為巡回顯示UNm，UXm，tgδ和C。(顯示格式可按用戶要求改變)。本實施例中，自動巡回顯示1＝xxxxxx，2＝xxxxxx，C＝xxxxxx，d＝xxxxxx，不需要操作，前面9次，顯示C和tgδ的單次測量結果，第十次起顯示十次測量結果的平滑濾波平均值。顯示三次平滑濾波平均值后，自動復位和重新開始測量。這種顯示方式，可兼顧測量速度快，和具有很強的抗脈沖干擾能力。當tgδ＞9.9999時，顯示θ＝xxxxxx(單位為弧度)，θ為UN1與UX1之間的夾角，這樣θ的顯示范圍為±(0～π)，而tgδ的顯示范圍為±(0～∝)，但|tgδ|＞9.9999時，需經(jīng)過換算。
本實施例中，控制系統(tǒng)4由8098，27128，2個6264及常規(guī)外圍元器件組成的單板微機實現(xiàn)。4又可簡稱為單板微機。為節(jié)省元器件，4及2共用相同的27128和6264。
本實施例中，儀器電源為交直流兩用；直流電源為±12V可充電電池；交流電源為220V50HZ市電，通過電源變壓器降壓，整流和穩(wěn)壓，獲得儀器用電源。
由于本實施例中，所有電路均裝在一個屏蔽箱中，因此，具有很強的抗外電干擾的能力。
本實施例中，反接法時的絕緣方案，采用絕緣箱的方案。
由于本發(fā)明tgδ的測量范圍大，即使試品受到強烈的外電干擾和阻抗干擾，亦可用精確正反相法和變阻法方便地測出tgδ之準確值。
權利要求
1.一種介質損耗自動測量儀，包括信號轉換器(1)、數(shù)據(jù)處理器(2)、顯示器(3)、控制系統(tǒng)(4)、電源電路(5)、屏蔽箱(6)及絕緣箱(7)，可用于測量介質損耗因素，電容量及兩信號之間的相位角，其特征在于信號轉換器(1)的輸入電壓為兩模擬信號UN和UX，其中UN為參考信號，UX為待測信號，UN及UX可以分別或同時由阻容分壓器、電容分壓器、電阻分壓器、互感器、電流電壓變換器、光電轉換器或放大器獲得，信號轉換器(1)的輸出信號為數(shù)字信號，亦即參考信號UN及待測信號UX在信號轉換器(1)中進行了模數(shù)轉換，轉換精度由信號轉換器中所采用的模數(shù)轉換器的位數(shù)決定，信號轉換器(1)輸出的信號送到數(shù)據(jù)處理器(2)，由該處理器無畸變地求出UN及UX的基波UN1及UX1，求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)，求出UN1及UX1的峰值UN1m及UX1m，求出UN1及UX1之間的夾角δ求出介質損耗因素tgδ，求出電容量C，進行雜散電容的補償，進行抗脈沖干擾處理，進行曲線擬合，對峰值UNm、UXM，U1m。UX1m、tgδ、C加以格式化，其中數(shù)據(jù)處理器(2)由只讀存儲器Eprom及存儲器Ram組成，其輸出信號送至顯示器(3)中將測量結果UNm、UXm、tgδ及C顯示出來，該顯示器(3)可以是液晶顯示器、數(shù)碼管顯示器或屏幕顯示器。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于所說的信號轉換器包括參考信號轉換電路(11)，待測信號轉換電路(12)、參考信號模數(shù)轉換電路(13)、待測信號模數(shù)轉換電路(14)、鎖相電路(15)及模數(shù)轉換控制電路(16)組成，其中參考信號轉換電路(11)的輸入信號為UN，該電路主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)，一個電壓跟隨器和一個電壓比較器組成，其中在端子UN與E之間接入一個電阻RN，RN共有6個不同的數(shù)值，由K4D6W的位置決定，以適應不同的外施電壓U，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置決定一個單片微機口的值，轉換電路(11)的輸出有二路，一路通過電壓跟隨器將UN送至信號模數(shù)轉換電路(13)，另一路通過電壓比較器將UN送至鎖相電路(15)；所說的待測信號轉換電路(12)主要由6個無感電阻，一個四刀6投開關(K4D6W)及一個電壓跟隨器組成，其中在端子UX與E之間接入一個電阻RX，RX共有6個不同的數(shù)值，由轉換開關K4D6W的位置決定，以適應不同的試品電流，使UNm＝0.5～5伏，其輸出端一路通過電壓跟隨器將UX送至模數(shù)轉換電路(14)，信號轉換電路(12)中開關K4W6D的其他三刀的位置決定一個單片微機口的值，以便通知單片微機進行相應的計算或處理，其中模數(shù)轉換電路(13)和(14)均由模數(shù)轉換器及常規(guī)外圍元件組成，鎖相電路(15)主要由鎖相器、計數(shù)器及常規(guī)外圍元件組成，模數(shù)轉換控制電路(16)由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常規(guī)外圍元件組成。
3.根據(jù)權利要求2所述的測量儀，其特征在于鎖相電路產(chǎn)生的頻率與信號頻率同步，以保證每周波的采樣次數(shù)不隨信號頻率的變化而變化，實現(xiàn)每周波的采樣次數(shù)是固定的；模數(shù)轉換控制電路(16)產(chǎn)生的采樣信號，同時送給參考信號轉換電路(13)及待測信號模數(shù)轉換電路(14)，以實現(xiàn)兩路信號同時被采集；模數(shù)轉換控制電路(16)在采樣前先產(chǎn)生一個校對脈沖信號，同時送給參考模數(shù)轉換電路(13)和待測信號模數(shù)轉換電路(14)，啟動兩路模數(shù)轉換器校對，校對結束后，模數(shù)轉換控制電路(16)再產(chǎn)生采樣脈沖信號，同時送給(13)和(14)，以保證采集的數(shù)據(jù)準確。
4.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于數(shù)據(jù)處理器(2)，可在各種工作狀態(tài)下(包括正反接法及各量擋下)，分別進行誤差補償和曲線擬合，從而保證各種工作狀態(tài)下，具有相同的測量準確度。
5.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于反接法時電源電路(5)的供電技術方案有二，一為采用可充電電池，二為采用高壓隔離變壓器。
6.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于信號轉換器(1)，數(shù)據(jù)處理器(2)，顯示器(3)，控制系統(tǒng)(4)，電源電路(5)均安裝于屏蔽箱(6)的內部，從而具有極強的抗外干擾的能力。
7.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于用于反接法時，屏蔽箱(6)的絕緣方案有二，一為絕緣箱(7)的方案，將屏蔽箱(6)裝在絕緣箱(7)的內部。二為采用絕緣支柱和法拉弟籠方案。
8.根據(jù)權利要求1所述的測量儀，其特征在于所說的控制系統(tǒng)(4)采用8098或80C31等單片機或微機構成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種介質損耗自動測量儀,包括信號轉換器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器、控制系統(tǒng)、電源電路及屏蔽箱、絕緣箱等。其特征在于:信號轉換器的輸入電壓為兩模擬信號,其輸出信號送到處理器中,由處理器無畸變地求出參考信號及待測信號的峰值及其夾角θ,并求出介質損耗因素和電容量,并對雜散電容進行補償,抗脈沖干擾處理,進行曲線擬合,對峰值加以格式化等等。由上述構成的測量儀可用于測量介質損耗因素,電容量及兩信號之間的相位角。
文檔編號G01R27/26GK1185585SQ9612299
公開日1998年6月24日 申請日期1996年11月20日 優(yōu)先權日1996年11月20日
發(fā)明者羅卓林, 張茂城, 黃智佳, 孔高祥 申請人:羅卓林, 廣州白云輕工實業(yè)公司