专利名称：介质损耗自动测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动测量电力设备介质损耗因素tgδ和电容量C以及测量两交流信号之间的夹角θ的仪器。
目前国内外测量电力设备的介质损失和电容量，多采用西林电桥来实现，在我国广泛采用的是上海产QS-1电桥，该电桥是手动平衡的电桥，其缺点是调整平衡操作既麻烦又费时，并且在光线强的地方检流计的光带很难看清楚，在介质质损耗因素和电容量随时间变化的场合因无法平衡而不能采用QS-1电桥，并且受外施电压的限制，不能用于很高的电压(一般用于≤10KV的场合)。另外，国外还有一些测量仪器，由于它们都是采用高频和低电压，不适宜用来测量电力设备的介质损耗因素tgδ和C。为解决上述问题，专利号为88104054.1的(电力系统介质损失和电容量自动测量仪)，虽然可取代QS1电桥，但由于受模拟电路准确度的限制，其测量准确度仅与QS1电桥相当。随着电力设备质量的提高，相当于QS1电桥的测量准确度，已不能满足要求，例如，现代薄膜型电容器，要求介质损耗因素tgδ≤0.001，测量准确度的绝对误差高达0.003的仪器设备，已不能满足要求了。目前，在试验室应用的测量和校验介质损耗因素的仪器，如QS30型电桥或类似产品，虽然准确较高，但由于操作平衡过程复杂，也急需用新型测量仪器来取而代之。
本发明的目的是提供一种构思新颖，结构简单，测量精度高，速度快，测量范围大，操作十分简便的一种介质损耗自动测量仪。
本发明的目的是通过如下方案实现的包括信号转换器、数据处理器、显示器、控制系统、电源电路、屏蔽箱及绝缘箱构成，其中所说的信号转换器的输入电压为两模拟信号UN和UX，其中UN为参考信号，UX为待测信号，UN及UX可以分别或同时由阻容分压器、电容分压器、电阻分压器、互感器、电流电压变换器、光电转换器或放大器获得，信号转换器1的输出信号为数字信号，亦即参考信号UN及待测信号UX在信号转换器1中进行了模数转换，转换精度由信号转换器中所采用的模数转换器的位数决定，信号转换器1输出的信号送到数据处理器2，由该处理器无畸变地求出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之间的夹角δ求出介质损耗因素tgδ，求出电容量C，进行杂散电容的补偿，进行抗脉冲干扰处理，进行曲线拟合，对峰值UNm、UXm、UN1m、UX1m、tgδ、C加以格式化，其中数据处理器2由只读存储器Eprom及存储器Ram组成，其输出信号送至显示器3中将测量结果UNm、UXm、tgδ及C显示出来，该显示器3可以是液晶显示器、数码管显示器或屏幕显示器；可用于测量介质损耗因素，电容量和两信号之间的相位角。
本发明所说的信号转换器1包括参考信号转换电路11，待测信号转换电路12、参考信号模数转换电路13、待测信号模数转换电路14、锁相电路15及模数转换控制电路16组成，其中参考信号转换电路11的输入信号为UN，该电路主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)，一个电压跟随器和一个电压比较器组成，其中在端子UN与E之间接入一个电阻RN，RN共有6个不同的数值，由K4D6W的位置决定，以适应不同的外施电压V，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置决定一个单片微机口的值，转换电路11的输出有二路，一路通过电压跟随器将UN送至信号模数转换电路13，另一路通过电压比较器将UN送至锁相电路15；所说的待测信号转换电路12主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)及一个电压跟随器组成，其中在端子UX与E之间接入一个电阻RX，RX共有6个不同的数值，其输出端一路通过电压跟随器将UX送至模数转换电路14，信号转换电路12中开关K4D6W的其他三刀的位置决定一个单片微机口的值，以便通知单片微机进行相应的计算或处理，其中模数转换电路13和14均由模数转换器AD676及常规外围元件组成，锁相电路15主要由CD4046、CD4040及常规外围元件组成，模数转换控制电路16由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常规外围元件组成。
本发明所说的锁相电路产生的频率与信号频率同步，以保证每周波的采样次数不随信号频率的变化而变化，实现每周波的采样次数是固定的；模数转换控制电路16产生的采样信号，同时送给参考信号转换电路13及待测信号模数转换电路14，以实现两路信号同时被采集；模数转换控制电路16在采样前先产生一个校对脉冲信号，同时送给参考模数转换电路13和待测信号模数转换电路14，启动两路模数转换器校对，校对结束后，模数转换控制电路16再产生采样脉冲信号，同时送给13和14，以保证采集的数据准确。
本发明所说的数据处理器2，可在各种工作状态下(包括正反接法及各量挡下)，分别进行误差补偿和曲线拟合，从而保证各种工作状态下，具有相同的测量准确度。
本发明所说的反接法时电源电路5的供电技术方案有二，一为采用可充电电池，二为采用高压隔离变压器。
本发明所说的信号转换器1，数据处理器2，显示器3，控制系统4，电源电路5均安装于屏蔽箱6的内部，从而具有极强的抗外干扰的能力。
本发明用于反接法时，屏蔽箱6的绝缘方案有二，一为绝缘箱7的方案，将屏蔽箱6装在绝缘箱7的内部。二为采用绝缘支柱和法拉弟笼方案。
本发明所说的控制系统4采用8098或80C31等单片机或微机构成。
与现有测量介质损耗因素的设备相比较，本发明的优点为重量轻，体积小，直接读数，准确度极高，测量速度快，不需操作或操作简便，不受试验电压的限制，可在任意高电压下应用，测量范围大，tgδ的测量范围为±0～∝)，两信号间夹角的测量范围为±(0～π)；既可用于电力设备预防性试验或电力产品的质量检验，又可用于带电设备绝缘的在线鉴测；既可用来作现场用的试验设备，又可用来作试验室用的校验设备；而且，本发明抗谐波干扰的能力和抗脉冲干扰的能力都非常强。
以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详述。
图1介质损耗自动测量仪原理框图；图2介质损耗自动测量仪主机正面外形示意图；图3介质损耗自动测量仪主机背面外形示意图；图4介质损耗自动测量仪正接法原理接线5介质损耗自动测量仪反接法原理接线6介质损耗自动测量仪用于在线鉴测时的接线7介质损耗自动测量仪电路框图如图1，本发明主要由信号转换器1，数据处理器2，显示器3，控制系统4，电源电路5，屏蔽箱6，及绝缘箱7组成。
本发明系测量两模拟信号电压之间的基波夹角θ，要测量的两信号电压，通常很高，从数百伏至50万伏；而模拟信号通常不便于处理和分析；因此需要加以转换，把高电压转换成低电压和把模拟信号转换成数字信号。信号的这两种转换由信号转换器1完成。信号转换器1的输入电压为两模拟信号UN和UX；UN为参考信号，UX为待测信号；UN及UX可以分别或同时由阻容分压器，电容分压器，电阻分压器，互感器，电流电压变换器，光电转换器或放大器获得；信号转换器1的输出信号为数字信号，亦即参考信号UN及待测信号UX，在信号转换器1中进行了模数转换，转换精度由信号转换器中所采用的模数转换器的位数决定，例如，采用12位模数转换器时，精度为2.44×10-4；采用16位AD转换器时，精度为1.53×10-5；采用20位模数转换器时，精度为9.54×10-7，采用24位模数转换器时，精度为5.96×10-8等等。采用多少位的AD转换器，可由用户的实际需要决定。模数转换时采用了同步技术，以保证每个信号周波内，采集次数和相位完全固定。为了保证两信号的相位差正确，采用了两信号同时采样的技术。信号转换器1的输出送到数据处理器2中。
数据处理器2完成下列任务求出UN及UX的峰值(UNm及UXm)；无畸变地求出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之间的夹角δ，求出介质损耗因素tgδ；求出电容量C；进行杂散电容的补偿；进行抗脉干扰处理；进行曲线拟合；对UNm，UXm，tgδ，C加以格式化；等等。数据处理器2的输入，为信号转换器1的输出；数据处理器2的输出为UNm，UXm，tgδ和C。数据处理器2，由只读存储器Eprom及存储器Ram组成。数据处理器2的输出，送至显示器3。
根据UN和UX，求出UN1及UX1，一般称为滤波技术。一般数字滤波技术，数字滤波前后信号的相位角，会产生一定的误差，这对于高精度介质损耗的测量来说，是不能允许的。本发明采用了无崎变数字滤波技术，其准确度由设定的计算误差决定，因而其准确度可以是任意的。
兹举例说明如下。设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与UX1之间夹角θ＝0.0000001弧度。
设介质损耗因素自动测量仪测出的UN1与UX1之间夹角为δ，当计算精度足够时，很容易做到δ＝0.0000001弧度合格的工频试验电压中，其谐波分量远比1式为小；1式中直流分量和谐波分量都是跨大了的，目的在于说明，本发明采用的无崎变数字滤波技术的功能是很强的，即测量结果不受谐波分量的影响。
根据UN1及UX1的数据，即可算出tgδ和C，并将tgδ和C的数据转换成方便的显示格式。
设 UX1＝UX1Msin(ωt+θX)UN1＝UN1Msin(ωt+θN)则θ＝θN-θXtgδ＝tgθC=UX1MUN1M·kc----(2)]]>
式(2)中，KC为比例因子。KC的值，由各种具体情况决定。例如，UN为流过标准电容器CN的电流in在电阻RN上的压降，UX为流过试品CX的电流iX在RX的压降，则KC=RXRN]]>而且C为CX/CN之比值。当CN＝50PF固定不变时，KC变为KC=RXRN50]]>，C亦可直接表示为C=UX1MUN1M·RXRN·50PF]]>等等。总之，数据格式宜按实际要求而定。
其它需要处理的数据，下面结合实施例再进一步详述。
显示器3的任务是将来自数据处理器2的参数显示出来，亦即将测量结果UNm、UXm，tgδ及C显示出来。显示器3可以是晶液显示器、数码管显示器、或屏幕显示器等等。显示格式可以是直接读数式，或浮点格式等等。显示方案可以各参数同时显示，或各参数自动巡回显示，或各参数通过按键显示等等。显示位数根据需要决定。
控制系统4可由8098或80C31等单板机或微机组成。测量仪各部分1-3均在控制系统4控制下进行工作。若要求测量速度快速时，则宜用微机做控制系统。
仪器所用电源，可以是可充电直流电源或交流电源，根据实际需要决定。
例如，对在线鉴测，一般用交流电源；又例如，要用反接法作试验的仪器，用可充电直流电源较方便和安全。电源电路5由变压器，5伏稳压电路，±9伏稳压电路，±12伏可充电直流电源，和多刀多投开关组成。一般用4投开关时有四个工作状态交流、直流、断开、充电。如果需要更多的工作状态，可用更多投的开关获得。如用五刀6投开关，可有6个工作状态。电源电路5的输入或者是220伏50周交流电，或者是±12伏可充电电池，由多刀多投开关切换，切换开关位于交流位置时，则用于交流电输入；位于直流时，则用±12伏可充电直流电池输入；位于充电位置则用交流电为±12伏可充电电池充电。反接法时由于仪器电路处于高电位(通常为1万伏至50万伏)，不能使用交流电，一般只能使用±12伏可充电电池或其它适宜的可充电电池。
至于试验电压为1万伏的场合，反接法时，也可用交流电方案，这时，电源变压器要采用高压隔离变压器。采用高压隔离变压器的方案时，体积将较大，价格将较贵。
屏蔽箱6，目的是消除外电干扰。仪器的面板和背板是屏蔽箱6的一部分(二面)，仪器箱的其它四面，采用良导体材料，如铜板或铝板等构成。所有电路元器件，均安装在屏蔽箱内，屏蔽箱与图3-5中的E点相连结。亦即正接法和在线鉴测时，屏蔽箱处于低电位，反接法时，屏蔽箱处于高电位。
绝缘箱7，用绝缘材料制作，如有机玻璃，四聚氟乙烯，电木，塑料等，(反接法时能耐住试验电压的材料均可)。屏蔽箱装在绝缘箱内部。绝缘箱主要用于反接法。因此，对于只用正接法的场合，绝缘箱可略去；用于在线鉴测时，绝缘箱亦可略去。试验电压在1万伏左右时，反接法时采用绝缘箱的方案是方便的。若试验电压很高，例如，50万伏，则不宜采用绝缘箱方案，而采用绝缘支柱方案和法拉弟笼方案。
对于不需要作反接法的场合，绝缘箱可以略去。
以上为本发明的主机结构，一些附件，结合实施例再说明之。
根据图1的原理图和上述说明，可制造出各种形式的介质损耗自动测量仪。
实施例下面结合图2～图7说明一个具体的实施例子。
介质损耗自动测量仪，由主机、二根2米长引线、一根10米长引线、一个操作棒和一个包装箱组成。
主机外形图如图2、图3所示。
图2、3中，L1、机箱。(屏蔽箱)L2、绝缘材料。
L3、电源开关(分充电、断电、直流、和交流四档)L4、试品电流选择波段开关，共分6档。
L5、正接法与反接法转换开关。
L6、8位数码管显示器。
L7、测量复位开关。
L8、试验电压选择波段开关，共分6档。
L9、充电电源插座。
L10、保险座。
L11、UN接线端子。
L12、E接线端子。
L13、UX接线端子。
一根二米长的引线用于E端与接地端的连接(正接法)或用于E端与高压端的连接(反接法)。另一根二米长引线，用于UN端与标准电容器CN端的连接。一根10米长的引线，用于UX端与试品CX端的连接。介质损耗自动测量仪，测量过程中一般不需要任何操作，若需要操作(例如电流量档选择不适当)时，用操作棒进行操作，以保证安全。
包装箱的作用有二个，一为运输仪器时保护仪器，一为试验时放置仪器。
试验电压量档选择开关(L8)，适用于各种不同的试验电压(3-1000KV)或适用于各种电容量的标准电容器。对于试验电压和标准电容器电容量固定的场合，例如用于绝缘预防性试验时，试验电压常用10KV，标准电容器电容量常用CN＝50PF，这时，可略去图2中的试验电压选择波段开关(L8)。电流选择量档分6档，适用于试品电流在50μA～4A的范围。量档不够用，可适当扩大量档。量档选择是否正确，决定于信号电压UN和UX的幅值是否在0.5～5伏之间。若UNM和UXM不在0.5～5伏范围，宜改变量档，以保证测量的准确度达到目标。图4～图6为适用于正接法，反接法和在线鉴测时的试验接线图。引线等杂散电容的影响可以通过补偿加以消除。在线鉴测时电压互感器PT的角误差或CPT的介质损耗因素，可预先加以补偿。
图7为介质损耗自动测量仪的电路框图。图7中略去了图1中的6和7，亦即图7中只昼出与电路有关的结构部分，未昼出与电路无关的结构部分。本实施例中的屏蔽箱，由2mm铝板构成，面板及背板是屏蔽箱的一部分，屏蔽箱的其它四面为铝板，本实施例中的所有电路，均装在屏蔽箱中，因此，本实施例具有很强的防外电干扰的性能。本实施例中，绝缘箱由四聚氟乙烯构成，具有很高的耐电强度，适用于试验电压为1万伏的场合。
图7中，信号转换器1，由参考信号转换电路11，待测信号转换电路12，参考信号模数转换电路13，待测信号模数转换电路14，锁相电路15及模数转换控制电路16组成。参考信号转换电路11的输入为UN；参考信号转换电路儿主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)，一个电压跟随器和一个电压比较器组成；端子UN与E之间接入一个电阻RN，RN共有6个不同的数值，由K4D6W的位置决定，以适应不同的外施电压U，使UNm＝0.5～5V；K4D6W的其它三刀的位置决定一个单片微机口的值，以便通知单片微机进行相应的计算或处理；11的输出有二路，一路通过电压跟随器，将UN送至13，另一路通过电压比较器将UN送至锁相电路15。12的输入为UX；12主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)及一个电压跟随器组成；端子UX与E之间接入一个电阻RX，RX共有6个不同的数值，由K4D6W的位置决定，以适应不同的试品电流，使UXm＝0.5～5V；12的一路输出，系通过电压跟随器将UX送至14，12的K4D6W的其它三刀的位置决定一个单片微机口的值，以便通知单片微机进行相应的计算或处理。13和14均由模数转换器AD676及常规外围元器件组成。锁相电路15主要由锁相器CD4046，计数器CD4040及常规外围元器件组成锁相电路，15产生的脉冲波频率，与UN信号频率同步，设UN的频率为f，则15产生的频率为256f，(f＝50时，256f＝12800HZ)；电力系统的额定频率为50周波，但实际的频率不是正好50HZ，一般频率范围为f＝50±0.2HZ均是合格的，每周采样256次，若两次采样之间的时间间隔为Δt，当Δt固定为Δt＝(0.02/256)·S＝78.125μS时，则当电力系统的频率不是正好50HZ，将引起各周波的测量结果不一致。例如，f＝49.8HZ，则每周时间为0.02008321秒，每周波的采样次数m1＝0.02008321×106/78.125＝257.0281124次，这样一来，两相邻周波第一点的采样相位将存在相位差2π-2πf50=0.025059695]]>弧度，这对于高精度介质损耗自动测量仪来说，将引起不能允许的误差；本实施例解决此问题的方案是采用同步技术，亦即使15的振荡频率随f变化，采用Δt=2πf256]]>，亦即两次采样之间的时间间隔Δt是随频率f变化的，这样一来，不管频率f是多少，均保证两相邻周波第一采样点的相位相同且每周波的采样次数总是256次，不随f改变。16主要由GAL20V8，74LS123，74LS125，74LS74，及常规外围元器件组成，16的任务是，在单片微机控制下，实现两信号同时采样，和实现采样256次以前，对两路模数转换器进行校对一次；这是保证测量结果高精度的关键技术之一。本实施例中，由于15和16电路的作用，二信号同时被采集和转换，每周波采集2n个数据，n一般为3～9即足够，n之大小，需视具体要求而定，本实施例中n＝8，设nH为信号电压中的最高谐波次数，虽然一般说来(2n-1)＞nH即可，但采样次数宜符合采样定理。为了减少脉冲干扰以采集40周波数据的滤波平均值作为显示结果。即每显示结果一次，采集2×40×2n个数据。由于采用了锁相电路保证了各周波的采集相位完全一致，以及各周波内的采集次数完全一致。为了减少仪器波动因素带来的影响，每次采集数据前对模数转换器进行校正一次。按采样精度要求，确定模数转换器的位数；本实施例采用16位模数转换器，可达到的精度为，分辩率2×10-5，tgδ的测量误差≤±(1％+10-4)；电容量的测量误差≤±(1％读数+5PF)。采样和校验均由控制系统4指挥。
为明确起见，兹把本实施例中与1有关的三个关键技术重述一下。本实施例中，实现UN和UX同时采样的技术方案，是采用二路模数转换器13和14，由16产生的采样脉冲信号，同时送给13和14，以实现两路信号同时采样。本实施例中，实现同步的技术方案为采用锁相电路15，将同步信号UN送给15，使15产生的采样频率为256f，使采样频率随电力系统频率f变化，以实现每周波总是采集256次。本实施例中，实现采样前进行校对的技术方案为，16在采样前先产生一个校对脉冲信号，同时送给13和14，启动两路模数转换器校对，校对结束后，16再产生采样脉冲信号，同时送给13和14，使二路信号同时采样。
本实施例中，数据处理器2由只读存储器27128及2个存储器6264组成。数据处理器2接收1送来的数字化数据UN及UX，然后加以处理，得出UNm，UXm，tgδ，C送去显示器3。现将数据处理中的几个关键技术，介绍如下根据UN，UX，求出基波UN1和UX1，一般称为滤波技术，如前所述，本实施例采用的是无畸变数字滤波技术，这时，当采集的数据有9位有效数字时，例如，一周波采集8个数据如下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将这些数据送到滤波功能块(3)处理后，可得出UN1＝sin(ωt+0.3)UX1＝0.7sin(ωt+0.2999999)即δ＝0.0000001弧度。实际上，这是准确的数值。即没有误差。可见当模数转换器位数足够时，可做到无崎变滤波。但具体到本实施例，由于采用的是16位模数转换器，采集的数据中，只有5位有效数字，这时，测量的准确情况，以五组数据说明之。
第一组数据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准确之θ＝0.0000001 tgθ＝0.0000001测出之tgδ＝3.88·10-6绝对误差Δtgδ＝3.78·10-6＜10-4第二组数据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准确之θ＝0.0001 tgθ＝1·10-4测出之tgδ＝0.000096530Δtgδ＝-3.47·10-6＜10-4第三组数据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准确之θ＝0.01 tgθ＝0.01000测出之tgδ＝0.0099763绝对误差Δtgδ＝2.4033·10-5＜10-4第四组数据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准确之θ＝0.1 tgθ＝0.10033测出之tgδ＝0.10033Δtgδ＝0第五组数据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准确之θ＝0.5 tgθ＝0.5463测出之tgδ＝0.54630Δtgδ＝0从以上五组数据可知，本实施例中，并无滤波失真，当θ较小时，由于采集的数据有效位数只有5位，必然引起截断误差，也就是说，上述第一组至第三组数据，其误差来源是截断误差，而不是滤波引起的误差。由于本实施例中，要求δ小时Δtgδ＜0.0001就到达目标，故五组数据的测量，是达到了目标。如果需要更高的准确度，则采集数据的有效位数要多些。上述五组数据中，谐波分量均超过30％；而合格的试验电压或工频电压其谐波分量小于7％，可见，本实施例抗谐波的能力非常强。
数据处理中的第二个关键技术为抗脉冲干扰技术。谐波干扰是一种稳定的干扰，可以用无畸变滤波技术消除其影响。而脉冲干扰乃是一不稳定的干扰，例如，试验电源容量不够大，而试验时同时有电焊机工作时，就会存在脉冲干扰。本实施例中，采用滤波平均值的方法，消除脉冲干扰的影响，抗脉冲干扰能力不小于40％。(抗脉冲干扰能力的极限值为50％)。
数据处理中的第三个关键技术为消除杂散电容影响的补偿技术。用QS37或2801电桥测量tgδ时，杂散电容的影响是采用屏蔽电位加以消除的。本实施例中，采用补偿的方法消除杂散电容的影响，由于可在各种工作状态下分别进行补偿，因此，本实施例中，无论是正接法，反接法，或各种量档下，测量的准确度都是完全一样的。
数据处理中的第四个关键技术为曲线拟合技术，应用曲线拟合法，可使显示结果，与校验设备显示的结果完全一致，因此，本实施例的测量准确度可达到和校验设备的准确度一致，可在各种工作状态下，分别进行曲线拟合。
本实施例中，为了节省元器件，数据处理器与单板微机共用27128和6264。
本实施例中，显示器3由显示控制电路31和8位数码管32组成。显示控制电路31主要由8279及其外围元器件构成，32由8个数码管构成。显示器3接收从2送来的数据UNm，UXm，tgδ及C，处理后送往32进行显示。8位数码管的显示内容为第一位显示参数，d代表tgδ之值，C代表电容量之值，1代表UN的最大值，2代表Ux的最大值。第二位显示参数的符号，当参数为正值时，显示＝号，当参数为负值时，显示-号。其它6位为参数的数值。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。本实施例中，显示格式为巡回显示UNm，UXm，tgδ和C。(显示格式可按用户要求改变)。本实施例中，自动巡回显示1＝xxxxxx，2＝xxxxxx，C＝xxxxxx，d＝xxxxxx，不需要操作，前面9次，显示C和tgδ的单次测量结果，第十次起显示十次测量结果的平滑滤波平均值。显示三次平滑滤波平均值后，自动复位和重新开始测量。这种显示方式，可兼顾测量速度快，和具有很强的抗脉冲干扰能力。当tgδ＞9.9999时，显示θ＝xxxxxx(单位为弧度)，θ为UN1与UX1之间的夹角，这样θ的显示范围为±(0～π)，而tgδ的显示范围为±(0～∝)，但|tgδ|＞9.9999时，需经过换算。
本实施例中，控制系统4由8098，27128，2个6264及常规外围元器件组成的单板微机实现。4又可简称为单板微机。为节省元器件，4及2共用相同的27128和6264。
本实施例中，仪器电源为交直流两用；直流电源为±12V可充电电池；交流电源为220V50HZ市电，通过电源变压器降压，整流和稳压，获得仪器用电源。
由于本实施例中，所有电路均装在一个屏蔽箱中，因此，具有很强的抗外电干扰的能力。
本实施例中，反接法时的绝缘方案，采用绝缘箱的方案。
由于本发明tgδ的测量范围大，即使试品受到强烈的外电干扰和阻抗干扰，亦可用精确正反相法和变阻法方便地测出tgδ之准确值。
权利要求
1.一种介质损耗自动测量仪，包括信号转换器(1)、数据处理器(2)、显示器(3)、控制系统(4)、电源电路(5)、屏蔽箱(6)及绝缘箱(7)，可用于测量介质损耗因素，电容量及两信号之间的相位角，其特征在于信号转换器(1)的输入电压为两模拟信号UN和UX，其中UN为参考信号，UX为待测信号，UN及UX可以分别或同时由阻容分压器、电容分压器、电阻分压器、互感器、电流电压变换器、光电转换器或放大器获得，信号转换器(1)的输出信号为数字信号，亦即参考信号UN及待测信号UX在信号转换器(1)中进行了模数转换，转换精度由信号转换器中所采用的模数转换器的位数决定，信号转换器(1)输出的信号送到数据处理器(2)，由该处理器无畸变地求出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之间的夹角δ求出介质损耗因素tgδ，求出电容量C，进行杂散电容的补偿，进行抗脉冲干扰处理，进行曲线拟合，对峰值UNm、UXM，U1m。UX1m、tgδ、C加以格式化，其中数据处理器(2)由只读存储器Eprom及存储器Ram组成，其输出信号送至显示器(3)中将测量结果UNm、UXm、tgδ及C显示出来，该显示器(3)可以是液晶显示器、数码管显示器或屏幕显示器。
2.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于所说的信号转换器包括参考信号转换电路(11)，待测信号转换电路(12)、参考信号模数转换电路(13)、待测信号模数转换电路(14)、锁相电路(15)及模数转换控制电路(16)组成，其中参考信号转换电路(11)的输入信号为UN，该电路主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)，一个电压跟随器和一个电压比较器组成，其中在端子UN与E之间接入一个电阻RN，RN共有6个不同的数值，由K4D6W的位置决定，以适应不同的外施电压U，使UNm＝0.5～5伏，K4D6W的其它三刀的位置决定一个单片微机口的值，转换电路(11)的输出有二路，一路通过电压跟随器将UN送至信号模数转换电路(13)，另一路通过电压比较器将UN送至锁相电路(15)；所说的待测信号转换电路(12)主要由6个无感电阻，一个四刀6投开关(K4D6W)及一个电压跟随器组成，其中在端子UX与E之间接入一个电阻RX，RX共有6个不同的数值，由转换开关K4D6W的位置决定，以适应不同的试品电流，使UNm＝0.5～5伏，其输出端一路通过电压跟随器将UX送至模数转换电路(14)，信号转换电路(12)中开关K4W6D的其他三刀的位置决定一个单片微机口的值，以便通知单片微机进行相应的计算或处理，其中模数转换电路(13)和(14)均由模数转换器及常规外围元件组成，锁相电路(15)主要由锁相器、计数器及常规外围元件组成，模数转换控制电路(16)由GAL20V8、74LS123、74LS125、74LS74及常规外围元件组成。
3.根据权利要求2所述的测量仪，其特征在于锁相电路产生的频率与信号频率同步，以保证每周波的采样次数不随信号频率的变化而变化，实现每周波的采样次数是固定的；模数转换控制电路(16)产生的采样信号，同时送给参考信号转换电路(13)及待测信号模数转换电路(14)，以实现两路信号同时被采集；模数转换控制电路(16)在采样前先产生一个校对脉冲信号，同时送给参考模数转换电路(13)和待测信号模数转换电路(14)，启动两路模数转换器校对，校对结束后，模数转换控制电路(16)再产生采样脉冲信号，同时送给(13)和(14)，以保证采集的数据准确。
4.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于数据处理器(2)，可在各种工作状态下(包括正反接法及各量挡下)，分别进行误差补偿和曲线拟合，从而保证各种工作状态下，具有相同的测量准确度。
5.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于反接法时电源电路(5)的供电技术方案有二，一为采用可充电电池，二为采用高压隔离变压器。
6.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于信号转换器(1)，数据处理器(2)，显示器(3)，控制系统(4)，电源电路(5)均安装于屏蔽箱(6)的内部，从而具有极强的抗外干扰的能力。
7.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于用于反接法时，屏蔽箱(6)的绝缘方案有二，一为绝缘箱(7)的方案，将屏蔽箱(6)装在绝缘箱(7)的内部。二为采用绝缘支柱和法拉弟笼方案。
8.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于所说的控制系统(4)采用8098或80C31等单片机或微机构成。
全文摘要
本发明提供了一种介质损耗自动测量仪,包括信号转换器、数据处理器、显示器、控制系统、电源电路及屏蔽箱、绝缘箱等。其特征在于:信号转换器的输入电压为两模拟信号,其输出信号送到处理器中,由处理器无畸变地求出参考信号及待测信号的峰值及其夹角θ,并求出介质损耗因素和电容量,并对杂散电容进行补偿,抗脉冲干扰处理,进行曲线拟合,对峰值加以格式化等等。由上述构成的测量仪可用于测量介质损耗因素,电容量及两信号之间的相位角。
文档编号G01R27/26GK1185585SQ9612299
公开日1998年6月24日 申请日期1996年11月20日 优先权日1996年11月20日
发明者罗卓林, 张茂城, 黄智佳, 孔高祥 申请人:罗卓林, 广州白云轻工实业公司