一种交流电的相位差的精确测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种交流电的相位差的精确测量方法，首先初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在电信号过负峰值后选择适当时刻进行模拟积分,记录积分开始时间,在积分器输出电压再次回到零时停止积分,记录积分结束时间,由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的过零点,由一系列电信号的过零点计算电信号的周期。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。本发明不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠、有较广泛的应用前景。
【专利说明】一种交流电的相位差的精确测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种交流电的相位差的测量技术，也可以用于其它低频率信号的相位
差测量。
【背景技术】
[0002]在日常生活、生产过程中常常需要测量交流电信号的相位差，测量的相位差越准确，应用的效果往往更好。在现有的相位差测量方法中，大多数采用将信号转变成方波，然后测量两个方波之间上升沿的时间差，从而得出两个信号的相位差，但这种算法易于实现但需要额外的硬件，且容易受到干扰的影响。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中交流电信号的相位差测量精度不够准确，提出了一种交流电的相位差的精确测量方法。
[0004]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0005]一种交流电的相位差的精确测量方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1)，初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在被测电信号的一个周波内，当被测电信号的周波过负峰值后开始模拟积分，即一个周波进行一次模拟积分；
·[0007]步骤2)，当积分器输出电压再次回到零时结束积分；
[0008]步骤3)，计算过零点时间:设积分开始时间为Tsi，积分结束时间为Tei ;在积分开始时间和积分结束时间之间存在一个过零点，该过零点时间为:Tn;
[0009]步骤4)，重复步骤I)至步骤3)依次在被测电信号的周波过每一个负峰值后进行模拟积分，得到若干个过零点时间Tzl，Tz2, Tz3...Tzi, Tzi+1, Tzi+2...Tzn，其中，i = 1、2、…n，n为正整数；则被测电信号的周期表示为:Tpi=Tzi+1-Tzi ；
[0010]步骤5)，对于两个频率相同的被测电信号，根据步骤I)至步骤4)分别得到两个被测电信号的过零点时间；再根据两个被测电信号的过零点时间的差异，以及两个被测电信号的周期，计算得到两个被测电信号之间的相位差。
[0011]进一步的，本发明的一种交流电的相位差的精确测量方法，所述模拟积分是采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。
[0012]进一步的，本发明的一种交流电的相位差的精确测量方法，每次进行模拟积分时选取开始积分点的方案为以下任意一种方案:方案A，每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的任意一点；方案B，每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿。
[0013]进一步的，本发明的一种交流电的相位差的精确测量方法，所述步骤5)的具体步骤如下:
[0014]设由步骤4)模拟积分计算得到的第一路被测电信号的过零点时间为Tlz1、第二路被测电信号的过零点时间为T2zi，则两路被测电信号的相位差的值以度数表示为:
T2 - 7 ITl - 7?
Pr~^X36Q°，或者以弧度表示为~2ΧΤ，其中，Tp是依步骤4)计算
PP
得出的被测电信号周期的瞬时值，或者是依步骤4)计算得出的被测电信号的前若干个周期值的平均值。
[0015]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0016]I)传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。只有准确定位零点，才能计算出精确的相位差。针对电信号大多数是对称的特点，对被测电信号过负峰值后进行模拟积分，模拟积分输出零时停止积分，由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的零点。确定了信号的过零点之后，可以计算出电信号的周期。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。相比较传统的零交法而言，运算量有所增加，但测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。
[0017]2)相比较传统的零交法而言，系统的抗干扰能力有极大的提高，频率测量的准确度也大大提高。实验表明即使电信号中混入了较大的谐波、白噪声，测量的精确度也非常之高。可能的干扰源来自于工频干扰，但如果测量对象是交流电的话，则工频干扰也可以忽略不计。
[0018]3)该方法在进行计算时非常方便简捷，适合嵌入式系统下使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是在交流电的某一个`零点进行积分并计算过零点的示意图；
[0020]图2是计算信号周期的示意图；
[0021]图3是计算两路信号相位差的不意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0023]本发明的方法是首先初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在电信号过负峰值后选择适当时刻进行模拟积分，记录积分开始时间，在积分器输出电压再次回到零时停止积分，记录积分结束时间，由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的过零点，由一系列电信号的过零点计算电信号的周期。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。
[0024]为获得较为精确的测量结果，建议的开始积分点的选取方案是:不宜过于接近零点。
[0025]本发明的特点和优点将通过实例结合附图进行详细说明。本发明的原理通过测量两路交流电信号的相位差来进行说明。本发明的具体实施过程如下:
[0026]1、每一次积分开始时前初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在被测电信号过负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次；
[0027]2、记录积分开始和结束时间:记录积分开始时间，设积分开始时间为Tsi ;积分器输出电压再次回到零时停止积分，设此时为积分结束时间Tei ；[0028]3、计算过零点时间:在积分开始时间和积分结束时间之间存在一个过零点，考虑到交流电信号的上下对称性，该过零点时间可表示为./
[0029]具体操作可以参见图1。图1分成上下两个部分，上部分是被测电信号，下部分是对被测信号的积分波形。图中的Tsi是积分开始时间，Tei是积分结束时间，Tzi是经过计算得到的过零点。
[0030]4、得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，图2中的低频信号一共存在3个负峰值，因此在负峰值出现后一共进行了 3次积分并计算，水平轴上时间分别为Tzl、Tz2、Tz3的黑点是计算得出的3个过零点，由于被测信号的周期可表示为:Tpi=Tzi+1-Tzi，因此图2中信号周期可表示为:Tp2=Tz3-Tz2、Tpl=Tz2-Tzlo
[0031]5、相位差的计算可参见图3，图3中正弦波I在负峰值出现后有两个过零点，这两个过零点的时间分别为Tlzi和Tlzi+1，正弦波II在负峰值出现后也有两个过零点，这两个过零点的时间分别为T2zi和T2zi+1，则正弦波I和正弦波II的相位差可表示为:
^ =x360°，或者巧=/~!x360。。公式中的Tp是信号的周期，Tp可以是计
PP
算得出的信号周期的瞬时值，或者是计算得出的前几个周期值的平均值。公式也可以写成弧度表达的形式。
[0032]模拟积分可以采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。
[0033]为获得较为精确的测量结果，建议的开始积分点的选取方案是:不宜过于接近零点。
[0034]综上所述，本发明所涉及的一种交流电的相位差的精确测量方法，不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，系统检测方便，硬件开销小；该方法具有较强的抗干扰能力；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。当然，本发明也可以应用于民用三相交流电的相位差测量、功角测量等等。
【权利要求】
1.一种交流电的相位差的精确测量方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤I )，初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在被测电信号的一个周波内，当被测电信号的周波过负峰值后开始模拟积分，即一个周波进行一次模拟积分； 步骤2)，当积分器输出电压再次回到零时结束积分； 步骤3)，计算过零点时间:设积分开始时间为Tsi，积分结束时间为Tei ;在积分开始时间和积分结束时间之间存在一个过零点，则该过零点时间为
2.根据权利要求1中所述的一种交流电的相位差的精确测量方法，其特征在于:所述模拟积分是采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。
3.根据权利要求1所述的一种交流电的相位差的精确测量方法，其特征在于:每次进行模拟积分时选取开始积分点的方案为以下任意一种方案:方案A，每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的任意一点；方案B，每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿。
4.根据权利要求1所述的一种交流电的相位差的精确测量方法，其特征在于:所述步骤5)的具体步骤如下: 设由步骤4)模拟积分计算得到的第一路被测电信号的过零点时间为Tlz1、第二路被测电信号的过零点时间为T2zi，则两路被测电信号的相位差的值以度数表示为:I
【文档编号】G01R25/00GK103575989SQ201210261430
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】戴尔晗 申请人:南京邮电大学