一种计算真有效值的方法和装置与流程

1.本发明涉及电力信号测量技术领域，尤其涉及一种计算真有效值的方法和装置。


背景技术：

2.真有效值是对交流信号的基本量度，能够反应电流流过道题产生的热效应，具有实际应用价值。交流信号的真有效值是根据电流热效应来规定的，让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。
3.目前时常常的很多仪表采用峰值计算法或平均值法计算有效值，对于波形畸变或谐波含量大的信号测量存在误差大、不稳定的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种计算真有效值的方法和装置。
5.一种计算真有效值的方法，包括以下步骤：设定模数转换器为自动连续转换模式，并设置对应的转换频率；根据奈奎斯特采样定理，通过模数转换器对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号；根据所述外部交流信号和内部电压信号计算获取交流信号值；结合热等效原理，根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值。
6.在其中一个实施例中，所述根据奈奎斯特采样定理，通过模数转换器对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号，具体包括：根据奈奎斯特采样定理，设定信号中的最高频率为fmax，采样频率为f，存在f＞2fmax，以采样频率f对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号。
7.在其中一个实施例中，所述根据所述外部交流信号和内部电压信号计算获取交流信号值，具体为：
8.u＝(rac*k)/rcore；
ꢀꢀꢀ
(1)
9.其中，rcore为内部电压信号的采样值，rac为外部交流信号的采样值，k为转换常数，u为交流信号值。
10.在其中一个实施例中，所述结合热等效原理，根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值，具体包括：
[0011][0012]
其中，u为电压真有效值，t为周期。
[0013]
在其中一个实施例中，所述周期的计算公式为：
[0014]
f＝(k*t
n
)/n
p
；
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
其中，k为频率偏移值，np为采样总点数，tn为总周期数，根据周期和频率成反比的关系，计算获取周期。
[0016]
在其中一个实施例中，在所述结合热等效原理，根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值之后，还包括：根据交流电压标准源，计算出校验电压真有效值和校验频率偏移值；根据所述校验电压真有效值和校验频率偏移值，对所述电压真有效值和频率偏移值进行校验。
[0017]
一种计算真有效值的装置，包括：微控制器、采样电路、按键、显示器和阻容降压电源；所述采样电路、按键、显示器和阻容降压电源均与所述微控制器电连接；所述采样电路和阻容降压电源与外部信号连接；所述采样电路内设置有模数转换器，用于对外部信号和微控制器的内部信号进行采样，获取外部交流信号和内部电压信号，并传输至所述微控制器；所述微控制器用于根据所述外部交流信号和内部电压信号，计算获取电压真有效值，并将所述电压真有效值传输至所述显示器；所述显示器用于对所述电压真有效值进行显示；所述按键用于控制装置的通断。
[0018]
在其中一个实施例中，所述显示器为四位led显示器。
[0019]
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：本发明能够将采样电路传输的模拟信号进行处理，并根据积分算法，获取电压真有效值，具有稳定性好、精度高、适用频率范围广和受谐波影响小的优点。
附图说明
[0020]
图1为一个实施例中一种计算真有效值的方法的流程示意图；
[0021]
图2为一个实施例中一种计算真有效值的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0022]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种计算真有效值的方法，包括以下步骤：
[0024]
步骤s101，设定模数转换器为自动连续转换模式，并设置对应的转换频率。
[0025]
具体地，将模数转换器设定为自动连续转换模式，并设置对应的转换频率，例如，转换频率为12.5khz，便于后续对被测信号进行连续采样。
[0026]
步骤s102，根据奈奎斯特采样定理，通过模数转换器对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号。
[0027]
具体地，根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。因此，可以将模数转换器的采样频率设定为大于最高频率的2倍，对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号。
[0028]
其中，根据奈奎斯特采样定理，设定信号中的最高频率为fmax，采样频率为f，存在f＞2fmax，以采样频率f对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号。
[0029]
例如，实际信号为交流50hz时，则f＝250fmax，每个周期采样250个点，远超奈奎斯特采样定理的要求。转换周期t＝1/f＝80μs，即80μs转换一次，转换完成自动产生中断。
[0030]
步骤s103，根据外部交流信号和内部电压信号计算获取交流信号值。
[0031]
具体地，模数转换器依次分别采样外部交流信号和内部电压信号，由于两次采样间隔时间很短，可以忽略两次采样时电源的波动值，认定为使用同一基准采样的信号，因此能够根据外部交流信号和内部电压信号，计算获取交流信号值。
[0032]
其中，计算获取交流信号值的公式为：
[0033]
u＝(rac*k)/rcore；
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0034]
其中，rcore为内部电压信号的采样值，rac为外部交流信号的采样值，k为转换常数，u为交流信号值。
[0035]
例如，设某一时刻电源为5v，内部电压为2.5v，12bits adc时，k可以去2048，通过公式(1)计算出的值为精确的交流信号值，不管电源如何变动，交流信号值不变。
[0036]
步骤s104，结合热等效原理，根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值。
[0037]
具体地，在正弦交流电中，根据热等效原理，定义电压的有效值为其瞬时值，在一个周期内的均方根值，等效于对被测信号的实时采样值进行平方后求平均，然后开方，也就是积分过程。因此，能够根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值。
[0038]
其中，计算电压真有效值的公式为：
[0039][0040]
其中，u为电压真有效值，t为周期。
[0041]
由于求平均是一个将变化信号趋于稳定的运算，因为其周期可能变化，所以只要对其完整周期进行评价，结果就是一个稳定值，这里平均的时间t去周期信号的50个完整周期t，即1秒。
[0042]
在进行积分时，需要记录完整周期，则需要起始信号和结束信号。设置一个下降阈值和上升阈值，当检测到10次低于下降阈值时开始检测上升阈值，高于上升阈值10次时，则认定周期开始，结束信号同理。
[0043]
由于采用1秒平均法，开始信号后，每个采样点的时间间隔相同，采样到一定点数才停止，根据积分和均方根即可计算出有效值，根据采样总点数和总周期数即可计算出频率f，公式为：
[0044]
f＝(k*t
n
)/n
p
；
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
其中，k为频率偏移值，np为采样总点数，tn为总周期数，根据周期和频率成反比的关系，计算获取周期。
[0046]
在一个实施例中，在步骤s104之后，还包括：根据交流电压标准源，计算出校验电压真有效值和校验频率偏移值，根据校验电压真有效值和校验频率偏移值，对电压真有效值和频率偏移值进行校验，确保精度。
[0047]
在本实施例中，设定模数转换器为自动连续转换模式，并设置对应的转换频率，根据奈奎斯特采样定理，通过模数转换器对被测信号和内部信号进行高速采样，获取外部交流信号和内部电压信号，根据外部交流信号和内部电压信号计算获取交流信号值，结合热等效原理，根据交流信号值进行积分计算，获取电压真有效值，能够对模拟信号进行处理，通过积分算法计算获取电压真有效值，具有稳定性好、适用频率范围广且受谐波影响小的优点。
[0048]
如图2所示，提供了一种计算真有效值的装置，包括：微控制器10、采样电路20、按键30、显示器40和阻容降压电源50；采样电路20、按键30、显示器40和阻容降压电源50均与微控制器10电连接；采样电路20和阻容降压电源50与外部信号连接；采样电路20内设置有模数转换器，用于对外部信号和微控制器10的内部信号进行采样，获取外部交流信号和内部电压信号，并传输至所述微控制器10；微控制器10用于根据外部交流信号和内部电压信号，计算获取电压真有效值，并将电压真有效值传输至显示器40；显示器40用于对电压真有效值进行显示；按键30用于控制装置的通断。
[0049]
在本实施例中，通过采样电路20的模数转换器，对外部信号和微控制器10的内部信号进行采样，获取外部交流信号和内部电压信号，并传输至微控制器10，通过微控制器10对外部交流信号和内部电压信号进行计算，获取电压真有效值，并将电压真有效值传输至显示器40，通过显示器40对电压真有效值进行显示，通过按键30控制装置的通断，能够将采样电路20传输的模拟信号进行处理，并根据积分算法，获取电压真有效值，具有稳定性好、精度高、适用频率范围广和受谐波影响小的优点。
[0050]
其中，阻容降压电源50只有一个稳压二极管，在直接作为该装置的电源时，电源纹波较大，而由于模数转换器固定为采用电源电压为采样基准电源，在电源波动比较大时，如果直接采用采样结果，会导致不稳定且误差大。但是微控制器10的内核逻辑使用的2.5v电压非常稳定，而且模数转换器也可以采样此信号。
[0051]
因此，可以分别高速采样外部信号和内部信号，获取外部交流信号和内部电压信号；由于两次采样间隔时间很短，可以忽略两次采样时电源的波动值，认定为统一基准采样的信号，并能够根据外部交流信号和内部电压信号计算获取电压真有效值。
[0052]
其中，显示器采用四位led显示器。
[0053]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0054]
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(rom/ram、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0055]
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。