交流无检相测量方法及仪表与装置的制作方法

专利名称：交流无检相测量方法及仪表与装置的制作方法
专利说明 本发明系交流参数量E、R、L、C、ψ、Cosψ以及交流互感器误差的测量装置。
乞今为止已出现的数字相位表、数字R、L、C表、交流自动电位差计、数字功率因数表、互感器自动校验仪等仪器的核心部分都是检相器。它的作用是将由被测量转换来的交流复数电压依两个相互垂直的分量，即被测参量的实部和虚部。传统的检相器包括检相和90°移相两个环节，线路较复杂、精度比较低，且很难在较宽频率范围内工作。一般仅可在工频工作。现已出现并被使用的检相器有模拟乘法器检相、取样保持器检相及数字脉冲检相等三种。现分析如下(1)模拟乘法器检相要有两个模拟乘法器，一个检出被测量的实部;一个检出被测量的虚部。实数部分设输入乘法器的被测电压为
X＝UXejθ，参考电压为
Y＝UYejθ，其中θ为
X和
Y的夹角，则乘法器输出电压的直流分量为URe＝KUXUYCosθ，其中K为乘法器的系数。虚数部分输入被测电压为
X＝UXejθ，参考电压为
，则虚数乘法器输出电压的直流分量为UIM＝KUXUYCos(90°-θ)＝KUXUYSinθ。也就是说，两个乘法器输出的直流分量分别与被测电压
X的实部和虚部成正比。因乘法器输出的交流成分很大，所以要有良好的滤波器;此外要有形成参考电压的90°移相器。模拟检相精度为±(0.5～1)%。(2)取样保持器检相。其原理是当参考电压向量UY＝
YSinωt通过ωt＝0和ωt＝ (π)/2 时刻对被测电压UX＝
XSin(ωt+θ)取样，取得该时刻UX的瞬时值。UX(ωt＝0)＝
XSinθ(虚部);UX(ωt＝ (π)/2 )＝
XSin(90°+θ)＝
XCosθ(实部)。其中，
X和
Y为
X和
Y的峰值。本法的缺点是受被测电压波形畸变影响，精度低，结构上除取样器外还要有90°移相电路和取样脉冲形成电路。(3)数字脉冲检相本法是先将被测正弦电压
X和检相参考电压
Y转化为方波，然后两组方波
X和
Y;
X和j
Y分别引入两路“异或门”中，则两路“异或门”的输出脉冲宽度与
X在
Y和j
Y上的投影有关。将两个“异或门”的输出作为两个“与门”的门控，再用时钟脉冲分别与他们相“与”，则从两个与门的输出端所得到的脉冲数分别与
X的虚部和实部成正比。该方法全部为脉冲数字电路干扰小。所得脉冲计数可以直接与数字显示器或微机相联，不再需要A/D转换。缺点需要90°移相、脉冲整形、时钟、计数等附属电路，精度也难超过±1%。特别是作为数字相位表检相时，被测频率愈高，则所检出的脉冲宽度愈窄，愈难于分辨，精度愈低。本发明的目的是提出一种使用有效值变换器的无检相数字相位表、无检相数字功率因数表、无检相R、L、C表、无检相互感器自动校验仪和无检相交流电位差计。从而完全废除了现有上述仪器仪表的检相、移相系统。由于被测量进入仪器后立即变成等效的直流量。使线路明显简化，工作频率范围可扩展几倍，精度可提高一个数量级以上，成本大幅度下降。其方法是将被测待分解的电压
1、参考电压
2以及它们的差值△
＝
1-
2经过三个有效值变换器得到三个直流电压U1、U2和△U。这三个电压构成了一个三角形[附

图1]。然后对这个三角形使用余弦定理或进行简单的代数运算(运算由硬件运算电路或微机进行，即可获得被测电压的实部和虚部(对于数字相位计则是两被测电压
1、
2的夹角ψ)。以本发明原理构成的数字相位表参见[附图6]。由两个调整输入电压的放大器、一个减法器、三个有效值变换器、一个电子模拟开关，一个A/D变换器和一个单片机以及常规显示器和±15V电源构成。设待测相移的两个电压为
1＝U1ejo和
2＝U2eJψ。经两个放大器对两路电压幅度进行调整，使后面电路工作于正常动态区内。经一个减法器获得差值电压△
＝
2-
1。将上述三个电压进行有效值变换得到三个与其有效值相等的直流电压U1、U2和△U。由此三个电压作为三个边形成了一个三角形[附图1]根据余弦定理有△U2＝U21+U22-2U1U2Cosψ。由此Cosψ＝[(U21+U22-△U2)/2U1U2]＝a，或
计算时，先将U1、U2、△U依次通过电子模拟开关并依次进行A/D转换，所得三组数字是存于微机RAM中，最后由微机完成上述算式的运算，首先求得a值再求得ψ值并送显示器显示。与传统脉冲填充式数字相位表相比的优点是被测电压经有效值变换后即变为直流、直流电路工作稳定、可靠，且有效值变换器可以工作到8～10MHZ，仍保持原有精度。因此本发明可以轻易地制成宽带相位表，硬件电路简化不少。本发明原理的数字R、L、C的构成;参见[附图7]由一个交流正弦电压发生器、1M、100KΩ、10KΩ、1KΩ、100Ω、10Ω、1Ω等七个标准电阻、七个微型量程转换继电器、二个减法器、一个压随器、三个有效值变换器、一个模/数转换器、一个模拟电子开关、单片机及常规显示电路组成。工作原理如下将被测阻抗ZX＝r+jX和标准电阻R0串联，施以交流正弦电压，则从ZX和RO上用减法器(差模)和压随器(共模)引出的电压分别为
X和
O，其夹交为ψ。另通过一减法器取得差值电压△
＝
X-
O。将
X、
O、△
三者通过三个有效值变换器得到三个与交流有效值相等的直流电压UX、UO、△U，以此电压为边形成一个三角形[附图2]。由余弦定理得△U2＝U2x+UO-2UxUOCosψ。则Zx的有功分量r和无功分量X分别为r＝UxCosψ/UO＝(U2x+U2O-△U2)/2U2O;
。上述两式的运算是将Ux、UO、△U依次通过模拟电子开关进入模/数转换器转换为数字量后进入微机存储器，并用微机依上式运算。运算结果送显示器显示。用本发明制成的数字R、L、C表具有可在直流至20KHZ整个低频段工作，精度高、成本低等优点。本发明原理的互感器自动校验仪的构成，参考[附图8]二个分压器、二个压随器、三个有效值变换器、二个减法器、二个除法器及三小型3 1/2 位数字电压表头组成。以电压互感器的校验进行说明，其工作原理是将被测电压互感器Tx和标准电压互感器To的同一变比的原端相并联。ZB为校验时TX的外接负载。TX无误差时，则它们的副端电压
2X和
20向量的大小相等方向相同。当TX有误差时
2X、
20及它们的差值△
构成了一个三角形[附图3]，则被试互感器的误差定义为f＝(U2X-U20)/U20·100%和 (δ很小，一般小于3°)。本原理
2X和
20经分压器衰减后，通过两个压随器引出得到
′2X、
′20。将
′2X和
′20送入减法器得到△
′＝
′2X-
′20。令
′2X、
′2O、△
′通过三个有效值变换器得到与其有效值相等的三个直流电压U′2X、U′20、△U′。通过第二个减法器可得到(U′2X-U′20)。通过除法器取得正比于比差值Uf＝(U′2X-U′2O)/U′20及Uδ＝△U′/U′20。可以直接送入两个数字电压表头显示出f、δ。第三个数字电压表头可直接量取U′20以确定校验时的电压的额定百分比(Un%)。比差的符号与Uf符号相同。角误差的符号由一专门符号判定电路定出，参考[附图8]。它由一个取样保持器，一个电压比较器和一个单稳触发器构成。U20电压经过零电压比较器变成方波，此方波电压送至单稳形成一窄脉冲，这窄脉冲与
′20过零点对应。用它作为取样脉冲，被取样的电压为
′2X。若被试互感器角差为正、
′2X超前于
′20，在
′20过零时刻，
′2X瞬时值为正，反之为负。所以可用取样保持器的输出去控制角差显示符号。本原理的互感器自动校验仪的上述运算部分也可由微机完成。本发明的优点是省去了现有电路的检相、移相、取差支路、滤波四大环节，而仅以三片(如用电子开关切换，一片也可)集成有效值变换器代替，使成本只及原来的20～30%，而精度可提高一倍以上。为普及互感器自动校验仪、减轻互感器生产及电力部门人力负担创造了条件。本发明原理的交流自动电位差计[附图9]由一个10V/10V电压互感器、分压电位器、二个压随器、一个减法器、三个有效值变换器、一个模拟电子开关、一个模/数变换器、单片机及常规显示器组成，另有一小型直流数字电压表监督工作电压。工作原理如下工作电压经10V/10V的电压互感器提供。在电压互感器的副端接一分压电阻和一电位器，从电位器可得电压为交流
O＝0～5V。被测电压
X由一压随器引入。通过减法器得到差值△
＝
X-
o，将它们通到三个有效值变换器得到与其有效值相等的三个直流电压EX、UO、△U。这三个电压在微机控制下依次通过“三选一”模拟电子开关进入模/数转换器变成数字量存入微机RAM中。(1)直角坐标电位差计微机进行如下计算，对EX、Uo、△U三电压为边组成的三角形[附图4]使用余弦定理△U2＝E2X+U2o-2ExUoCosθ，θ为
x和
o夹角，则被测电势
x的水平分量为X＝ECosθ＝(E2x+U2o-△U2)/2Uo;垂直分量为。(2)极坐标电位差计r＝EX，θ＝arcCos(E2X+U2o-△U2)/2EXUo(参见数字相位表一节)，用本发明原理的交流自动电位差计同样具有结构简单、成本低的优点。本发明原理的数字功率因数表[附图10]由一个电阻分压器、一个5/0.1A电流互感器、二个压随器、一个减法器、三个有效值变换器、一个模拟电子开关、一个模/数变换器、单片机及常规显示电路组成。工作原理被测电路的电压及电流，经分压器及电流互感器降为适当大小
′及
″由压随器引出。再经减法器得△
′＝
′-
″，三者经有效值变换后得三个直流电压U′、U″、△U′。这三个电压在微机控制下依次通过“三选一”模拟电子开关进入模/数转换器，变成数字是后存在RAM中。对U′、U″、△U′三电压为边的三角形[附图5]使用余弦定理得△U2＝U′2+U″2-2U′U″Cosψ，即Cosψ＝(U′2+U″2-△U2)/2U′U″，微机完成这一运算并直接显示Cosψ。用本发明制成的数字功率因数表具有精度高、成本低的优点。本发明的优点是对上述仪表或装置采用有效值变换器取代了传统的检相、移相、滤波等系统，使交流电路变成了直流电路。因而线路简单、干扰小、精度高、频带宽、成本低、易于制造。
附图1 数字相位表电压关系图; 附图2 数字RLC表电压关系图; 附图3 互感器自动校验仪电压关系图; 附图4 交流自动电位差计电压关系图; 附图5 数字功率因数表电压关系图; 附图6 无检相数字相位表原理方框图; 附图7 无检相数字RLC表原理方框图; 附图8 无检相互感器自动校验仪原理方框图; 附图9 无检相交流自动电位差计原理方框图; 附图10 无检相数字功率因数表方框图。
实施例 1、无检相数字相位表，方框图示于[附图6] (1)输入衰减被测

1、

2两电压首先分别由电容C1、C2隔直。下设八档符号为[Dec1]、……[Dec8]的衰减器。每个衰减器由桥式阻容网络组成(详图略)，以保证在宽带内衰减系数不变。衰减倍率按1-2-5-10-20-50-100-200进制。由符号为[K]的双联手动波段开关转换。
(2)通道放大两通道分别有由符号为[IC1、R1、R2、R3]和符号为[IC2、R4、R5、R6]运算放大器组成的放大器对信号放大，放大倍数为10，采用OP-37型低飘运放。
(3)差值形式将[IC1][IC2]两路输出加到由符号为[IC3、R7、R8、R9、R10]所组成的减法器得到差值电压△

，减法器用低飘运放OP-37。有效值变换将上述

1、

2、△

分别加到符号为[RMS1]、[RMS2]、[RMS3]的集成有效值变换器、型号为AD637。得到直流电压U1、U2、△U。
(4)控制、计算、显示U1、U2、△U三电压加到符号为[AES1]“八选一”模拟电子开关上。开关为一片CD4051。在单片机控制下，U1、U2、△U依次通过开关进入符号为[A/D1]的模/数转换器。[A/D1]是12位AD574单片。上述电压变为数字量后存入RAM中(一片6116)，微机用96系列单片机。微机根据所存入数据先完成计算Cosψ＝(U21+U22-△U2)/2U1·U21U2＝a，然后按反余弦展开式完成下述运算ψ= (π)/2 -a- 1/2 (ａ3)/3 - 1.3/2.4 (ａ5)/5 - (1·3·5)/(2·4·6) (ａ7)/7 ……。计算取至第12项，极限误差不大于+0.8%。计算后ψ值在微机控制下送至4位数字显示器显示。可以以度或弧度显示。
(5)象限的识别将

1、

2加在符号为[COm1]和[COm2]的电压比较器上，由2只LM311完成，使

1、

2变为方波。其中

1一路经符号为[4-div]的四分频器(由1只CC4040完成)进行四分频。

2一路经符号为[Gen、4-quar]的四象限发生器(由1只CD4027J-K触发器完成)发出0°、90°、180°、270°脉冲。将经过四分频的主信号与四象限脉冲分别加在符号为[And-G1][And-G2][An-G3][And-G4]的与门(由1片74LSOO)，即得到判别结果。当

1位于以

2为参考的坐标系的第一象限时，则四个与门的输出为0110。当位于2、3、4象限时，则与门输出依次为0011、1001和1100。将此数码经符号为[L]的锁存器(一片74LS273)送到微机数据线，经微机相应计算后，进行显示。
(6)电源 电源变压器T1，50W，220/20V-20V-10V 桥式整流3组，20V，1A;20V，1A;10V;3A 型滤波3组，2×1000μF，100Ω，2W 2×1000μF，100Ω，2W 2×4700μF，50Ω，5W 三端稳压器3组。7815 提供+15V 7915 提供-15V 7805 提供+5V 整机由输入部分、模拟/微机部分、显示部分、电源部分等4块印刷电路板构成。采用高质量2毫米厚敷箔板制造，装在通用机箱内。调整精度当被测频率为20HZ～100KHZ范围内，误差在±1%以内。
2、无检相数字RLC表。方框图示于[附图7]。
(1)信号源部分采用RC振盈，频率为100HZ、1KHZ、10KZ定频。输出分恒流、恒压两路，当被测阻抗≤100Ω时，采用恒流输出，＞100Ω为恒压输出，与量程开关连动切换。输出功率为1W，波形失真＜1%。此部分为常规技术，线路从略。
(2)半桥电路以未知量ZX为一个臂。标准臂由符号为[R04、R02、R03、R04、R05、R06、R07]，阻值为1MΩ、100KΩ、10KΩ、1KΩ、100Ω、10Ω、1Ω等七个标准电阻组成(是经筛选的精密金属膜电阻，精度±0.05%)。上述电阻之一在微机控制下通过符号为[K1][K2][K3][K4][K5][K6][K7]的微型继电器(采用国产4078)选通。信号源与未知，已知桥臂电路接通后，ZX上压降

X由符号为[IC4、R14、R15、R16、R17]组成的差模放大器引出标准量R0上的压降

0由符号为[IC的压随器引出。

X、

o两电压被送至由符号为[IC6、R18、R19、R20、R21]所组成的减法器的输入端，以获得差值电压△

＝

X-

0。[IC4][IC5][IC6]均使用OP-37型低飘移运放。
(3)变换部分由[RMS1]、[RMS2]、[RMS3]三个有效值变换器组成，采用AD637型集成有效值变换器(精度为±0.02%，工作频率范围为8MHZ)。
(4)微机及数据采集经有效值变换得到的三个直流电压LX、UO、△U加到符号为[AES2]、CD4051型“八选一”模拟电子开关。在微机控制下，上述三电压依次通过开关进入符号为[A/D2]，型号为AD574的12位模/数转换器转换为数字量并存入微机的RAM中，微机采用一片Z80CPU，一片6116RAM及一片2716EPROM及附属锁存电路(二片74L244)组成。内存控制程序和计算程序共4K字节。
(5)显示用四位“三合一”七段发光二极管C102显示，通过一片74LS244锁存及二片74LS273三态门联接微机地址总线与数据总线(图中略)，显示窗口共两个，每个四位，一个供显示被测阻抗的无功部分L或C，一个供显示它的有功部分;电感线圈的Q值或电容器的损耗因数D。
(6)电源与前述数字相位计相同 整机由桥臂电路、转换部分及微机电路、显示电路及电源电路四块电路印制板组成，采用高质量2毫米厚敷箔板制造，装在标准机箱内。整机调整精度，在中值段(100Ω～100KΩ范围内)为±0.2%，其余为±0.5%。
3、无检相电压互感器自动校验仪，方框图示于〔附图8〕 (1)被测通道被试互感器T的副端a.、X.接外负载箱Z由符号为[R25][R26]的电阻组成的分压器并联在ZB上。R1+R2＝510KΩ，使用1/4W精密金属膜电阻，分压比为50∶1，调整精度为±0.1%。

2X额定值为100V，分压器的额定输出电压为

′2X＝2V。电压

′2X经符号为[IC7]的压随器引出，送至符号为[RMS7]的有效值变换器(型号为AD637)，由它输出一个与

′2X有效值相等的直流电压U2X。
(2)标准通道标准电压互感器TO的副端a0、X0接到由符号为[R27][R28]所组成的分压器上。分压器兼作T0的负载。分压器由1/4W精密金属膜电阻组成。阻值R27+R28＝510KΩ，分压比为50∶1。

20的额定值为100V。分压器输出的电压为

′20＝2V，电压

′20经符号为[IC8]构成的压随器引出，送至符号为[RMS8]的有效值变换器(型号为AD637)，由它输出一个大小等于

′20有效值的直流电压U20。
(3)差值形成将两个分压器的输出

2X和

20引入符号为[IC10][R33][R34][R35][R36]组成的减法器。[IC10]采用OP-07型运算放大器。得到差值电压△

，再经符号为[RMS9]有效值变换器(型号为AD637)得到与△

有效值相等的直流电压△U。
(4)运算电路将[RMS7][RMS8]的输出电压U2X、U20引入符号为[IC9][R29][R30][R31][R32]组成的减法器上。[IC9]为OP-07运算放大器。得到差值(U2X-U20)。再将(U2X-U20)和[RMS8]输出的U20加到符号为[X/Y1]的除法器上，其输出电压(U2X-U20)/U20正比于被试互感器的比差f。比差用带有正负号的3 1/2 位直流数字电压表头显示。最大显示量为19.99%，符号由代数差(U2X-U20)决定。将U

和△U施加于符号为[X/Y2]的除法器上，其输出电压△U/U20正比于角差的弧度值，再经符号为[IC11][R37][R38][R39]所组成的放大器进行弧度变“分”的转换(变换因数为3438)。然后在直接送入符号为[DVM2]的直流数字电压表头显示。表头最大显示为199.0分。角差符号的鉴别将[IC7]输出

′2x送入符号为[S/H]的取样保持器(型号为LM398);另将[IC8]输出电压

′20加在符号为[Comp3]的电压比较器上(型号为LM311)得到电压

′20的过零时刻，其输出送入符号为[FF]的单稳触发器(型号LM14538)变为尖脉冲，送入[S/H]的控制端。当

2X越前于

′20时，被试互感器角差为正，[S/H]输出也为正(否则为负)。将此电压引到数字电压表头[DVM2]的符号位上。
(5)电压百分数的测量将[RMS8]的输出

′20送入符号为[IC12][R40][R41][R41][R42]所组成的放大器(型号为OP-07)作刻度系数调整，然后送入符号为[DVM3]的3 1/2 位数字电压表头显示。满量程为199.9%Un。
(6)电源部分与实施例1相同。
整机由一块高质量厚2毫米敷箔铜板制造，全部装在一铝质机箱内。
无检相交流电位差计及无检相数字功率因数表实施例见[附图9][附图10]，其工作原理与上述实施例相似，文字叙述从略。
权利要求
1、一种交流无检相测量方法及仪表与装置，交流电参量的传统测量方法是以检相器为核心，其特征在于采用交直流转换和直接计算的方法完成对交流电参量的同相和正交分量的分离，实现无检相测量是通过有效值变换器及余弦定理得到交流复数的两个分量，用此法可构成交流测量仪表与装置。
2、根据权利要求1所述的交流无检相测量方法及仪表与装置，无检相数字相位表，它具有衰减器DEC1～DEC8;DEC
～DEC
，压随器IC1、IC2、减法器IC3，有效值变换器RMS1、RMS2、RMS3;模数转换器A/D，单片机μP1及显示器D1SP1，其特征在于通过有效值变换器将交流变成等效直流量并利用余弦定量进行计算得到被测电压
1和
2的夹角ψ。
3、根据权利要求1所述的交流无检相测量方法及仪表与装置，无检相RLC表，它具有内附交流信号源
，R01～R08标准电阻，减法器IC4、IC8，压随器IC5、有效值变换器RMS4、RMS5、RMS6，模数转换器A/D2;单片机μP2及显示器DISP2、DISP3，其特征在于利用有效值变换及通过余弦定理计算出被测电阻R、电感L或电容C。
4、根据权利要求1所述的交流无检相测量方法及仪表与装置，无检相互感器校验仪，它具有压随器IC7、IC8，减法器IC9、IC10、IC11、IC12，有效值变换器RMS7、RMS8、RMS9、除法器X/Y1、X/Y2，数字电压表头DVM1、DVM2、DVM3，其特征在于利用有效值变换及余弦定量通过计算环节完成对被试互感器的比差f和角差δ的测量。
5、根据权利要求1所述的交流无检相测量方法及仪表与装置，无检相交流电位差计，它具有电压互感器P、T，压随器IC11、IC12，减法器IC13;有效值变换器RMS10、RMS11、RMS12，模数转换器A/D3;单片机μP3及显示器D1SP4、D1SP5，其特征在于利用有效值变换及余弦定理计算被试电势Ex的水平及正交分量或被试电势Ex的模和幅角。
6、根据权利要求1所述的交流无检相测量方法及仪表与装置，无检相数字功率因数表，它具有分压器R48、R49，电流互感器C、T、1，压随器IC14、IC15;减法器IC16，有效值变换器RMS13、RMS14、RMS15;模数转换器A/D4，单片机μP4及显示器D1SP6，其特征在于利用有效值变换及余弦定理计算出Cosψ。
全文摘要
一种无检相数字相位表、数字RLC表、互感器自动校验仪、交流电位差计及数字功率因数表主要利用集成有效值变换器获得无须检相的上述仪器，用本原理制成的上述仪器可以替代现有同类有检相仪器，且具有频带宽、不受被测波形畸变影响，干扰小等特点，精度可提高一个数量级。因线路简单，成本可降低50％以上。
文档编号G01R15/00GK1052950SQ8910940
公开日1991年7月10日 申请日期1989年12月18日 优先权日1989年12月18日
发明者王中元, 屈德利 申请人:王中元, 屈德利