專利名稱：利用脈沖恒流源測量回路電阻的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及脈沖恒流源和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在微電阻測量中的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)的裝置，特別是在高壓電力開關(guān)回路電阻測量中的應(yīng)用。
高壓開關(guān)的回路電阻是高壓開關(guān)的生產(chǎn)和使用維護(hù)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。一九八0年后，國家有關(guān)部委參考國際電工標(biāo)準(zhǔn)(IEC)相繼制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)(GB，JB)和文件，這些標(biāo)準(zhǔn)和文件對高壓開關(guān)回路電阻的測量方法和測量條件都做了明確的規(guī)定，概括起來有三條(1)測量電流為直流，(2)測量電流大于100A，(3)回路電阻的標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)十至數(shù)百微歐之間?；芈冯娮璧臏y量方法大致有三種1.直流電橋，2.普通的微電阻測量儀，3.直流發(fā)電機(jī)配合電壓表和電流表。前兩種方法的測量電流一般小于5A，不符合標(biāo)準(zhǔn)，目前正逐步淘汰。后一種方法的測量電流符合標(biāo)準(zhǔn)，但由于設(shè)備笨重、操作方便而僅限于固定場所使用。
目前較多采用的是自制的電流源，將220VAC電源經(jīng)過變壓、自藕調(diào)壓、整流后接入被測件，產(chǎn)生100A以上的脈動(dòng)直流電，在電壓表和電流表上分別讀出流經(jīng)被測件的電流值和被測件的端電壓值，然后根據(jù)歐姆定律算出電阻值。這種方法完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但仍嫌其設(shè)備體積大、操作不便、不能直接讀數(shù)等弱點(diǎn)。上海滬西電表廠在上述方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，制成《回路電阻測試儀》，其特點(diǎn)是將變壓器、自藕調(diào)壓器、整流電路和電壓表、電流表裝配在一起，構(gòu)成獨(dú)立的儀表。測量時(shí)通過調(diào)節(jié)自藕調(diào)壓器的輸出電壓，使電流表顯示值穩(wěn)定在100A處，被測件的端電壓經(jīng)放大電路放大后在數(shù)字毫伏表上顯示。預(yù)先調(diào)整好的放大倍數(shù)使電流為100A時(shí)，數(shù)字毫伏表的顯示數(shù)正好是被測件的電阻值，從而間接地實(shí)現(xiàn)了直接讀數(shù)。該測試儀的主要性能指標(biāo)如下，測量電流手動(dòng)調(diào)節(jié)100A 脈動(dòng)系數(shù)0.67測量范圍數(shù)字毫伏表 ±0.5％±2個(gè)字電流表±1.5％ 整機(jī)精度1.5級(jí)分辨力1μΩ 三位半顯示尺寸200×300×420mm重量15KG本實(shí)用新型的目的是利用脈沖恒流源和微處理計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)一種輕便的回路電阻測試儀。
本實(shí)用新型的原理是將大容量電容器和標(biāo)準(zhǔn)電阻、大功率三極管及被測件聯(lián)成脈沖恒流回路。電容器充電到設(shè)定電壓后，控制大功率三極管導(dǎo)通，對回路放電。由CPU和A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電流值大于100A的脈沖區(qū)段上對標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測件上的端電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出被測電阻。
采用脈沖強(qiáng)流電源能夠有效地減小裝置的體積和重量。但是，脈沖強(qiáng)電流會(huì)在被測件的電壓檢測回路中產(chǎn)生很大的感生電動(dòng)勢，嚴(yán)重地干擾被測電壓信號(hào)，因此必須在脈沖電流中的有效測量區(qū)段上實(shí)現(xiàn)恒流，從而有效地抑制感生電動(dòng)勢的干擾。圖一.(a)是本實(shí)用新型所采用的脈沖恒流源的原理，它是由儲(chǔ)能電容器C、大功率三極管T和被測回路串聯(lián)組成的放電回路，三極管工作在放大區(qū)。如果放電前電容C沖電至Uo伏，則放電t秒內(nèi)流過回路電荷為Iot＝UoC－UcC其中，Uc為t時(shí)刻電容兩端的電壓，Io是回路中的放電電流，當(dāng)從三極管T的基極輸入的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)恒不變時(shí)，Io也是穩(wěn)恒的。隨著放電時(shí)間t的增加，電容兩端的電壓Uc逐漸降低，當(dāng)Uc＝IoR時(shí)，三極管被截止。此電路的放電特征時(shí)間為τ＝(Uo－IoR)C／Io (1)可見，足夠高的充電電壓Uo和足夠大的儲(chǔ)能電容C可以保證較長的放電特征時(shí)間，只要驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)恒，且維持時(shí)間不超過τ，就可以得到較理想的強(qiáng)脈沖方波。圖一.(b)表示出脈沖恒流源的輸入輸出特性曲線，其中，Ii是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電流強(qiáng)度，hFE是三極管的直流放大倍數(shù)。
儲(chǔ)能電容可以由若干個(gè)電容經(jīng)串并聯(lián)組成的儲(chǔ)能單元取代，大功率三管可以是達(dá)林頓模塊，也可以換成由若干個(gè)三極管組成的電流放大單元。
圖二是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。脈沖恒流源在放電信號(hào)的控制下對被測件和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)回路放出100A以上的脈沖電流，被測件上的電壓降信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路放大后輸入到A／D轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓降信號(hào)也輸入給A／D轉(zhuǎn)換電路。電流鑒別電路在脈沖電流大于100A的時(shí)間區(qū)段上給出高電平，用以控制數(shù)據(jù)采集。通過微處理計(jì)算機(jī)控制的A／D轉(zhuǎn)換電路對被測件和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。微處理計(jì)算機(jī)對一次脈沖中轉(zhuǎn)換出的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存貯，根據(jù)歐姆定率計(jì)算被測件的回路電阻值，并進(jìn)行數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)平均和誤差修正，最后送面板顯示。改變放大電路的電壓放大倍率就可以實(shí)現(xiàn)量程切換，它是由面板操作通過微處理計(jì)算機(jī)的控制完成的。
圖三－圖六描述的是根據(jù)上述原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的回路電阻測量裝置，作為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。以下結(jié)合三－六圖對圖一中的各部分電路的具體結(jié)構(gòu)和功能作詳細(xì)說明。
圖三是脈沖恒流源及其驅(qū)動(dòng)電路。變壓器B2的次級(jí)輸出20VAC和80VAC的交流電壓。其中，20VAC經(jīng)D1－D4管整流后，由T1、T2、DW1組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，輸出20VDC，作為驅(qū)動(dòng)電路的電源。放電控制信號(hào)由④端輸入后經(jīng)U1光電藕合輸給由W1、T3、T4組成的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電流由T4射極輸出，經(jīng)R8送到大功率管T7的集電極。調(diào)節(jié)W1可改變驅(qū)動(dòng)電流從而調(diào)整脈沖放電電流的強(qiáng)弱。80VAC經(jīng)D11－D14整流后由T5、T6、DW2穩(wěn)壓，用以對儲(chǔ)能電容C4沖電。被測件由①、②兩端接入電路。電容C4、三極管T7和標(biāo)準(zhǔn)電阻R19及被測件構(gòu)成了圖一.(a)所示的脈沖恒流電路。本實(shí)施例選用的儲(chǔ)能電容C4＝10000μF，T7管選用2SD548(或3DG14I－T)，標(biāo)準(zhǔn)電阻R19＝0.01Ω，調(diào)整W1使放電電流I＝120A，則由(1)式可知脈沖的特征寬度為τ≈6.6mS。
放電回路并入了R18、D17、D18形成三極管T7的負(fù)反饋電路，當(dāng)被測件沒有良好地接入回路時(shí)，①②兩端呈現(xiàn)出較大的電阻，叢而形成極大的負(fù)反饋使T7工作在接近截止的狀態(tài)，放大電路得到保護(hù)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓為0，為微處理計(jì)算機(jī)提供了故障信息。
圖四中，由運(yùn)算放大器U14和電阻R40－R47組成放大倍數(shù)分別為5、50和200的電壓信號(hào)放大電路用于放大被測件的端電壓，其輸入端①②與被測件并聯(lián)。放大后的電壓信號(hào)由⑤端輸出給A／D轉(zhuǎn)換電路。三種放大倍數(shù)分別對應(yīng)于本裝置的10000μΩ、1000μΩ和100μΩ三個(gè)量程。
電流鑒別電路由圖五中的電壓比較器U13和電阻R33－R36組成，由＋12VDC電源和電位器W3為U13提供＋1VDC的基準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電阻R19上的電壓信號(hào)由③端輸入U(xiǎn)13。當(dāng)放電脈沖大于100A時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓降大于1V，比較器U13輸出高電平，該高電平使微處理計(jì)算機(jī)控制A／D轉(zhuǎn)換電路開始采樣。
A／D轉(zhuǎn)換電路是由圖五中的A／D轉(zhuǎn)換器U16、U17(AD0809)組成的，電源＋12VDC和R50、R51、W4、DW8組成分壓電路為U16、U17提供5.1VDC的基準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓信號(hào)由③端通過R35輸入到U16的26腳，U16用來轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓信號(hào)。U17的26腳與信號(hào)放大電路的輸出端⑤相連，用以轉(zhuǎn)換被測件上的端電壓信號(hào)。U16、U17的A／D轉(zhuǎn)換過程由中央處理器U10的地址線A10、A11、A12和RD、WR信號(hào)控制。U16、U17的數(shù)據(jù)線D0－D7與U10的P0口相連，U16、U17的CLK信號(hào)由U10的ALE信號(hào)提供。當(dāng)中央處理器U10完成了上次數(shù)據(jù)采集后，P1.6腳(7腳)輸出一個(gè)高電平與電流鑒別電路輸出的高電平相與非產(chǎn)生中斷信號(hào)給U10的INO端，U10執(zhí)行中斷程序，起動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器再次采樣。采樣完成后U10的P1.6腳(7腳)又輸出一個(gè)高電平，這樣，CPU就能夠自重復(fù)采樣過程。當(dāng)放電回路中的脈沖電流不足100A時(shí)，鑒別電路中的LM311輸出低電平，U25門被鎖閉，中斷信號(hào)就不再產(chǎn)生了，從而保證了CPU只能在脈沖電流大于100A的脈沖區(qū)段上進(jìn)行采樣。
圖五中的中央處理器U10、地址鎖存器U11、程序存儲(chǔ)器U12及圖四中的I／O接口片U18組成了一個(gè)完整的微處理計(jì)算機(jī)，用于對整個(gè)裝置工作過程控制和數(shù)據(jù)分析處理。時(shí)鐘信號(hào)由C37、C39和晶振C38提供。放電控制信號(hào)由U10的1腳(P1.0)通過U19輸出給圖三中的放電驅(qū)動(dòng)電路，用以控制脈沖恒流源的工作。U18的C0、C1腳分別與放大電路中的模擬開關(guān)U15的10、9腳相連，用于選擇放大電路的放大倍率。U18的B1、B2、B3腳給顯示系統(tǒng)提供量程指示信號(hào)。中央處理器U10處理后的數(shù)據(jù)由U18的PA口輸出給顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)所需的數(shù)碼管片選信號(hào)由U18的B4－B7腳輸出。U10的P1口與面板操作系統(tǒng)相連接，用以接收量程選則申請信號(hào)和測量申請信號(hào)等操作指令。
面板操作系統(tǒng)是由圖五中的輕觸鍵AN1－AN5及穩(wěn)壓管DW3－DW6、與非門U25組成。其中，AN5、C35、C36、R31、R32和U25組成復(fù)位電路，在上電或撳動(dòng)AN5時(shí)產(chǎn)生一個(gè)24倍時(shí)鐘周期以上的高電平脈沖，為微處理計(jì)算機(jī)中的U10、U18提供復(fù)位信號(hào)。輕觸鍵AN1－AN4、穩(wěn)壓管DW3－DW6和電阻R23－R26構(gòu)成的操作指令電路與U10的P1口相連接，分別用作三個(gè)量程的選擇申請和測量申請。AN1－AN4中各個(gè)撳鍵的具體功能在微處理計(jì)算機(jī)的監(jiān)控程序中加以規(guī)定。
面板顯示系統(tǒng)由數(shù)字顯示、量程顯示脈沖恒流源充電指示電路等部分組成。后者是由圖三中的發(fā)光管LED1及其驅(qū)動(dòng)元件等組成。隨著充電時(shí)儲(chǔ)能電容C4兩端電壓的升高，LED1逐漸由暗到亮，達(dá)到最亮?xí)r沖電過程完成，裝置就處于待測量狀態(tài)了。量程指示信號(hào)由微處理機(jī)中的U18的B1、B2、B3輸出，經(jīng)U19推動(dòng)后分別由發(fā)光管LED2、LED3、LED4顯示。各發(fā)光管所表示的量程由微處理計(jì)算機(jī)的監(jiān)控程序規(guī)定。數(shù)字顯示部分由圖四中的四個(gè)數(shù)碼管LED7－LED10，及其推動(dòng)器U22、U23構(gòu)成。微處理計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)由PA口輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)門U22、U23推動(dòng)后同時(shí)提供給四個(gè)數(shù)碼管。數(shù)碼管的片選信號(hào)由U18的B4－B7口輸出，通過驅(qū)動(dòng)器U20、U21選擇當(dāng)前數(shù)字應(yīng)在的數(shù)碼管。四個(gè)數(shù)碼管輪流顯示，每個(gè)數(shù)碼管每次點(diǎn)亮2.5mS。
在圖六中，變壓器B1的次級(jí)輸出兩組12VAC和一組5VAC的電壓，經(jīng)橋式整流、濾波、穩(wěn)壓后，為整個(gè)裝置提供＋12VDC、－12VDC和＋5VDC的工作電源。由于圖三中的脈沖恒流源及其驅(qū)動(dòng)電路在脈沖大電流情況下工作，為避免由此引起的干擾，此部分電路由獨(dú)立變壓器B2提供電源。
下面的表格列出了本實(shí)施例采用的所有元器件的型號(hào)和規(guī)格。
圖三～圖六描述的結(jié)構(gòu)為本實(shí)用新型的實(shí)施例提供了一個(gè)完整的硬件支持，以下結(jié)合實(shí)際使用時(shí)的操作過程說明整機(jī)的工作程序和軟件的功能。
★接通電源后，電源指示燈LED5點(diǎn)亮；電源對放電回路中的C4電容充電；復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使CPU和I／O接口片復(fù)位。
★按動(dòng)量程選擇鍵AN1，AN2或AN3，CPU的P1口接收到選定量程的申請信號(hào)，這個(gè)申請信號(hào)的前沿啟動(dòng)CPU選擇與該量程相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。通過I／O接口片的C0、C1腳發(fā)出指令使放大電路選擇相應(yīng)的放大倍率；通過I／O片的B1或B2或B3腳點(diǎn)亮相應(yīng)的量程指示燈LED2或LED3或LED4；CPU調(diào)出存儲(chǔ)在RAM中的上次測量時(shí)的測量電流值，并通過I／O片U18在數(shù)碼管上顯示(此時(shí)若不曾進(jìn)行測量，顯示值為0)。檔位申請信號(hào)的后沿使CPU程序回到電阻顯示狀態(tài)。
★當(dāng)電容C4充電到規(guī)定電壓70～80V時(shí)，充電指示燈LED1達(dá)到最亮程度表示充電完成，可以進(jìn)行測量。
★按動(dòng)測量鍵AN4，CPU的P1口接到測量申請信號(hào)后，通過P1.0腳發(fā)出觸發(fā)放電指令，如果此時(shí)被測件沒有良好的接通，則數(shù)碼顯示故障信息“Err”。
★當(dāng)脈沖電流達(dá)到100A時(shí)，電流鑒別電路輸出高電平。啟動(dòng)CPU的中斷程序，兩片A／D轉(zhuǎn)換器U16、U17同步地對標(biāo)準(zhǔn)電阻R19和被測件上的電壓信號(hào)進(jìn)行快速重復(fù)采樣。當(dāng)脈沖電流下降到100A時(shí)，電流鑒別電路輸出低電平，通知A／D轉(zhuǎn)換器停止采樣。
★CPU啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序，計(jì)算出放電脈沖的電流值，存儲(chǔ)到RAM中備查。將采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，統(tǒng)計(jì)平均，并進(jìn)行該量程的系統(tǒng)誤差修正，處理后得到的電阻值從P0口輸出，經(jīng)I／O接口片在數(shù)碼管上顯示。
★一次測量結(jié)束。
★電容C4放電后，測量等待指示燈熄滅，電容C4開始重新充電，指示燈逐漸變亮，達(dá)到最亮?xí)r即可進(jìn)行下一次測量。
★若需要，按住任意量程選擇鍵都可以在數(shù)據(jù)顯示管上顯示此次測量的電流值。
按照原理圖三～圖六制成的回路電阻測量裝置，其主要性能指標(biāo)如下，測量電流100A～130A測量范圍1～10000μΩ精度數(shù)字顯示±1.5％ ±2個(gè)字整機(jī)精度1.5級(jí)分辨力0.5μΩ電源220VAC±10％ 50HZ尺寸126×320×360mm(高×寬×長)重量5KG本實(shí)用新型采用了脈沖恒流源提供測量電流，提高了測量電流強(qiáng)度，減少了電源部分的體積和重量，利用CPU微機(jī)快速采樣和數(shù)據(jù)處理功能，保證了測量精度。實(shí)際使用時(shí)只需按動(dòng)量程選擇鍵和測量鍵，即可完成測量。
權(quán)利要求1.利用脈沖恒流源測量回路電阻的裝置，其特征是該裝置由脈沖恒流源，標(biāo)準(zhǔn)電阻，A/D轉(zhuǎn)換電路和CPU微處理計(jì)算機(jī)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1規(guī)定的裝置，其特征是脈沖恒流源由一個(gè)高耐壓、大容量的電容儲(chǔ)量單元、一個(gè)電流放大單元和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)回路構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2規(guī)定的裝置，其特征是電容儲(chǔ)能單元由一個(gè)電容構(gòu)成，或由電容經(jīng)串、并聯(lián)后組成；電流放大單元由一個(gè)大功率三極管組成，或由三極管經(jīng)串、并聯(lián)組成；或由達(dá)林頓管模塊組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種測量回路電阻的裝置，它是由脈沖恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電阻、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電流鑒別電路、微處理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及面板操作顯示系統(tǒng)組成的，其測量電流大于100A。它適合于測量高壓開關(guān)的回路電阻，以及需要或能夠用大電流測量的、電阻在10000μΩ以下的器件或回路。
文檔編號(hào)G01R27/08GK2143784SQ9223448
公開日1993年10月13日 申請日期1992年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月14日
發(fā)明者范世宏, 王晶文, 王詩誠, 陳月華 申請人:海南海天科技開發(fā)實(shí)業(yè)有限公司