CN103163350A

CN103163350A - 一种用于电压、电流测量的选频万用表

Info

Publication number: CN103163350A
Application number: CN2013101004344A
Authority: CN
Inventors: 李谦; 余月仙; 邵建康; 肖磊石
Original assignee: SHANGHAI DAFAN ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI DAFAN ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了一种用于电压、电流测量的选频万用表，包括CPU、电压测量端子和电流测量端子，CPU分两路分别与电压测量端子和电流测量端子相连接，其中，CPU与电压测量端子相连的线路上自电压测量端子向CPU之间依次串接有电压量程切换单元、电压滤波单元和隔离放大单元，电压测量端子设置在电压量程切换单元上，电压量程切换单元还与CPU相连接；CPU与电流测量端子相连的线路上自电流测量端子向CPU之间依次串接有电流互感器、电流量程切换单元、电流滤波单元和运算放大单元，电流测量端子设置在电流量程切换单元上，电流量程切换单元还与CPU相连接。该选频万用表具有电压、电流实时在线显示功能。

Description

一种用于电压、电流测量的选频万用表

技术领域

本发明涉及电力行业中的测量设备，具体是指一种用于电压、电流测量的选频万用表。

背景技术

绝大多数电气设备运行于50Hz工频交流电压下，很多情况下需要测量工频50Hz下的状态参数，其中大多是直接测量电压电流信号，或通过传感器将各种物理量转换为电压电流信号然后测量。由于电网中存在很强的50Hz干扰，所以在现场一些微弱的测试信号因与50Hz强干扰而难以测量，往往带来很大的误差甚至无法测量。所以，在很多电气参数测试项目上可采用异频法进行测量，即在设备上加上异于工频的正弦波信号源如55Hz，然后利用选频滤波技术抑制50Hz干扰，只测量该55Hz信号所对应的参数，可求得结果A。然后按同样方法在工频对称偏频测量45Hz求得结果B，取A+B的平均数即可认为是50Hz下的结果C。该方法既可以两点对称变频测量（如45Hz、55Hz），也可以多点对称变频测量(如45，47、53、55Hz)以提高结果的准确度和可信度。这种变频（或称异频）测量法能有效避免50Hz工频的强干扰所带来的误差，能在有强工频干扰的环境如高压变电站，电厂准确测量电气设备参数。变频测试法已在多种测试仪器上应用，如变频抗干扰介质损耗测试仪，异频线路参数测试仪，变频接地参数测试系统等。

变频测试法要达到不受干扰准确测量这个最终目的，涉及两个方面的技术：变频和选频。变频是需要将50Hz的市电电源转变成电压和频率均可调的正弦波变频电源，选频则是需要在现场各种复杂的干扰中将变频后的微弱信号提取出来，并进行准确测量。变频信号源作为“源—表”测量系统中的源，不涉及测量和计算结果的输出。同时其一般都通过隔离变压器与外界干扰隔离，不易受干扰影响，相对而言比较成熟。

选频技术相对而言要复杂很多，作为“源—表”测量系统中的表，其要在各种复杂的干扰情况下，分离出微弱的变频信号并进行测量输出结果。往往是干扰信号比有用的变频信号幅值强数倍至数十倍，有用的变频信号被“淹没”在各种干扰信号里。而且所测的信号里包括了工频干扰、高频干扰、谐波干扰，再叠加上变频信号，波形已变得杂乱无章复杂多变无明确规律，要在这样杂乱复杂的波形里还原提取出有用的微弱信号还要准确测量，难度可想而知。而且测试频率和干扰频率越近，选频的难度就越大。显然，选频技术直接关系着成套变频测量系统结果的准确性，是成套系统能否达到排除干扰准确测量这个最终目的的关键技术，是成套系统的技术瓶颈。

目前，在利用选频测量装置现场测量电压电流时，仅能给出电压或电流的有效值读数，不能显示出原始的波形信息，也无法显示出选定频率正弦波分量的波形。这种情况下，不能直观分析和判断波形和干扰情况，以及选频滤波处理的效果；也无法判断波形的完整性和畸变率、相位差，无法保存现场的原始测量波形信号。主要原因在于，目前的选频测量装置大多采用模拟式滤波电路（或称硬件滤波电路），无法对波形进行运算和数字化处理，难以显示、缩放和保存波形。

为解决上述问题，以往在现场往往利用通用示波器现场观测波形。但该方法只能观测到原始的电压电流波形，无法观测选频滤波后的电压电流波形；且选频测量装置和示波器属于两个独立装置，现场搭配使用方便性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电压、电流测量的选频万用表，该选频万用表内置了示波器功能，可在测量电压电流的同时，直接显示、缩放和存储原始的电压电流波形和选频滤波后电压电流波形，具有电压、电流实时在线显示功能。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述选频万用表包括CPU、电压测量端子和电流测量端子，CPU分两路分别与电压测量端子和电流测量端子相连接，其中，CPU与电压测量端子相连的线路上自电压测量端子向CPU之间依次串接有电压量程切换单元、电压滤波单元和隔离放大单元，所述的电压测量端子设置在所述电压量程切换单元上，所述的电压量程切换单元还与所述CPU相连接；CPU与电流测量端子相连的线路上自电流测量端子向CPU之间依次串接有电流互感器、电流量程切换单元、电流滤波单元和运算放大单元，所述的电流测量端子设置在所述电流量程切换单元上，所述电流量程切换单元还与所述CPU相连接。

本发明可做如下改进：所述CPU还连接有显示单元。

本发明可做如下改进：所述CPU还连接有菜单操作旋钮。

本发明可做如下改进：所述CPU还连接有存储卡。

本发明可做如下改进：所述CPU还连接有打印机。

本发明的系统核心性能的实现主要基于CPU数字化的小波变换运算分析，在电气测量领域，特别是在强干扰背景下的电力系统测试领域有着重要的用途。

与现有技术相比，本发明的选频万用表具有如下显著优点：

（1）本发明的选频万用表能够在高压变电站强干扰环境下，显示、缩放和保存所测的原始电压电流波形，并可运算排除原始波形中的干扰成分，显示、缩放和保存选定频率的正弦波信号分量波形。

（2）本发明的选频万用表可显示、缩放和保存原始测试波形，现场可直观对原始波形信号进行观测和分析。

（3）本发明的选频万用表可对波形信号进行选频滤波运算处理，提取出其中的指定频率正弦波形分量，并进行显示、缩放和保存。

（4）本发明的选频万用表在电气测量领域，特别是在电厂，变电站等强干扰环境下的电气设备参数测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明选频万用表的整体结构框图。

附图标记说明

1、电压测量端子；2、电压量程切换单元；3、电压滤波单元；

4、隔离放大单元；5、CPU；6、电流测量端子；7、电流互感器；

8、电流量程切换单元；9、电流滤波单元；10、运算放大单元；

11、显示单元；12、菜单操作旋钮；13、存储卡；14、打印机；

具体实施方式

如图1所示的一种用于电压、电流测量的选频万用表，包括CPU5、电压测量端子1和电流测量端子6，CPU5分两路分别与电压测量端子1和电流测量端子6相连接，其中，CPU5与电压测量端子1相连的线路上自电压测量端子1向CPU5之间依次串接有电压量程切换单元2、电压滤波单元3和隔离放大单元4，所述的电压测量端子1设置在所述电压量程切换单元2上，所述的电压量程切换单元2还与所述CPU5相连接；CPU5与电流测量端子6相连的线路上自电流测量端子6向CPU5之间依次串接有电流互感器7、电流量程切换单元8、电流滤波单元9和运算放大单元10，所述的电流测量端子6设置在所述电流量程切换单元8上，所述电流量程切换单元8还与所述CPU5相连接。所述的电压测量端子1用于连接测量点与选频表，电压量程切换单元2用于切换量程以适应不同的测量电压大小，电压滤波单元3用于滤除测量信号中的干扰成分，隔离放大单元4将外界信号与CPU进行隔离，CPU5是核心运算处理单元，两个电流测量端子6之间接一根穿过电流互感器7的粗导线、电流量程切换单元8用于切换量程以适应不同的测量电流大小，电流滤波单元9用于滤除测量信号中的干扰成分，运算放大单元10对信号进行放大以便能进行准确采样和测量。

所述CPU5还分别连接有显示单元11、菜单操作旋钮12、存储卡13和打印机14，显示单元11负责显示测量结果和人机操作界面；菜单操作旋钮12可操作菜单选择所需要的功能；存储卡13可存储测量结果和数据；打印机14可打印测量结果。

本发明选频万用表电压测量线路的前端电路由电压测量端子1、电压量程切换单元2、电压滤波单元3和隔离放大单元4组成，电流测量线路的前端电路由电流测量端子6、电流互感器7、电流量程切换单元8、电流滤波单元9和运算放大单元10组成，选频万用表还包括CPU5、显示单元11、菜单操作旋钮12、SD存储卡13和打印机14。电压测量端子1测量到的电压信号输入至电压量程切换单元2，电压量程切换单元2接到电压滤波单元3，电压滤波单元3接到隔离放大单元4，隔离放大单元4输出连接到CPU5，由CPU5对接收到的电压信号进行分析处理。电流测量端子6的测量到的电流信号经过电流互感器7输入到电流量程切换单元8，电流量程切换单元8接到电流滤波单元9，电流滤波单元9接到运算放大单元10，运算放大单元10输出连接到CPU5，由CPU5对接收到的电流信号进行分析处理。

电压测量端子1接到电压量程切换单元2，电压量程切换单元2由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出5个量程，分别对应20mV，200mV，2V，20V，200V量程。量程切换后电压送入电压滤波单元3，切换后的电压信号由电压滤波单元3送出，接到隔离放大单元4，由隔离放大单元4隔离后接到CPU的AD管脚，进行电压信号的采样分析。

两个电流测量端子6通过导线短接，导线上穿过电流互感器7感应出电流信号接到电流量程切换单元8，电流量程切换单元8由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出4个量程，分别对应20mA，200mA，2A，20A量程。CPU程序识别并自动控制切换对应的继电器，使得信号幅值大小在最佳的测量范围内。量程切换后电压送入电流滤波单元9，电流信号由电流滤波单元9送出，经过运算放大单元10放大后接到CPU的AD管脚，进行电流信号的采样分析。

电压、电流信号分两路送入CPU的不同的AD管脚，经过CPU内置的AD转换电路进行高速采样模数转换，转换成程序可识别的数字信号。然后CPU通过程序对波形进行还原显示，并可对波形进行缩放和存储。CPU也可对采集到的信号进行运算分析，从复杂的波形中分离出选定频率的正弦波信号，并对选定频率的波形进行显示，缩放和保存。CPU通过软件可同时分离出指定频率下的电压，电流信号并计算出两者间的相位差。CPU还可同时控制存储，打印，显示，菜单操作等功能。

上述的CPU一般是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种信号处理算法。根据数字信号处理的要求，CPU一般具有如下的一些主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。（7）可以并行执行多个操作。（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明的上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述选频万用表包括CPU（5）、电压测量端子（1）和电流测量端子（6），CPU（5）分两路分别与电压测量端子（1）和电流测量端子（6）相连接，其中，CPU（5）与电压测量端子（1）相连的线路上自电压测量端子（1）向CPU（5）之间依次串接有电压量程切换单元（2）、电压滤波单元（3）和隔离放大单元（4），所述的电压测量端子（1）设置在所述电压量程切换单元（2）上，所述的电压量程切换单元（2）还与所述CPU（5）相连接；CPU（5）与电流测量端子（6）相连的线路上自电流测量端子（6）向CPU（5）之间依次串接有电流互感器（7）、电流量程切换单元（8）、电流滤波单元（9）和运算放大单元（10），所述的电流测量端子（6）设置在所述电流量程切换单元（8）上，所述电流量程切换单元（8）还与所述CPU（5）相连接。

2.根据权利要求1所述的用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述CPU（5）还连接有显示单元（11）。

3.根据权利要求1所述的用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述CPU（5）还连接有菜单操作旋钮（12）。

4.根据权利要求1所述的用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述CPU（5）还连接有存储卡（13）。

5.根据权利要求1所述的用于电压、电流测量的选频万用表，其特征在于：所述CPU（5）还连接有打印机（14）。