CN105606147A - 一种便携式变送器校验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式变送器校验仪，包括稳压变压器、交流恒压恒流模块、程控电阻模块、DSP控制器和人机界面，所述交流恒压恒流模块包括整流电路、逆变器、滤波器和采样调整电路，所述逆变器包括智能功率模块和光电隔离驱动电路，所述稳压变压器与待校验变送器相连；所述采样调整电路的输出端与所述DSP控制器相连；所述程控电阻模块分别与所述DSP控制器和待校验变送器相连；所述人机界面与所述DSP控制器相连。本发明的便携式变送器校验仪，可以实现对多种变送器的便捷校验，具有多功能、体积小、质量轻、便于携带等特点，可显著提高变送器校验的快捷性、节省资金。

Description

一种便携式变送器校验仪

技术领域

本发明涉及一种便携式变送器校验仪。

背景技术

为了使变送器校验仪能够最大程度的满足变送器校验的功能需求，首先，需要对变送器校验仪系统的功能需求进行分析。变送器校验仪系统的功能需求分析是以日常变送器校验为基础，通过对变送器校验仪的对象、内容、形式等的统计和归类，最终确定变送器校验仪所需完成的功能，从而确定变送器校验仪所需配备的各类设备。电流变送器、电压变送器和温度变送器是电力系统中电气测量、继电保护、自动控制以及调度的重要设备。变送器校验仪则是检定变送器误差的一种专用仪器，其产品质量的优劣、可靠性的高低,对电力系统的运行影响很大。为了确保变送器的可靠运行及监测系统的准确度，必须对变送器进行定期校验。

传统的变送器校验仪按照对象可以分为电压变送器校验仪、电流变送器校验仪、温度变送器校验仪三大类：

(1)电压变送器校验

单相交流电压变送器是一种将电网中的电压隔离变送成线性的直流模拟信号装置，为了实现对单相交流电压变送器的校验，校验仪需要提供50Hz幅值可调电压源以及220V、50Hz的供电电源，同时需要显示输出的电压幅值

(2)电流变送器校验

单相交流电流变送器是一种将电网中的电流隔离变送成线性的直流模拟信号装置，为了实现对单相交流电流变送器的校验，校验仪需要提供50Hz幅值可调电流源以及220V、50Hz的供电电源(注:非自电源电流变送器需要辅助电源)，同时需要显示输出的电流幅值

(3)温度变送器校验

温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，将温度变送成线性的直流模拟信号装置。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。为了实现对温度变送器的校验，校验仪需要提供多种阻值的电阻(对应多个温度值下热电阻的阻值)以及220V、50Hz的供电电源，同时需要显示输出的电阻对应的温度值

进行变送器校验时，除了便携式变送器校验仪需要供电外，仍有一些相关设备需要供电。

目前，变送器的校验存在设备体积大、质量重、不便于携带等问题，对站段的巡检产生较大影响。以温度变送器校验为例，国内对温度变送器进行校验大部分均使用标准电阻箱作电阻信号源，用电子电位差计提供毫伏信号或用其他标准信号源。由于使用多仪器进行校验致使校验工作的精度和可靠性受到影响，尤其在工作现场进行校验更是有许多不便之处。

目前，仪器仪表等标准器越来越趋向于小型化、智能化。当下已经应用的便携式校验仪普遍存在结构简单、功能单一、容易受多种误差因素的影响等缺点，因而难以保证校验精度；而基于计算机的虚拟仪器校验方案，虽然功能强大，但成本高昂，且目前也不能满足对各类电力变送器器进行精度测定的要求。

目前，已经应用的便携式校验仪普遍存在结构简单、功能单一、容易受多种误差因素的影响等缺点，因而难以保证校验精度；而基于计算机的虚拟仪器校验方案，虽然功能强大，但成本高昂，且目前也不能满足对各类电力变送器进行精度测定的要求。由于使用多仪器进行校验致使校验工作的精度和可靠性受到影响，尤其在工作现场进行校验更是有许多不便之处。基于上述原因，迫切需要研究兼容各类电力变送器校验需求的便携式通用校验仪。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种便携式变送器校验仪，可以实现对多种变送器的便捷校验，具有多功能、体积小、质量轻、便于携带等特点，可显著提高变送器校验的快捷性、节省资金。

实现上述目的的技术方案是：一种便携式变送器校验仪，外接待校验变送器，所述变送器校验仪包括稳压变压器、交流恒压恒流模块、程控电阻模块、DSP控制器和人机界面，所述交流恒压恒流模块包括整流电路、逆变器、滤波器和采样调整电路，所述逆变器包括智能功率模块和光电隔离驱动电路，其中：

所述稳压变压器与所述待校验变送器相连；

所述整流电路、智能功率模块和滤波器的输入端依次相连，所述滤波器的输出端分别与所述待校验变送器和所述采样调整电路的输入端相连，所述采样调整电路的输出端与所述DSP控制器相连；

所述智能功率模块与所述DSP控制器相连；所述智能功率模块还通过所述光电隔离驱动电路与所述DSP控制器相连；

所述程控电阻模块分别与所述DSP控制器和待校验变送器相连；

所述人机界面与所述DSP控制器相连。

上述的一种便携式变送器校验仪，其中，所述稳压变压器用于将交流电源隔离、稳压后为待校验变送器供电；

单向交流电源经过所述整流电路转变为直流信号，直流信号然后进入所述智能功率模块；所述DSP控制器接收来自所述人机界面的控制信号，并把控制信号经过所述光电隔离驱动电路输送给所述智能功率模块，进而驱动所述智能功率模块把直流信号转变为单相交流正弦输出信号，所述单相交流正弦输出信号通过所述滤波器输出给所述待校验变送器；

所述程控电阻模块主要由多路程控开关和多个精密电阻构成，所述DSP控制器通过控制多路开关的开断实现多个精密电阻的串并联组合，输出不同的电阻值给所述待校验变送器；

所述人机界面包括控制面板和显示面板，所述控制面板用于输入控制信号，所述显示面板用于显示信息。

上述的一种便携式变送器校验仪，其中，所述单相交流正弦输出信号包括50Hz的0～120V的交流恒压信号和50Hz的0～5A的交流恒流信号。

上述的一种便携式变送器校验仪，其中，所述人机界面包括电源开关、恒压/恒流转换、输入设置、LED显示屏和输出接口，所述输入设置包括电流设置、电压设置和电阻设置，所述输出接口包括电流接口、电压接口和电阻接口。

本发明的便携式变送器校验仪，可以实现对多种变送器的便捷校验，具有多功能、体积小、质量轻、便于携带等特点，可显著提高变送器校验的快捷性、节省资金，与现有技术相比的有益效果是：

(1)便携性：校验仪的核心处理芯片是数字信号处理器，较之基于计算机的虚拟仪器校验方案，在体积和重量上优势明显，而且便携式的特点也使得校验过程不受时间和地点的限制。

(2)通用性：校验仪能够兼顾单相交流电流变送器、单相交流电压变送器、温度变送器的校验，因此具有很强的通用性，应用场合广阔。

(3)灵活性：校验仪具有良好的人机界面，可以方便操作人员灵活地进行模式选择，测试信息也可就地随时显示。工作方式灵活可变，能够满足不同用户的需求。

附图说明

图1为本发明的便携式变送器校验仪的结构框图；

图2为本发明的的便携式变送器校验仪的人机界面的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的最佳实施例，一种便携式变送器校验仪，包括稳压变压器1、交流恒压恒流模块2、程控电阻模块3、DSP控制器4和人机界面5，交流恒压恒流模块2包括整流电路21、逆变器22、滤波器23和采样调整电路24，逆变器22包括智能功率模块221和光电隔离驱动电路222。

稳压变压器1与待校验变送器100相连；整流电路21、智能功率模块221和滤波器23的输入端依次相连，滤波器23的输出端分别与待校验变送器100和采样调整电路24的输入端相连，采样调整电路24的输出端与DSP控制器4相连；智能功率模块221与DSP控制器4相连；智能功率模块221还通过光电隔离驱动电路222与DSP控制器4相连；程控电阻模块3分别与DSP控制器4和待校验变送器100相连；人机界面5与DSP控制器4相连。

本发明的一种便携式变送器校验仪，稳压变压器1用于将交流电源隔离、稳压后为待校验变送器100供电。

单向交流电源经过整流电路转21变为直流信号，直流信号然后进入智能功率模块221；DSP控制器4接收来自人机界面5的控制信号，并把控制信号经过光电隔离驱动电路222输送给智能功率模块221，进而驱动智能功率模块221把直流信号转变为单相交流正弦输出信号，该单相交流正弦输出信号通过24滤波器输出给待校验变送器100。即单相交流电源经过整流电路21,转变为直流信号,然后进入逆变器22,在逆变器22中把直流信号转变为要求的一定频率、电压幅值/电流幅值的单相交流正弦输出信号,实现交流恒压/恒流输出功能。在逆变器22中，主要是基于DSP控制器根据输出指标要求，产生相应的控制信号，驱动内含的智能功率模块，输出系统要求的输出信号。单相交流正弦输出信号包括50Hz的0～120V的交流恒压信号和50Hz的0～5A的交流恒流信号。注意，本发明的检测仪不能同时输出交流恒压信号和交流恒流信号。

程控电阻模块3主要由多路程控开关和多个精密电阻构成，DSP控制器4通过控制多路开关的开断实现多个精密电阻的串并联组合，输出不同的电阻值给待校验变送器100。

人机界面包括控制面板和显示面板，控制面板用于输入控制信号，显示面板用于显示信息。

人机界面(HumanMachineInteraction，简称HMI)，又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是本系统的重要组成部分。其是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

请参阅图2，本发明的检测仪的人机界面设计遵循以用户为中心的基本设计原则，具体的，人机界面5包括电源开关51、恒压/恒流转换52、输入设置、LED显示屏54和输出接口，输入设置包括电流设置531、电压设置532和电阻设置533，输出接口包括电流接口551、电压接口552和电阻接口553。输入设置用于调整恒压/恒流/电阻输出值，选定的值在LED显示屏54上显示。通过本人机界面，用户可方便地进行设置输入，观察输出等操作，具有较高友好性和易操作性。

DSP控制器4的功能主要包括检测信号的A/D转换、SPWM控制信号的产生、系统的保护和故障检测、程控电阻的阻值控制、制面板的指令接收和显示面板的信息显示。

本发明的便携式变送器校验仪，稳压变压器1是利用铁磁谐振原理及磁分路结构制成的一种交流稳压器。稳压变压器的效率与普通变压器相近，且具有一定的稳压精度、抗干扰性能与固有的过载和短路保护能力。采用稳压变压器制作电源可使电源线路简化，体积缩小，成本及耗电量降低，可靠性提高。在设计原理、材料、结构、工艺制造上,与普通变压器都无大的区别，在此不再赘述。

在交流恒压恒流模块2中,主电路为直接执行环节,它的可靠性和稳定性影响整个系统的正常运行,主电路主要由整流电路21、逆变器22(包含智能功率模块221和光电隔离驱动电路222)、滤波器23和采样调整电路24四部分组成。

整流电路21采用单相桥式不可控整流电路，输入为交流市电。

逆变器22主电路采用单相桥式全控逆变，为了避免强电与弱电信号间的相互干扰，保护芯片和控制电路稳定可靠运行，驱动电路采用光耦隔离器对强、弱电部分进行光电隔离:即经过DSP控制器处理得到的SPWM控制信号需要经过光耦隔离处理后，才能转化为IGBT的控制信号。逆变器基本工作原理：根据操作人员控制指令，确定调制信号的周期与幅值，DSP控制器产生SPWM控制信号,经光耦驱动控制智能功率单元中的IGBT开通与关断。将单相直流电压逆变为单相交流电压,从而得到所想要的交流电。

逆变器22的输出滤波器主要是用来滤除逆变桥输出的SPWM波中的谐波分量，本校验仪的滤波器23选用LC滤波器，LC滤波参数的选择必须适当。滤波时间常数越大,不仅滤波电路的体积和重量过大,而且滤波电路引起的相位滞后变大,采用闭环波形反馈控制时,整个系统的稳定性越差。反之,滤波参数选得过小,系统中的高频分量得不到很好的抑制,输出电压不能满足波形失真度的要求。由相关自控原理知,影响滤波效果的参数主要是转折角频率和阻尼。通常,选择SPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率远远低于逆变输出频率,它对逆变输出频率以及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。

采样调整电路24由霍尔电流传感器/精密采样电阻、调整电路构成。霍尔电流传感器具有优越电性能,是一种先进的、能隔离主电路和数字控制电路的电流检测元件。主电路中的交流电流/电压经过霍尔电流传感器/精密采样电阻转变成一定比例的直流电压,再经放大或缩小、滤波后进入A/D转换通道。根据输出反馈量和给定值在内部完成复杂的算术逻辑运算,输出适当宽度的脉冲信号,实现逆变器的闭环控制。

控制器的设计是变送器校验仪设计的关键，它是整个变送器校验仪的控制指挥中心。控制器一方面能发布命令控制输出量的类型(恒压/恒流/电阻)及幅值，另一方面，它还可以接收操作人员通过控制面板输入的控制信息，以便程序处理后去完成操作人员要求的下一步工作。同时也需要提供便于操作的人机界面，使操作人员便于设定和管理维护。

对于控制器，其主要任务是完成SPWM控制，因此主要通过各类型控制器对SPWM的控制性能对比来选择控制器。其有三种较优的选择：一是单片机，二是数字信号处理器(DSP)，三是现场可编程门阵列(FPGA)。

基于单片机实现SPWM，此方法控制电路可靠，利用软件产生SPWM波,减轻了对硬件的要求,且成本低,受外界干扰小。而当今单片机的应用己经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有功能的外围功能模块(CCP),利用此模块更容易通过软件实现SPWM，且具有较快的执行速度。但受硬件计算速度和算法的影响,无法兼顾计算的精度和速度。

基于DSP实现SPWM。DSP事件管理器模块中的PWM波形产生单元包含可编程死区控制,可输出非对称PWM波形、对称PWM波形或空间矢量PWM波形。具有可编程的死区控制性能,以防止桥式驱动主电路的上下桥臂短路。同时DSP还具有强大的运算能力,因此用DSP实现SPWM功能更强,编程更灵活,且较单片机有更快的执行速度基于设计实现。

基于FPGA设计实现SPWM。DSP在SPWM控制领域得到了广泛应用,但是使用DSP单核心的控制方法仍然存在一些缺陷:基于软件的DSP在实现SPWM触发信号时需要较长的时钟周期；微处理器中不确定的中断响应会导致PWM脉冲的相位抖动。使用FPGA设计实现SPWM能很好的解决这一问题,使其性能更加优越。

综合考虑工程实际需要及成本要求，本发明的变送器校验仪采用DSP控制器，即采用DSP来实现SPWM。

在采样控制理论中有一个重要的结论：“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同”。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如将各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段特性非常接近,仅在高频段略有差异。正弦脉宽调制(SPWM)即指脉冲的宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的波形。正弦脉宽调制技术以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式。

SPWM的控制方式包括单极性SPWM控制方式和双极性SPWM控制方式。单极性SPWM控制方式下，在调制正弦波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的SPWM波形也只在单个极性范围内变化。双极性SPWM控制方式下，在调制正弦波的半个周期内三角载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的SPWM波也有正有负。

单极性SPWM控制与双极性SPWM控制相比,载波为全三角波的单极性SPWM控制波形的优点是开关频率是载波频率的两倍(双极性则相等),即有倍频的作用,易于滤波,并且每次开关管开通或关断时,电压跳动幅度减小为双极性SPWM控制的一半。本系统采用的是单极性SPWM控制算法。

采样实现调制方式可分为自然采样法和规则采样法。自然采样法是按照SPWM控制的基本原理，在调制正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。自然采样法原理简单易懂，但求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。规则采样法是一种应用较广工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量要比自然采样法小得多。本本发明的便携式变送器校验仪采用的即是规则采样法。

本发明的便携式变送器校验仪，可以实现对多种变送器的便捷校验，具有多功能、体积小、质量轻、便于携带等特点，可显著提高变送器校验的快捷性、节省资金。本发明的便携式变送器校验仪在典型型号的单相交流电流变送器、单相交流电压变送器、热电阻温度变送器上进行了测试，测试结果良好，达到了项目预期。该校验仪集成了电流变送器、电压变送器和温度变送器的校验功能，实现了一机多用，尤其为工作现场进行测试提供了很大的方便，具有广阔深远的应用前景。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种便携式变送器校验仪，外接待校验变送器，其特征在于，所述变送器校验仪包括稳压变压器、交流恒压恒流模块、程控电阻模块、DSP控制器和人机界面，所述交流恒压恒流模块包括整流电路、逆变器、滤波器和采样调整电路，所述逆变器包括智能功率模块和光电隔离驱动电路，其中：

所述稳压变压器与所述待校验变送器相连；

所述整流电路、智能功率模块和滤波器的输入端依次相连，所述滤波器的输出端分别与所述待校验变送器和所述采样调整电路的输入端相连，所述采样调整电路的输出端与所述DSP控制器相连；

所述智能功率模块与所述DSP控制器相连；所述智能功率模块还通过所述光电隔离驱动电路与所述DSP控制器相连；

所述程控电阻模块分别与所述DSP控制器和待校验变送器相连；

所述人机界面与所述DSP控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种便携式变送器校验仪，其特征在于，所述稳压变压器用于将交流电源隔离、稳压后为待校验变送器供电；

单向交流电源经过所述整流电路转变为直流信号，直流信号然后进入所述智能功率模块；所述DSP控制器接收来自所述人机界面的控制信号，并把控制信号经过所述光电隔离驱动电路输送给所述智能功率模块，进而驱动所述智能功率模块把直流信号转变为单相交流正弦输出信号，所述单相交流正弦输出信号通过所述滤波器输出给所述待校验变送器；

所述程控电阻模块主要由多路程控开关和多个精密电阻构成，所述DSP控制器通过控制多路开关的开断实现多个精密电阻的串并联组合，输出不同的电阻值给所述待校验变送器；

所述人机界面包括控制面板和显示面板，所述控制面板用于输入控制信号，所述显示面板用于显示信息。

3.根据权利要求2所述的一种便携式变送器校验仪，其特征在于，所述单相交流正弦输出信号包括50Hz的0～120V的交流恒压信号和50Hz的0～5A的交流恒流信号。

4.根据权利要求1所述的一种便携式变送器校验仪，其特征在于，所述人机界面包括电源开关、恒压/恒流转换、输入设置、LED显示屏和输出接口，所述输入设置包括电流设置、电压设置和电阻设置，所述输出接口包括电流接口、电压接口和电阻接口。