CN109085484B - 一种耐电压测试仪的电压保持时间的测量方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电压信号参数的测量领域，尤其涉及耐电压测试仪输出电压的保持时间测量方法及电路。本发明所述的耐电压测试仪的电压保持时间的测量电路，包括分压器、频率测量模块、低通滤波器模块、全波整流模块、高速A/D转换器和微控制器模块。本发明通过直接对耐电压测试仪输出电压的波形包络曲线进行分析，由微控制器自动识别电压上升和下降的阶段，耐电压测试仪无需设置特定的输出电压值，即便实际输出电压存在误差也不会对保持时间的测量造成影响。
Description
技术领域
本发明涉及电压信号参数的测量领域，尤其涉及耐电压测试仪输出电压的保持时间测量方法及电路。
背景技术
介电强度是电器设备电气安全性的一个重要参数。评价电器设备介电性能好坏的关键指标是：施加在电气设备上的测试电压的高低、泄漏电流的大小和测试电压保持(持续)时间的长短。耐电压测试仪是用于电器设备介电强度试验的专用仪器。开始介电强度测试前，需要对耐电压测试仪进行参数设置，主要包括：输出电压和保持时间等，这两个参数也是该类测试仪检定/校准工作中最为重要的项目。
耐电压测试仪根据输出电压的产生和调节方式可分为自耦调压式和程控稳压式。自耦调压式测试仪通过继电器控制输出电压的启动和停止，起始和结束瞬间的电压波形非常陡峭。程控稳压式测试仪通过功率放大器驱动升压变压器产生高电压，输出电压的起始和停止有一个“上升”和“下降”的过程。通过示波器捕捉的程控稳压式耐电压测试仪输出交流电压的典型波形如图1所示。目前，程控稳压式耐电压测试仪得到了广泛应用。
根据JJG 795-2016《耐电压测试仪检定规程》第3.3节的定义，耐电压测试仪的“保持时间”指的是：“输出电压在稳定阶段所经历的时间，不包括电压上升和下降的时间”。以图1为例，图1中左侧虚线处是保持时间的计时起始点，右侧虚线处是保持时间的计时截止点。
检定耐电压测试仪输出电压的保持时间需要使用具有计时功能的校准装置。目前，现有校准装置采用的是“设置计时起始电压”的方法，来测量被检测试仪的保持时间，该方法只适合于自耦调压式的耐电压测试仪。由于程控稳压式耐电压测试仪的输出电压存在上升和下降的过程，此过程的时间或长或短，采用设置计时起始电压的方法，无法准确测量保持时间。如图2所示，假设计时起始电压为U2，当输入电压高于U2时开始计时，低于U2时停止计时，则得到的保持时间为T2；但实际上被检测试仪输出电压在稳定阶段所持续的时间为T1，电压上升以及下降阶段不属于电压保持时间。
设置计时起始电压的测量法将导致较大的误差，在《中国计量》杂志2009年第05期的《耐压测试仪检定中容易出现的几个问题》一文中对此有详细论述。该论文指出：“由于标准器不同，从什么电压开始计时和在什么电压结束计时也不完全相同，有些标准器的开始计时电压和结束计时电压是可调的，有些是不可调的，所以对于同一台耐压测试仪测出来的数据就不同”。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于波形分析的耐电压测试仪的保持时间的测量方法及电路，从而准确测量被检测试仪输出电压的保持时间，无需设置特定量值的计时起始电压。
为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：
一种耐电压测试仪的电压保持时间的测量方法，包括以下步骤：
S1.从耐电压测试仪启动电压输出开始，直至停止电压输出为止，以半周期为单位保存对应的峰值电压，从而得到包含输出高电压UHV包络曲线信息的一系列波形数据；
S2.待耐电压测试仪停止电压输出后，从t0时刻开始，依次读取所保存的电压的波形数据，通过数值比较的方法寻找输出高电压UHV在稳定阶段的起始点t1，以及截至点t2，得到t1和t2时刻所对应的数据序列的间隔数ΔN；
S3.测量输出高电压UHV的频率f；
S4.按公式(1)计算UHV的保持时间THOLD，单位为s。
一种耐电压测试仪的电压保持时间的测量电路，包括分压器、频率测量模块、低通滤波器模块、全波整流模块、高速A/D转换器和微控制器模块；其中，
分压器：对耐电压测试仪所输出的高电压UHV进行衰减，输出电压信号UIN；
频率测量模块：将分压器所输出的电压信号UIN整形为与信号周期对应的方波；
低通滤波器模块：对分压器所输出的电压信号UIN中的谐波成分进行滤除；
全波整流模块：对低通滤波器模块所输出的滤波信号进行整流；
高速A/D转换器：对全波整流模块输出的整流信号进行等时间间隔采样；
微控制器模块：对频率测量模块输出的方波脉宽进行测量，得到高电压UHV的频率，同时读取高速A/D转换器的采样值，根据频率和采样值进行分析和计算得到耐电压测试仪的电压保持时间。
进一步地，所述分压器包括电阻R17和电阻R18，所述电阻R17的一端连接耐电压测试仪的输出端，其另一端与电阻R18的一端连接，所述电阻R18的另一端接地，所述电阻R17和电阻R18之间输出电压信号UIN。
进一步地，所述频率测量模块包括电阻R14，所述电阻R14的一端接入电压信号UIN，其另一端与二极管D4的负极连接，所述电阻R14与二极管D4之间分别连接运算放大器U2B的反相输入端以及电阻R16的一端，所述运算放大器U2B的同相输入端接地，所述运算放大器U2B的输出端分别连接二极管D4的正极和二极管D3的负极，所述二极管D3的正极分别连接电阻R16的另一端和电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端分别连接电阻R11、电容C3和运算放大器U3A的反相输入端，所述电阻R11和电容C3的另一端以及运算放大器U3A的输出端共同连接电阻R13的一端，所述运算放大器U3A的同相输入端接地，所述电阻R13的另一端连接电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端接地，所述电阻R15与电容C6并联连接。
进一步地，所述低通滤波器模块包括电阻R6，所述电阻R6的一端接入电压信号UIN，其另一端分别连接电阻R1、电阻R7和电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地，所述电阻R7的另一端分别连接电容C1的一端和运算放大器U2A的反相输入端，所述运算放大器U2A的同相输入端接地，所述电阻R1和电容C1的另一端以及运算放大器U2A的输出端共同输出滤波信号。
进一步地，所述全波整流模块包括电阻R5和电阻R9，所述电阻R5和电阻R9的一端均接入低通滤波器模块所输出的滤波信号，所述电阻R5的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端、二极管D2的负极和电阻R8的一端，所述运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R3后接地，所述运算放大器U1B的输出端分别连接二极管D2的正极和二极管D1的负极，所述二极管D1的正极分别连接电阻R8的另一端和电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端连接运算放大器U1A的反相输入端，所述运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R2后接地，电阻R9的另一端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和电阻R10的一端，所述运算放大器U1B的输出端和电阻R10的另一端共同输出整流信号。
进一步地，所述高速A/D转换器包括A/D转换器U4，所述A/D转换器U4的信号输入端接入全波整流模块所输出的整流信号，所述A/D转换器U4的信号输出端连接微控制器模块的信号输入端，所述A/D转换器U4的引脚A3接地，所述A/D转换器U4的引脚BGAP和引脚AGND分别并联电容C4和电容C5，电容C4和电容C5共同接地，所述A/D转换器U4的引脚REFP分别连接电容C7和电容C8的一端，所述电容C7和电容C8的另一端接地。
进一步地，对于50Hz、60Hz和DC信号，所述低通滤波器模块的增益分别为3.8、3.7和4.1。
进一步地，所述全波整流模块的增益为1。
进一步地，所述耐电压测试仪的输出电压范围为500V～1488V。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过直接对耐电压测试仪输出电压的波形包络曲线进行分析，由微控制器自动识别电压上升和下降的阶段，耐电压测试仪无需设置特定的输出电压值，即便实际输出电压存在误差也不会对保持时间的测量造成影响。对于自耦调压式和程控稳压式耐电压测试仪，本发明的测量方法和电路均可实现保持时间的准确测量，大大提高了测量的准确率。
附图说明
图1是程控稳压式耐电压测试仪的交流输出电压典型波形；
图2是设置计时起始电压测量法的误差示意图；
图3是本发明测量电路的原理框图；
图4是正弦波经全波整流后的高速采样示意图；
图5是半周期电压峰值包络曲线示意图；
图6是本发明测量电路的电路原理图；
图中：1、分压器；2、低通滤波器模块；3、全波整流模块；4、高速A/D转换器；5、微控制器模块；6、频率测量模块。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的说明：
本发明所述的耐电压测试仪的电压保持时间的测量方法，包括以下步骤：
S1.从耐电压测试仪启动电压输出开始，直至停止电压输出为止，以半周期为单位保存对应的峰值电压，从而得到包含输出高电压UHV包络曲线信息的一系列波形数据；
S2.待耐电压测试仪停止电压输出后，从t0时刻开始，依次读取所保存的电压的波形数据，通过数值比较的方法寻找输出高电压UHV在稳定阶段的起始点t1，以及截至点t2，得到t1和t2时刻所对应的数据序列的间隔数ΔN；
S3.测量输出高电压UHV的频率f；
S4.按公式(1)计算UHV的保持时间THOLD，单位为s。
根据输出电压的类型，耐电压测试仪可分为：交流(工频)耐电压测试仪和直流耐电压测试仪，下面以交流耐电压测试仪为例进行分析。
如图3所示，本发明所述的耐电压测试仪的电压保持时间的测量电路，包括分压器1、频率测量模块6、低通滤波器模块2、全波整流模块3、高速A/D转换器4和微控制器模块5；
分压器：对耐电压测试仪所输出的高电压UHV进行衰减，输出电压信号UIN；
频率测量模块：将分压器所输出的电压信号UIN整形为与信号周期对应的方波；
低通滤波器模块：对分压器所输出的电压信号UIN中的谐波成分进行滤除；
全波整流模块：对低通滤波器模块所输出的滤波信号进行整流；
高速A/D转换器：对全波整流模块输出的整流信号进行等时间间隔采样；
微控制器模块：对频率测量模块输出的方波脉宽进行测量，得到高电压UHV的频率，同时读取高速A/D转换器的采样值，根据频率和采样值进行分析和计算得到耐电压测试仪的电压保持时间。
耐电压测试仪启动后，所输出的高电压UHV经分压器1衰减，得到低电压信号UIN。微控制器模块5通过频率测量模块6对UHV的频率进行测量。UIN经过低通滤波器模块2后，由全波整流模块3进行整流，再通过高速A/D转换器4进行高速采样。微控制器模块5读取高速A/D转换器4的测量数据，然后以半个电压周期为单位分析其间的峰值UMAX(最大电压值)，再依次将半周期峰值UMAX缓存到微控制器模块5的RAM存储器中。正弦波经全波整流后的高速采样示意图如图4所示。
对于交流信号，本发明的保持时间测量法以半个信号周期为分析单位。如果是50Hz交流电压，保持时间测量的分辨力为10ms；如果是60Hz交流电压，保持时间测量的分辨力为8.33ms。对直流耐电压测试仪进行保持时间检定时，微控制器模块5可以对电压波形采用等时间间隔(比如10ms)为分析单位，寻找其间的峰值UMAX，得到包含UHV电压包络曲线信息的一系列波形数据，之后的保持时间测量方法与交流输入信号相同。
本发明的测量电路如图6所示，实现对交流(工频)和直流耐电压测试仪的保持时间测量。其中，
分压器包括电阻R17和电阻R18，电阻R17的一端连接耐电压测试仪的输出端，其另一端与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端接地，电阻R17和电阻R18之间输出电压信号UIN。
频率测量模块包括电阻R14，电阻R14的一端接入电压信号UIN，其另一端与二极管D4的负极连接，电阻R14与二极管D4之间分别连接运算放大器U2B的反相输入端以及电阻R16的一端，运算放大器U2B的同相输入端接地，运算放大器U2B的输出端分别连接二极管D4的正极和二极管D3的负极，二极管D3的正极分别连接电阻R16的另一端和电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接电阻R11、电容C3和运算放大器U3A的反相输入端，电阻R11和电容C3的另一端以及运算放大器U3A的输出端共同连接电阻R13的一端，运算放大器U3A的同相输入端接地，电阻R13的另一端连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接地，电阻R15与电容C6并联连接。
低通滤波器模块包括电阻R6，电阻R6的一端接入电压信号UIN，其另一端分别连接电阻R1、电阻R7和电容C2的一端，电容C2的另一端接地，电阻R7的另一端分别连接电容C1的一端和运算放大器U2A的反相输入端，运算放大器U2A的同相输入端接地，电阻R1和电容C1的另一端以及运算放大器U2A的输出端共同输出滤波信号。
全波整流模块包括电阻R5和电阻R9，电阻R5和电阻R9的一端均接入低通滤波器模块所输出的滤波信号，电阻R5的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端、二极管D2的负极和电阻R8的一端，运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R3后接地，运算放大器U1B的输出端分别连接二极管D2的正极和二极管D1的负极，二极管D1的正极分别连接电阻R8的另一端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1A的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R2后接地，电阻R9的另一端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和电阻R10的一端，运算放大器U1B的输出端和电阻R10的另一端共同输出整流信号。
高速A/D转换器包括A/D转换器U4，A/D转换器U4的信号输入端接入全波整流模块所输出的整流信号，A/D转换器U4的信号输出端连接微控制器模块的信号输入端，A/D转换器U4的引脚A3接地，A/D转换器U4的引脚BGAP和引脚AGND分别并联电容C4和电容C5，电容C4和电容C5共同接地，A/D转换器U4的引脚REFP分别连接电容C7和电容C8的一端，电容C7和电容C8的另一端接地。
被检耐电压测试仪输出的高电压UHV通过1:2000的分压器1进行衰减，其输出信号UIN作为低通滤波器模块和频率测量模块的输入信号。
频率测量模块6对UIN进行半波整流，再进行高增益的放大，从而将输入交流信号整形为与信号周期对应的方波。通过微控制器模块5对频率测量模块6输出的方波脉宽进行测量，可以得到输入交流信号的频率f。对于DC输入信号，频率测量模块6固定输出“低电平”或者“高电平”，微控制器模块5据此可判断输入高电压UHV的极性。
低通滤波器模块2将输入电压信号UIN中的谐波成分滤除，以避免对后续模块的峰值捕捉造成影响。对于50Hz、60Hz和DC信号，本实施例中的低通滤波器模块2的增益分别为3.8、3.7和4.1。全波整流模块3的增益为1，其输出信号提供给高速A/D转换器4。高速A/D转换器4优选为A/D转换器TLC3544，TLC3544是一款最高采样速率为200KSPS、14bit的A/D转换器，内部带有4.0V的参考电压基准。本实施例使用TLC3544内部的参考电压基准，则TLC3544输入电压UADC应小于4.0V。TLC3544由微控制器模块5提供特定频率的采样启动脉冲，实现对输入电压波形的等时间间隔采样。
微控制器模块5优选为微控制器MSP430F2419。
对于50Hz输入电压信号，微控制器模块5为TLC3544提供4kHz的采样启动脉冲，即：每半个信号周期有40个采样点。TLC3544输入电压UADC与被检耐电压测试仪的输出高电压UHV应满足公式(2)。公式(2)中K分压比代表分压器1的衰减比，Gain为信号调理电路的总增益，公式(2)化简后可得关系式(3)。
UHV(50Hz)＜1488(V)(3)
通过公式(2)和关系式(3)的分析，对于50Hz高电压，只要UHV不超过1488V，输入到本实施例的高速A/D转换器4的信号UADC都小于4.0V，不会造成TLC3544转换结果的溢出。
对于60Hz输入电压信号，微控制器模块5为TLC3544提供4.8kHz的采样启动脉冲，保证每半个信号周期有40个采样点。TLC3544输入电压UADC与被检耐电压测试仪的输出高电压UHV应满足公式(4)，化简后可得关系式(5)。
UHV(60Hz)＜1538(V) (5)
对于DC高电压，微控制器模块5为TLC3544提供4kHz的采样启动脉冲，保证每半个信号周期有40个采样点。TLC3544输入电压UADC与被检耐电压测试仪的输出高电压UHV应满足公式(6)，化简后可得关系式(7)。
UHV(DC)＜1951(V) (7)
根据JJG 795-2016《耐电压测试仪检定规程》第7.3.6节的规定，进行保持时间检定时，被检测试仪的输出电压不能低于500V。综合关系式(3)、关系式(5)和关系式(7)的要求，对于各种耐电压测试仪，只要耐电压测试仪的输出电压在500V～1488V范围内，本实施例都可以实现对输入高电压信号UHV进行间隔高速A/D采样，被检耐电压测试仪无需设置特定的输出电压值。
将高速A/D转换器4的采样值缓存到微控制器5的RAM存储器区中，待耐电压测试仪器停止输出后，再由微控制器5对所存储的数据进行整体分析，然后按公式(1)计算被检耐电压测试仪的输出电压保持时间。
本发明基于对被检耐电压测试仪的输出电压波形进行高速采样，然后再对电压包络曲线进行整体分析。如果被检耐电压测试仪的实际输出电压存在误差(即：实际输出电压值与设定值存在偏差)，也不会改变电压包络曲线的整体形态。因此，实际输出电压的偏差不会对本发明保持时间的测量造成影响。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐电压测试仪的电压保持时间的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.从耐电压测试仪启动电压输出开始，直至停止电压输出为止，以半周期为单位保存对应的峰值电压，从而得到包含输出高电压UHV包络曲线信息的一系列波形数据；
S2.待耐电压测试仪停止电压输出后，从t0时刻开始，依次读取所保存的电压的波形数据，通过数值比较的方法寻找输出高电压UHV在稳定阶段的起始点t1，以及截至点t2，得到t1和t2时刻所对应的数据序列的间隔数△N；
S3.测量输出高电压UHV的频率f；
S4.按公式(1)计算UHV的保持时间THOLD，单位为s。
2.一种耐电压测试仪的电压保持时间的测量电路，其特征在于：包括分压器、频率测量模块、低通滤波器模块、全波整流模块、高速A/D转换器和微控制器模块；其中，
分压器：对耐电压测试仪所输出的高电压UHV进行衰减，输出电压信号UIN；频率测量模块：将分压器所输出的电压信号UIN整形为与信号周期对应的方波；
低通滤波器模块：对分压器所输出的电压信号UIN中的谐波成分进行滤除；
全波整流模块：对低通滤波器模块所输出的滤波信号进行整流；
高速A/D转换器：对全波整流模块输出的整流信号进行等时间间隔采样；
微控制器模块：对频率测量模块输出的方波脉宽进行测量，得到高电压UHV的频率f，同时读取高速A/D转换器的采样值，根据频率和采样值进行分析
和计算得到耐电压测试仪的电压保持时间；
其中，按公式(1)计算电压保持时间THOLD，单位为s；
其中，待耐电压测试仪停止电压输出后，从t0时刻开始，依次读取所保存的电压的采样值，通过数值比较的方法寻找输出高电压UHV在稳定阶段的
起始点t1，以及截至点t2，得到t1和t2时刻所对应的数据序列的间隔数△N。
3.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述分压器包括电阻R17和电阻R18，所述电阻R17的一端连接耐电压测试仪的输出端，其另一端与电阻R18的一端连接，所述电阻R18的另一端接地，所述电阻R17和电阻R18之间输出电压信号UIN。
4.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述频率测量模块包括电阻R14，所述电阻R14的一端接入电压信号UIN，其另一端与二极管D4的负极连接，所述电阻R14与二极管D4之间分别连接运算放大器U2B的反相输入端以及电阻R16的一端，所述运算放大器U2B的同相输入端接地，所述运算放大器U2B的输出端分别连接二极管D4的正极和二极管D3的负极，所述二极管D3的正极分别连接电阻R16的另一端和电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端分别连接电阻R11、电容C3和运算放大器U3A的反相输入端，所述电阻R11和电容C3的另一端以及运算放大器U3A的输出端共同连接电阻R13的一端，所述运算放大器U3A的同相输入端接地，所述电阻R13的另一端连接电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端接地，所述电阻R15与电容C6并联连接。
5.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述低通滤波器模块包括电阻R6，所述电阻R6的一端接入电压信号UIN，其另一端分别连接电阻R1、电阻R7和电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地，所述电阻R7的另一端分别连接电容C1的一端和运算放大器U2A的反相输入端，所述运算放大器U2A的同相输入端接地，所述电阻R1和电容C1的另一端以及运算放大器U2A的输出端共同输出滤波信号。
6.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述全波整流模块包括电阻R5和电阻R9，所述电阻R5和电阻R9的一端均接入低通滤波器模块所输出的滤波信号，所述电阻R5的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端、二极管D2的负极和电阻R8的一端，所述运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R3后接地，所述运算放大器U1B的输出端分别连接二极管D2的正极和二极管D1的负极，所述二极管D1的正极分别连接电阻R8的另一端和电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端连接运算放大器U1A的反相输入端，所述运算放大器U1B的同相输入端连接电阻R2后接地，电阻R9的另一端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和电阻R10的一端，所述运算放大器U1B的输出端和电阻R10的另一端共同输出整流信号。
7.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述高速A/D转换器包括A/D转换器U4，所述A/D转换器U4的信号输入端接入全波整流模块所输出的整流信号，所述A/D转换器U4的信号输出端连接微控制器模块的信号输入端，所述A/D转换器U4的引脚A3接地，所述A/D转换器U4的引脚BGAP和引脚AGND分别并联电容C4和电容C5，电容C4和电容C5共同接地，所述A/D转换器U4的引脚REFP分别连接电容C7和电容C8的一端，所述电容C7和电容C8的另一端接地。
8.根据权利要求2或5所述的测量电路，其特征在于：对于50Hz、60Hz和DC信号，所述低通滤波器模块的增益分别为3.8、3.7和4.1。
9.根据权利要求2或6所述的测量电路，其特征在于：所述全波整流模块的增益为1。
10.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于：所述耐电压测试仪的输出电压范围为500V～1488V。
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