CN109471047A - 一种用于交直流电源校准的便携式自动测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直流电源和交流电源的测量装置，可实现对交直流电源多项参数的综合现场计量测试，可以简化保障过程，缩短保障时间，解决以前靠选用多项标准、多种仪器设备进行测量所带来的问题。同时，采用自动化或半自动化测试的方法，可既提高了工作效率，又解放了人员，还可以避免因为其它各种原因造成的人为误差的引入。

Description

一种用于交直流电源校准的便携式自动测量装置
技术领域
本发明涉及自动测量技术，特别是涉及一种用于交直流电源校准的便携式自动测量装置。
背景技术
电源是为各种电子设备提供各种供电来源的基础设备，在实验室、工厂车间、维修调试现场中有着广泛的应用，并占有重要位置，对其进行全面、有效的计量，保证其量值的准确、统一是确保各种设备正常运行的关键。近几年来，随着国内企业对电源产品多样性和复杂性的要求的加大，电源产品的性能和指标如何科学而快速地检测成了一大难题。通过对常见各种交直流电源工作原理和性能指标分析，依照颁发的相关要求、检定规范，可知交直流电源的检测主要是测试电源的输出电压、输出电流、输出电压纹波、电压稳定度、负载稳定、频率、失真度等各项指标。但是由于技术原因，目前针对多种电源设备的综合计量校准还是个空白，即：在技术保障中无法有效确定设备的性能、技术参数和技术状态，特别是对新型的综合性的、自动化的专用检测设备量值的准确度更是难以保证。这种情况与现行技术保障要求不相适应。需要提供一种测量装置，能够集交直流电源中的电压、电流、频率、负载特性测试为一体，具有体积小、重量轻，易于便携的特点，可以解决现有靠选用多套标准设备，手动测试所带来种种的问题。因此开展多种电源设备的计量方法研究，同时研制专用的计量设备势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交直流电源校准的便携式自动测量装置，以解决上述问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种交直流电源校准的便携式自动测量装置，包括：计算机设备、多路开关控制单元、继电器阵列开关、交流电子负载模块、电压测量模块、交流电流测试模块、直流电子负载模块、感应分压器及输入端口，
其中，所述计算机设备，用于向所述多路开关控制单元发送检测信号；所述多路开关控制单元对接收到的所述检测信号进行判断，并响应于所述检测信号控制所述继电器阵列开关形成相应的开关通道，包括：利用电压测量模块测量被测电源为交流电源或直流电源时输出的电压的第一开关通道、利用直流电子负载模块测量被测电源为直流电源时输出的电流或直流负载特性的第二开关通道、利用交流电子负载模块和电压测量模块测量被测电源的交流负载特性的第三开关通道、利用交流电流测试模块和电压测量模块被测电源的交流电流的第四开关通道，以及利用感应分压器和多路开关控制单元对被测电源的频率及失真进行分析测量的第五开关通道，其中，所述开关通道形成后与通过所述输入端口接入的被测电源形成回路；所述计算机设备对回路中的被测电源进行测量及计算分析。
优选地，所述自动测量装置进一步包括设置在所述多路开关控制单元和所述继电器阵列开关之间的继电器驱动电路，用于为所述继电器阵列开关提供驱动电流。
优选地，所述多路开关控制单元包括数字I/O设备和USB接口，
通过所述USB接口接收所述计算机设备检测信号的所述数字I/O设备，与所述感应分压器连接。
优选地，所述交流电子负载模块包括三个串联连接的分别标称为500W的第一交流实物负载模块、500W的第二交流实物负载模块和1000W第三交流实物负载模块。
优选地，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量的被测电源为交流电源或直流电源时的输出电压，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第一开关通道，被测电源只与电压测量模块连接形成回路。
优选地，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的直流电源输出电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第二开关通道，此时被测电源与直流电子负载模块形成回路，同时电压测量模块连接与所述直流电子负载模块并联；测量直流负载特性时连通所述第二开关通道，并通过所述计算机设备控制直流电子负载模块设定加载电流。
优选地，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流负载特性，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第三开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及标准电阻形成回路，同时电压测量模块连接与被测电源并联，通过调整所述交流电子负载模块实现对被测电源的交流负载特性的测量。
优选地，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第四开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及交流电流测试模块形成回路，同时电压测量模块连接与交流电流测试模块并联，通过调整所述交流电子负载模块并将测得信息回传给所述计算机设备计算得出交流电流。
优选地，当计算机设备发出检测信号被判断为：对被测电源的频率及失真进行分析测量，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第五开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及交流电流测试模块形成回路，同时感应分压器与所述被测电源并联，所述感应分压器将被测电源的交流电压加到所述数字I/O设备，进行频率及失真的分析测量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明集计算机设备(如平板电脑)、交直流电子负载模块、电压测量模块、多路继电器阵列开关为一体，设计出一种用于交直流电源校准的便携式自动测量装置。该装置集交直流电源的电压、电流、负载特性、频率、失真等测量参数为一体，可满足实验室和现场交直流电源的测量需求。在各个生产场所及计量部门都具有很高的推广价值和实用意义。
2、本发明公开的一种用于交直流电源校准的便携式自动测量装置还具有较强的通用性。装置采用了模块化设计思想，即被测电源不同测量功能的硬件及软件均被设计为模块化，具有良好的通用性、扩展性，通过适当增加部分硬件接口和编制相应的软件就能实现其他不同型号电源的的测量，同时软件具有人机界面友好、操作简单，使用灵活的的特点，这种开放式系统，适应了现在新的被测电源不断出现的技术趋势，也更有利于系统的二次开发及维护等。
3、该自动测量装置使用方便、安全可靠，装置中采用多路低热电势继电器和大功率继电器作为通道开关来切换电源的电压、电流、频率、失真等测试功能，通过对不同开关通道的选择控制，来实现通路的切换以及功能的选择。同时，在开关面板上设计了与被测电源进行连接的测试端口，测测试时只需把被测电源的输出端口与该便携装置的输入端口直接连接，通过计算机设备运行测试软件，选择不同测试功能，同时测试过程中可根据被测对象选择不同的测试点，可实现各个功能的全部测试，可以解决现有电源的全自动测试(含接口)及半自动测试(不含接口)问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本实施例中用于交直流电源校准的便携式自动测量装置的结构组成示意图；
图2示出本实施例中双刀单掷继电器控制高低两路信号结构图；
图3示出本实施例中单刀单掷继电器开关控制信号结构图；
图4示出本实施例中交流电子负载模块结构图；
图5示出本实施例中用于交直流电源校准的便携式自动测量装置的原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1-5所示，本发明公开了一种交直流电源校准的便携式自动测量装置，包括计算机设备1、多路开关控制单元2、继电器阵列开关4、交流电子负载模块5、电压测量模块6、交流电流测试模块7、直流电子负载模块8、感应分压器9及输入端口10。通过输入端口将被测电源接入所述自动测量装置后，所述计算机设备1向所述多路开关控制单元2发送检测信号；所述多路开关控制单元2对接收到的所述检测信号进行判断，根据判断结果控制所述继电器阵列开关4形成相应的开关通道。由于所述装置能够实现对被测电源的电压、电流、频率、失真等测试功能，并通过对不同开关通道的选择控制，来实现通路的切换以及功能的选择。
基于对被测电源匹配不同的测试功能，我们将所述开关通道设计为包括：利用电压测量模块测量被测电源的交流电源输出电压或直流电源输出电压的第一开关通道、利用直流电子负载模块测量被测电源的直流电源输出电流或直流负载特性的第二开关通道、利用交流电子负载模块和电压测量模块测量被测电源的交流负载特性的第三开关通道、利用交流电流测试模块和电压测量模块被测电源的交流电流的第四开关通道，以及利用感应分压器和多路开关控制单元对被测电源的频率及失真进行分析测量的第五开关通道。在选择并形成了相应的开关通道后，通过所述输入端口接入的被测电源与整个测量装置中相应测量功能的测量部分便形成了回路并进行测量，然后将测量信息回传给所述计算机设备进行分析计算，最终完成测量。
在本实施例中，所述计算机设备1的选用可以是技术成熟的工业用触屏式平板计算机，该计算机体积小，便于内嵌入工控机箱，操作方便，适合用于便携设备的程控。
所述多开关控制单元2是系统中被测电源与测试设备转换连接的桥梁，包括数字I/O设备和USB接口，通过所述USB接口接收所述计算机设备检测信号的所述数字I/O设备，与所述感应分压器连接。因此直接采用计算机设备1控制USB的数字I/O设备。所述计算机设备1通过USB接口发送相应的控制指令，数字I/O设备根据接收到的指令输出数字信号，其中为了提高其驱动能力，保证其工作稳定性，在所述多路开关控制单元和所述继电器阵列开关之间设置了继电器驱动电路3向所述继电器阵列开关提供驱动电流。
其中，所述继电器驱动电路3可通过三极管放大电路提升数字信号的驱动能力，有效的驱动多路低热电势继电器和大功率继电器，控制过程中首先使继电器动作，通过继电器的吸合来实现的不同测试功能模块的转换，确保开关接通功能转换完毕，然后给由被测电源施加信号给测量装置。
所述交流电子负载模块5，考虑到常用被测交流电源多为220V输出及被测功率的常见应用情况，将电子负载设计为实物负载，选择两个500W及一个1000W的实物负载作为交流负载模块，使用时可根据被测对象的功率大小来匹配相应的负载。如图4所示(由左至右)，所述交流电子负载模块包括三个串联连接的标称为500W的第一交流实物负载模块、500W的第二交流实物负载模块和1000W第三交流实物负载模块。
所述电压测量模块6，选择NI公司的高精度USB-4065六位半数字表作为电压测量模块，该数字表具有高达300V的交直流电压及3A电流的测量功能，其电压测量范围可覆盖现有多数交直流电源的输出范围，高精度的电压测量功能可满足现有绝大多数电源的测试精度要求。
交流电流测试模块7，包括在与交流负载相连接的回路中串接1mΩ的大功率低值标准电阻，在带载的情况下，由电压测量模块6采集标准电阻上的交流电压，由欧姆定律计算出被测电源输出交流的大小。
直流电子负载模块，选用艾德克斯的IT8512C作为内嵌式电子负载模块，该负载具有120V/60A的宽范围量程，功率可达500W，可满足现有多数直流电源的校准需求。该负载模块同时具有体积小、重量轻、节约电能的特点，因而节约了安装空间和降低了实验设备成本。此外校准装置设计了专用的外接校准接口，电子负载的电流功能经过校准后，可直接用于直流大电流的测量。
利用所述感应分压器9测量频率及失真，选择NI公司的高精度USB-6361多功能I/O设备为频率及失真的测量设备，该设备除具有8路差分数字I/O通道，在开关控制部分中还可作为数字I/O卡使用，实现开关的控制和功能的转换。同时该设备还具有高达2MS/s采样率的8路AI通道，可实现频率及失真信号的分析测量，充分发挥设备的功能。
基于对被测电源的测量，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源为交流电源或直流电源时的输出电压，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第一开关通道，被测电源只与电压测量模块连接形成回路。
当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的直流电源输出电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第二开关通道，此时被测电源与直流电子负载模块形成回路，同时电压测量模块连接与所述直流电子负载模块并联；测量直流负载特性时连通所述第二开关通道，并通过所述计算机设备控制直流电子负载模块设定加载电流。
当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流负载特性，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第三开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及标准电阻形成回路，同时电压测量模块连接与被测电源并联，通过调整所述交流电子负载模块实现对被测电源的交流负载特性的测量。
当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第四开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及标准电阻形成回路，同时电压测量模块连接与标准电阻并联，通过调整所述交流电子负载模块并将测得信息回传给所述计算机设备计算得出交流电流。
当计算机设备发出检测信号被判断为：对被测电源的频率及失真进行分析测量，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第五开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及标准电阻形成回路，同时感应分压器与所述被测电源并联，所述感应分压器将被测电源的交流电压加到所述数字I/O设备，进行频率及失真的分析测量。
为进一步说明，本发明提供一个更为具体的实施例。
基于上述，在本实施例中的计算机设备：选用工业用触屏式平板计算机内嵌入便携式工控机箱，采用直接触屏式操作，控制测试的实施。
多路开关控制单元：使用数字I/O设备USB-6361的8路数字I/O输出功能作为主控制单元的方式。工作时，由控制计算机通过USB接口给8路数字I/O卡发送信号，控制I/O卡各路信号，输出5V高电平或0V低电平通过继电器驱动电路去控制各路不同继电器，形成不同的开关通道。
继电器驱动电路：由于I/O卡输出信号是TTL电平信号，能提供的驱动电流较小，为提高其驱动能力，保证其工作稳定性，需要在I/O卡与继电器中间增加了驱动电路。考虑到系统的电磁兼容与可靠性，在继电器的驱动电路中采用光耦接三极管驱动的方式来驱动继电器。采用光耦与三极管结合驱动继电器的设计方案，既实现了测试系统与电动执行部分的电气隔离，又提高了数字信号的驱动能力和系统的抗干扰能力。
继电器阵列开关：由8路继电器阵列组成，主要完成交直流电源不同测量电路功能的转换。为了提高程控开关的测量范围选用高可靠性、开关速度快、耐冲击、抗干扰能力强的固态继电器和大功率继电器，采用1路继电器控制2路信号(图2所示)或1路信号(图3所示)的结构，提高了系统的安全性。装置原理结构图，如图5所示。结构图中K1、K4，及K6、K7、K8由于串接在负载回路中会通过较大的电流，因此选用大功率继电器(具体选择可依据实际需要而定)。对于交流电子负载模块的部分：该模块是由三只标称功率分别为500W、500W、1000W的交流实物负载模块串联而成(图4中由左至右分别为第一、二和三交流实物负载模块)，如图4所示。可以根据被测电源的大小，选择500W、1000W、1500W、2000W不同的负载功率。
当K6打开，K7闭合，选择负载功率500W；
当K6打开，K7打开，K8闭合，选择负载功率1000W；
当K6闭合，K7打开，K8打开，选择负载功率1500W；
当K6打开，K7打开，K8打开，选择负载功率2000W。
被测电源为直流电源时，测量的实现：
将被测直流电源的正负端与装置的正负端对应连接，当双路继电器开关K3闭合其他继电器开关打开。此时形成第一开关通道，被测电源只与电压测量模块连接，可控制直流电源的输出，进行直流电源输出电压的测试。
当K1闭合，K3闭合，其余开关端口，形成第二开关通道，可由计算机控制负载模块，设定加载电流的大小，进行直流负载特性的测试。同时，可以根据负载的显示，完成不同输出电流大小的测试。
被测电源为交流电源时，测量的实现：
将被测交流电源的正负端与装置的正负端对应连接，当双路继电器开关K3闭合其他继电器开关打开，此时形成第一开关通道，被测电源只与电压测量模块连接，可控制交流电源的输出，进行交流电源输出电压的测试。
将K1打开，K4打开，K5打开，K2闭合，K3闭合，由K6，K7，K8组合选择负载功率，此时形成第三开关通道，可进行交流负载特性的测试。
将K1打开，K4打开，K5闭合，K2闭合，K3打开，由K6，K7，K8组合选择负载功率，此时形成第四开关通道，电压测量模块与交流电流测试模块的标准电阻连接，可以读取交流电压，结合标准电阻的阻值，计算出对应交流大小。
由于被测交流电源输出的交流电压较高，而测量频率及失真的数字I/O设备只能承受较小的交流电压，因此选择100：1的感应将交流电压降低至10V以内。将K1打开，K4闭合，K5打开，K2闭合，K3打开，由K6，K7，K8组合选择负载功率，此时形成第五开关通道，交流电压通过感应分压器加到数字I/O设备，进行频率及失真的分析测量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，包括计算机设备、多路开关控制单元、继电器阵列开关、交流电子负载模块、电压测量模块、交流电流测试模块、直流电子负载模块、感应分压器及输入端口，
其中，所述计算机设备，用于向所述多路开关控制单元发送检测信号；所述多路开关控制单元对接收到的所述检测信号进行判断，并响应于所述检测信号控制所述继电器阵列开关形成相应的开关通道，包括：利用电压测量模块测量被测电源为交流电源或直流电源时输出的电压的第一开关通道、利用直流电子负载模块测量被测电源为直流电源时输出的电流或直流负载特性的第二开关通道、利用交流电子负载模块和电压测量模块测量被测电源的交流负载特性的第三开关通道、利用交流电流测试模块和电压测量模块被测电源的交流电流的第四开关通道，以及利用感应分压器和多路开关控制单元对被测电源的频率及失真进行分析测量的第五开关通道，其中，所述开关通道形成后与通过所述输入端口接入的被测电源形成回路；所述计算机设备对回路中的被测电源进行测量及计算分析。
2.根据权利要求1所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，所述自动测量装置进一步包括设置在所述多路开关控制单元和所述继电器阵列开关之间的继电器驱动电路，用于为所述继电器阵列开关提供驱动电流。
3.根据权利要求2所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，所述多路开关控制单元包括数字I/O设备和USB接口，
通过所述USB接口接收所述计算机设备检测信号的所述数字I/O设备，与所述感应分压器连接。
4.根据权利要求3所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，所述交流电子负载模块包括三个串联连接的标称为500W的第一交流实物负载模块、500W的第二交流实物负载模块和1000W第三交流实物负载模块。
5.根据权利要求3所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源为交流电源或直流电源时的输出电压，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第一开关通道，被测电源只与电压测量模块连接形成回路。
6.根据权利要求3所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的直流电源输出电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第二开关通道，此时被测电源与直流电子负载模块形成回路，同时电压测量模块连接与所述直流电子负载模块并联；测量直流负载特性时连通所述第二开关通道，并通过所述计算机设备控制直流电子负载模块设定加载电流。
7.根据权利要求3或4所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流负载特性，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第三开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及标准电阻形成回路，同时电压测量模块连接与被测电源并联，通过调整所述交流电子负载模块实现对被测电源的交流负载特性的测量。
8.根据权利要求3所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，当计算机设备发出检测信号被判断为：测量被测电源的交流电流，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第四开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及交流电流测试模块形成回路，同时电压测量模块连接与交流电流测试模块并联，通过调整所述交流电子负载模块并将测得信息回传给所述计算机设备计算得出交流电流。
9.根据权利要求3所述的交直流电源校准的便携式自动测量装置，其特征在于，当计算机设备发出检测信号被判断为：对被测电源的频率及失真进行分析测量，所述数字I/O设备通过所述继电器驱动电路控制所述继电器阵列开关选择所述第五开关通道，此时被测电源与交流电子负载模块及交流电流测试模块形成回路，同时感应分压器与所述被测电源并联，所述感应分压器将被测电源的交流电压加到所述数字I/O设备，进行频率及失真的分析测量。
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