CN110146739A - 一种功率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率测量领域，具体涉及一种功率测量装置及方法。本发明使用电路简单，元件少，价格低廉，性价比高，本发明集成多路电压、电流及温度采样，功能较齐全，温度采集选用专业的高精度、带线性补偿的热电偶数字转换器，在控制单元内部设有16位AD，可有效确保电流采集单元、电压采集单元采集的电压、电流数据的高精度；可外接至被测系统，用于实时监测系统功率动态，适用范围广，而且本产品尺寸小巧，占用空间小，便于安装；抗干扰能力强，且稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及功率测量领域，具体涉及一种功率测量装置及方法。
背景技术
目前市面上及其少见类似模块，大多采用万用表或者其他功率设备进行相关数据采集，一致性差，误差大，携带不方便，无法对被测系统机型实时监测，设备成本相对较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采集的电压、电流数据的精度高，可用于实时监测系统功率动态的功率测量装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种功率测量装置，包括控制单元、电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元，所述电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元均与控制单元连接，所述温度采集单元与所述电流采集单元连接；所述控制单元内部设有16位AD，其将电压采集单元的电压以及电流采集单元的电流信息进行处理。
优选的，所述温度采集单元为多个T型热电偶，多个T型热电偶分别设置在高温点以及电流采集单元上，T型热电偶通过热电偶数字转换器将所测温度数据转换后将反馈至控制单元，用于实时监测高温点以及电流采集单元的温度变化，以进行实时温度补偿。
优选的，所述控制单元为NXP J638采样芯片。
优选的，所述功率电阻电流采样单元包括第一采样电路、第二采样电路以及第三采样电路，所述第一采样电路与第二采样电路结构相同，所述第一采样电路包括高精度贴片电阻以及采样芯片，所述第三采样电路采用单片机电流采样引脚进行电流采集。
优选的，还包括硬件看门狗电路，所述硬件看门狗与所述控制单元连接，用于防止程序进入死循环，使装置复位。
优选的，还包括通讯单元，所述通讯单元与控制单元电连接，所述通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，所述主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
优选的，所述通讯单元将所述通讯单元为CAN通信电路。
本发明还包括一种功率测量方法，包括以下步骤
(1)采用相同数量的电流采集单元、电压采集单元分别测量电路的电压信号和电流信号，对所采集的电压信号和电流信号通过中位值滤波方法处理，并将处理得到的采样电压信号和采样电流信号传输至控制单元；(2)将温度采集单元黏贴在采样的高温点以及电流采集单元上，采用多点曲线拟合方法对温度采集数据进行处理，同时将采集的温度数据输出至控制单元，控制单元内部再利用多点曲线拟合方法对其进行电流数据补偿，保证电流测量精准度；(3)通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
优选的，对所采集的电压信号和电流信号分别进行中位值滤波，对电压采集单元采集的电压信号在a毫秒内连续采样的N个电压数据作为一个采样周期，对采样的N个电压数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个电压数据的算数平均值作为本次采样的电压数据，将电压数据作为滤波处理后的采样电压信号输出；其中，N为整数，取值范围3≤N≤14。
优选的，所述温度采样单元采集电流采集单元上的采样电阻在进行一个采样周期的温度采集，对采样的N个温度数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个温度数据的算数平均值作为本次采样的温度数据，生成温度补偿系数；利用补偿公式,对采样电流信号进行修正,获得新的采样电流信号。
本发明的有益效果：
本发明使用电路简单，元件少，价格低廉，性价比高，本发明集成多路电压、电流及温度采样，功能较齐全，在控制单元内部设有16位AD，可有效确保电流采集单元、电压采集单元采集的电压、电流数据的高精度；可外接至被测系统，用于实时监测系统功率动态，适用范围广，而且本产品尺寸小巧，占用空间小，便于安装；抗干扰能力强，且稳定可靠。
附图说明
图1是本发明的一种功率测量装置及方法结构示意图。
图2是本发明的温度采集示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，一种功率测量装置，包括控制单元、电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元，所述电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元均与控制单元连接，所述温度采集单元与所述电流采集单元连接；所述通讯单元与外部控制其的控制系统进行数据传输，信息传输更为快捷方便，所述控制单元内部设有16位AD，其将电压采集单元的电压以及电流采集单元的电流信息进行处理。
同时本发明包括三路功率电阻电流采样电路和三路电压采样点路，主要用于采集测量电路的各路相关数据，精准地计算控制板的实时功率(P＝U*I)及温度测量。
本发明使用电路简单，元件少，价格低廉，性价比高，本发明集成多路电压、电流及温度采样，功能较齐全，在控制单元内部设有16位AD，可有效确保电流采集单元、电压采集单元采集的电压、电流数据的高精度；可外接至被测系统，用于实时监测系统功率动态，适用范围广，而且本产品尺寸小巧，占用空间小，便于安装；抗干扰能力强，且稳定可靠。
所述温度采集单元为多个T型热电偶，多个T型热电偶分别设置在高温点以及电流采集单元上，T型热电偶通过热电偶数字转换器将所测温度数据(结合成熟算法，例如多点曲线拟合算法)转换后将反馈至控制单元，用于实时监测高温点以及电流采集单元的温度变化，以进行实时温度补偿，确保电流测量准确性。
具体的，所述温度采集单元包括4个T型热电偶，其中一个T型热电偶(图中温度1)用于监测装置温度，可有效保证装置整体的运行保证电压、电流采样的精度；其余3个T型热电偶(图中温度2-温度4)分别设置在3路的电流采集电阻(图一所示)上，对电流采集电阻进行温度采集，获得温度数据可针对电流采样数据进行补偿或者对被测系统计算出功率数值。
所述T型热电偶的温度测量范围：-55℃～155℃，T型热电偶采用，确保更方便连接至被测部位，可对因温度变化引起的测试值变化做补偿，提高测试精确度。
所述控制单元为NXP J638采样芯片。
所述功率电阻电流采样单元包括第一采样电路、第二采样电路以及第三采样电路，所述第一采样电路与第二采样电路结构相同，所述第一采样电路包括高精度贴片电阻以及采样芯片，所述第三采样电路采用单片机电流采样引脚进行电流采集。
本发明包括三路功率电阻电流采样电路：第一采样电路与第二采样电路的采样电阻选用日本SSM高精密贴片电阻，规格：9mΩ，±50ppm/℃，工作温度：-55℃～175℃配合专业电流采样芯片ZXCT1085使用，第三采样电路采用单片机电流采样引脚进行数据采集，精度极高，提高数据的准确性。
为确保采样准确性，本发明采用与功率电阻电流采样单元形同数量的三路电压采样点路，电压采样点路采用高精密电阻，精度0.1％，温漂系数±50ppm/℃，工作温度：-55℃～175℃。
产品集成多路电压、电流及温度采样，功能较齐全
还包括硬件看门狗电路，所述硬件看门狗与所述控制单元连接，用于防止程序进入死循环，使装置复位。
还包括通讯单元，所述通讯单元与控制单元电连接，所述通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，所述主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
所述通讯单元将所述通讯单元为CAN通信电路。
本发明还包括一种功率测量方法，包括以下步骤
(1)采用相同数量的电流采集单元、电压采集单元分别测量电路的电压信号和电流信号，对所采集的电压信号和电流信号通过中位值滤波方法处理，并将处理得到的采样电压信号和采样电流信号传输至控制单元；(2)将温度采集单元黏贴在采样的高温点以及电流采集单元上，采用多点曲线拟合方法对温度采集数据进行处理，同时将采集的温度数据输出至控制单元，控制单元内部再利用多点曲线拟合方法对其进行电流数据补偿，保证电流测量精准度；(3)通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
本发明采用的多点曲线拟合方法可为现有技术的算法，其根据国际温度标准值进行数据拟合的，纠正偏差，其拟合程度高，数据准确。
点曲线拟合方法具体步骤为：
第一步：先测量获得远端热电偶温度及冷端温度；
第二步：再将第一步获得的远端热电偶温度及冷端温度转换成电压信号；
第三步：根据N I ST标准系数，将温度拟合成电压；
第四步：依据拟合的电压在反推成温度；
第五步：结束。
对所采集的电压信号和电流信号分别进行中位值滤波，对电压采集单元采集的电压信号在a毫秒内连续采样的N个电压数据作为一个采样周期，对采样的N个电压数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个电压数据的算数平均值作为本次采样的电压数据，将电压数据作为滤波处理后的采样电压信号输出；其中，N为整数，取值范围3≤N≤14。
参阅图2，所述温度采样单元采集电流采集单元上的采样电阻在进行一个采样周期的温度采集，具体方法如下：
1.从原始热电偶温度数据中减去冷结温度：
-84.75℃–22.9375℃＝-107.6875℃
2.计算基于K型热电偶电压Μv/℃热电偶类型：
-107.6875℃*0.041276mV/℃＝-4.44490925mV
3.计算冷端等效热电偶电压使用NIST的公式温度转电压系数A0、A1、A2，指数常数C0,C1和C2：
mV＝A0+A1*Temp+A2*Temp2+A3*Temp3+…+C0*eC1*(Temp-C2)2
其中，C0、C1、C2仅为k型热电偶在0℃-1372℃温度范围内的值。
-1.76*10-2+(3.89*10-2*22.9375)+(1.86*10-5*22.93752)+(-9.95*10-8*22.93753)+…+1.19*10-1*e-1.18*10-4*(22.9375-1.27*102)2＝0.916753mV
4.将步骤3计算的冷结等效热电偶电压与步骤2计算的热电偶电压相加：-4.44490925mV+0.916753mV＝-3.528157mV
5.利用步骤4的结果和NIST电压-温度(逆)系数B0,B1,B2…计算冷连接补偿的线性化温度值：
Temp＝B0+B1*mV+B2*mV2+B3*mV3+…0+(2.52*101*-3.528157)+(-1.17*-3.5281572)+(-1.08*-3.5281573)+…＝-99.16℃
同时对采样的N个温度数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个温度数据的算数平均值作为本次采样的温度数据，同一温度点软件实现多次测量，温度精度可达0.01℃，根据所测数据生成温度补偿系数；利用补偿公式,对采样电流信号进行修正,获得新的采样电流信号，两种计量方法交替结合，极大程度地提高了整个测量系统测量数据的精准性。
对电压、电流以及温度数据均进行中位值滤波方法处理，方法融合了中位值滤波法+算术平均滤波法两种滤波法的优点，可对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差；由于大电流长时间流经电流采样电阻，导致采样电阻温度持续上升，为确保测量电流值的精准，本发明对电流采样电阻的采样周期内的温度进行测量，其温度补偿功能可对电流采集数据进行补偿。
采用本测量方法所构成的测量装置，其结构简单，对硬件要求不高，体积小巧，控制单元对采集的电压、电流以及温度信息进行处理，且无控制功能，能够精准测出各路电压、电流及温度参数，适用于工业和汽车电子行业。
本发明选择专用电压、电流采样芯片NXP(J638)的方案，电流采用低边采集方式，MCU内部有16位的AD，，产品将采集到的数据通过CAN总线发给主控制器，由主控制器的控制系统进行后续动作。本发明可与其他系统安装连接，实时精准检测各系统相关数据，确保系统平稳运行。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种功率测量装置，其特征在于，包括控制单元、电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元，所述电流采集单元、电压采集单元、通讯单元以及温度采集单元均与控制单元连接，所述温度采集单元与所述电流采集单元连接；所述控制单元内部设有16位AD，其将电压采集单元的电压以及电流采集单元的电流信息进行处理。
2.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，所述温度采集单元为多个T型热电偶，多个T型热电偶分别设置在高温点以及电流采集单元上，T型热电偶通过热电偶数字转换器将所测温度数据转换后将反馈至控制单元，用于实时监测高温点以及电流采集单元的温度变化，以进行实时温度补偿。
3.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，所述控制单元为NXP J638采样芯片。
4.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，所述功率电阻电流采样单元包括第一采样电路、第二采样电路以及第三采样电路，所述第一采样电路与第二采样电路结构相同，所述第一采样电路包括高精度贴片电阻以及采样芯片，所述第三采样电路采用单片机电流采样引脚进行电流采集。
5.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，还包括硬件看门狗电路，所述硬件看门狗与所述控制单元连接，用于防止程序进入死循环，使装置复位。
6.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，还包括通讯单元，所述通讯单元与控制单元电连接，所述通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，所述主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
7.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，所述通讯单元将所述通讯单元为CAN通信电路。
8.一种功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)采用相同数量的电流采集单元、电压采集单元分别测量电路的电压信号和电流信号，对所采集的电压信号和电流信号通过中位值滤波方法处理，并将处理得到的采样电压信号和采样电流信号传输至控制单元；(2)将温度采集单元黏贴在采样的高温点以及电流采集单元上，采用多点曲线拟合方法对温度采集数据进行处理，同时将采集的温度数据输出至控制单元，控制单元内部再利用多点曲线拟合方法对其进行电流数据补偿，保证电流测量精准度；(3)通讯单元将控制单元上的电压、电流数据传输至外接主控制器，主控制器根据通讯单元传输来的电压、电流信息来计算检测电路的电功率信息。
9.如权利要求8所述的功率测量方法，其特征在于，对所采集的电压信号和电流信号分别进行中位值滤波，对电压采集单元采集的电压信号在a毫秒内连续采样的N个电压数据作为一个采样周期，对采样的N个电压数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个电压数据的算数平均值作为本次采样的电压数据，将电压数据作为滤波处理后的采样电压信号输出；其中，N为整数，取值范围3≤N≤14。
10.如权利要求9所述的功率测量方法，其特征在于，所述温度采样单元采集电流采集单元上的采样电阻在进行一个采样周期的温度采集，对采样的N个温度数据按照大小排列，去掉首尾两端的最大值和最小值，计算N-2个温度数据的算数平均值作为本次采样的温度数据，生成温度补偿系数；利用补偿公式,对采样电流信号进行修正,获得新的采样电流信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190820 |