CN201589817U - 全自动油介损及体积电阻率测试仪 - Google Patents

Abstract

一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗tanδ测试系统及体积电阻率ρ测试系统组成，本设计放弃了以往采用电阻炉加热油杯和取消传统上测量tanδ的U和I相位差法，利用中频感应加热和PID算法调控温度，采用在油杯和内标准电容Cn以及内标准电阻Rn和油杯绝缘油进行电流信号采样，以51单片机为核心，使本实用新型具有测量精度高、稳定性好、操作方便、体积小、重量轻、加热时间短等诸多优点，形成一种全自动、便携式的智能型油介损及体积电阻率一体化测试仪，具有很高的开发应用价值。

Description

全自动油介损及体积电阻率测试仪

技术领域

本实用新型属于电子仪器领域，涉及油介损测量仪器，特别是一种全自动油介损及体积电阻率测试仪。

背景技术

油介损及体积电阻率测量，是电力设备进行定期测量的重要项目。液体绝缘介质，主要有变压器油、电缆油、电容器油等，通过对它们介质损耗(tgδ)，体积电阻率(ρ)的测量以判断其电气性能和绝缘性能，保证整个系统设备的正常运行。目前国内所用的油介质损耗(tanδ)及体积电阻率(ρ)测试系统普遍存在测量准确度低、重复性差的缺点，且其油杯恒温系统性能差。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种准确度高、重复性能好、具有良好油杯恒温系统性能的油介损及体积电阻率一体化测试仪。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗(tanδ)测试系统及体积电阻率(ρ)测试系统组成，第一单片机1与第二单片机2进行通信，确保整个系统的有机结合。油杯恒温控制系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/D转换电路、第二单片机2构成；油介质损耗(tanδ)测试系统，由内标准电容(Cn)及信号取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/F变换电路、第一单片机1构成；体积电阻率(ρ)测试系统，由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。

本实用新型是一种高精度、全自动、便携式的智能型油介损及体积电阻率一体化测试仪，具有测量精度高、稳定性好、操作方便、体积小、重量轻、加热时间短等诸多优点，还可与上位机通信，将测量结果传送到PC机上进行数据保存与曲线显示。

附图说明

图1本实用新型整体结构框图

图2分段控制积分分离式PID算法流程图

图3介损通道电路图

图4为图3中各点波形图

图5平衡中tanδ与温度、电容与温度的关系曲线

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细阐述。

一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗(tanδ)测试系统及体积电阻率(ρ)测试系统组成，其整体框图如图1所示，其中：

一、油杯恒温控制系统

本系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/D转换电路及第二单片机2(AT89C2051)构成。

tanδ及ρ与绝对温度倒数呈指数式关系(测量温度需相当准确)，且在较高温度下会随试样加热及恒温时间而变化，通常认为初始值能较好反映液体实际状态，故要求在温度一达到平衡时就测量。标准规定，试验温度90℃，且油样加热到温度平衡用时＜15min。以往采用电阻炉加热油杯，热惯性大，从室温升到90℃需时＞50min，不能满足要求。本系统用中频感应加热，分段控制的积分分离式PID算法调控温度，加热时间短、控温准确度高。油杯采用满足标准要求的三端电极杯。中频感应加热装置利用感应涡流热效应来加热金属油杯，通过选择合适的感应加热的电源频率，可使加热效率提高、温度分布均匀，升温速度加快。温度传感器采用PT100铂电阻，将温度信号转换为电阻信号后经R/V转换电路转换为电压信号，再经A/D转换电路转换为单片机可接收的数字信号后输入第二单片机2，第二单片机2将采样温度与第一单片机1(可完成油tanδ及ρ测量、液晶显示、打印、键盘处理、温度设定等)传来的温度设定值比较，进行PID控制算法计算，输出控制信号给光耦，以控制中频感应加热电路的通与断。

PID控制运算程序是本设计的关键，因采用感应加热后油杯升温较快，而传感器采样有一定的滞后，故用分段控制的积分分离式PID算法(程序流程图见图2)，控制过程分为3个不同的控制策略阶段：①Ts＜Tc时为全加热方式，单位采样周期输出满200个加热脉冲，以快速升温；②Tc＜Ts＜Tb时采用纯PD控制，选择合适的比例系数Kp、微分系数Kd以缓冲加热；③Ts＞Tb时采用积分分离式PID控制，偏差较大时执行PD算法，偏差较小时将积分作用(积分系数为Ki)引入，执行PID算法，以降低被控制量的超调量并快速平衡。其中Tb与Tc根据系统特性选择，且Tc＜Tb＜Tr。Kp、Ki、Kd的整定采用凑试法，根据大量温控实验结果最后选择Kp＝4.0，Ki＝0.0015，Kd＝0.04。

其中：Ts：采样温度    Ta：分段设定值a    Tb：分段设定值bTc：分段设定值c     Tr：目标温度值

二、油介质损耗(tanδ)测试系统

该系统由内标准电容(Cn)及信号取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/F变换电路、第一单片机1构成。

测量tanδ取消传统上的U和I相位差法，采用在油杯和仪器内部零介损标准电容(Cn)上施加同样的电压，再分别取油杯电流(Ix)信号和Cn的电流(In)信号，分别经过滤波、信号放大、过零比较电路变成两方波信号.再由鉴相电路测量两方波信号的脉宽差Δt，送给第一单片机1计数得N1，且对In的T/2(T为信号周期)计数得N2，则tanδ＝tan(π/2-2π×(N2-N1)/N2)。同时，信号放大电路输出的信号经V/F变换后输入给第一单片机1计数，根据标准信号与测量信号的计数比值来计算试品的电容值C。

为提高介损测量精度采取如下方法：

(1)本产品设计采用了X通道(油杯信号通道)和N通道(内标准通道)两个通道同时测量，加快了测量速度，并用In信号在测量过程中同时过X通道自校法来抵消不同通道带来的误差(如图1中的信号切换通道)。

(2)为避免干扰信号作用于模拟信号之后使测量值偏离真实值，系统中还采用了数字滤波器，通过对连续采样得到Ix和In电流信号的相位差进行排序(本仪器共连续采样31次)，选取中间位置的采样值为有效值，经过第一单片机1处理运算后得到介损值和电容值。

(3)在过零检测后加整形变成方波信号，用74HC74构成脉冲展宽以增加计算值，提高精度。用74HC27和74HC10组成鉴相器，把Ix和In的相位差变为相位脉冲，再以3MHz时钟脉冲(6M震荡信号二分频)作为计数脉冲，采样分辨率可达10^-5。相位脉冲与计数脉冲经过与非门后就填充了计数脉冲，最后送给单片机计数、处理。具体波形如图4，A为In展宽后的波形，B为Ix展宽后的波形，C为鉴相器输出波形，E为In展宽后被计数脉冲填充的计数波形，计数值可通过74LS393到第一单片机1的P1.0～P1.3和计数器T0计数X得到。公式如下：

N2＝X×16+P1.0×2⁰+P1.1×2¹+P1.2×2²+P1.3×2³(公式1)D为Ix展宽后被计数脉冲填充的计数波形，计数值可通过74LS393到第一单片机1的P1.4～P1.7和计数器T1计数N得到。公式如下：

N1＝N×16+P1.4×2⁰+P1.5×2¹+P1.6×2²+P1.7×2³(公式2)Ix和In相位差对应的计数值可以通过D和E信号进行计数获得，公式如下：

相位差： $\mathrm{\Φ}=2\mathrm{\π}*\frac{N2-N1}{N2}$

介质损耗角： $\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\Φ}$

介损值：tanδ＝tan(π/2-2π×(N2-N1)/N2)

(4)采用软件修正固定误差。

三、体积电阻率(ρ)测试系统

该系统由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。

按规定测量时极间直流电场强度为200～300V/mm，仪器的油杯间距为2mm，通过对油杯内外壁两极间施加直流电压500V，分别对内标电阻Rn和油杯中绝缘油流过的电流信号进行采样。经过电路中的V/F转换，最后把转换频率送给第一单片机1进行计数，求得两个信号的比值来获得油的体积电阻R，而体积电阻率ρ＝11.3C₀R(其中C₀为油杯的空杯电容量)。为了达到较好的线性度，对测量信号进行了不同倍数的档位切换，采用MAX7650做电流采样放大器。

四、通信功能

为了真实传递绝缘油在不同温度下的介损值和电容值，特做了上位机软件，当在仪器功能选择通信测量过程的时候，每当温度上升5℃就会进行一次电容值和介损值的测量，并由第一单片机1把每次测量的数据传给上位机，在电脑上生成温度和电容及介损的曲线图，非常直观的显示出温度影响关系。

五、实验结果

两个不同油杯3种不同油样的测量结果(见下表)，可见系统测量稳定性好、准确度高，两个油杯的数据差异主要来自其自身的空杯介损的不同。图5中为3种油样从室温加热到90℃平衡中tanδ与温度、电容与温度的关系曲线。由此可见油介损受温度影响很大，温度越高油介损越大，但是温度平衡后所测的介损值比接近平衡时要小。此外油介损还受湿度等其他环境因素的影响，而油电容值基本不受温度的变化影响，另外油杯恒温控制系统能使油样在15min 内到达90℃平衡，完全满足油介损测量中的控温要求。

本实用新型以51单片机为核心，应用数字滤波、高准确度V/F变换等电路及通道自校准、先进抗谐波等技术，有效提高了测量准确度及稳定性，采用以分段控制的积分分离式数字PID算法为核心的油杯恒温控制系统，有效降低了油杯恒温动态过程时间。该测试系统通过通信设计与恒温控制系统有机结合为一体。操作方便，还可与上位机通信，将测量结果传送到PC机上进行数据保存与曲线显示。

Claims (3)

1.一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，其特征在于由油杯恒温控制系统和油介质损耗(tanδ)测试系统及体积电阻率(ρ)测试系统组成，其中；油杯恒温控制系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/D转换电路及第二单片机(2)构成；油介质损耗(tanδ)测试系统由内标准电容(Cn)及信号取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/F变换电路、第一单片机(1)构成；体积电阻率(ρ)测试系统由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。

2.根据权利要求1的测试仪，其特征在于，所述的油杯系采用三端电极杯。

3.根据权利要求1的测试仪，其特征在于，所述的中频感应加热装置，其温度传感器采用PT100铂电阻。

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