CN209356665U - 一种多功能电能表现场测试仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种多功能电能表现场测试仪，通过设置电流量程切换电路和电压量程切换电路，在检测三相电的电流和电压时，可以切换开关检测不同的电流值和电压值，适用多种测试场景，同时提高采样率；通过设置整形电路和数字锁相倍频电路，在冲击、非线性等复杂环境下，对畸变的电压和电流正弦波形进行整形，将其变成同频率的脉冲信号，脉冲信号经数字锁相倍频电路调整采样的时间间隔，可以避免信号的频谱泄露，减少误差；通过设置TMS320F2810微处理器，可以集A/D转换、数字信号处理能力和控制能力与一体，存储空间大，简化电路结构，提高采样精度；整个装置电路结构简单，可以切换监测电压和电流的大小，采样率和采样精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及电能计量领域，尤其涉及一种多功能电能表现场测试仪。
背景技术
目前市场上常规的电能表现场参数记录仪可以适用于稳态下电能波形，然而对于动态工况下，尤其是冲击、非线性等复杂环境下，电压、电流正弦波形发生畸变，尤其是电流畸变大，此时的电流动态范围大，若要得到此运行工况下的电压、电流等数据，要求电能表现场测试仪具有大的量程切换、宽的采样频率、高的采样精度，目前市场上常规的电能表现场测试仪难以满足上述要求。另外，市面上的电能表现场的结构复杂，成本高，因此现需一种具有量程切换、采样率高、采样精度高以及结构简单的多功能电能变现场测试仪。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种具有量程切换、采样率高、采样精度高以及结构简单的多功能电能变现场测试仪。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种多功能电能表现场测试仪，其包括电流采集电路、电压采集电路、信号调理电路和微处理器，还包括量程切换电路、整形电路、数字锁相倍频电路；
量程切换电路包括电流量程切换电路和电压量程切换电路；
电流量程切换电路与电流采集电路电性连接，电压量程切换电路与整形电路电性连接，电流采集电路和电压采集电路均与信号调理电路电性连接，信号调理电路和微处理器电性连接，整形电路分别与电压量程切换电路和数字锁相倍频电路电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，微处理器为TMS320F2810。
进一步优选的，整形电路包括双运算放大器OPA2277芯片。
进一步优选的，数字锁相倍频电路包括锁相环CD4046和加法计数器CD4518；
CD4046的14引脚与OPA2277芯片的输出端电性连接，CC4046的3和4引脚分别与CD4518的14引脚和1引脚一一对应电性连接，CC4046的4引脚与TMS320F2810的XPLLDIS引脚电性连接，CD4518的8、9、7和15接地，CD4518的2引脚和16引脚电性连接，CD4518的6引脚和10引脚电性连接。
更进一步优选的，电压采集电路包括TR3119C电压互感器、运算放大器、电阻R15、电阻R16和被测电能表；
电阻R15的一端与被测电能表的电压输出端电性连接，另一端与电阻R16的一端电性连接，电阻R16的另一端与TR3119C电压互感器的一侧端的正极电性连接，TR3119C电压互感器的一侧端负极接地，TR3119C电压互感器二次侧正极与运算放大器的反向输入端电性连接，TR3119C电压互感器二次侧负极与运算放大器的同向输入端电性连接，运算放大器的输出端与信号调理电路的输入端电性连接。
进一步优选的，电压量程切换电路包括三极管Q1、电阻R1、G6K-2F-Y继电器K1和二极管D1；
电阻R1的一端与TMS320F2810的XD[0]引脚电性连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极电性连接，三极管Q1的发射极与分别与G6K-2F-Y继电器K1的8引脚和二极管D1的正极电性连接，二极管D1的负极与G6K-2F-Y继电器K1的1引脚电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的7引脚与电阻R16的一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的6引脚与电阻R16的另一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的5引脚悬空。
在以上技术方案的基础上，优选的，电流量程切换电路包括50A钳形电流互感器、500A钳形电流互感器；
电流采集电路包括：50A电流采集电路和500A电流采集电路；
50A电流采集电路分别和50A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接，500A电流采集电路分别和500A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接。
进一步优选的，信号调理电路包括第一低通滤波电路、第一放大电路、第二低通滤波电路和第二放大电路；
第一低通滤波电路和第一放大电路电性连接，第二低通滤波电路和第二放大电路电性连接，第一低通滤波电路分别与50A电流采集电路和500A电流采集电路电性连接，第二低通滤波电路与电压采集电路电性连接，第一放大电路与TMS320F2810的ADCINA0引脚电性连接，第二放大电路与TMS320F2810的ADCINA1引脚电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括光电采样器；
光电采样器与微处理器电性连接。
本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过设置电流量程切换电路和电压量程切换电路，在检测三相电的电流和电压时，可以切换开关检测不同的电流值和电压值，适用于多种测试场景，同时提高采样率；
(2)通过设置整形电路和数字锁相倍频电路，可以在冲击、非线性等复杂环境下，对畸变的电压和电流正弦波形进行整形，将其变成同频率的脉冲信号，脉冲信号经数字锁相倍频电路调整采样的时间间隔，可以避免信号的频谱泄露，减少误差；
(3)通过设置TMS320F2810微处理器，可以集A/D转换、数字信号处理能力和控制能力与一体，存储空间大，简化电路结构，提高采样精度；
(4)整个装置电路结构简单，可以切换监测电压和电流的大小，采样率和采样精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪结构图；
图2为本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪中整形电路图；
图3为本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪中数字锁相倍频电路；
图4为本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪中电压采集电路图和量程切换电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型的一种多功能电能表现场测试仪，其包括电流采集电路、电压采集电路、信号调理电路、微处理器、量程切换电路、整形电路、数字锁相倍频电路和光电采样器。
微处理器，对经信号调理电路处理后的信号进行A/D转换处理，对A/D转换处理后的信号进行数字信号处理，并存储数字信号处理后的结果。在本实施中，微处理器采用TMS320F2810，内核采Harvard结构体系，即相互独立的数据总线，提供了片内程序存储器和数据存储器、运算单元、一个32位算术/逻辑单元、一个32位累加器、一个16位乘法器和一个16位桶形移位器组成，体系采取串行结构，运用流水线技术加快程序的运行，可在一个处理周期内完成乘法加法和移位计算，其内核计算速度为20MIPs。其主频高达150MHz；具备I2C、SPI、CAN、PWM等总线接口，适用于各种控制类工业设备；体积小、性能强、便携性高，同时适用于多种手持设备；符合高低温、振动测试，满足工业环境应用。
电流采集电路，采集被测电能表上的电流大小。电流采集电路包括50A电流采集电路和500A电流采集电路，其中，50A电流采集电路采集电流值为50A的被测电能表，500A电流采集电路采集电流值为500A的被测电能表。
电压采集电路，采集被测电能变上的电压大小。如图4所示，电压采集电路包括：TR3119C电压互感器、运算放大器、电阻R15、电阻R16和被测电能表；具体的，电阻R15的一端与被测电能表的电压输出端电性连接，另一端与电阻R16的一端电性连接，电阻R16的另一端与TR3119C电压互感器的一侧端的正极电性连接，TR3119C电压互感器的一侧端负极接地，TR3119C电压互感器二次侧正极与运算放大器的反向输入端电性连接，TR3119C电压互感器二次侧负极与运算放大器的同向输入端电性连接，运算放大器的输出端与信号调理电路的输入端电性连接。
量程切换电路，切换测量的电压和电流的量程，增加电路采样率和采样精度。量程切换电路包括电压量程切换电路和电流量程切换电路。电压量程切换电路，通过继电器切换电压采集电路采集的电压量程。电流量程切换电路通过选用不用的钳形电流互感器切换电流量程。如图4所示，电压切换电路包括：三极管Q1、电阻R1、G6K-2F-Y继电器K1和二极管D1；具体的，电阻R1的一端与TMS320F2810的XD[0]引脚电性连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极电性连接，三极管Q1的发射极与分别与G6K-2F-Y继电器K1的8引脚和二极管D1的正极电性连接，二极管D1的负极与G6K-2F-Y继电器K1的1引脚电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的7引脚与电阻R16的一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的6引脚与电阻R16的另一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的5引脚悬空。另外，电流切换电路包括：50A钳形电流互感器、500A钳形电流互感器；其中，50A电流采集电路分别和50A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接，500A电流采集电路分别和500A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接。
信号调理电路，对电流采集电路和电压采集电路采集的信号进行滤波放大处理，并将处理后的信号发送给微处理器进行数字信号处理。在本实施例中，信号调理电路采用OPA2277双运算芯片，利用OPA2277里的一个运算放大器组成低通滤波电路，并进行低通滤波处理，另一个运算放大器进行放大处理，因为本实施例中，需要对电压采集电路和电流采集电路采集的信号进行滤波和放大处理，所以，信号调理电路包括：第一低通滤波电路、第一放大电路、第二低通滤波电路和第二放大电路。第一低通滤波电路和第一放大电路分别对电流采集电路采集的信号进行滤波和放大处理，第二低通滤波电路和第二放大电路分别对电压采集电路采集的信号进行滤波和放大处理。具体的，第一低通滤波电路和第一放大电路电性连接，第二低通滤波电路和第二放大电路电性连接，第一低通滤波电路与50A电流采集电路和500A电流采集电路电性连接，第二低通滤波电路与电压采集电路电性连接，第一放大电路与TMS320F2810的ADCINA0引脚电性连接，第二放大电路与TMS320F2810的ADCINA1引脚电性连接。
整形电路，将波形为正弦的采样信号转换成方波信号，并将方波信号作为数字锁相倍频电路的输入信号。如图2所示，整形电路包括双运算放大器OPA2277芯片，双运算放大器OPA2277芯片中包括两个运算放大器，第一个运算放大器结合电阻和电容组成滤波放大电路，对采样信号进行滤波放大处理后变成方波信号，第二个运算放大器组成滞回比较器，对方波信号整形处理，整形处理后输出同频率的脉冲信号。
数字锁相倍频电路，调整采样的时间间隔，避免信号的频谱泄露，减少误差。如图3所示，数字锁相倍频电路包括锁相环CD4046和加法计数器CD4518；具体的，CD4046的14引脚与OPA2277芯片的输出端电性连接，CC4046的3和4引脚分别与CD4518的14引脚和1引脚一一对应电性连接，CC4046的4引脚与TMS320F2810的XPLLDIS引脚电性连接，CD4518的8、9、7和15接地，CD4518的2引脚和16引脚电性连接，CD4518的6引脚和10引脚电性连接。
光电采样器，借助电能表转盘边沿与色标对光谱不一样的反射特性，转变为电脉冲信号，随即传输到微处理器，在微处理器中能够借助被检测电力仪表的常数获取理论电能值，根据理论电能值和实际电能值的比对，算出误差。其中，电压、电流经过信号调理电路调整后输出为脉冲信号，脉冲信号输出到微处理器中进行解析，解析后的值为实际电能值。
本实用新型的工作原理是：在采集时需要同步采样，因此，需要被测电能表的采样信号经过整形电路进行滤波放大处理，输出为方波信号，并将方波信号作为数字锁相倍频电路的输入信号，方波信号与数字锁相倍频电路中的等幅信号进行比对，用比较形成的误差通过TMS320F2810使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化，实现锁相，从而达到同步；同步之后，被测电能表的电压首先经电压采集电路采集，并转换成小电压，再送信号调理电路进行滤波放大处理，然后输出到TMS320F2810的A/D转换引脚，TMS320F2810对电压进行进行模数转换处理，同理，被测电能表的电流经过电流采集电路采集并进行I/V变换，转换成小电压，再输出到信号调理电路进行滤波放大处理，然后输出到TMS320F2810的A/D转换引脚，TMS320F2810对电流进行进行模数转换处理，电压和电流经过模数处理后得到对应的数字信号，TMS320F2810将该数字信号与基准参数值进行比对，另外，光电采样器借助电能表转盘边沿与色标对光谱不一样的反射特性，转变为电脉冲信号，随即传输到微处理器，在微处理器中能够借助被检测电力仪表的常数获取理论电能值，根据理论电能值和实际电能值的比对，算出误差，根据误差值校验电能表。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多功能电能表现场测试仪，其包括电流采集电路、电压采集电路、信号调理电路和微处理器，其特征在于：还包括量程切换电路、整形电路、数字锁相倍频电路；
所述量程切换电路包括电流量程切换电路和电压量程切换电路；
所述电流量程切换电路与电流采集电路电性连接，电压量程切换电路与整形电路电性连接，电流采集电路和电压采集电路均与信号调理电路电性连接，信号调理电路和微处理器电性连接，整形电路分别与电压量程切换电路和数字锁相倍频电路电性连接。
2.如权利要求1所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述微处理器为TMS320F2810。
3.如权利要求2所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述整形电路包括双运算放大器OPA2277芯片。
4.如权利要求3所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述数字锁相倍频电路包括锁相环CD4046和加法计数器CD4518；
所述CD4046的14引脚与OPA2277芯片的输出端电性连接，CC4046的3和4引脚分别与CD4518的14引脚和1引脚一一对应电性连接，CC4046的4引脚与TMS320F2810的XPLLDIS引脚电性连接，CD4518的8、9、7和15接地，CD4518的2引脚和16引脚电性连接，CD4518的6引脚和10引脚电性连接。
5.如权利要求2所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述电压采集电路包括TR3119C电压互感器、运算放大器、电阻R15、电阻R16和被测电能表；
所述电阻R15的一端与被测电能表的电压输出端电性连接，另一端与电阻R16的一端电性连接，电阻R16的另一端与TR3119C电压互感器的一侧端的正极电性连接，TR3119C电压互感器的一侧端负极接地，TR3119C电压互感器二次侧正极与运算放大器的反向输入端电性连接，TR3119C电压互感器二次侧负极与运算放大器的同向输入端电性连接，运算放大器的输出端与信号调理电路的输入端电性连接。
6.如权利要求5所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述电压量程切换电路包括三极管Q1、电阻R1、G6K-2F-Y继电器K1和二极管D1；
所述电阻R1的一端与TMS320F2810的XD[0]引脚电性连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极电性连接，三极管Q1的发射极与分别与G6K-2F-Y继电器K1的8引脚和二极管D1的正极电性连接，二极管D1的负极与G6K-2F-Y继电器K1的1引脚电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的7引脚与电阻R16的一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的6引脚与电阻R16的另一端电性连接，G6K-2F-Y继电器K1的5引脚悬空。
7.如权利要求1所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述电流量程切换电路包括50A钳形电流互感器、500A钳形电流互感器；
所述电流采集电路包括：50A电流采集电路和500A电流采集电路；
所述50A电流采集电路分别和50A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接，500A电流采集电路分别和500A钳形电流互感器和信号调理电路电性连接。
8.如权利要求7所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：所述信号调理电路包括第一低通滤波电路、第一放大电路、第二低通滤波电路和第二放大电路；
所述第一低通滤波电路和第一放大电路电性连接，第二低通滤波电路和第二放大电路电性连接，第一低通滤波电路分别与50A电流采集电路和500A电流采集电路电性连接，第二低通滤波电路与电压采集电路电性连接，第一放大电路与TMS320F2810的ADCINA0引脚电性连接，第二放大电路与TMS320F2810的ADCINA1引脚电性连接。
9.如权利要求1所述的一种多功能电能表现场测试仪，其特征在于：还包括光电采样器；
所述光电采样器与微处理器电性连接。
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