專利名稱：抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕大多數(shù)電氣設(shè)備運(yùn)行于50Hz工頻交流電壓下，很多情況下需要測(cè)量工頻50Hz下的狀態(tài)參數(shù)，其中大多是直接測(cè)量電壓電流信號(hào)，或通過傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換為電壓電流信號(hào)然后測(cè)量。由于電網(wǎng)中存在很強(qiáng)的50Hz干擾，所以在現(xiàn)場(chǎng)一些微弱的測(cè)試信號(hào)因與50Hz強(qiáng)干擾而難以測(cè)量，往往帶來(lái)很大的誤差甚至無(wú)法測(cè)量。所以，在很多電氣參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目上可采用異頻法進(jìn)行測(cè)量，即在設(shè)備上加上異于工頻的正弦波信號(hào)源如55Hz，然后利用選頻濾波技術(shù)抑制50Hz干擾，只測(cè)量該55Hz信號(hào)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，可求得結(jié)果A。然 后按同樣方法在工頻對(duì)稱偏頻測(cè)量45Hz求得結(jié)果B，取A+B的平均數(shù)即可認(rèn)為是50Hz下的 結(jié)果C。該方法既可以兩點(diǎn)對(duì)稱變頻測(cè)量(如45Hz，55Hz)，也可以多點(diǎn)對(duì)稱變頻測(cè)量(如45，47，53，55Hz)以提高結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度。這種變頻(或稱異頻)測(cè)量法能有效避免50Hz工頻的強(qiáng)干擾所帶來(lái)的誤差，能在有強(qiáng)工頻干擾的環(huán)境如高壓變電站，電廠準(zhǔn)確測(cè)量電氣設(shè)備參數(shù)。變頻測(cè)試法已在多種測(cè)試儀器上應(yīng)用，如變頻抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀，異頻線路參數(shù)測(cè)試儀，變頻接地參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)等。變頻測(cè)試法要達(dá)到不受干擾準(zhǔn)確測(cè)量這個(gè)最終目的，主要涉及兩個(gè)方面的技術(shù)變頻和選頻。變頻是需要將50Hz的市電電源轉(zhuǎn)變成電壓和頻率均可調(diào)的正弦波變頻電源，選頻則是需要在現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜的干擾中將變頻后的微弱信號(hào)提取出來(lái)，并進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。變頻技術(shù)發(fā)展時(shí)間較早，相對(duì)而言比較成熟，作為“源-表”測(cè)量系統(tǒng)中的源，不涉及測(cè)量和計(jì)算結(jié)果的輸出。同時(shí)其一般都通過隔離變壓器與外界干擾隔離，不受干擾影響，只需要按其自身內(nèi)部電路程序變頻即可。所以變頻電源這部分主要技術(shù)差異在于功率大小，其它技術(shù)指標(biāo)方面一般沒什么差別。選頻技術(shù)相對(duì)而言要復(fù)雜很多，作為“源-表”測(cè)量系統(tǒng)中的表，其要在各種復(fù)雜的干擾情況下，分離出微弱的變頻信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量輸出結(jié)果。往往是干擾信號(hào)比有用的變頻信號(hào)幅值強(qiáng)數(shù)倍至數(shù)十倍，有用的變頻信號(hào)被“淹沒”在各種干擾信號(hào)里。而且所測(cè)的信號(hào)里包括了工頻干擾、高頻干擾、諧波干擾，再疊加上變頻信號(hào)，波形已變得雜亂無(wú)章復(fù)雜多變無(wú)明確規(guī)律，要在這樣雜亂復(fù)雜的波形里還原提取出有用的微弱信號(hào)還要準(zhǔn)確測(cè)量，難度可想而知。而且測(cè)試頻率和干擾頻率越近，選頻的難度就越大。顯然，選頻技術(shù)直接關(guān)系著成套變頻測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性，是成套系統(tǒng)能否達(dá)到排除干擾準(zhǔn)確測(cè)量這個(gè)最終目的的關(guān)鍵技術(shù)，是成套系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有的選頻測(cè)量技術(shù)主要是基于模擬式濾波電路或稱硬件濾波電路，如LC電感電容器件等。但模擬式濾波電路存在著如下缺點(diǎn)，I、只能抑制和衰減干擾，不能完全真正濾除干擾。2、模擬濾波電路適合于測(cè)試信號(hào)和干擾頻率差別限大的情況(如120Hz和50Hz)，對(duì)于兩個(gè)很接近的頻率(如51Hz和50Hz)則難以達(dá)到理想效果；3、受硬件電路自身特性限制，其抗干擾能力只能達(dá)到數(shù)十分之一 ；4、因硬件電路對(duì)不同的頻率和幅值響應(yīng)特性不一致，難以保證在各頻率各量程下均測(cè)量準(zhǔn)確；5、模擬電路不利于智能化，自動(dòng)化，集成化。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，目的在于克服目前現(xiàn)有技術(shù)中的不足，設(shè)計(jì)一種能在40-70HZ范圍內(nèi)IHz步進(jìn)任意選頻的數(shù)字化選頻濾波測(cè)量系統(tǒng)，可大大提高選頻測(cè)量的抗干擾能力。可在十分接近工頻的頻率(如51Hz和49Hz)進(jìn)行測(cè)量，從而可得到最接近工頻的特性參數(shù)。系統(tǒng)核心基于高性能CPU和小波變換算法，而非硬件濾波電路。測(cè)量系統(tǒng)可抗十萬(wàn)倍干擾而數(shù)據(jù)不漂移，在200V，50Hz干擾下選頻51Hz測(cè)量可將干擾抑制到O. ImV以下，并且可同時(shí)選頻測(cè)量電壓電流信號(hào)及兩者相位差。本實(shí)用新型的系統(tǒng)核心性能的實(shí)現(xiàn)主要基于CPU數(shù)字化的小波變換運(yùn)算分析，能實(shí)現(xiàn)±1Ηζ抗十萬(wàn)倍干擾的選頻測(cè)量，在電氣測(cè)量領(lǐng)域，特別是在強(qiáng)干擾背景下的電力系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域有著重要的用途。
為解決上述問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，包括CPU8、運(yùn)算放大單元7、隔離放大單元6、濾波單元5、量程自動(dòng)切換單元4、電流互感器3、電流測(cè)量端子2和電壓測(cè)量端子I ;一個(gè)量程自動(dòng)切換單元4連接濾波單元5，濾波單元5連接隔離放大單元6，隔離放大單元6連接CPU8，量程自動(dòng)切換單元4上設(shè)置有一對(duì)電壓測(cè)量端子1，該量程自動(dòng)切換單元4還連接CPU8 ；另外一個(gè)量程自動(dòng)切換單元4連接另一個(gè)濾波單元5，濾波單元5連接運(yùn)算放大單元7，運(yùn)算放大單元7連接CPU8 ;該量程自動(dòng)切換單元4連接CPU8，量程自動(dòng)切換單元4還連接電流互感器3，電流互感器3上設(shè)置有電流測(cè)量端子2。 CPU8還連接顯示單元9。CPU8還連接菜單操作旋鈕10。CPU8還連接存儲(chǔ)卡11。CPU8還連接打印機(jī)12。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的數(shù)字化選頻測(cè)量系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)選頻抗干擾能力強(qiáng)，比以往模擬選頻電路抗干擾能力提高數(shù)百倍以上。(2)可數(shù)字化任意IHz變頻選頻，在50Hz強(qiáng)干擾下也能選擇非常接近49Hz，51Hz等頻率進(jìn)行測(cè)量，這就保證了測(cè)量結(jié)果與工頻的等效性。(3)可數(shù)字化的進(jìn)行軟件校準(zhǔn)，保證了各頻率和各量程下測(cè)量的準(zhǔn)確性。(4)智能化程度高?？勺詣?dòng)切換量程，可保存打印結(jié)果，可保存及導(dǎo)出測(cè)試波形，非常有利于進(jìn)一步的技術(shù)分析。(5)電路架構(gòu)清晰，前端模擬電路較簡(jiǎn)單。(6)系統(tǒng)核心部分為CPU和軟件算法，有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本測(cè)量系統(tǒng)在電氣測(cè)量領(lǐng)域，特別是在電廠，變電站等強(qiáng)干擾環(huán)境下的電氣設(shè)備參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖I是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖中符號(hào)說(shuō)明電壓測(cè)量端子I、電流測(cè)量端子2、電流互感器3、量程自動(dòng)切換單元4、濾波單元5、隔離放大單元6、運(yùn)算放大單元7、CPU8、顯示單元9、菜單操作旋鈕10、存儲(chǔ)卡11、打印機(jī)12。
具體實(shí)施方式
下面用最佳的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的說(shuō)明。如圖I所示，抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，包括CPU8、運(yùn)算放大單元7、隔離放大單元6、濾波單元5、量程自動(dòng)切換單元4、電流互感器3、電流測(cè)量端子2和電壓測(cè)量端子I ;一個(gè)量程自動(dòng)切換單元4連接濾波單元5，濾波單元5連接隔離放大單元6，隔離放大單元6連接CPU8，量程自動(dòng)切換單元4上設(shè)置有一對(duì)電壓測(cè)量端子1，該量程自動(dòng)切換單元4還連接CPU8 ；另外一個(gè)量程自動(dòng)切換單元4連接另一個(gè)濾波單元5，濾波單元5連接運(yùn)算放大單 元7，運(yùn)算放大單元7連接CPU8 ;該量程自動(dòng)切換單元4連接CPU8，量程自動(dòng)切換單元4還連接電流互感器3，電流互感器3上設(shè)置有電流測(cè)量端子2。CPU8還連接顯示單元9。CPU8還連接菜單操作旋鈕10。CPU8還連接存儲(chǔ)卡11。CPU8還連接打印機(jī)12。本發(fā)明電壓測(cè)量功能前端電路由電壓測(cè)量端子，量程自動(dòng)切換單元，濾波電路單元，隔離放大單元組成，其電流測(cè)量功能前端電路由電流測(cè)量端子，電流互感器，量程自動(dòng)切換單元，濾波單元，運(yùn)算放大單元組成，系統(tǒng)還包括CPU，顯示單元，菜單操作旋鈕，SD存儲(chǔ)卡，打印機(jī)單元。電壓測(cè)量端子的電壓信號(hào)輸入量程自動(dòng)切換單元，CPU發(fā)出信號(hào)控制量程自動(dòng)切換單元自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，量程自動(dòng)切換單元接到濾波單元，濾波單元接到隔離放大單元，隔離放大單元輸出連接到CPU，由CPU進(jìn)行分析處理。電流測(cè)量端子的電流信號(hào)經(jīng)過電流互感器輸入到量程自動(dòng)切換單元，CPU發(fā)出信號(hào)控制量程自動(dòng)切換單元自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，量程自動(dòng)切換單元接到濾波單元，濾波單元接到運(yùn)算放大單元，運(yùn)算放大單元輸出連接到CPU,由CPU進(jìn)行分析處理。顯示單元、SD存儲(chǔ)卡，打印機(jī)，菜單操作旋鈕都連到CPU。電壓測(cè)量端子接到量程自動(dòng)切換單元，量程切換單元由多個(gè)不同阻值的電阻串聯(lián)而成，在不同的位置分出5個(gè)量程，分別對(duì)應(yīng)20mV，200mV, 2V，20V, 200V量程。CPU程序識(shí)別并自動(dòng)控制切換對(duì)應(yīng)的繼電器，使得信號(hào)幅值大小在最佳的測(cè)量范圍內(nèi)。量程切換后點(diǎn)電壓送入濾波單元，濾波單元由電感電容組成的PI濾波電路，可以將部分高頻信號(hào)濾除。信號(hào)由濾波單元送出，接到隔離放大器，由隔離放大器隔離后接到CPU的AD管腳，進(jìn)行采樣分析。兩個(gè)電流測(cè)量端子通過導(dǎo)線短接，導(dǎo)線上穿過電流互感器感應(yīng)出電壓信號(hào)接到量程切換單元，量程切換由多個(gè)不同阻值的電阻串聯(lián)而成，在不同的位置分出4個(gè)量程，分別對(duì)應(yīng)20mA，200mA, 2k, 20A量程。CPU程序識(shí)別并自動(dòng)控制切換對(duì)應(yīng)的繼電器，使得信號(hào)幅值大小在最佳的測(cè)量范圍內(nèi)。量程切換后電壓送入濾波單元，濾波單元由電感電容組成的PI濾波電路，可以將部分高頻信號(hào)濾除。信號(hào)由濾波單元送出，進(jìn)過運(yùn)放單元放大后接到CPU的AD管腳，進(jìn)行采樣分析。電壓、電流信號(hào)分兩路送入CPU的不同的AD管腳，經(jīng)過CPU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成程序可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。然后CPU對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行小波變換分析，從復(fù)雜的波形中分離出所需要測(cè)量的微弱頻率正弦波信號(hào)。(PU通過軟件可同時(shí)分離出指定頻率下的電壓，電流信號(hào)并計(jì)算出兩者間的相位差。CPU可同時(shí)控制存儲(chǔ)，打印，顯示，菜單操作等功能。CPU可選常用的TI公司DSP型號(hào)如TMS320F2812，也可以是其它通用處理器，如ARM架構(gòu)處理器。DSP也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)(I)在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。(3)片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。(4)具有低開銷或無(wú)開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持。(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重 疊執(zhí)行。 小波變換當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，經(jīng)過近10年的探索研究，重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)。傳統(tǒng)的信號(hào)理論，是建立在傅里葉分析基礎(chǔ)上的，而傅里葉變換作為一種全局性的變化，其有一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中人們開始對(duì)傅里葉變換進(jìn)行各種改進(jìn)，小波分析由此產(chǎn)生了。小波分析是一種新興的數(shù)學(xué)分支，它是泛函數(shù)、傅里葉分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美的結(jié)晶；在應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音處理以及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域，它被認(rèn)為是繼傅里葉分析之后的又一有效的時(shí)頻分析方法。小波變換與傅里葉變換相比，是一個(gè)時(shí)間和頻域的局域變換因而能有效地從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了傅里葉變換不能解決的許多困難問題。最后應(yīng)說(shuō)明的是顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求1.抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，其特征在于，包括CPU(S)、運(yùn)算放大單元(7)、隔離放大單元￠)、濾波單元(5)、量程自動(dòng)切換單元(4)、電流互感器(3)、電流測(cè)量端子(2)和電壓測(cè)量端子⑴； 一個(gè)量程自動(dòng)切換單元(4)連接濾波單元(5)，濾波單元(5)連接隔離放大單元(6)，隔離放大單元(6)連接CPU (8)，量程自動(dòng)切換單元(4)上設(shè)置有一對(duì)電壓測(cè)量端子(1)，該量程自動(dòng)切換單元(4)還連接CPU (8)； 另外一個(gè)量程自動(dòng)切換單元(4)連接另一個(gè)濾波單元(5)，濾波單元(5)連接運(yùn)算放大單元(7)，運(yùn)算放大單元(7)連接CPU(S);該量程自動(dòng)切換單元(4)連接CPU(8)，量程自動(dòng)切換單元⑷還連接電流互感器(3)，電流互感器(3)上設(shè)置有電流測(cè)量端子(2)。
2.如權(quán)利要求I所述抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，其特征在于，CPU(S)還連接顯示單元(9)。
3.如權(quán)利要求I所述抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，其特征在于，CPU(S)還連接菜單操作旋鈕(10)。
4.如權(quán)利要求I所述抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，其特征在于，CPU(S)還連接存儲(chǔ)卡(11)。
5.如權(quán)利要求I所述抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，其特征在于，CPU(S)還連接打印機(jī)(12)。
專利摘要抗十萬(wàn)倍干擾數(shù)字化選頻測(cè)量裝置，涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。包括CPU、運(yùn)算放大單元、隔離放大單元、濾波單元、量程自動(dòng)切換單元等；一個(gè)量程自動(dòng)切換單元連接濾波單元，濾波單元連接隔離放大單元，隔離放大單元連接CPU，量程自動(dòng)切換單元上設(shè)置有一對(duì)電壓測(cè)量端子，該量程自動(dòng)切換單元還連接CPU；另外一個(gè)量程自動(dòng)切換單元連接另一個(gè)濾波單元，濾波單元連接運(yùn)算放大單元，運(yùn)算放大單元連接CPU；該量程自動(dòng)切換單元連接CPU，量程自動(dòng)切換單元還連接電流互感器，電流互感器上設(shè)置有電流測(cè)量端子。本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)±1Hz抗十萬(wàn)倍干擾的選頻測(cè)量，在電氣測(cè)量領(lǐng)域，特別是在強(qiáng)干擾背景下的電力系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域有著重要的用途。
文檔編號(hào)G01R31/00GK202563025SQ20122019550
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者余月仙 申請(qǐng)人:上海大帆電氣設(shè)備有限公司