一種便攜式變送器校驗儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種便攜式變送器校驗儀，包括穩壓變壓器、交流恒壓恒流模塊、程控電阻模塊、DSP控制器和人機界面，所述交流恒壓恒流模塊包括整流電路、逆變器、濾波器和采樣調整電路，所述逆變器包括智能功率模塊和光電隔離驅動電路，所述穩壓變壓器與待校驗變送器相連；所述采樣調整電路的輸出端與所述DSP控制器相連；所述程控電阻模塊分別與所述DSP控制器和待校驗變送器相連；所述人機界面與所述DSP控制器相連。本實用新型的便攜式變送器校驗儀，可以實現對多種變送器的便捷校驗，具有多功能、體積小、質量輕、便于攜帶等特點，可顯著提高變送器校驗的快捷性、節省資金。
【專利說明】
一種便攜式變送器校驗儀
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種便攜式變送器校驗儀。
【背景技術】
[0002]為了使變送器校驗儀能夠最大程度的滿足變送器校驗的功能需求，首先，需要對變送器校驗儀系統的功能需求進行分析。變送器校驗儀系統的功能需求分析是以日常變送器校驗為基礎，通過對變送器校驗儀的對象、內容、形式等的統計和歸類，最終確定變送器校驗儀所需完成的功能，從而確定變送器校驗儀所需配備的各類設備。電流變送器、電壓變送器和溫度變送器是電力系統中電氣測量、繼電保護、自動控制以及調度的重要設備。變送器校驗儀則是檢定變送器誤差的一種專用儀器，其產品質量的優劣、可靠性的高低，對電力系統的運行影響很大。為了確保變送器的可靠運行及監測系統的準確度，必須對變送器進行定期校驗。
[0003]傳統的變送器校驗儀按照對象可以分為電壓變送器校驗儀、電流變送器校驗儀、溫度變送器校驗儀三大類:
[0004](I)電壓變送器校驗
[0005]單相交流電壓變送器是一種將電網中的電壓隔離變送成線性的直流模擬信號裝置，為了實現對單相交流電壓變送器的校驗，校驗儀需要提供50Hz幅值可調電壓源以及220V、50Hz的供電電源，同時需要顯示輸出的電壓幅值
[0006](2)電流變送器校驗
[0007]單相交流電流變送器是一種將電網中的電流隔離變送成線性的直流模擬信號裝置，為了實現對單相交流電流變送器的校驗，校驗儀需要提供50Hz幅值可調電流源以及220V、50Hz的供電電源(注:非自電源電流變送器需要輔助電源)，同時需要顯示輸出的電流幅值
[0008](3)溫度變送器校驗
[0009]溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，將溫度變送成線性的直流模擬信號裝置。熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。為了實現對溫度變送器的校驗，校驗儀需要提供多種阻值的電阻(對應多個溫度值下熱電阻的阻值)以及220V、50Hz的供電電源，同時需要顯示輸出的電阻對應的溫度值
[0010]進行變送器校驗時，除了便攜式變送器校驗儀需要供電外，仍有一些相關設備需要供電。
[0011]目前，變送器的校驗存在設備體積大、質量重、不便于攜帶等問題，對站段的巡檢產生較大影響。以溫度變送器校驗為例，國內對溫度變送器進行校驗大部分均使用標準電阻箱作電阻信號源，用電子電位差計提供毫伏信號或用其他標準信號源。由于使用多儀器進行校驗致使校驗工作的精度和可靠性受到影響，尤其在工作現場進行校驗更是有許多不便之處。
[0012]目前，儀器儀表等標準器越來越趨向于小型化、智能化。當下已經應用的便攜式校驗儀普遍存在結構簡單、功能單一、容易受多種誤差因素的影響等缺點，因而難以保證校驗精度;而基于計算機的虛擬儀器校驗方案，雖然功能強大，但成本高昂，且目前也不能滿足對各類電力變送器器進行精度測定的要求。
[0013]目前，已經應用的便攜式校驗儀普遍存在結構簡單、功能單一、容易受多種誤差因素的影響等缺點，因而難以保證校驗精度;而基于計算機的虛擬儀器校驗方案，雖然功能強大，但成本高昂，且目前也不能滿足對各類電力變送器進行精度測定的要求。由于使用多儀器進行校驗致使校驗工作的精度和可靠性受到影響，尤其在工作現場進行校驗更是有許多不便之處。基于上述原因，迫切需要研究兼容各類電力變送器校驗需求的便攜式通用校驗儀。
【實用新型內容】
[0014]本實用新型的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種便攜式變送器校驗儀，可以實現對多種變送器的便捷校驗，具有多功能、體積小、質量輕、便于攜帶等特點，可顯著提高變送器校驗的快捷性、節省資金。
[0015]實現上述目的的技術方案是:一種便攜式變送器校驗儀，外接待校驗變送器，所述變送器校驗儀包括穩壓變壓器、交流恒壓恒流模塊、程控電阻模塊、DSP控制器和人機界面，所述交流恒壓恒流模塊包括整流電路、逆變器、濾波器和采樣調整電路，所述逆變器包括智能功率模塊和光電隔離驅動電路，其中:
[0016]所述穩壓變壓器與所述待校驗變送器相連；
[0017]所述整流電路、智能功率模塊和濾波器的輸入端依次相連，所述濾波器的輸出端分別與所述待校驗變送器和所述采樣調整電路的輸入端相連，所述采樣調整電路的輸出端與所述DSP控制器相連；
[0018]所述智能功率模塊與所述DSP控制器相連;所述智能功率模塊還通過所述光電隔離驅動電路與所述DSP控制器相連；
[0019]所述程控電阻模塊分別與所述DSP控制器和待校驗變送器相連；
[0020]所述人機界面與所述DSP控制器相連。
[0021]上述的一種便攜式變送器校驗儀，其中，所述穩壓變壓器用于將交流電源隔離、穩壓后為待校驗變送器供電；
[0022]單向交流電源經過所述整流電路轉變為直流信號，直流信號然后進入所述智能功率模塊;所述DSP控制器接收來自所述人機界面的控制信號，并把控制信號經過所述光電隔離驅動電路輸送給所述智能功率模塊，進而驅動所述智能功率模塊把直流信號轉變為單相交流正弦輸出信號，所述單相交流正弦輸出信號通過所述濾波器輸出給所述待校驗變送器；
[0023]所述程控電阻模塊主要由多路程控開關和多個精密電阻構成，所述DSP控制器通過控制多路開關的開斷實現多個精密電阻的串并聯組合，輸出不同的電阻值給所述待校驗變送器；
[0024]所述人機界面包括控制面板和顯示面板，所述控制面板用于輸入控制信號，所述顯示面板用于顯示信息。
[0025]上述的一種便攜式變送器校驗儀，其中，所述單相交流正弦輸出信號包括50Hz的O?120V的交流恒壓信號和50Hz的O?5A的交流恒流信號。
[0026]上述的一種便攜式變送器校驗儀，其中，所述人機界面包括電源開關、恒壓/恒流轉換、輸入設置、LED顯示屏和輸出接口，所述輸入設置包括電流設置、電壓設置和電阻設置，所述輸出接口包括電流接口、電壓接口和電阻接口。
[0027]本實用新型的便攜式變送器校驗儀，可以實現對多種變送器的便捷校驗，具有多功能、體積小、質量輕、便于攜帶等特點，可顯著提高變送器校驗的快捷性、節省資金，與現有技術相比的有益效果是:
[0028](I)便攜性:校驗儀的核心處理芯片是數字信號處理器，較之基于計算機的虛擬儀器校驗方案，在體積和重量上優勢明顯，而且便攜式的特點也使得校驗過程不受時間和地點的限制。
[0029](2)通用性:校驗儀能夠兼顧單相交流電流變送器、單相交流電壓變送器、溫度變送器的校驗，因此具有很強的通用性，應用場合廣闊。
[0030](3)靈活性:校驗儀具有良好的人機界面，可以方便操作人員靈活地進行模式選擇，測試信息也可就地隨時顯示。工作方式靈活可變，能夠滿足不同用戶的需求。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本實用新型的便攜式變送器校驗儀的結構框圖；
[0032]圖2為本實用新型的的便攜式變送器校驗儀的人機界面的結構框圖。
【具體實施方式】
[0033]為了使本技術領域的技術人員能更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合附圖對其【具體實施方式】進行詳細地說明:
[0034]請參閱圖1，本實用新型的最佳實施例，一種便攜式變送器校驗儀，包括穩壓變壓器1、交流恒壓恒流模塊2、程控電阻模塊3、DSP控制器4和人機界面5，交流恒壓恒流模塊2包括整流電路21、逆變器22、濾波器23和采樣調整電路24，逆變器22包括智能功率模塊221和光電隔離驅動電路222。
[0035]穩壓變壓器I與待校驗變送器100相連;整流電路21、智能功率模塊221和濾波器23的輸入端依次相連，濾波器23的輸出端分別與待校驗變送器100和采樣調整電路24的輸入端相連，采樣調整電路24的輸出端與DSP控制器4相連；智能功率模塊221與DSP控制器4相連;智能功率模塊221還通過光電隔離驅動電路222與DSP控制器4相連;程控電阻模塊3分別與DSP控制器4和待校驗變送器100相連;人機界面5與DSP控制器4相連。
[0036]本實用新型的一種便攜式變送器校驗儀，穩壓變壓器I用于將交流電源隔離、穩壓后為待校驗變送器100供電。
[0037]單向交流電源經過整流電路轉21變為直流信號，直流信號然后進入智能功率模塊221 ;DSP控制器4接收來自人機界面5的控制信號，并把控制信號經過光電隔離驅動電路222輸送給智能功率模塊221，進而驅動智能功率模塊221把直流信號轉變為單相交流正弦輸出信號，該單相交流正弦輸出信號通過24濾波器輸出給待校驗變送器100。即單相交流電源經過整流電路21，轉變為直流信號，然后進入逆變器22，在逆變器22中把直流信號轉變為要求的一定頻率、電壓幅值/電流幅值的單相交流正弦輸出信號，實現交流恒壓/恒流輸出功能。在逆變器22中，主要是基于DSP控制器根據輸出指標要求，產生相應的控制信號，驅動內含的智能功率模塊，輸出系統要求的輸出信號。單相交流正弦輸出信號包括50Hz的O?120V的交流恒壓信號和50Hz的O?5A的交流恒流信號。注意，本實用新型的檢測儀不能同時輸出交流恒壓信號和交流恒流信號。
[0038]程控電阻模塊3主要由多路程控開關和多個精密電阻構成，DSP控制器4通過控制多路開關的開斷實現多個精密電阻的串并聯組合，輸出不同的電阻值給待校驗變送器100。
[0039]人機界面包括控制面板和顯示面板，控制面板用于輸入控制信號，顯示面板用于顯示信息。
[0040]人機界面(Human Machine Interact1n，簡稱HMI)，又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是本系統的重要組成部分。其是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。
[0041]請參閱圖2，本實用新型的檢測儀的人機界面設計遵循以用戶為中心的基本設計原則，具體的，人機界面5包括電源開關51、恒壓/恒流轉換52、輸入設置、LED顯示屏54和輸出接口，輸入設置包括電流設置531、電壓設置532和電阻設置533，輸出接口包括電流接口551、電壓接口 552和電阻接口 553。輸入設置用于調整恒壓/恒流/電阻輸出值，選定的值在LED顯示屏54上顯示。通過本人機界面，用戶可方便地進行設置輸入，觀察輸出等操作，具有較高友好性和易操作性。
[0042]DSP控制器4的功能主要包括檢測信號的A/D轉換、SPffM控制信號的產生、系統的保護和故障檢測、程控電阻的阻值控制、制面板的指令接收和顯示面板的信息顯示。
[0043]本實用新型的便攜式變送器校驗儀，穩壓變壓器I是利用鐵磁諧振原理及磁分路結構制成的一種交流穩壓器。穩壓變壓器的效率與普通變壓器相近，且具有一定的穩壓精度、抗干擾性能與固有的過載和短路保護能力。采用穩壓變壓器制作電源可使電源線路簡化，體積縮小，成本及耗電量降低，可靠性提高。在設計原理、材料、結構、工藝制造上，與普通變壓器都無大的區別，在此不再贅述。
[0044]在交流恒壓恒流模塊2中，主電路為直接執行環節，它的可靠性和穩定性影響整個系統的正常運行，主電路主要由整流電路21、逆變器22(包含智能功率模塊221和光電隔離驅動電路222)、濾波器23和采樣調整電路24四部分組成。
[0045]整流電路21采用單相橋式不可控整流電路，輸入為交流市電。
[0046]逆變器22主電路采用單相橋式全控逆變，為了避免強電與弱電信號間的相互干擾，保護芯片和控制電路穩定可靠運行，驅動電路采用光耦隔離器對強、弱電部分進行光電隔離:即經過DSP控制器處理得到的SPWM控制信號需要經過光耦隔離處理后，才能轉化為IGBT的控制信號。逆變器基本工作原理:根據操作人員控制指令，確定調制信號的周期與幅值，DSP控制器產生SPWM控制信號，經光耦驅動控制智能功率單元中的IGBT開通與關斷。將單相直流電壓逆變為單相交流電壓，從而得到所想要的交流電。
[0047]逆變器22的輸出濾波器主要是用來濾除逆變橋輸出的SPffM波中的諧波分量，本校驗儀的濾波器23選用LC濾波器，LC濾波參數的選擇必須適當。濾波時間常數越大，不僅濾波電路的體積和重量過大，而且濾波電路引起的相位滯后變大，采用閉環波形反饋控制時，整個系統的穩定性越差。反之，濾波參數選得過小，系統中的高頻分量得不到很好的抑制，輸出電壓不能滿足波形失真度的要求。由相關自控原理知，影響濾波效果的參數主要是轉折角頻率和阻尼。通常，選擇SPffM逆變器的輸出LC濾波器的轉折頻率遠遠低于逆變輸出頻率，它對逆變輸出頻率以及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。
[0048]采樣調整電路24由霍爾電流傳感器/精密采樣電阻、調整電路構成。霍爾電流傳感器具有優越電性能，是一種先進的、能隔離主電路和數字控制電路的電流檢測元件。主電路中的交流電流/電壓經過霍爾電流傳感器/精密采樣電阻轉變成一定比例的直流電壓，再經放大或縮小、濾波后進入A/D轉換通道。根據輸出反饋量和給定值在內部完成復雜的算術邏輯運算，輸出適當寬度的脈沖信號，實現逆變器的閉環控制。
[0049]控制器的設計是變送器校驗儀設計的關鍵，它是整個變送器校驗儀的控制指揮中心。控制器一方面能發布命令控制輸出量的類型(恒壓/恒流/電阻)及幅值，另一方面，它還可以接收操作人員通過控制面板輸入的控制信息，以便程序處理后去完成操作人員要求的下一步工作。同時也需要提供便于操作的人機界面，使操作人員便于設定和管理維護。
[0050]對于控制器，其主要任務是完成spmi控制，因此主要通過各類型控制器對spmi的控制性能對比來選擇控制器。其有三種較優的選擇:一是單片機，二是數字信號處理器(DSP)，三是現場可編程門陣列(FPGA)。
[0051 ]基于單片機實現SPffM，此方法控制電路可靠，利用軟件產生SPffM波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。而當今單片機的應用己經從單純依賴于51系列單片機向其它多種單片機發展，尤其以嵌入式PIC單片機的發展應用更為廣泛。PIC單片機含具有功能的外圍功能模塊(CCP)，利用此模塊更容易通過軟件實現SPWM，且具有較快的執行速度。但受硬件計算速度和算法的影響，無法兼顧計算的精度和速度。
[0052]基于DSP實現SPffM ASP事件管理器模塊中的PWM波形產生單元包含可編程死區控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形或空間矢量PWM波形。具有可編程的死區控制性能，以防止橋式驅動主電路的上下橋臂短路。同時DSP還具有強大的運算能力，因此用DSP實現SPffM功能更強，編程更靈活，且較單片機有更快的執行速度基于設計實現。
[0053]基于FPGA設計實現SPWM ASP在SP麗控制領域得到了廣泛應用，但是使用DSP單核心的控制方法仍然存在一些缺陷:基于軟件的DSP在實現SPWM觸發信號時需要較長的時鐘周期;微處理器中不確定的中斷響應會導致PWM脈沖的相位抖動。使用FPGA設計實現SPffM能很好的解決這一問題，使其性能更加優越。
[0054]綜合考慮工程實際需要及成本要求，本實用新型的變送器校驗儀采用DSP控制器，即采用DSP來實現SPWM。
[0055]在采樣控制理論中有一個重要的結論:“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同”。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。如將各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。正弦脈寬調制(SPWM)即指脈沖的寬度按正弦規律變化并且和正弦波等效的波形。正弦脈寬調制技術以其優良的傳輸特性成為電力電子裝置中調制技術的基本方式。
[0056]SPWM的控制方式包括單極性SPWM控制方式和雙極性SPffM控制方式。單極性SPffM控制方式下，在調制正弦波的半個周期內三角載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得到的SPffM波形也只在單個極性范圍內變化。雙極性SPffM控制方式下，在調制正弦波的半個周期內三角載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的SPffM波也有正有負。
[0057]單極性SPWM控制與雙極性SPffM控制相比，載波為全三角波的單極性SPffM控制波形的優點是開關頻率是載波頻率的兩倍(雙極性則相等)，即有倍頻的作用，易于濾波，并且每次開關管開通或關斷時，電壓跳動幅度減小為雙極性SPWM控制的一半。本系統采用的是單極性SPffM控制算法。
[0058]采樣實現調制方式可分為自然采樣法和規則采樣法。自然采樣法是按照SPWM控制的基本原理，在調制正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷。自然采樣法原理簡單易懂，但求解復雜，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多。規則采樣法是一種應用較廣工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量要比自然采樣法小得多。本本實用新型的便攜式變送器校驗儀采用的即是規則采樣法。
[0059]本實用新型的便攜式變送器校驗儀，可以實現對多種變送器的便捷校驗，具有多功能、體積小、質量輕、便于攜帶等特點，可顯著提高變送器校驗的快捷性、節省資金。本實用新型的便攜式變送器校驗儀在典型型號的單相交流電流變送器、單相交流電壓變送器、熱電阻溫度變送器上進行了測試，測試結果良好，達到了項目預期。該校驗儀集成了電流變送器、電壓變送器和溫度變送器的校驗功能，實現了一機多用，尤其為工作現場進行測試提供了很大的方便，具有廣闊深遠的應用前景。
[0060]本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型，而并非用作為對本實用新型的限定，只要在本實用新型的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權利要求書范圍內。
【主權項】
1.一種便攜式變送器校驗儀，外接待校驗變送器，其特征在于，所述變送器校驗儀包括穩壓變壓器、交流恒壓恒流模塊、程控電阻模塊、DSP控制器和人機界面，所述交流恒壓恒流模塊包括整流電路、逆變器、濾波器和采樣調整電路，所述逆變器包括智能功率模塊和光電隔離驅動電路，其中: 所述穩壓變壓器與所述待校驗變送器相連； 所述整流電路、智能功率模塊和濾波器的輸入端依次相連，所述濾波器的輸出端分別與所述待校驗變送器和所述采樣調整電路的輸入端相連，所述采樣調整電路的輸出端與所述DSP控制器相連； 所述智能功率模塊與所述DSP控制器相連;所述智能功率模塊還通過所述光電隔離驅動電路與所述DSP控制器相連； 所述程控電阻模塊分別與所述DSP控制器和待校驗變送器相連； 所述人機界面與所述DSP控制器相連。2.根據權利要求1所述的一種便攜式變送器校驗儀，其特征在于，所述穩壓變壓器用于將交流電源隔離、穩壓后為待校驗變送器供電； 單向交流電源經過所述整流電路轉變為直流信號，直流信號然后進入所述智能功率模塊;所述DSP控制器接收來自所述人機界面的控制信號，并把控制信號經過所述光電隔離驅動電路輸送給所述智能功率模塊，進而驅動所述智能功率模塊把直流信號轉變為單相交流正弦輸出信號，所述單相交流正弦輸出信號通過所述濾波器輸出給所述待校驗變送器； 所述程控電阻模塊主要由多路程控開關和多個精密電阻構成，所述DSP控制器通過控制多路開關的開斷實現多個精密電阻的串并聯組合，輸出不同的電阻值給所述待校驗變送器； 所述人機界面包括控制面板和顯示面板，所述控制面板用于輸入控制信號，所述顯示面板用于顯示信息。3.根據權利要求2所述的一種便攜式變送器校驗儀，其特征在于，所述單相交流正弦輸出信號包括50Hz的O?120V的交流恒壓信號和50Hz的O?5A的交流恒流信號。4.根據權利要求1所述的一種便攜式變送器校驗儀，其特征在于，所述人機界面包括電源開關、恒壓/恒流轉換、輸入設置、LED顯示屏和輸出接口，所述輸入設置包括電流設置、電壓設置和電阻設置，所述輸出接口包括電流接口、電壓接口和電阻接口。
【文檔編號】G01D18/00GK205561885SQ201620237392
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】包建新, 胡佳麗, 寧連營, 鄭曉冬, 邰能靈, 沈歆, 陸昱, 李巍峰, 吳郁, 童佳瑋, 沈微, 計杰, 喬亞興
【申請人】國網上海市電力公司