智能功率测量仪的设计智能功率测量仪的设计
本文所研制的智能功率测量仪以 INTEL8031 单片机为核心,采用了交流采样计算技术,以软件代替了传统仪器
中的大量硬件,将多种测量功能集于一身,文中论述了该智能功率测量仪的工作原理,在此基础上,详细介绍
了整个仪器的软硬件开发过程。最后对仪器进行了误差分析,给出了误差分析结果。
1 概述
电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源,在现代社会中起着越来越重要的作用。电测量仪是一种测量电网中电压、电
流、功率等参数的仪器,它在电力系统中起着非常重要的作用。
传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面:第一,进一步提高精度十分困难,动圈式仪表目前只能做到一级,自动
平衡仪表结构相对复杂,精度一般在 0.5 级,若采用闭环结构虽可以提高精度,但随之而来的却是结构相当复杂,成本也会大
幅提高。第二,仪器的功能单一,进行综合测量时要携带多个仪器,操作人员工作强度大。第三,无法重新写入程序,实现软
件升级,提高劳动生产率。
本课题研究的智能功率测量仪可用于在线进行交流电压电流有效值、有功功率、功率因数等电量参数的综合测量,采用LED显
示,读数直观、准确。并且程序存储器采用了EPROM,可以很容易的实现软件升级,从软件方面提高仪器精度。具有广阔的
市场和发展前景。
2 系统设计原理及其方法
2.1 交流数字化测量方法
测量[1]就是借助专用的器具,通过实验、计算来获得表征被测对象特征的某些参量的定量信息。目前,采样计算式测量方法
主要分为两类[2]:直流采样法和交流采样法。直流采样法,即采样的是经过变换后的直流量。采用直流采样法通常是通过测
量平均值来计算电压、电流有效值的。此方法软件设计简单、计算方便,对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但
是直流采样方法存在一些问题,如:测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响;整流电路参数调整困难, 而且受波
形因数的影响较大等。
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样,再用一定的数值算法求得被测量的值,它与直流采样的差别是用软件功
能代替硬件功能。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的连续曲线,其原理误差主要有两项:一项是用时间上离散的
数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差;另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差。
采用均匀采样方式对周期信号进行数字化测量时,把采样频率与信号基波频率之间是否存在整数倍的关系,称为同步采样或非
同步采样。两者间满足整数倍关系的采样称为同步采样,否则便称为非同步采样。同步采样理论上可以达到精确的信号测量和
分析的目的[3]。但实际同步采样中,尤其是在非正弦情况下,由于硬件锁相环路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的
存在,总存在同步误差。准同步采样法,即在非同步度不太大的情况下,通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量
准确度的方法,它较好地解决了同步误差对测量准确度的影响。
2.2 非同步采样算法
本仪器的设计中,采样方法采用了非同步采样技术中的非过零起始采样算法[4]。由数学分析方法可知在区间[0,T]上的复化矩
形数值求值公式为
(2—1)
复化梯形数值求值公式为
(2—2)
2.3 误差处理
在理想的线性系统中,系统的输入与输出之间成比例关系。但现实中理想的系统是不存在的,严格意义上讲,系统不但是非线
性的,而且是时变系统,非线性和时变的程度决定了仪器的精度。
本设计中采用了自校准技术[5]来消除系统误差。
在智能仪器中,利用微处理器的数据处理功能,通过专门设计的校准程序,必要时增加少量附加电路,可对仪器自身进行校
准,以消除系统误差对测量结果的影响,这种功能称为系统的自校准。在一定条件下,选择一个标准基准量代替被测信号进行
测量,从而可以得到仪器的系统误差,将误差存储起来,在以后的实际测量中扣除此系统误差,就可得消除误差后的校准值。
图 2.1 是用来克服智能仪器中增益和零漂对测量结果影响的自校准电路。
图 2.1 自动校准电路