JZB型交直流电表校验装置研制

1、精密交直流电表校验装置研制陈万才1，朱自科1，李亚娟1（1. 云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228）摘要：本文介绍云南省计量院研制的适用于模拟、数字等各原理仪表校验的JZB型精密多功能交直流电表校验装置。在介绍装置的构成及性能指标的基础上，重点叙述了构成装置的9080型交直流标准表、交直流功率源的基本原理、电路特点及程控软件设计；给出了各部分的技术指标；介绍了装置的应用情况。关键词：交直流；校验装置；标准表；交直流功率源；程控软件The development of precise AC and DC electric instrument calibration install

2、mentChen Wancai1,Zhu zike1,Li Yajuan1(Yunnan Technological Research Institute of Metrology & Measurement,Kunming 650228,Yunnan,China)Abstract: This paper has introduced JZB type multifunctional and precise alternating and direct electric instrument calibration installment that one kind applies t

3、o various principles instruments verifies such as simulation, digital and so on. In introducing of the installment constitution and the technical characteristic foundation, the paper has emphasis narrated basic measurement principle, the hardware electric circuit characteristic and the program contr

4、ol software design of core standard instrument of the installment that is 9080 alternating and direct standard instrument and alternating and direct electric power source, given technical specification of every part , explained that the calibration installment satisfies verifies standard of each mea

5、suring appliance.Key words: alternating and direct current; calibration installment; standard instrument; alternating and direct electric power source; program control software0 引言电参量测量仪表是电测领域最基础、最广泛应用的仪表。校验这些仪表的标准装置也是电学计量中最基础的标准。近年来，随着电测量原理的突破及材料和芯片技术的飞速发展，电测仪表从原理、功能到精度、量程、频响等各技术环节都得到改善，多功能、宽量程、智能化

6、、高精度已成产品主流。电测产品技术的发展，也对校验装置的功能、量程、频响、准确度等技术指标，甚至程控校验、数据采集、智能化管理提出了更高的要求。本文从构成交直流电表校验装置的标准表、交直流功率源的工作原理、电路特点，到装置的功能、性能，程控校验管理软件。完整地介绍了我院研制的并得到广泛应用的交直流电表校验装置。 1 电测仪表校验通用技术要求1.1 模拟仪表校验通用技术要求模拟指示仪表根据驱动方式的不同，通常分为磁电式、电磁式、电动系、静电系及整流系等。为达到可靠校验这类仪表，检定规程对校验装置提出了如下通用技术要求：（1）测量不确定度：应小于被检表最大允许误差的1/3（k取2）；（2）辅助功率

7、电源稳定度：在30s内的稳定度应不大于被检表最大允许误差的1/10；（3）交流畸变系数、直流纹波均1%；（4）调节细度应不低于被检表最大允许误差的1/10；（5）负载能力：保证驱动仪表指针到上限，而源的波形不畸变或输出值不“失真”（标准源时，这一指标尤为重要）。（6）交流源具有变频和输出变频信号的能力。以0.1级被检表为例，标准装置应满足：测量不确定度：U0.02%，k=2；辅助功率源稳定度：0.01%/30s；调节细度：0.01%；交流畸变、直流纹波：1%。1.2 数字仪表校验通用技术要求数字仪表纷繁复杂，从工作原理、显示位数、测量速率，甚至结构档次、功能特性，均可将仪表分成很多种类。但其校

8、验的技术条件类似，指标如下：（1）测量不确定度：小于被检表最大允许误差的1/3（k取2）；（2）源稳定性及调节细度：小于被检表最大允许误差的1/5；（3）分辨率小于被检表最大允许误差的1/5； （4）交流畸变0.05%，直流纹波0.1%；（5）交流源信号在45Hz10kHz内可调；从上述技术要求可看出，无论模拟还是数字，基本技术要求是一致的。不过因为数字仪表达到的精度等级较高，因此校验数字仪表时对装置精度要求更高。在直接比较法检表中，标准表的技术指标对装置的功能和性能起决定作用。2 JZB型校验装置的构成我院研制的JZB型校验装置由数字交直流标准表、交流稳压恒流音频功率源、直流稳压源、直流恒流

9、源等，通过接线转接箱连接，在程控软件管理下，构成完整的标准装置。实现对交直流电压、电流、功率、频率、功率因数等8个电参量仪表的半程控校验和数据自动采集存储、证书打印等。各部分介绍如下： 3 9080型交直流标准表3.1 9080型标准表基本原理9080型交直流表由输入变换/采样、A/D转换及乘法累加、数据运算/处理、I/O及显示、通讯/打印接口等部分构成。原理如图1。图1 标准表原理框图 标准表测量原理根据连续周期信号的有效值定义有：是周期为T的连续信号，则的有效值（1）。整周期、同步对（1）式进行A/D离散，以整周期内有限采样点的累计量逼近得 （2）式中，N为单位周期采样次数；T为信号周期；

10、um为第m-1次的采样值；T为采样时间。在一个周期内 （3）（3）式代入（2）式得 （4）。因此，被测量有效值为：（5）；（6）；（7）。式中、为采样周期内各点的乘法累加值。由硬件乘法累加器完成。上述公式源自连续周期信号，适用于任何周期电流、电压波形，即包含了表的频响特性。 输入变换/采样电路.1 交直流电压输入电路交直流电压采用精密分压器进行衰减变换。分压器电流取0.1mA1mA；电阻采用的箔式电阻。交流变换为3 V3V；直流变换为4.5V；变换后的信号由模拟开关选择进行跟随器阻抗变换后进入A/D转换。.2 交直流电流输入电路交流电流：采用无源补偿多量程双级互感器，原理如图2。次级电流25m

11、A，采样电阻：120，精度0.01%，温漂0.6ppm/，。互感器使输入信号强弱隔离。其工作原理已在多篇文章中提及，此处不在赘述。图2 双级互感器原理图直流电流：采用由调制-检测回路、调制-解调电路、初次级回路构成的多量程直流比较仪，其原理如图3。图3 直流比较仪原理图图中是由一对几何参数相同、B-H曲线具有对称的非线性关系的105高/奥的软磁材料构成的调制-检测合金环，绕有激励/检测绕组W1，W2。用环形高导磁率的磁屏蔽盒罩住，再分别加绕初次级绕组W初，W次，形成各自回路。用50Hz-1000Hz的方波激励信号通过激励绕组将合金环激励到充分饱和，在中产生对称磁通和奇次感应电势。当W初通过电流

12、I初时，在中产生偶次叠加感应电压，由检测绕组和电路检出该信号，放大产生I次电流，进入W次进行比较补偿。根据磁路的克希荷夫第二定律有：W初I初-W次I次=H0l，式中：H0：磁环中的直流磁场强度；l：平均有效磁路长度。当达到“理想安匝平衡时”，H0l=0时，有I初=W次I次/W初。“H0l=0的程度”即安匝平衡检测灵敏度，决定了比较仪的性能。本表比较仪工作安匝100AT，次级电流45mA，灵敏度>1mAT，范围：0-100A分5档，输入变换误差：0.001%直接采用直流比较仪作为仪表的输入变换器,是9080型交直流标准表的一大技术特点。为克服输入变换电路的泄漏、感应和共模串扰等影响测量精度

13、和稳定性，对分压器、互感器采取了绝缘、双层屏蔽等措施。3.1.3 A/D转换及乘法累加由两路A/D、基准电路、16×16位四象限乘法累加器及控制电路组成。A/D采用16bit、100kHz的串行输出ADC芯片；乘法累加器采用速率250ns的硬件乘法器；时基为2.5V带隙基准，温漂0.1ppm/。A/D的串行输出，经移位寄存器送入乘法累加，累加时间决定了结果的字长。本表0.5s中断一次，累加字长为47位，故扩展了累加输出的高位锁存电路。至此，完成了信号的离散测量。 单片机控制及接口电路采用8位单片机应用系统，完成量程、功能、测量方式选择等键盘控制和数据运算/显示/传输；同时还完成仪表逻

14、辑时序控制。运算采用5字节浮点数。计算时只取47位累计值的高31位，舍去了低16位。通讯采用RS-232接口，波特率9600。可进行RS-245、USB的转换，便于实现程控操作。3.2 9080型标准表技术指标测量功能交（直）流电压、电流、功率、频率、功率因数；性能范围：电压：0750V；电流：0100A；频率：45Hz10kHz；误差：0.01%a±0.001%b，式中a为被测量值，b为测量上限值；频响：45Hz10kHz。上述指标经多次周期检定数据证明：年变差0.006%.4 交直流功率源4.1 交流功率源交流功率源由数字波形合成，数字变频、移相、调幅控制，可调时钟频率合成，功率

15、放大，反馈控制及单片机电路部分组成，原理如图4。图4 交流源框图在单片机和可调时钟电路控制下，波形合成电路输出一定频率、幅值和相位的数字I、V正弦波信号，经D/A变换、低通滤波，得到连续低失真的模拟I、V正弦信号，该信号经过由直流控制的乘法调制前置放大后，经I、V功放和耦合输出变压器，分别输出稳定的I、V信号。在这个过程中，可调时钟、波形合成、反馈控制是保证功率源品质的关键，这里重点介绍。可调时钟及波形合成可调时钟频率合成，采用直接数字频率合成器（DDS），原理框图如图5。图5 数字频率合成器原理框图这里，相位累加器为32位，取12MHz，合成频率（式中），输出即：162kHz3.6MHz，每

16、周期3600点时，对应合成波形频率45Hz1kHz。可调时钟合成频率经地址计数器进行03599的循环计数，产生3600个地址，读出存于EPROM中的离散数字，经D/A变换，形成一个完整周期的模拟信号。改变时钟频率，就可改变信号频率；改变I、V时钟差，就可调节I、V相位。 可调基准电压源和数字调幅采用直流控制（调制）的交流信号前置放大，输出是锁定在一个稳定度很高的直流信号上。输出的稳定性、幅值调节取决于该直流信号。本源中采用由16位D/A构成的可调基准电压源。如图6。图6可调基准框图通过改变DAC输入数据，调节双极性基准输出。0000H正向满度；7FFFH零点；FFFFH负向满度。满度值：

17、77;10V，非线性：±0.0015%，温漂：±2ppm/；最高调节细度为1/32767（7FFFH）0.003%。为提高调节细度，本源在基准输出回路中接入电阻分压电路。R1、R2为温漂<0.5ppm/低噪声电阻，在分压电阻R1上并联电位器Rp调节输出，调节范围<3%。调节细度优于0.001%。此可调基准电源还应用于装置的直流电流、电压源中。 反馈电路交流源中采用两级电流互感器采样进行交直流两级反馈，如图7。CT1为普通单级互感器，次级输出25mA，RL1=120，V反1=3V，属本级交流反馈。CT2为高精度双级互感器，次级电流25mA,RL2=120，Vo=3

18、V。该信号经交直流转换电路，转换成直流后跨级反馈至放大器K1，与直流基准电压比较，输出直流电压控制乘法调制器。达到稳定输出零点的目的。 交流功率源技术指标 输出幅值不稳定度 <1×10-4/1分钟； 失真度：45Hz1kHz <0.03%； 相位不稳定度 <0.01°/3分钟。4.2 直流恒流源直流恒流电流源由可调控直流基准电压源、前置预放、电流放大、采样反馈，功放电源等电路组成，原理框图如图8。图8直流恒流电流源原理框图 基本工作原理可调直流基准电压源，根据输出给定量输出所需直流电压信号，该信号经前置放大处理电路进行幅值放大后,经由多管并联的电流调整放大

19、电路进行电流放大，输出恒流电流信号。同时，串联在输出回路中的直流比较仪对信号采样，进行I/V变换，反馈至直流基准电路，与给定信号进行比较，对前置放大信号进行修正，实现功放输出电流的偏差补偿控制。进一步提高输出稳定性。比较仪变换信号也用于显示、保护检测取样。工作中，单片机根据选择的量程，控制可调基准，选择整流电源输出，提供与量程对应的功放电源值。 电路技术特点采用串接直流比较仪作为反馈，保护、显示的采样变换元件是该恒流源的主要技术特点。用比较仪进行采样变换，具有非接触，功耗小，无温漂影响，灵敏度高等特点。在该源中采用截面积15mm2的软磁合金环，制作了安匝：100AT，变比：100A/0.1A，

20、峰差灵敏度：2mAT，变换误差0.002的比较仪。从原理框图看出：恒流输出的稳定性主要取决于基准电压稳定性，误差比较放大器的灵敏度等。由串联在电流回路中的比较仪变换输出引入的跨级电压负反馈，提高了误差比较放大的灵敏度，稳定基准输出信号，从而使输出电流稳定在给定值，提高了输出稳定性。同时该信号还用于保护、显示采样。应用多档位整流电源作为功放电源是另一技术特点。由大功率整流二极管、多绕组变压器构成的多档位整流滤波电源，根据电流的档位向直流功放提供相应的供电，使功放在任何档位都工作在较低的管压降，降低了对功放三极管的参数要求，提高了电流源的工作可靠性。 恒流源技术指标输出：0100A；稳定度：0.0

21、05%/1分；交流纹波：0.05%；显示精度：0.01FS；功率：100A/2V。4.3 直流恒压电压源直流恒压电源由可调基准电压源，前置放大，电压功放，反馈，动态功放电源、输出保险电路等部份组成，原理框图如图9。图9 直流恒压源原理框图 基本工作原理 可调基准电压源根据给定量输出直流电压，该信号经电压前置放大处理后再由功放进行功率放大，经输出保险输出恒压信号。幅值大小通过调节基准电压值控制。该基准输出值同时还用来控制电源，构成前馈控制的随动输出动态功放电源。并联在电压输出回路中的电阻反馈采样信号，一路作为显示，一路送误差比较电路，与给定信号进行比较放大，形成电压负反馈，对电压前置放大进行偏差

22、补偿，使输出的电压稳定在给定值上，提高输出稳定度。 电路技术特点采用前馈控制的随动输出动态电源作为恒压源功放供电是本恒压源的最大特点。“动态”电源由电源变压器、整流滤波电路、随动输出控制电路等构成，如图10所示。图10“动态”电源原理图基准电压与反馈比较放大输出的信号经三极管D1放大后，控制由D2、D3构成的射极输出复合调态电路的基极电流，从而控制由调态管射极输出的电源电压，构成前馈控制动态随动电源。使功放电路供电处于随输出改变而改变，功放管处于恒定低管压降，提高了恒压源可靠性和稳定性。同时前馈电源控制，还提高了恒压源输出调节响应速度。 恒压源性能指标：（1）输出电压稳定度0.0023分；（2

23、）调节细度：优于0.002%；（3）功率容量，交流纹波见表1量限（V）7.53075150300450750输出电流（A）0.60.60.60.30.30.250.1交流纹波（mV）312284188150300表15 半程控校验及数据管理软件标准装置半程控校验及数据管理软件主要由通过标准RS-232串口程控9080型交直流标准表功能、数据传输交换的通信模块及根据电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程JJG 124-2005及数字多用表检定规程（审核稿）编制的数据管理、误差处理、报表证书管理数据模块及可视操作界面组成。如图11所示。人机对话模块通信模块数据模块9080标准表装置其他部分被检表

24、图11 程控软件框图5.1 软件的功能设计实现软件的开发环境是Borland公司的C+Builder6，其主要特点是：可视化界面设计，具有与Delphi相同的控件，自带的Paradox数据库可满足小型数据库开发。软件分为通信模块、数据模块和人机对话模块进行开发。 通信模块 软件与标准表通信使用的是标准RS-232串行口：比特率9600，8位数据位,一位停止位，无奇偶校验。标准表按这种指令格式，将功能、量程等信息及测量结果数据编成若干条指令，在每次测量结束发送给上位机。而上位机根据操作结果或者设定好的自动检定点将设置信息发送给标准表。对于标准RS-232串口通信，C+Builder6的TComm

25、控件具有完善的通信功能。该控件发送和接收数据都是在各自独立的线程中进行，接收到的数据通过触发TComm控件的OnRecieveData事件，通过调用处理函数即可完成相应的处理和运算。 数据库设计 软件的数据库是使用C+Builder6自带的Paradox数据库，数据库设计为三层结构：第一层证书管理、第二层量程管理、第三层结果管理，分别用于存放用户需要记录的证书对应信息以及检定结果。数据库可转换成为*txt格式数据库方便其他管理程序使用以及数据共享。 可视操作界面设计 通过C+Builder6可视化界面设计，软件实现了校验数据实时显示、历史记录查询、报表打印等可视程控操作。基本操作过程：进入主界面，首先对串行口进行设置；其次选择结果表格设置添加新表格或修改原有表格并生成对应