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HDGK-8高壓開關機械特性測試儀設計與校準時間方法
需求分析
測試儀配置形式采用測試儀+筆記本電腦+外部存儲器工作的工作方式;啟動電源與數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)分開,測試系統(tǒng)結構采用雙CPU的單片機組成的數(shù)據(jù)采樣及處理,時間數(shù)據(jù)采樣預留12個采樣通道,行程采樣3個采樣通道;所有測試通道可同時測試.時間通道記錄時間為10秒,模擬通道記錄時間為0.6秒.時間精度均為0.05%+1mS、分辨率為0.1mS.模擬通道的模擬量綜合測試精度為2%;基本功能可滿足電力系統(tǒng)各種斷路器的測試要求,可測量測試時間、同期、彈跳時間、次數(shù)、行程、反彈幅值、速度、操作電壓、電流、動作電壓值、機械操作等各項數(shù)據(jù)、波形等;機械特性測試儀工作時系統(tǒng)啟動采用三種觸發(fā)方式:手動、外部電壓信號、外部接點啟動.時間通道有三種記錄方式:帶電阻方式、觸點方式、電壓方式,通道間在相同記錄方式時可串聯(lián),可并聯(lián);為保證產品的精度采用新技術提高抗干擾能力:時間通道和模擬通道的電源都互相隔離,并綜合采用*抗干擾技術.可滿足多油、少油、SF6及真空等各類斷路器的測試,使測試精度高于國內同類產品;為提高數(shù)據(jù)傳輸速度:儀器配有USB口.測試數(shù)據(jù)可通過USB接口(或RS232串口)傳送到微機.完善測試儀的嵌入式軟件功能,不僅能靈活設置速度的計算范圍,還能在現(xiàn)場完成簡單的參數(shù)設置。
3、系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)通過以單片機ADUC845為核心,通過單片機對數(shù)據(jù)的采集及直流可調電源的控制來完成各種測量,然后單片機與工控板上的CPU通訊,將采集的數(shù)據(jù)傳到上位機,由上位機完成數(shù)據(jù)的處理和運算.上位機還負責人機接口(包括界面顯示,按鍵輸入,測量結果,曲線打印輸出)。
硬件框圖如圖1所示:
圖1 硬件框圖
3.1 工作原理說明
測試儀通過鍵盤輸入傳感器的參數(shù)和其他選擇的參數(shù).儀器用零延時的大功率電子接點啟動斷路器,然后同時對計時通道組計時和對模擬通道組進行采樣.并存入數(shù)據(jù)存儲器中.實時的采樣,給測量結果的正確性提供了基礎.斷路器動作完成后,經過計算由大屏幕LCD顯示計時通道和模擬通道的時間和圖形,并能通過鍵盤移動圖形上的光標,實現(xiàn)圖形的分析,并通過高速打印機隨時打印出來.單片機將采集的數(shù)據(jù)讀出并做相應的處理和運算.并將結果傳給上位機,由上位機顯示測量結果。
3.2 模擬輸入通道
模擬輸入通道是用來測量斷路器行程數(shù)據(jù)的,它使用位移傳感器(直線位移傳感器和角度位移傳感器)測量,傳感器的位移和電阻成正比.在傳感器兩端加上電壓V,輸出電壓V0即和傳感器的位移(角度)成正比.測試時,將傳感器的拉桿(直線傳感器)或轉軸(角度傳感器)與斷路器的傳動機構固定在一起,當斷路器動作時帶動傳感器滑動,電壓V0的變化就記錄了斷路器的動作軌跡.微處理器控制高速A/D轉換器經多路選擇開關對V0進行高速采樣.微處理器記錄開關動作后的數(shù)據(jù),通過計算分析在屏幕上顯示斷路器運動的波形(并能在屏幕上分析任何一段的行程與速度),所以此波形就描述了斷路器的運動狀態(tài)。
3.3 開關量輸入輸出通道
在設計中,需要檢測各斷口開關量的狀態(tài),來計算斷路器的波.為了去除干擾信號,在開關量輸入單片機前,增加光電隔離,然后進入Pl口,供單片機判斷各斷口開關量的狀態(tài),來計算斷路器的波.為了去除干擾信號,在開關量輸入單片機前,增加光電隔離,然后進入Pl口,供單片機判斷各斷口的不同期性,來調整斷口,使斷口盡量同時合閘.這樣可以保證真空斷路器的使用壽命。其工作原理見圖2所示
圖2 工作原理
3.4 通信
為了把一些重要的數(shù)據(jù)保存起來,可以通過單片機與PC機進行通訊,把數(shù)據(jù)傳給PC機,使數(shù)據(jù)保存.而單片機與PC機一般采用Rs一232c標準進行通訊連接,如圖3所示,MAX232的邏輯電平端口與單片機的串行口相連.PC機RS232的9針連接器的4腳和6腳、7腳、8腳不用連接。
圖3 串口連接圖
3.5 傳感器選擇
為了滿足不通高壓開關的需要,我們采用了3種傳感器供用戶選擇:對于行程長的開關采用光電傳感器,對于行程短且提供了測試點的高壓開關采用直線位移傳感器,沒有提供測試點的采用角位移傳感器.其中直線位移傳感器采用WYD系列直流位移傳感器.WYD系列傳感器是一種將傳感器與電子電路集成一體,封裝在高導磁精密合金殼體內、由直流電源供電、輸出標準直流電流或標準電壓的高精度傳感器.可用于測量直線位移.該傳感器不需中間放大器或信號調節(jié)器就可以直接與微機數(shù)采系統(tǒng)聯(lián)接.在使用電流輸出方式時,可遠距離傳輸信號,獲得優(yōu)良的遙測精度.WYD系列直流位移傳感器可直接與微機數(shù)采系統(tǒng)配套使用。
3.6 USB接口設計
機械特性測試儀USB口通訊采用的是Philips公司的PDIUSBD12芯片,它通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口,它還支持本地的DMA傳輸.PDIUSBD12的特性如下:符合通用串行總線USB1.1版規(guī)范;可與任何外部微控制器/微處理實現(xiàn)高速并行接口2M字節(jié)/秒;自治的直接內存存取DMA操作;主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸;在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1M字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率;具有良好EMI特性的總線供電能力;在掛起時可控制LazyClock輸出;符合ACPI OnNOW和USB電源管理的要求;內部上電復位和低電壓復位電路;雙電源操作3.3±0.3V或擴展的5V電源,范圍為3.6～5.5V;多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸;
當USB設備接入PC系統(tǒng)后,執(zhí)行USB連接程序.PC機操作系統(tǒng)接到USB口信號后,啟動USB驅動程序,然后USB設備就可以與PC機通訊了.PC機應用軟件通過USB口的4種模式與USB設備的調用請求處理程序通訊。
4、可靠性設計
在硬件的設計中,一定要充分考慮抗干擾性的要求,避免形成不可預知的錯誤,導致系統(tǒng)功能不能實現(xiàn).我們的系統(tǒng)是要用在高壓開關上的,在高壓的環(huán)境下,不免要產生很多干擾,在設計中不可忽略這些干擾,要進行相關的抗干擾設計.形成干擾的基本要素為干擾源、傳播途徑、和敏感器件.在電路抗干擾設計中,除了要選擇抗干擾能力強的器件外,還要在電路的設計和PCB的設計中注意很多設計規(guī)則.抑制干擾源是抗干擾最為有效的方法。
4.1 主要用以下的方法來抑制干擾源
⑴電路板上每個CI要并接一個0.001pF-0.1pF高頻電容,以減小CI對電源的影響.高頻電容的布線,連線應靠近電源端并盡量粗短。
⑵布線時避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射。
⑶在切斷干擾傳播途徑方面,主要有以下工作.高頻干擾噪聲可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷,有時也可加隔離光藕來解決.電源噪聲的危害最大,要特別注意處理.輻射干擾一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。
4.2 切斷干擾傳播途徑的方法
⑴MCU的部分1/0口用來控制高壓開關,高壓開關為噪聲器件,因此在I/O口與開關之間加光禍進行隔離。
⑵晶振布線十分注意.晶振與MCU引腳盡量靠近,用地線把時鐘區(qū)隔離起來,晶振外殼接地并固定。
⑶把電路板劃分為數(shù)字區(qū)與模擬區(qū),數(shù)字地與模擬地分離,最后分別用光耦與電源地連接。
⑷可以把終端模塊分成兩個板子,容易產生干擾的三相電采樣輸入部分為一塊板子上,通訊和控制模塊在另一塊板子上.這樣可以很大程度防止高壓線路上的干擾進入通訊和控制模塊。
4.3 在提高敏感器件的抗干擾性能方面,我們的設計使用了下面的方法措施
⑴布線時,電源線和地線盡量粗.這樣做除了能減小壓降外,還可以降低禍合噪聲。
⑵MCU閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源.其它CI的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。
⑶MCU盡量使用低速晶振。
⑷采用貼片CI器件,不用Cl座。
5、軟件設計
圖4 軟件工作流程
為了使儀器完成各項功能,機械特性測試儀開發(fā)了單片機嵌入式軟件,軟件開發(fā)采用了混合編程.基于89C51單片機的程序主要功能是與ADUC845單片機的程序配合完成測試斷路器斷口時間.基于ADUC845單片機的程序的主要功能是測試斷路器的行程曲線,完成參數(shù)輸入,測試結果打印、輸出、保存、顯示和與PC機的通訊功能.ADUC845軟件工作流程見圖5所示.
在工業(yè)控制及輸變電領域中,各種高壓開關、接觸器、繼電器等通斷電控制器件被廣泛應用,高壓開關的合閘時間、分閘時間、合閘同期性、分閘同期性及彈跳時間等時間參數(shù),對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作至關重要,如不引起足夠認識,輕者可致電網波動,重者導致重大用電事故。使用高壓開關機械特性測試儀對高壓開關時間參數(shù)的精確測量,從而保障用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著重大意義。機械工業(yè)部在1994年7月制定和實施的（G機械140-1993）《高壓開關機械特性測試儀檢定規(guī)程》中,規(guī)定了高壓開關各時間參數(shù)的檢定項目和檢定方法。但目前計量行業(yè)仍缺乏對高壓開關機械特性測試儀的校準裝置,針對這種現(xiàn)狀研制了高壓開關機械特性時間校驗儀,可對高壓開關機械特性測試儀的各時間參數(shù)做精確校準。
1、工作原理
時間校驗儀被檢機械特性測試儀
將被檢機械特性測試儀與時間校驗儀端子對應相連,由時間校驗儀給出合、分閘時間,合、分閘同期性及彈跳時間等時間參數(shù),同時記錄被測機械特性測試儀時間參數(shù)顯示值,即實現(xiàn)被測機械特性測試儀時間參數(shù)的校準。
2、技術指標
時間輸出開關:3路
輸出啟動電壓:DC220V
時間準確度:0.1%±10μs
時間輸出范圍:0￣999ms
彈跳輸出范圍:0￣999ms
3、功能簡介設定檢驗時間由電位器設置,顯示窗顯示。
具有檢驗時間和檢驗彈跳及三相同期性3種方式選擇。
選擇合閘(時間開關初始斷開狀態(tài))和分閘(時間開關初始閉合狀態(tài))2種啟動方式。
4、硬件設計
按下相應功能設置按鍵,調整時間電位器預置時間參數(shù),同時在數(shù)碼管顯示窗顯示出來,按下啟動鍵,CPU把控制信號通過光電耦合器傳遞給被測機械特性測試儀,讀取時間讀數(shù),計算誤差。
5、軟件設計
軟件由3個程序塊組成:數(shù)據(jù)預置程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序。
數(shù)據(jù)預置程序:時間校驗儀上電復位或手動復位后,通過對合/分閘開關、時間/彈跳開關和同期性按鍵的組合操作,可分別對合/分閘時間、合/分閘同期性和合閘彈跳5種測試狀態(tài)進行設置,調節(jié)調時電位器,經A/D轉換,在單片機上預置時間,并在數(shù)碼管上顯示出來。
數(shù)據(jù)處理程序:按下啟動按鍵,單片機產生外中斷,此時單片機的合/分閘控制端口T1、T2、T3、COM端口分別輸出相應電平。
數(shù)據(jù)顯示程序:在預置狀態(tài)顯示預置時間,按啟動鍵后啟動測試,測試結束時,數(shù)碼管顯示“END",表示測試結束。
下面以測試分閘時間為例,說明高壓開關機械特性時間校驗儀的操作及輸出波形圖。
如上圖,按規(guī)定線路正確接線,置合/分閘轉換開關為分閘,置時間/彈跳轉換開關為時間,不同期按鍵為彈起狀態(tài),通過時間設置電位器時間t,并在數(shù)碼管上顯示,按啟動鍵開始檢定,時間校驗儀顯示“END"表示檢定結束,此時被測儀器應顯示分閘時間t0,根據(jù)規(guī)程計算測量誤差,再次操作前按復位鍵,儀器恢復為初始狀態(tài),等待下一次操作。