CN108646174A - 一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套适合于高电压大电流试验环境下的数字式行程特性曲线测量系统，该系统包括高精度数字式传感器，数字‑模拟信号解码器、光电隔离放大器传输系统、Genesis暂态记录集等部分组成。其特征在于，通过数字式传感器对高压断路器在试验中的触头动作状态进行测量，测得数字信号经过转码器进行解码，运用光电隔离放大器进行传输。本系统所获的行程特性曲线具有抗干扰能力强，测量精度高的特点，在高压断路器试验中起到重要作用。

Description

一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统

技术领域

本发明属于高压断路器大容量试验技术领域，涉及一种适合高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统。

背景技术

行程特性曲线是大容量试验中的重要参数，现有的试验中，行程特性曲线是以模拟量输出进行测量的，在高电压大电流试验环境下，采集信号的干扰现象十分严重，很多时候甚至直接影响到开断点的准确查找。试验室现有的测试设备，接口输入都为模拟信号，在运用数字信号进行测量时，需要将其数字信号转化为模拟信号才可以进行测量。试验室测量系统现应用的Genesis系统，需要转码器将传感器采集数字信号转化为模拟信号，经过专用接口进行数据对接。

发明内容

本发明的目的是提供一套适合高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，解决了行程特性曲线测量过程中在高电压大电流试验环境下，信号干扰严重、采样精度不足、关键信息点捕捉不准确的缺点。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，数字式传感器、数字-模拟信号转换器、传输装置、采集装置及数据处理系统；

所述的数字式传感器连接在被试产品的转轴上，通过转轴运动测量产品触头的动作曲线，数字式传感器的引出线连接到数字-模拟信号解码器，数字-模拟信号解码器将传入的数字信号转换为模拟信号，通过传输装置进行传输后，进入采集装置，后进入数据处理系统，生成试验波形并进行自动读数。

所述的传输装置为光电隔离放大器。

所述的数字-模拟信号转换器包括数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压源，数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，得到数字量对应的模拟量；基准电压源提供电能。

所述的数字-模拟信号转换器的模拟信号输出为-5v～5v。

所述的数字-模拟信号转换器的系统电路采用STM32单片机，STM32单片机通过采集外接的编码器位置和转速数据，转换其位置为电压信号，并通过定时的采集和相应的位置信息记录其运动过程的目的，最后通过串口将数据传输到上位机以保存。

所述的数字-模拟信号转换器的机箱模拟信号输出端为双头输出，一端为BNC头，另一端为L16头输出，两个输出端做并行联接，输出电缆为屏蔽线缆。

所述的数字-模拟信号转换器的通讯电路采用RS232串口模式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的数字式行程特性曲线测量系统，包括高精度数字式传感器，数字-模拟信号解码器、光电隔离放大器传输系统、Genesis暂态记录集等部分组成。通过数字式传感器对高压断路器在试验中的触头动作状态进行测量，测得数字信号经过转码器进行解码，运用光电隔离放大器进行传输。本发明研发的测量系统，利用数字信号相比模拟信号，具有信号稳定，精度高，抗干扰性能良好的优点，采用数字式传感器采集信号，设计精确的解码器对信号进行解码，运用高精度光纤隔离放大系统传输和放大信号，最大限度的降低了电场对信号的干扰问题。得到的实验波形具有干扰小，采样精度高，特征点捕捉准确的优势。很好的满足高压断路器开断及关合试验的需求。本系统所获的行程特性曲线具有抗干扰能力强，测量精度高的特点，在高压断路器试验中起到重要作用。本发明所获得的行程特性曲线及数据，主要是在高压断路器的开断及关合试验时，表征产品触头的动作特性描述用，如在触头的动作速度计算、产品刚分或刚和点的捕捉、产品开断特性的研究等方面进行应用。该测量系统的研发在高电压试验及高压断路器研究中起到十分重要的作用。试验波形数据获取迅速，信号损耗率低，波形平滑，抗干扰性强；波形获取精度高，波形经比对，偏差率＜2％。

进一步，对于信号的影响很大，为了避免测量信号受干扰，选用信号传输装置为光电隔离放大器(HBM公司生产的BE5600系统)，该系统对信号的损耗极低，保证测量信号的能够精确获取。

附图说明

图1是适合高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统框图；

图2是数模转换器的单片机电路图；

图3是数模转换器的电源管理电路图；

图4是数模转换器的运放电路图；

图5是数模转换器的通讯电路图；

图6是数模转换器的控制程序流程图；

图7是原有测量系统测得行程特性曲线波形图；

图8是本发明测量系统测得行程特性曲线波形图；

图9是原有系统和本测量系统所测曲线波形比对图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明一种适合高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，利用数字信号抗干扰能力强，利用光纤传输信号损耗小，波形不失真的优点为基础，进行研发的一套测量系统。主要内容为测量系统回路构成，该测量系统由数字式传感器(编码器)、数字-模拟信号转换器(解码器)、传输装置(光电隔离放大器)、采集装置(暂态记录仪)、数据处理系统(数据处理软件)几部分构成。通过数字式传感器对高压断路器在试验中的触头动作状态进行测量，测得数字信号经过转码器进行解码，运用光电隔离放大器进行传输。

其中，数字式传感器选用高精度的多层旋转式编码器，传感器使用独立电源供电，保证测量到的信号不受到电场干扰影响。

编码器输出信号为数字信号，而试验室现有的采集系统的信号输入接口为±5V电压信号，这就要求要对输入的数字信号进行数模转换，将之转换为可接收的信号输入。数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。设计并制造了数模转换装置MR2000系统。对于数模转换器在试验中要求有很高的精度，避免产生波形的畸变和位移的偏差，所以需要附加转换电路对转换精度、转换误差、转换速度等方面进行校核调整。

在高电压大电流的试验场所中，电磁场干扰极为严重，对于信号的影响很大，为了避免测量信号受干扰，选用信号传输装置为光电隔离放大器(HBM公司生产的BE5600系统)，该系统对信号的损耗极低，保证测量信号的能够精确获取。

暂态记录仪及其自带的测量软件(应用Genesis波形记录仪作为采集系统、Perception自动处理软件及上位机记录软件组合作为信号处理软件系统)，可以迅速的将所测得的波形显示，软件具有精确读数和智能化捕捉关键信息点的功能。

本发明的数模转换装置MR2000系统说明：

1)系统功能：对脉冲频率最大300kHz，分辨率2500ppr的高精度传感器进行解码转换，用输出的-5v～5v电压区间对应其角度转动的位置，并采集、保存传感器的动作过程，在上位机软件上绘制出其动作曲线。同时，对每次的动作曲线可以保存、查看。

2)系统主要参数：

机箱：3U/19英寸，深350mm标准型材机箱，内部为双屏蔽。

电源：采用2块直流3.7v锂电池作为电源供电，可连续工作48小时，并配备交流220V充电器一套。

设备要求接地良好，外壳带接地螺柱。

机箱输入端为多芯航空插座，与传感器配套。

机箱模拟信号输出端为双头输出，一头为BNC头，一头为L16头输出。两个输出做并行联接，配备输出电缆2根，每根长0.5m，一根为BNC-BNC头连接，一根为L16-BNC头连接，连接需用屏蔽线缆。

机箱前面板带电源开关显示，可显示机箱带电情况。信号线要求使用屏蔽线缆。

系统外带测量系统，采样程序可直接采集测得的行程特性曲线波形，并具有最少2个点的横、纵坐标读数功能，满足系统调试功能要求。

3)电路原理：本系统电路采用STM32单片机核心，通过对外接的编码器位置和转速数据的采集，转换其位置为电压信号，并通过定时的采集和相应的位置信息达到记录其运动过程的目的，最后通过串口将数据传输到上位机以保存。

STM32单片机的主要特点如下：

内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

高效的时钟、复位和电源管理。

DMA：12通道DMA控制器。支持Timer、ADC、DAC、SPI、IIC、UART外设。

3个12位的us级的A/D转换器(16通道)。

2通道12位D/A转换器。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。

最多多达11个定时器：一般定时器、高级控制定时器、看门狗定时器、Systick定时器、倒计数器等。

最多多达13个通信接口：IIC、USART、SPI、IIS、CAN、USB2.0、SDIO等。

如图2和图3，电源管理部分：

电源管理部分，将锂电池的3.7v供电通过稳压芯片和逆变升压芯片转换为单片机工作的3.3v以及系统需要的±6v，进而为运放电路和串口通讯提供±5v和5v电压。

其中将电源电压进行分压后将入MCU的AD管脚，通过对其进行测量和处理，用来判断电池的电量情况，当电压过低时，启动指示灯报警。

如图4所示，运放电路部分：

运放电路部分的功能是根据编码器不同的位置输出相应的电压值。

具体过程为：系统将测量到的编码器位置，进行DA转换，以0-3.3V的电压输出做为运放电路的输入电压，运放电路则以±5v的范围来对应0-3.3V用以最终的设备输出，以满足后置设备的信号采集和使用。

如图5所示，通讯电路部分：

通讯电路部分采用传统RS232串口模式，与上位机软件进行连接与通讯，用来将系统采集并保存的数据发送到PC上位机，随后由上位机进行曲线的绘制、数据的保存、查看等工作。

硬件电路板：

硬件电路板采用模块设计，将单片机核心部分、电源管理部分、运放电路部分和通讯电路部分等进行了合理的设计和布局，方便辨识和核查。将模拟电路部分和数字电路部分进行了隔离，同时将各输入输出引脚全部用插座加以引出。

3.控制程序流程图

如图6所示，针对系统功能，设备的控制程序流程如下：

1)定义系统参数并初始化

进行系统初始化：包括对I/O、AD、DA、UART、TIMER以及中断、指示灯等引脚和功能模块的初始化设置。

2)采集并实时转换输出，这一进程一直持续；

3)对工作参数取值进行复位；

4)低电压测量和显示，系统锂电池供电电压小于3.2v时，系统将以红色警报灯指示其低电压状态；

5)如果电压达到采集门限，进行采集和数据保存；

6)等待上位机读取保存的数据，如果收到读取命令，则向上位机发送数据

回到第4步，进行下一个采集循环。

4.上位机程序

通过串口，上位机程序将系统采集的数据读取到到PC，并以曲线的形式显示出编码器的运动轨迹，并显示当前曲线任意点的数据。同时曲线数据可以被保存、调出查看。

本发明系统的原理为：数字式传感器直接连接于被试产品的转轴上，通过转轴运动测量产品触头的动作曲线，传感器引出线通过五芯插头连接到数字-模拟信号解码器，解码器将传入的数字信号精确解码转换为±5V的模拟信号，通过光电隔离系统进行传输后，进入Genesis暂态记录集，后进入测量软件，生成试验波形并进行自动读数，完成一次试验采集过程。

本发明适合高压试验环境现场使用的解码箱(数模转换装置MR2000系统)，该解码箱对数字式传感器信号进行精确解码，并且解码箱自带上位机采集程序，便于平时测量调试工作的进行、解码箱为金属全封闭双屏蔽结构，保证自身的信号屏蔽效果，并设计牢靠的安全接地装置，保证其在强电场环境下能够安全有效的工作。

该系统在实际试验中进行了调试，用原有测量系统和本系统进行比对测量，以同一产品，同一档试验回路进行测量取样，得到示波图见附图7、附图8。可以看出该测量系统所测波形在信号在抗干扰特性上明显优于原有测量系统；同样选取同一产品的两套系统所得波形进行波形失真度比对，得到比对波形图见图9，图中灰色曲线为原有测量系统所测波形，蓝色为本发明系统所测波形，红色为模拟传感器±2％包络线。由图可以看出，两曲线偏差＜2％，并且本发明测量系统在信号平滑度上，远优于原有测量系统所测波形。

具体应用实例：于2016年11月3日，在西高院对新东北电器集团提供的产品进行550等级BC2试验中，应用了本发明研发的测量系统，原有测量系统测得行程特性曲线见图7，新系统测得波形见图8。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，数字式传感器、数字-模拟信号转换器、传输装置、采集装置及数据处理系统；

所述的数字式传感器连接在被试产品的转轴上，通过转轴运动测量产品触头的动作曲线，数字式传感器的引出线连接到数字-模拟信号解码器，数字-模拟信号解码器将传入的数字信号转换为模拟信号，通过传输装置进行传输后，进入采集装置，后进入数据处理系统，生成试验波形并进行自动读数。

2.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的传输装置为光电隔离放大器。

3.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的数字-模拟信号转换器包括数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压源，数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，得到数字量对应的模拟量；基准电压源提供电能。

4.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的数字-模拟信号转换器的模拟信号输出为-5v～5v。

5.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的数字-模拟信号转换器的系统电路采用STM32单片机，STM32单片机通过采集外接的编码器位置和转速数据，转换其位置为电压信号，并通过定时的采集和相应的位置信息记录其运动过程的目的，最后通过串口将数据传输到上位机以保存。

6.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的数字-模拟信号转换器的机箱模拟信号输出端为双头输出，一端为BNC头，另一端为L16头输出，两个输出端做并行联接，输出电缆为屏蔽线缆。

7.根据权利要求1所述的一种高电压大电流环境下的数字式行程特性曲线测量系统，其特征在于，所述的数字-模拟信号转换器的通讯电路采用RS232串口模式。