電工電子產(chǎn)品電參數(shù)有效值測量方法探討

國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心　楊　棟　李曙光　李　皓　趙清泉

?

電工電子產(chǎn)品電參數(shù)有效值測量方法探討

國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心楊棟李曙光李皓趙清泉

在電氣參數(shù)測量中，真有效值是一個重要的電參數(shù)。真有效值檢測在工業(yè)生產(chǎn)、電網(wǎng)系統(tǒng)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的有效值測量一般采用峰值法或平均法。針對含有高次頻率諧波的失真正弦波的真有效值的測量，一般的測量儀表準(zhǔn)確度偏低。本文通過分析比較，提出了一種信號真有效值測量裝置。

有效值；測量；電壓

1　引言

在日常的設(shè)備管理、維護(hù)、維修中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備的保險熔斷、斷路器頻繁跳閘等情況。此類現(xiàn)象的發(fā)生都有其隨機(jī)性，究其原因有兩個方面。一是電路回路里真實的電流高于設(shè)備電流使用限值，但運(yùn)行中測量又是正常的。二是設(shè)備負(fù)載，在設(shè)備開啟時所產(chǎn)生的沖擊電流。總之，這種情況的發(fā)生是因為電壓過高引起的。

在實際的電壓測量中經(jīng)常會出現(xiàn)測量值比實際值低這種情況，究其原因是電子測量儀器對于失真（畸變）電壓的測量不夠準(zhǔn)確，做到精確測量有一定的難度。據(jù)有關(guān)資料介紹，波形失真度在5 %時，有效值誤差已經(jīng)大大超過±0. 5 %。對正弦波，即使存在1 % 的波形失真。也要產(chǎn)生約0.3%的誤差［1］［2］。如果，那么測量儀表就存在問題，這樣就有了真有效值的概念。

2　真有效值及其測量

真有效值（TRMS，True Root Mean Sqarel Value），是一個重要的電氣參數(shù)。有效值是根據(jù)能量等效來規(guī)定的，當(dāng)交流電壓通過電阻器時，經(jīng)過一個周期的時間所發(fā)出的熱量與直流電壓通過同一電阻器并經(jīng)過同一時間所發(fā)出的熱量相等，則對于標(biāo)準(zhǔn)電壓，該直流電壓的大小就是交流電的有效值，而對于波形失真的交流電，其值就是該交流電的真有效值，又稱為均方根值。

真有效值的測量，在我們實際生產(chǎn)，生活，交通，尤其是電力系統(tǒng)方面，有著非常重要的應(yīng)用。

電壓失真是由于非線性負(fù)荷的諧波電流造成的。由于現(xiàn)代化的發(fā)展，生活中出現(xiàn)了許多含有非線性元件的產(chǎn)品設(shè)備。如筆記本電腦，電視機(jī)，含有鎮(zhèn)流器的熒光燈，燈光調(diào)節(jié)器，常用電機(jī)速度控制器，電動車中的逆變電源等。它們在運(yùn)行時，產(chǎn)生的諧波，會對所在電網(wǎng)產(chǎn)生污染［3］。而常用的檢測設(shè)備如平均值電壓表，因為設(shè)計采用了均值法原理，而不是真有效值的原理進(jìn)行測量，則電參數(shù)測量會產(chǎn)生誤差。

另外，電子電工設(shè)備，如保險絲、導(dǎo)線、電纜，開關(guān)等都是通過在工頻下的有效值來標(biāo)定的。由于電參數(shù)測量誤差，會造成電網(wǎng)電流過大或過小，引起誤跳閘，或者引發(fā)火災(zāi)，造成設(shè)備產(chǎn)生故障，數(shù)據(jù)丟失，甚至生產(chǎn)控制癱瘓等，嚴(yán)重影響了人們的日常生活，也造成了電能的浪費(fèi)諧波會對設(shè)備所在電網(wǎng)產(chǎn)生污染，使標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生畸變。

如果用真有效值儀表來測量，就會得到其真值，也就會消減這些影響。據(jù)此，引入了真有效值的測量概念。

3　真有效值測量的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

3.1真有效值測量的發(fā)展

“平均值”法。其原理是在一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波在測量時，信號在進(jìn)行全波整流處理后得到平均值，再乘以波形因數(shù)，得到有效值［4］。這種方法被廣泛用于所有的模擬測量儀表。用這種方法測量的有效值是個近似值。對于一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波來說，相對準(zhǔn)確。對于非正弦波、含有諧波的正弦波以及有畸變的正弦波則無法準(zhǔn)確測出，只能給出一個誤差各不相同的有效值，甚至給出一個錯誤的結(jié)果。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測試水平提出更高的要求，需要測量交流信號的真有效值。根據(jù)真有效值的定義，出現(xiàn)了熱電式和運(yùn)算式的真有效值測量儀器。用這兩種方式研制的儀器轉(zhuǎn)換交流均可獲得較高的精確度。熱電式測量儀器例如基于熱電偶的熱電儀，其工作原理是熱電偶的輸出電勢與流過加熱絲的電流成平方關(guān)系。熱電式有熱電偶和熱電阻兩種，熱電偶具有溫差效應(yīng)，熱電阻具有熱敏效應(yīng)。它們作為變換元件，通過比較交、直流流過它們時產(chǎn)生的熱量而得到交流有效值。運(yùn)算式測量裝置的原理主要是基于真有效值定義。一般儀表測量原理主要是首先通過電路對輸入信號進(jìn)行處理，如衰減或者放大，或者是電流與電壓的相互轉(zhuǎn)化。然后就是對信號進(jìn)行整流，再由運(yùn)放組成的對數(shù)-反對數(shù)運(yùn)算電路對信號進(jìn)行“平方/求平均值/開平方”的運(yùn)算，再進(jìn)行濾波處理，就得到了交流信號真有效值。

隨著計算機(jī)的發(fā)展，特別是單片機(jī)的產(chǎn)生，真有效值測量也向數(shù)字化方向發(fā)展。隨著單片機(jī)和真有效值集成芯片的發(fā)展，基于單片機(jī)和真有效值轉(zhuǎn)換芯片成為真有效值測量的發(fā)展趨勢。

3.2真有效值測量研究現(xiàn)狀

目前，信號真有效值測量方法主要有電子式有效值變換器、熱電偶電橋有效值變換器、單片機(jī)逐點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)并運(yùn)算得出有效值、真有效值轉(zhuǎn)換器。

其中電子式有效值變換器主要組成是熱電阻或熱電偶，其轉(zhuǎn)化特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，頻帶寬，但對于環(huán)境及溫度有著較高的要求，適用于試驗室。

電子式有效值變換器主要運(yùn)用模擬運(yùn)算放大器組成積分器、平方器等，并通過其完成有效值的轉(zhuǎn)變。這種方法由于運(yùn)用模擬運(yùn)算發(fā)達(dá)器，所以必然存在離散性和平方電路等誤差且運(yùn)放電路易受到如零漂等干擾。

單片機(jī)逐點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)并運(yùn)算得出有效值這種方法采用AD芯片采樣，利用微處理機(jī)中的AD芯片對測信號進(jìn)行離散采樣，后通過不同采樣算法進(jìn)行運(yùn)算并得出有效值。

真有效值轉(zhuǎn)換器，如AD736系列，LTC1966系列。其具有能計算較為復(fù)雜輸入信號的有效值，電路接法簡單，精度較高，線性化良好，易于校準(zhǔn)等特性。這些性能主要?dú)w結(jié)于內(nèi)部集成芯片的出現(xiàn)，為真有效值測量的發(fā)展，注入了活力，使其向小型化，標(biāo)準(zhǔn)化，智能化方向發(fā)展。

4　一種真有效值測量方案

本方案是基于單片機(jī)構(gòu)成的一個真有效值測量。目的是設(shè)計出一種可以測量真有效值的裝置。

在闡明真有效值測量的發(fā)展及現(xiàn)狀之后，綜合了幾種方案設(shè)計了一種測量真有效值的裝置。

真有效值測量裝置示意如下：

圖1　電流真有效值檢測電路的結(jié)構(gòu)框圖

4.1信號采集電路

信號在輸入之前需經(jīng)過調(diào)制，主要作用是使得模擬信號完成衰減、放大、濾波等功能。因為在測量時，理想狀態(tài)下需要將低的信號轉(zhuǎn)化為高輸出電平值，在實際測量中，信號采集時，輸入信號一般都是比較弱的低電平值，因此需要在前期對低電平信號進(jìn)行放大，使其滿足模擬輸入信號放大到與其滿量程電壓相應(yīng)的電平這一條件。

由于本設(shè)計輸入信號是0-5ACV，要根據(jù)真有效值芯片的輸入電壓范圍來設(shè)計信號采集電路。

4.2真有效值轉(zhuǎn)換

經(jīng)過前端量程轉(zhuǎn)換電路處理的交流信號，經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片，輸出一個與交流信號等效的直流電壓信號，即為交流信號的真有效值。

4.3AD轉(zhuǎn)換

前端輸出的等效直流電壓為模擬信號，通過AD芯片對信號進(jìn)行采樣，數(shù)模轉(zhuǎn)化，以便單片機(jī)的處理。

4.4單片機(jī)數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)主要是對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便顯示，其次，單片機(jī)還要控制量程轉(zhuǎn)換開關(guān)等。

4.5測量裝置的調(diào)試和標(biāo)定

真有效值測量裝置設(shè)計搭建完成后，要對裝置進(jìn)行電路調(diào)試和標(biāo)定，使其滿足設(shè)計要求。

［1］襲學(xué)元，郭永坤.關(guān)于交流失真波電壓真有效值的測量［J］.中國知網(wǎng).

［2］楊志遠(yuǎn).電網(wǎng)電壓監(jiān)測方案.三明高等專科學(xué)校學(xué)報［J］，2004-12，21（4）: 33-37.

［3］美國Fluke公司.電能質(zhì)量與諧波測量［M］.19962122.

［4］張永瑞.電路分析基礎(chǔ)［M］.陜西:西安電子科技大學(xué)出版社，2010:183.

楊棟（1983-），男，碩士，現(xiàn)供職于國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，主要從事設(shè)備管理工作。