基于Labwindows/CVI的高壓隔離開關主回路微電阻測量的研究?

方昕

（安康學院電子與信息工程學院安康725000）

基于Labwindows/CVI的高壓隔離開關主回路微電阻測量的研究?

方昕

（安康學院電子與信息工程學院安康725000）

高壓隔離開關質量是影響工程實踐、電網安全穩定運行的重要因素，其主回路微電阻是反映隔離開關和運行狀態的重要指標。針對主回路微電阻測量較難等問題，設計了一種基于Labwindows/CVI的高壓隔離開關主回路的高精度直流微電阻測量系統。該測量采用四線法以PIC16F873A為核心外接AD7705為控制處理器，由恒流源發生裝置，電壓、電流調理電路、高精度A/D轉換器等搭建而成，測量范圍由幾十微歐到幾百微歐。通過測試表明系統測量方法安全、有效，測量結果精度高、穩定、可靠，測量誤差為0.96%。

微電阻測量；高壓隔離開關；PIC16F873A；Labwindows/CVI

Class NumberTM934

1 引言

在工程、科學研究中，高壓隔離開關是工程實踐、電網安全的重要組成部分，其中的主回路微電阻是反映高壓隔離開關的質量和運行狀態的重要指標［1］。需要在高壓隔離開關出廠前對主回路電阻進行測量，以便用于判斷其導電回路、觸頭等是否接觸或聯結可靠［2］。但由于其阻值為微歐級，在實際生產實踐中一般數字萬用表因量程和精度的限制無法測量主回路微電阻。因此，針對高壓隔離開關中主回路微電阻測量較難、測量不穩定、精確度低、可靠性差等問題，本文主要研究基于Labwin?dows/CVI的高精度高壓隔離開關主回路微電阻測量方法及設計開發了測量系統，通過試驗電阻樣品檢測來驗證測量方案及系統的可靠性、穩定性，提高測量精度。

2 測量原理及方案

2.1 測量原理

電阻的測量方法有許多，最常見的方法是伏安法，通過測量電阻兩端電壓U和恒定電流I，根據歐姆定律R=U/I來求得電阻R的值［3～4］。根據接線方法不同，伏安法可分為二線法和四線法。使用二線法測量電阻時，由于引線電阻和接觸電阻將不可避免地疊加到測量結果中，當待測電阻處于微歐級時，該部分引入的誤差可能大于待測電阻，因此此方法無法保證測量結果的精度和穩定性。為此，本文采用四線法測量主回路微電阻（如圖1所示），電壓引線應盡可能接近待測電阻，可有效地消除引線電阻和接觸電阻所致誤差［3］。

圖1四線法測電阻

2.2 測量方案

由于高壓開關主回路微歐級電阻量級非常小（幾十到幾百微歐），若回路中通過電流較小，則觸頭兩端的電壓降很小，故要求測試儀器要具有較高靈敏度［5～7］。測量系統框圖如圖2所示，包括恒流源發生裝置、電壓和電流信號調理電路，A/D轉換電路、中央處理器模塊、上位機等。

圖2測量系統框圖

恒流源發生裝置能提供最大200A的直流測試電流，調理電路對測量得到的電壓信號、電流信號進行信號調理后再經過A/D轉換為數字信號輸出。中央處理器模塊（即下位機）采用以PIC16F873A為核心單片機，對A/D轉換器輸出的數字信號進行采集、處理，從而計算得到回路微電阻值。隨后進行液晶顯示，并通過串口發送測量結果到上位機進行統一的數據保存、數據管理等。

3 硬件電路設計

3.1 調理電路設計

調理電路由兩部分組成：一路為電壓信號放大和低通濾波（如圖3（a）所示）；一路為電流信號調理和低通濾波（如圖3（b）所示）。

電壓信號調理電路采用差分信號輸入電壓信號放大電路使用AD620［8］，±5V供電。它是一款低成本、高精度（最大非線性度40ppm）、低失調漂移（最大0.6μV/℃）測量放大器，適用于精密數據采集前端放大電路，僅需要一個外部電阻設置增益，增益范圍為1～10000，增益調節方程為

其中，RG為增益調節電阻（對應于圖中的R1）初設放大倍數為150倍。信號放大后，利用一階有源低通濾波器過濾掉高頻噪聲，低通濾波器截止頻率設置為34Hz。

圖3調理電路原理圖

主回路電流信號使用HNC-200LT型霍爾傳感器采集［9］，其線性范圍0～±300A DC，線性誤差≤±0.1%，響應時間＜1μs，輸出與輸入電流比為1∶2000。當輸入電流為100A時，輸出電流為50mA，在30Ω采樣電阻上產生1.5V電壓。為避免后級電路對輸出采樣精度的影響，對其進行電壓跟隨后再低通濾波，截止頻率同樣設置為34Hz。

3.2 A/D轉換電路設計

本文采用Microchip公司生產的PIC16F873A作為測量模塊的核心處理器。其內部集成了3路I/O端口，有4K的Flash，192字節的Data Memory，128字節的EEPROM，功能模塊、運算速度和存儲空間都能夠滿足系統設計的需求［10～11］。

A/D轉換器的位數決定轉換電壓的精度，對整個系統的測量精度至關重要。測量微電阻時阻值越小，A/D轉換器的位數要求越高。但由于PIC16F873A內部A/D轉換位數只有10位，無法滿足測量要求，故本系統采取在PIC16F873A核心外部自制外接A/D采集芯片AD7705為A/D轉換，從而滿足微電阻測量精度要求。該芯片采用Σ-Δ技術，可以獲得16位無誤碼數據輸出；采用與SPI兼容的三線串行接口，能方便地與單片機進行連接。此外其還有兩個比較獨特的優點［12～13］：第一，模擬輸入前端有可編程增益放大器PGA（可編程增益范圍為1～128），能直接將傳感器的不同擺幅范圍內的信號放大到接近A/D轉換器的滿量程電壓再進行A/D轉換。第二，內部集成有數字濾波器，可以通過配置其內部的相關寄存器來設置數字濾波器的截止頻率，提供了自校準和系統校準兩種功能選擇，有助于提高A/D轉換質量。

AD7705芯片具有很高的性價比，適用于低頻測量，采集的兩路信號均為直流信號，采樣率由選定的增益和時鐘頻率決定，輸出更新率由A/D片內寄存器配置決定，最大不超過500 Hz。系統在采樣時用AD780為AD7705提供基準電壓，AD780是一款具有超低溫漂、低功耗、耐用等優點的高精度基準電壓芯片，可提供8腳懸空的2.5V或接地3V的電壓。本系統將8腳懸空處理，其基準電壓為2.5V。圖4所示為系統AD7705數據采集電路連接圖，當電壓信號送入通道1時，電流信號送入通道2，RC0作為AD7705的復位信號輸出，RA3作為查詢AD7705數據轉換完成的標志位。當數據轉換完成后，DRDY引腳由高電平變為低電平，單片機可將數據讀取。

圖4AD7705數據采集電路原理圖

4 軟件設計

測量系統的軟件主要由兩部分組成：單片機測量模塊程序設計和上位機Labwindows/CVI程序設計。測量程序包括主程序、系統初始化（端口初始化、SPI通訊初始化、SCI串行通訊初始化）、A/D轉換程序、數據處理程序、阻值判斷程序、液晶顯示程序等，實現了信號采集、數據處理、測量結果顯示及上傳功能，其程序流程圖如圖5所示。恒流源輸出穩定電流后開始采集信號，每采集二十次進行一次運算得到回路電阻并液晶顯示結果，然后將測試數據傳送到上位機。

本測量系統通過上位機程序統一管理各模塊測試結果，具有顯示、查詢、生成測試報告等功能。利用LabWindows/CVI設計開發的這款界面友好、操作方便的測量系統能方便地顯示測量數據，如圖6所示。管理界面包括數據顯示、串口配置、命令；數據顯示中顯示每次數據采集處理的回路電阻、測試電流等。命令主要用于接收單片機的測量結果，并進行數據顯示及保存、查詢數據等。串口配置可以設置串口號、波特率、數據位數等。

圖5單片機測量模塊程序流程圖

圖6上位機操作界面

5 測量結果及分析

測量中電阻試驗樣品用紅銅材料制作完成了A-A'、B-B'、C-C'、D-D'、E-E'、F-F'六對待測電阻樣品和一對G-G'測試電流接線端子，并在計量局進行標定，結果如表1所示。從表中可看出，樣品的阻值范圍符合待測高壓隔離開關主回路微電阻范圍。

表1 試驗電阻樣品標定結果

使用本測量系統對這六對試驗樣品分別進行了五次重復測量，在評定時以標定的結果作為電阻標準值，將實際測量值與標準值進行比較可以得到絕對誤差，整體測量結果如表2所示。

表2 電阻樣品測量數據

根據文獻［14～16］中定義，從表中測量數據可以計算得到在所測試的六個區間中，最大標準偏差為sm(Ri)=2.2μΩ，回路電阻測量的隨機誤差為

其中，k取3（即置信概率p=0.99）。

回路電阻值測量的絕對誤差的最大絕對值為

回路電阻測量環節的最大引用誤差（即系統誤差）為

根據上面計算出的重復性誤差和系統誤差，再計算可得，回路電阻測量環節的綜合誤差（即準確度）為

綜合上述，計算結果可知此回路電阻測量系統的準確度為0.96%。

6 結語

本文設計的基于Labwindows/CVI的高壓隔離開關主回路微電阻測量方案及測量系統性能穩定，能精確有效測量幾十到幾百微歐的主回路電阻，以單片機為主控制器能較好與上位機通信，發揮了其優勢，上位機界面友好，數據管理方便，且測量方法安全、有效，彌補了傳統儀器對高壓隔離開關主回路微電阻測量的不足。利用試驗樣品對該測量儀進行實驗測試，測試結果表明該回路電阻測量系統準確度為0.96%，說明測量方法、測量中主要的調理電路設計、A/D轉換電路設計、選取的數據采集芯片、上位機的Labwindows/CVI程序設計均符合系統研究和應用過程中高壓隔離開關主回路微電阻測量對穩定性、精確度、可靠性的要求，能較好反映高壓隔離開關的質量和運行狀態。

［1］李洋，王俏華，徐楠，等.1 000 kV特高壓斷路器回路電阻測量方法的改進［J］.高壓電器，2016，52（7）：46-51. LI Yang，WANG Qiaohua，XU Nan，et al.Improvement of the Loop Resistance Measurement for 1000 kv UHV Cir?cuit Breaker［J］.High Voltage Apparatus，2016，52（7）：46-51.

［2］張一軍，徐勇俊，趙壽生，等.高壓隔離開關接觸電阻帶電測量裝置［J］.電世界，2016（1）：22-23. ZHANG Yijun，XU Yongjun，ZHAO Shousheng，et al. Electricity Measuring Device of High Voltage Isolating Switch Contact Resistance［J］.Electric World，2016（1）：22-23.

［3］晉春，王欣，孫俊，等.基于MSP430F247的微小電阻測試儀設計［J］.微計算機信息，2010，26（41）：95-97，102. JIN Chun，WANG Xin，SUN Jun，et al.Design of a Micro Resistance Measuring Instrument based on MSP430F247［J］.Microcomputer Information，2010，26（41）：95-97，102.

［4］吳文全，葉曉慧.μΩ級小電阻測量方法研究［J］.電測與儀表，2003，40（455）：26-45. WU Wenquan，YE Xiaohui.Research on Measuring Meth?od of μΩ Low Resistance［J］.Electrical Measurement& Instrumentation，2003，40（455）：26-45.

［5］黃聿琛，阮江軍，邱志斌，等.隔離開關操動機構電機輸出軸扭矩和電流關系的研究［J］.高壓電器，2015，51（6）：139-144. HUANG Yuchen，RUAN Jiangjun，QIU Zhibin，et al.Re?search of Relationship Between Torque and Current of Mo?tor Output Shaft of Isolating Switch Actuating Mechanism［J］.High Voltage Apparatus，2015，51（6）：139-144.

［6］邱志斌，阮江軍，黃道春，等.GW6-252型隔離開關操作絕緣子動態應變特性［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2015，43（1）：80-84. QIU Zhibin，RUAN Jiangjun，HUANG Daochun，et al. Dynamic Strain Characteristics of GW6-252 type Isolating Switch Operation Insulator［J］.Journal of Huazhong Uni?versity of Science and Technology，2015，43（1）：80-84.

［7］徐勇俊，謝成，張一軍，等.隔離開關接觸電阻帶電測量裝置的研制與應用［J］.浙江電力，2016，35（4）：25-28. XU Yongjun，XIE Cheng，ZHANG Yijun，et al.Develop?ment and Application of Live Contact Resistance Measure?ment Unit of Disconnector［J］.Zhejiang Electric，2016，35（4）：25-28.

［8］張朵，許宜申，吳茂成，等.基于四線測量法的智能微電阻測試儀設計［J］.電測與儀表，2015（10）：29-34. ZHANG Duo，XU Yishen，WU Maocheng，et al.Design of Intelligent Micro-resistance Test Based on Four-line Method［J］.Electrical Measurement&Instrumentation，2015（10）：29-34.

［9］Zhang X J，Jin S J，Chen S L，et al.Application of Preci?sion Constant Current Source Based on AD620 in Measure of Pipeline Coat［J］.Instrumentation Technology，2002.

［10］王瑞峰，米根鎖.霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用［J］.儀器儀表學報，2006，27（s1）：312-313. WANG Ruifeng，MI Gensuo.Application of hall sensors in direct current detection［J］.Chinese Journal of Scientif?ic Instrument，2006，27（s1）：312-313.

［11］Akkaya R，Kulaksiz A A.A microcontroller-based stand-alone photovoltaic power system for residential ap?pliances［J］.Applied Energy，2004，78（4）：419-431.

［12］車煥，馬少華，饒攀.軌道交通真空斷路器電磁機構控制器的設計［J］.電氣技術，2016（3）：10-12. CHE Huan，MA Shaohua，RAO Pan.Design of Electro?magneticMechanismControllerofVacuumCircuit Breaker for Rail［J］.Electrical Engineering，2016（3）：10-12.

［13］劉偉，張存善.基于PIC單片機和AD7705的高精度信號采集系統設計［J］.電子設計工程，2011，19（2）：185-188. LIU Wei，ZHANG Cunshan.Design of high precision signal acquisition system based on PIC microcontroller and AD7705［J］.Electronic Design Engineering，2011，19（2）：185-188.

［14］曾軒，董延華.基于AD7705的高精度極微弱信號A/D轉換的電路的設計［J］.吉林師范大學學報（自然科學版），2014（4）：185-188. ZENG Xuan，DONG Yanhua.The Design of Extremely Weak Signal A/D Conversion Circuit Based on AD7705 High Precision Chip［J］.Jilin Normal University Journal（Natural Science Edition），2014（4）：185-188.

［15］申忠如，郭福田，丁暉.現代測試技術與系統設計［M］.西安：西安交通大學出版社，2006. SHEN Zhongru，GUO Futian，DING Hui.Modern Test?ing Technology and System Design［M］.Xi'an：Xi'an Ji?aoTong University Press，2006.

［16］李慎安，原國家計量局.測量不確定度理解與應用合并樣本標準偏差與測量不確定度評定［J］.中國計量，2006（3）：75-77. LI Shenan，Former National Bureau of Measurement.Un?certainty Measurement Understanding and Application on Standardized Deviations of Combined Samples and Measurement Uncertainty Evaluation［J］.China Metrolo?gy，2006（3）：75-77.

Micro Main Loop Resistance Measuring for High-voltage Disconnector Based on Labwindows/CVI

High-voltage disconnector is a very important control and security device in power systems，whose main loop resis?tance is a significant parameter to reflect its performance and running state.In order to measure the micro-ohm resistance，a micro main loop resistance measuring instrument is presented for high-voltage disconnector based on Labwindows/CVI in this paper.The measuring instrument based on four-line method is designed taking PIC16F873A and AD7705as the core control processor，which is consist of a constant current source device，current and voltage conditioning circuit，high precision A/D converter module.The measuring range is from dozens to hundreds of micro ohm.The experiment shows that the measurement method is safe and effective，and the measurement results are accurate，stable and reliable.In addition，the maximum error of measurement is 0.96%.

micro-ohm resistance measurement，high-voltage disconnector，PIC16F873A，Labwindows/CVI

TM934

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.039

2017年1月10日，

2017年2月27日

國家自然科學基金項目（編號：51377125）；陜西省教育廳項目（編號：12JK0536；16JK1016；16JK1015）；陜西省青年科協項目（編號：2015110）；安康學院培育項目（編號：2016AYPYZX09）；安康學院高層次人才項目（編號：2016AYQDZR06）資助。

方昕，女，碩士，講師，研究方向：測量、數據處理、智能算法。

FANG Xin

（Department of Electronic and Information Engineering，Ankang University，Ankang725000）