专利名称：全自动油介损及体积电阻率测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子仪器领域，涉及油介损测量仪器，特别是一种全自动油介损 及体积电阻率测试仪。
背景技术：
油介损及体积电阻率测量，是电力设备进行定期测量的重要项目。液体绝缘介质， 主要有变压器油、电缆油、电容器油等，通过对它们介质损耗(tgS)，体积电阻率(P)的测 量以判断其电气性能和绝缘性能，保证整个系统设备的正常运行。目前国内所用的油介质 损耗(tan δ)及体积电阻率(P)测试系统普遍存在测量准确度低、重复性差的缺点，且其 油杯恒温系统性能差。 发明内容本实用新型的目的是提供一种准确度高、重复性能好、具有良好油杯恒温系统性 能的油介损及体积电阻率一体化测试仪。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗 (tan δ )测试系统及体积电阻率(P )测试系统组成，第一单片机1与第二单片机2进行通 信，确保整个系统的有机结合。油杯恒温控制系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/ D转换电路、第二单片机2构成；油介质损耗(tan δ)测试系统，由内标准电容(Cn)及信号 取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/F变换电路、第一单片机1构成；体积电阻率 (P)测试系统，由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。本实用新型是一种高精度、全自动、便携式的智能型油介损及体积电阻率一体化 测试仪，具有测量精度高、稳定性好、操作方便、体积小、重量轻、加热时间短等诸多优点，还 可与上位机通信，将测量结果传送到PC机上进行数据保存与曲线显示。

图1本实用新型整体结构框图图2分段控制积分分离式PID算法流程图图3介损通道电路图图4为图3中各点波形图图5平衡中tan δ与温度、电容与温度的关系曲线
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细阐述。一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗 (tan δ )测试系统及体积电阻率(P )测试系统组成，其整体框图如图1所示，其中[0014]一、油杯恒温控制系统本系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/D转换电路及第二单片机 2(AT89C2051)构成。tanS及ρ与绝对温度倒数呈指数式关系(测量温度需相当准确)，且在较高 温度下会随试样加热及恒温时间而变化，通常认为初始值能较好反映液体实际状态，故要 求在温度一达到平衡时就测量。标准规定，试验温度90°C，且油样加热到温度平衡用时 < 15min。以往采用电阻炉加热油杯，热惯性大，从室温升到90°C需时> 50min，不能满足 要求。本系统用中频感应加热，分段控制的积分分离式PID算法调控温度，加热时间短、控 温准确度高。油杯采用满足标准要求的三端电极杯。中频感应加热装置利用感应涡流热效 应来加热金属油杯，通过选择合适的感应加热的电源频率，可使加热效率提高、温度分布均 勻，升温速度加快。温度传感器采用PT100钼电阻，将温度信号转换为电阻信号后经R/V转 换电路转换为电压信号，再经A/D转换电路转换为单片机可接收的数字信号后输入第二单 片机2，第二单片机2将采样温度与第一单片机1(可完成油tan δ及ρ测量、液晶显示、打 印、键盘处理、温度设定等)传来的温度设定值比较，进行PID控制算法计算，输出控制信号 给光耦，以控制中频感应加热电路的通与断。PID控制运算程序是本设计的关键，因采用感应加热后油杯升温较快，而传感器采 样有一定的滞后，故用分段控制的积分分离式PID算法(程序流程图见图2)，控制过程分为 3个不同的控制策略阶段①Ts < Tc时为全加热方式，单位采样周期输出满200个加热脉 冲，以快速升温 ’②Tc < Ts < Tb时采用纯PD控制，选择合适的比例系数Κρ、微分系数Kd 以缓冲加热；③Ts > Tb时采用积分分离式PI D控制，偏差较大时执行PD算法，偏差较小时 将积分作用(积分系数为Ki)引入，执行PID算法，以降低被控制量的超调量并快速平衡。 其中Tb与Tc根据系统特性选择，且Tc < Tb < Tr。Kp、Ki、Kd的整定采用凑试法，根据大 量温控实验结果最后选择Kp = 4. 0, Ki = 0. 0015, Kd = 0. 04。其中Ts:采样温度 Ta:分段设定值a Tb 分段设定值bTc 分段设定值c Tr 目标温度值二、油介质损耗(tan δ )测试系统该系统由内标准电容(Cn)及信号取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/ F变换电路、第一单片机1构成。测量tan δ取消传统上的U和I相位差法，采用在油杯和仪器内部零介损标准电 容(Cn)上施加同样的电压，再分别取油杯电流(Ix)信号和Cn的电流(In)信号，分别经过 滤波、信号放大、过零比较电路变成两方波信号.再由鉴相电路测量两方波信号的脉宽差 Δ t，送给第一单片机1计数得Ni，且对In的Τ/2 (T为信号周期)计数得N2，则tan δ =
Χ(Ν2-Ν1)/Ν2)。同时，信号放大电路输出的信号经V/F变换后输入给第一单 片机1计数，根据标准信号与测量信号的计数比值来计算试品的电容值C。为提高介损测量精度采取如下方法(1)本产品设计采用了 X通道(油杯信号通道)和N通道(内标准通道)两个通 道同时测量，加快了测量速度，并用In信号在测量过程中同时过X通道自校法来抵消不同 通道带来的误差(如图1中的信号切换通道)。(2)为避免干扰信号作用于模拟信号之后使测量值偏离真实值，系统中还采用了数字滤波器，通过对连续采样得到Ix和In电流信号的相位差进行排序(本仪器共连续采 样31次)，选取中间位置的采样值为有效值，经过第一单片机1处理运算后得到介损值和电容值。(3)在过零检测后加整形变成方波信号，用74HC74构成脉冲展宽以增加计算值， 提高精度。用74HC27和74HC10组成鉴相器，把Ix和In的相位差变为相位脉冲，再以3MHz 时钟脉冲(6M震荡信号二分频)作为计数脉冲，采样分辨率可达10_5。相位脉冲与计数脉 冲经过与非门后就填充了计数脉冲，最后送给单片机计数、处理。具体波形如图4，A为In 展宽后的波形，B为Ix展宽后的波形，C为鉴相器输出波形，E为In展宽后被计数脉冲填充 的计数波形，计数值可通过74LS393到第一单片机1的Pl. 0 Pl. 3和计数器TO计数X得 至IJ。公式如下N2 = XX16+P1. 0X2°+P1. 1X21+P1. 2X22+P1. 3X23(公式 1)D 为 Ix 展宽后被计 数脉冲填充的计数波形，计数值可通过74LS393到第一单片机1的Pl. 4 Pl. 7和计数器 Tl计数N得到。公式如下Nl = NX 16+P1. 4X 2°+Ρ1. 5 X 21+P1. 6 X 22+Ρ1. 7 X 23 (公式 2) Ix 和 In 相位差对应 的计数值可以通过D和E信号进行计数获得，公式如下 相位差 介质损耗角 介损值: (4)采用软件修正固定误差。三、体积电阻率(P )测试系统该系统由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。按规定测量时极间直流电场强度为200 300V/mm，仪器的油杯间距为2mm，通过 对油杯内外壁两极间施加直流电压500V，分别对内标电阻Rn和油杯中绝缘油流过的电流 信号进行采样。经过电路中的V/F转换，最后把转换频率送给第一单片机1进行计数，求得 两个信号的比值来获得油的体积电阻R，而体积电阻率P = 11. 3QR(其中Ctl为油杯的空杯 电容量)。为了达到较好的线性度，对测量信号进行了不同倍数的档位切换，采用MAX7650 做电流采样放大器。四、通信功能为了真实传递绝缘油在不同温度下的介损值和电容值，特做了上位机软件，当在 仪器功能选择通信测量过程的时候，每当温度上升5°C就会进行一次电容值和介损值的测 量，并由第一单片机1把每次测量的数据传给上位机，在电脑上生成温度和电容及介损的 曲线图，非常直观的显示出温度影响关系。五、实验结果两个不同油杯3种不同油样的测量结果(见下表)，可见系统测量稳定性好、准确 度高，两个油杯的数据差异主要来自其自身的空杯介损的不同。图5中为3种油样从室温 加热到901平衡中切115与温度、电容与温度的关系曲线。由此可见油介损受温度影响很 大，温度越高油介损越大，但是温度平衡后所测的介损值比接近平衡时要小。此外油介损还受湿度等其他环境因素的影响，而油电容值基本不受温度的变化影响，另外油杯恒温控制 系统能使油样在15min内到达90°C平衡，完全满足油介损测量中的控温要求。本实用新型以51单片机为核心，应用数字滤波、高准确度V/F变换等电路及通道 自校准、先进抗谐波等技术，有效提高了测量准确度及稳定性，采用以分段控制的积分分离 式数字PID算法为核心的油杯恒温控制系统，有效降低了油杯恒温动态过程时间。该测试 系统通过通信设计与恒温控制系统有机结合为一体。操作方便，还可与上位机通信，将测量 结果传送到PC机上进行数据保存与曲线显示。
权利要求一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，其特征在于由油杯恒温控制系统和油介质损耗(tanδ)测试系统及体积电阻率(ρ)测试系统组成，其中；油杯恒温控制系统由油杯、中频感应加热装置、采温电路、A/D转换电路及第二单片机(2)构成；油介质损耗(tanδ)测试系统由内标准电容(Cn)及信号取样、滤波、信号放大、过零检测、鉴相电路及V/F变换电路、第一单片机(1)构成；体积电阻率(ρ)测试系统由内标准电阻(Rn)及信号取样、滤波、信号放大、V/F变换电路构成。
2.根据权利要求1的测试仪，其特征在于，所述的油杯系采用三端电极杯。
3.根据权利要求1的测试仪，其特征在于，所述的中频感应加热装置，其温度传感器采 用PTlOO钼电阻。
专利摘要一种全自动油介损及体积电阻率测试仪，是由油杯恒温控制系统和油介质损耗tanδ测试系统及体积电阻率ρ测试系统组成，本设计放弃了以往采用电阻炉加热油杯和取消传统上测量tanδ的U和I相位差法，利用中频感应加热和PID算法调控温度，采用在油杯和内标准电容Cn以及内标准电阻Rn和油杯绝缘油进行电流信号采样，以51单片机为核心，使本实用新型具有测量精度高、稳定性好、操作方便、体积小、重量轻、加热时间短等诸多优点，形成一种全自动、便携式的智能型油介损及体积电阻率一体化测试仪，具有很高的开发应用价值。
文档编号G01R27/22GK201589817SQ20092018320
公开日2010年9月22日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者蔡国清, 邓本辉 申请人:福建省普华电子科技有限公司