基于Labwindows/CVI的高压隔离开关主回路微电阻测量的研究∗

方昕

（安康学院电子与信息工程学院安康725000）

基于Labwindows/CVI的高压隔离开关主回路微电阻测量的研究∗

方昕

（安康学院电子与信息工程学院安康725000）

高压隔离开关质量是影响工程实践、电网安全稳定运行的重要因素，其主回路微电阻是反映隔离开关和运行状态的重要指标。针对主回路微电阻测量较难等问题，设计了一种基于Labwindows/CVI的高压隔离开关主回路的高精度直流微电阻测量系统。该测量采用四线法以PIC16F873A为核心外接AD7705为控制处理器，由恒流源发生装置，电压、电流调理电路、高精度A/D转换器等搭建而成，测量范围由几十微欧到几百微欧。通过测试表明系统测量方法安全、有效，测量结果精度高、稳定、可靠，测量误差为0.96%。

微电阻测量；高压隔离开关；PIC16F873A；Labwindows/CVI

Class NumberTM934

1 引言

在工程、科学研究中，高压隔离开关是工程实践、电网安全的重要组成部分，其中的主回路微电阻是反映高压隔离开关的质量和运行状态的重要指标［1］。需要在高压隔离开关出厂前对主回路电阻进行测量，以便用于判断其导电回路、触头等是否接触或联结可靠［2］。但由于其阻值为微欧级，在实际生产实践中一般数字万用表因量程和精度的限制无法测量主回路微电阻。因此，针对高压隔离开关中主回路微电阻测量较难、测量不稳定、精确度低、可靠性差等问题，本文主要研究基于Labwin⁃dows/CVI的高精度高压隔离开关主回路微电阻测量方法及设计开发了测量系统，通过试验电阻样品检测来验证测量方案及系统的可靠性、稳定性，提高测量精度。

2 测量原理及方案

2.1 测量原理

电阻的测量方法有许多，最常见的方法是伏安法，通过测量电阻两端电压U和恒定电流I，根据欧姆定律R=U/I来求得电阻R的值［3～4］。根据接线方法不同，伏安法可分为二线法和四线法。使用二线法测量电阻时，由于引线电阻和接触电阻将不可避免地叠加到测量结果中，当待测电阻处于微欧级时，该部分引入的误差可能大于待测电阻，因此此方法无法保证测量结果的精度和稳定性。为此，本文采用四线法测量主回路微电阻（如图1所示），电压引线应尽可能接近待测电阻，可有效地消除引线电阻和接触电阻所致误差［3］。

图1四线法测电阻

2.2 测量方案

由于高压开关主回路微欧级电阻量级非常小（几十到几百微欧），若回路中通过电流较小，则触头两端的电压降很小，故要求测试仪器要具有较高灵敏度［5～7］。测量系统框图如图2所示，包括恒流源发生装置、电压和电流信号调理电路，A/D转换电路、中央处理器模块、上位机等。

图2测量系统框图

恒流源发生装置能提供最大200A的直流测试电流，调理电路对测量得到的电压信号、电流信号进行信号调理后再经过A/D转换为数字信号输出。中央处理器模块（即下位机）采用以PIC16F873A为核心单片机，对A/D转换器输出的数字信号进行采集、处理，从而计算得到回路微电阻值。随后进行液晶显示，并通过串口发送测量结果到上位机进行统一的数据保存、数据管理等。

3 硬件电路设计

3.1 调理电路设计

调理电路由两部分组成：一路为电压信号放大和低通滤波（如图3（a）所示）；一路为电流信号调理和低通滤波（如图3（b）所示）。

电压信号调理电路采用差分信号输入电压信号放大电路使用AD620［8］，±5V供电。它是一款低成本、高精度（最大非线性度40ppm）、低失调漂移（最大0.6μV/℃）测量放大器，适用于精密数据采集前端放大电路，仅需要一个外部电阻设置增益，增益范围为1～10000，增益调节方程为

其中，RG为增益调节电阻（对应于图中的R1）初设放大倍数为150倍。信号放大后，利用一阶有源低通滤波器过滤掉高频噪声，低通滤波器截止频率设置为34Hz。

图3调理电路原理图

主回路电流信号使用HNC-200LT型霍尔传感器采集［9］，其线性范围0～±300A DC，线性误差≤±0.1%，响应时间＜1μs，输出与输入电流比为1∶2000。当输入电流为100A时，输出电流为50mA，在30Ω采样电阻上产生1.5V电压。为避免后级电路对输出采样精度的影响，对其进行电压跟随后再低通滤波，截止频率同样设置为34Hz。

3.2 A/D转换电路设计

本文采用Microchip公司生产的PIC16F873A作为测量模块的核心处理器。其内部集成了3路I/O端口，有4K的Flash，192字节的Data Memory，128字节的EEPROM，功能模块、运算速度和存储空间都能够满足系统设计的需求［10～11］。

A/D转换器的位数决定转换电压的精度，对整个系统的测量精度至关重要。测量微电阻时阻值越小，A/D转换器的位数要求越高。但由于PIC16F873A内部A/D转换位数只有10位，无法满足测量要求，故本系统采取在PIC16F873A核心外部自制外接A/D采集芯片AD7705为A/D转换，从而满足微电阻测量精度要求。该芯片采用Σ-Δ技术，可以获得16位无误码数据输出；采用与SPI兼容的三线串行接口，能方便地与单片机进行连接。此外其还有两个比较独特的优点［12～13］：第一，模拟输入前端有可编程增益放大器PGA（可编程增益范围为1～128），能直接将传感器的不同摆幅范围内的信号放大到接近A/D转换器的满量程电压再进行A/D转换。第二，内部集成有数字滤波器，可以通过配置其内部的相关寄存器来设置数字滤波器的截止频率，提供了自校准和系统校准两种功能选择，有助于提高A/D转换质量。

AD7705芯片具有很高的性价比，适用于低频测量，采集的两路信号均为直流信号，采样率由选定的增益和时钟频率决定，输出更新率由A/D片内寄存器配置决定，最大不超过500 Hz。系统在采样时用AD780为AD7705提供基准电压，AD780是一款具有超低温漂、低功耗、耐用等优点的高精度基准电压芯片，可提供8脚悬空的2.5V或接地3V的电压。本系统将8脚悬空处理，其基准电压为2.5V。图4所示为系统AD7705数据采集电路连接图，当电压信号送入通道1时，电流信号送入通道2，RC0作为AD7705的复位信号输出，RA3作为查询AD7705数据转换完成的标志位。当数据转换完成后，DRDY引脚由高电平变为低电平，单片机可将数据读取。

图4AD7705数据采集电路原理图

4 软件设计

测量系统的软件主要由两部分组成：单片机测量模块程序设计和上位机Labwindows/CVI程序设计。测量程序包括主程序、系统初始化（端口初始化、SPI通讯初始化、SCI串行通讯初始化）、A/D转换程序、数据处理程序、阻值判断程序、液晶显示程序等，实现了信号采集、数据处理、测量结果显示及上传功能，其程序流程图如图5所示。恒流源输出稳定电流后开始采集信号，每采集二十次进行一次运算得到回路电阻并液晶显示结果，然后将测试数据传送到上位机。

本测量系统通过上位机程序统一管理各模块测试结果，具有显示、查询、生成测试报告等功能。利用LabWindows/CVI设计开发的这款界面友好、操作方便的测量系统能方便地显示测量数据，如图6所示。管理界面包括数据显示、串口配置、命令；数据显示中显示每次数据采集处理的回路电阻、测试电流等。命令主要用于接收单片机的测量结果，并进行数据显示及保存、查询数据等。串口配置可以设置串口号、波特率、数据位数等。

图5单片机测量模块程序流程图

图6上位机操作界面

5 测量结果及分析

测量中电阻试验样品用红铜材料制作完成了A-A'、B-B'、C-C'、D-D'、E-E'、F-F'六对待测电阻样品和一对G-G'测试电流接线端子，并在计量局进行标定，结果如表1所示。从表中可看出，样品的阻值范围符合待测高压隔离开关主回路微电阻范围。

表1 试验电阻样品标定结果

使用本测量系统对这六对试验样品分别进行了五次重复测量，在评定时以标定的结果作为电阻标准值，将实际测量值与标准值进行比较可以得到绝对误差，整体测量结果如表2所示。

表2 电阻样品测量数据

根据文献［14～16］中定义，从表中测量数据可以计算得到在所测试的六个区间中，最大标准偏差为sm(Ri)=2.2μΩ，回路电阻测量的随机误差为

其中，k取3（即置信概率p=0.99）。

回路电阻值测量的绝对误差的最大绝对值为

回路电阻测量环节的最大引用误差（即系统误差）为

根据上面计算出的重复性误差和系统误差，再计算可得，回路电阻测量环节的综合误差（即准确度）为

综合上述，计算结果可知此回路电阻测量系统的准确度为0.96%。

6 结语

本文设计的基于Labwindows/CVI的高压隔离开关主回路微电阻测量方案及测量系统性能稳定，能精确有效测量几十到几百微欧的主回路电阻，以单片机为主控制器能较好与上位机通信，发挥了其优势，上位机界面友好，数据管理方便，且测量方法安全、有效，弥补了传统仪器对高压隔离开关主回路微电阻测量的不足。利用试验样品对该测量仪进行实验测试，测试结果表明该回路电阻测量系统准确度为0.96%，说明测量方法、测量中主要的调理电路设计、A/D转换电路设计、选取的数据采集芯片、上位机的Labwindows/CVI程序设计均符合系统研究和应用过程中高压隔离开关主回路微电阻测量对稳定性、精确度、可靠性的要求，能较好反映高压隔离开关的质量和运行状态。

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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

国家自然科学基金项目（编号：51377125）；陕西省教育厅项目（编号：12JK0536；16JK1016；16JK1015）；陕西省青年科协项目（编号：2015110）；安康学院培育项目（编号：2016AYPYZX09）；安康学院高层次人才项目（编号：2016AYQDZR06）资助。

方昕，女，硕士，讲师，研究方向：测量、数据处理、智能算法。

FANG Xin

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