檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置的研制與應(yīng)用

摘要：在對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)的測(cè)試工作過(guò)程中，常常會(huì)碰到電池?zé)o電、電量不足，造成無(wú)法測(cè)試及所測(cè)數(shù)據(jù)不正確。特別是在測(cè)試工作出發(fā)前，對(duì)測(cè)試儀器儀表進(jìn)行檢查時(shí)，電量顯示是滿的，到了施工現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，電池電量瞬間降低，發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的。但目前無(wú)法在測(cè)試工作前，對(duì)測(cè)試儀器電池的好壞進(jìn)行測(cè)試，工作造成很大的麻煩。因此，本文研制對(duì)檢測(cè)儀器電池電量測(cè)試的裝置，不僅能對(duì)測(cè)試儀器的電池的實(shí)際電量進(jìn)行測(cè)試，而且能根據(jù)一些測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)判斷電池是否正常。

引言

　　電力系統(tǒng)在設(shè)備的安裝、檢修、預(yù)試等日常的工作中，為了確保電力設(shè)備能正常、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，需要對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)測(cè)試，來(lái)判斷被測(cè)的設(shè)備是否正常、是否存在缺陷。

　　目前所用的檢測(cè)儀器大部分需要有電池電源供電才能工作，測(cè)試工作過(guò)程中常常會(huì)碰到電池?zé)o電、電量不足。特別是在測(cè)試工作出發(fā)前，對(duì)測(cè)試儀器儀表進(jìn)行檢查時(shí)，電量顯示是滿的，到了施工現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，電池電量瞬間降低，發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的，造成無(wú)法測(cè)試及所測(cè)數(shù)據(jù)不正確。但目前無(wú)法在測(cè)試工作前，對(duì)測(cè)試儀器電池的好壞進(jìn)行對(duì)測(cè)試^[1]。

　　首先在現(xiàn)場(chǎng)工作中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測(cè)儀器沒(méi)電或電量不足，我們必須回班組更換測(cè)試儀器或現(xiàn)場(chǎng)電池充電。我們大家都知道，工作現(xiàn)場(chǎng)一般都在變電所或發(fā)電生產(chǎn)車間，來(lái)回都需要大量的時(shí)間，若對(duì)電池現(xiàn)場(chǎng)充電更會(huì)浪費(fèi)我們的工作時(shí)間，這危及到設(shè)備的正常投運(yùn)時(shí)間，無(wú)法確保按時(shí)送電，為廣大的用電用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能。對(duì)工作造成很大的麻煩。

　　其次，電池的日常維護(hù)的好壞直接影響到電池的壽命。由于測(cè)量?jī)x器內(nèi)部電池的自放電效應(yīng)，如果長(zhǎng)期不進(jìn)行充放電維護(hù)，就會(huì)導(dǎo)致電池蓄電能力下降，甚至無(wú)法再充電和使用，影響正常的生產(chǎn)。電力生產(chǎn)，安全第一，需要特別注意對(duì)這些危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行控制。

　　基于以上的問(wèn)題，設(shè)想研制一套小型的電池檢測(cè)裝置，能對(duì)儀器內(nèi)部電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并給出評(píng)價(jià)結(jié)果，提醒試驗(yàn)人員及時(shí)充電或更換電池。能及時(shí)提醒試驗(yàn)人員對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)和充電。

1 裝置整體概述

　　檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置整體框圖如圖1所示，裝置由CPU模塊、內(nèi)阻測(cè)量模塊、液晶顯示屏等六部分組成，如圖1所示。

　　檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置的內(nèi)部電路框圖，如圖2所示。其采用：

　　1、主控制器為STM32，負(fù)責(zé)處理電池電壓測(cè)量、電池電流測(cè)量、按鍵輸入、輸出控制和輸出指示。

　　2、輔助電源提供內(nèi)部線路板及相關(guān)外設(shè)的供電電壓;

　　3、交流恒流源用于電池內(nèi)阻的測(cè)量;

　　4、恒流放電電路用于測(cè)試電池的放電電壓-時(shí)間特性曲線;

　　5、電池電壓和電流測(cè)量電路將模擬信號(hào)調(diào)理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給控制器;

　　6、顯示屏選用128*64點(diǎn)陣分辨率LED背光屏;

　　7、內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘、按鍵、指示燈和蜂鳴器等常用外設(shè)。

　　2 詳細(xì)電路設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置其主要由電池內(nèi)阻的測(cè)量、交流恒流源和AD9833(一款低功耗、可編程波形發(fā)生器)組成。

2.1 檢測(cè)儀器電池的特點(diǎn)

　　檢測(cè)儀器電池為一般蓄電池，蓄電池的內(nèi)阻是指電流流過(guò)蓄電池內(nèi)部時(shí)所受的阻力，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻很小，需要用專門(mén)的儀器才可以測(cè)得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。一般所指的蓄電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻，即蓄電池充滿電時(shí)的內(nèi)阻。與之對(duì)應(yīng)的是放電態(tài)內(nèi)阻，并且不太穩(wěn)定。蓄電池的內(nèi)阻越大，蓄電池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。內(nèi)阻很大的蓄電池在充電時(shí)發(fā)熱很厲害，使蓄電池的溫度急劇上升，對(duì)蓄電池和充電器的影響都很大。隨著蓄電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗及蓄電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性的降低，蓄電池的內(nèi)阻會(huì)有不同程度的增大，質(zhì)量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池內(nèi)部阻抗會(huì)因放電量增加而增大，尤其是在放電終止時(shí)阻抗最大，主要因?yàn)榉烹姷倪M(jìn)行使得極板內(nèi)產(chǎn)生不良導(dǎo)體硫酸鉛以及電解液比重下降，故放電后務(wù)必馬上充電。若任其持續(xù)放電，硫酸鉛形成安定的白色結(jié)晶(即硫化現(xiàn)象)后，即使充電，極板的活性物質(zhì)亦無(wú)法恢復(fù)原狀，從而將縮短蓄電池的使用壽命^[2]。

2.2 測(cè)量技術(shù)指標(biāo)：

　　根據(jù)我單位目前使用的測(cè)量?jī)x器電源所用的電池，我們?cè)O(shè)置檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置以下技術(shù)參數(shù)和精度：

　　1、檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置測(cè)試電池電壓：范圍(0-20V)、分辨率(0.01V)、精度(±0.2%+2個(gè)字);

　　2、檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置測(cè)試電池內(nèi)阻：范圍(0-1Ω)、分辨率(1MΩ)、精度(±2%+2個(gè)字)。

2.3 電池內(nèi)阻的測(cè)量：

　　測(cè)量電池內(nèi)阻一般采用四線交流法，因?yàn)殡姵貙?shí)際上等效于一個(gè)有源電阻。交流法通過(guò)對(duì)電池注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào)，測(cè)出電池兩端的低頻電壓和流過(guò)的低頻電流以及兩者的相位差，從而計(jì)算出電池內(nèi)阻。首先產(chǎn)生一個(gè)1kHz的恒定交流激勵(lì)信號(hào)，交流法通過(guò)對(duì)電池注入一個(gè)交流信號(hào)Is，測(cè)量出電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)Vo，以及兩者的相位差θ，Z=Vo/Is,R=Zcosθ，即可計(jì)算出電池的阻抗，進(jìn)而反映出蓄電池的性能。

　　由于正常情況下的電池內(nèi)阻是MΩ級(jí)的，電路采樣到的電壓和電流信號(hào)的相位差也很小，對(duì)交流恒流源的要求非常高，紋波稍大或者信號(hào)輸入回路有干擾，就會(huì)造成電池內(nèi)阻的測(cè)量誤差。因此，設(shè)計(jì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流恒流源尤為重要，同時(shí)要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)處理，并使用專用鑒相芯片對(duì)電壓和電流的相位差進(jìn)行計(jì)算，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)和預(yù)期的使用效果。

　　AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。波形發(fā)生器廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量、激勵(lì)和時(shí)域響應(yīng)領(lǐng)域。 AD9833無(wú)需外接元件，輸出頻率和相位都可通過(guò)軟件編程，易于調(diào)節(jié)。頻率寄存器是28位的，主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí)，精度為0.1 Hz;主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí)，精度可以達(dá)到0.004 Hz。

　　可以通過(guò)3個(gè)串行接口將數(shù)據(jù)寫(xiě)入AD9833，這3個(gè)串口的最高工作頻率可以達(dá)到40MHz，易于與DSP和各種主流微控制器兼容。AD9833的工作電壓范圍為2.3 V~5.5 V。AD9833還具有休眠功能，可使沒(méi)被使用的部分休眠，減少該部分的電流損耗。例如，若利用AD9833輸出作為時(shí)鐘源，就可以讓DAC休眠，以減小功耗。該電路采用10引腳MSOP型表面貼片封裝，體積很小。如圖3所示，設(shè)計(jì)中采用AD9833產(chǎn)生1kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)源，芯片通過(guò)AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA與控制器相連，芯片的第5腳輸入時(shí)鐘源，第10腳輸出有直流偏量的交流正弦波信號(hào)^[3]。

2.4 交流恒流源：

　　測(cè)量所需的交流恒流源至少要輸出50mA的電流，才能對(duì)MΩ級(jí)的電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量。而普通運(yùn)放的輸出電流都不超過(guò)10mA，因此設(shè)計(jì)選用了BB公司(編者注：已被TI公司收購(gòu))的OPA541大功率運(yùn)放，該運(yùn)放可以在±10～±40V電壓下工作，可連續(xù)輸出高達(dá)5A的電流，具有編程限流的功能，內(nèi)部電流限定電路能使用戶僅用一個(gè)外接電阻來(lái)限定電流，保護(hù)運(yùn)放和免受損壞。如圖4所示，電阻R5組成了限流電路，電阻R8為電流取樣電阻，取樣電阻兩端的電壓輸入運(yùn)放的負(fù)端，形成負(fù)反饋電路，保持輸出電流的恒定，如圖4所示。

　　AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位測(cè)量的單片集成電路，主要由精密匹配的兩個(gè)帶寬對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差，可應(yīng)用于RF/IF功率放大器線性比的測(cè)量、RF功率的精確控制、駐波比測(cè)量及遠(yuǎn)程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等。當(dāng)芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10mV/度，中心點(diǎn)為900mV)。另外測(cè)量模式下，工作斜率和中心點(diǎn)可以通過(guò)引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點(diǎn)900mV處其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益范圍對(duì)應(yīng)于0-1.8V的輸出電壓范圍;在中心點(diǎn)900mV處其相位為90度，0-180度的相位范圍對(duì)應(yīng)于1.8-0V的輸出電壓范圍。如圖5所示，輸入的電壓BV和電流BI信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD8302所構(gòu)成的幅相檢測(cè)電路之后，輸出的BBV就反映了BV與BI的增益比，輸出的BBI則反映了BV與BI的相位差。使用專用的幅相檢測(cè)芯片，可以避免分立電路產(chǎn)生的器件不一致以及失調(diào)等問(wèn)題。其輸出信號(hào)只需用普通A/D進(jìn)行采樣，即可按公式計(jì)算出電池內(nèi)阻^[4]。

2.5 電池電量與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

　　測(cè)量電池的負(fù)載電壓，再根據(jù)如圖6曲線，可以計(jì)算出電池的剩余容量。

3 裝置實(shí)物圖

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，研制出檢測(cè)儀器電池電量測(cè)試儀。實(shí)物如圖7所示。

　　整機(jī)內(nèi)部包含輔助開(kāi)關(guān)電源、主線路板、按鍵板、測(cè)試端子、液晶屏等,如圖9、圖10所示。

4 檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置圖的應(yīng)用

　　檢測(cè)儀器蓄電池測(cè)試裝置，對(duì)兆歐表電量的測(cè)試如圖11所示。

　　首先，兆歐表與檢測(cè)儀器電池電量檢測(cè)裝置相連，四根連線，其中兩根是測(cè)試線，兩根信號(hào)線。開(kāi)機(jī)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)入測(cè)試，按確定鍵，裝置自動(dòng)將電池的幾個(gè)參數(shù)順序測(cè)試完成后，給出電池的運(yùn)行狀況^[5]。

　　檢測(cè)儀器電池檢測(cè)儀界面顯示：圖12所示。

5 推廣應(yīng)用

　　鑒于本文研制的檢測(cè)儀器—電池電量的測(cè)試裝置，在國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司、恒興電力建設(shè)有限公司、嘉興市恒欣電建有限公司實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，使用方便、安全可靠、效果顯著，本項(xiàng)目獲2014年全國(guó)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組，目前已申請(qǐng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)明專利與實(shí)用新型專利各一項(xiàng)。并在2014年，列為國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司群眾性科技性項(xiàng)目，在浙江省電力系統(tǒng)全面推廣應(yīng)用。

6 總結(jié)

　　針對(duì)檢測(cè)儀器在測(cè)試工作過(guò)程中，常常碰到的檢測(cè)儀器電池?zé)o電、電量不足、虛擬電量等因素，造成儀器無(wú)法測(cè)試及所測(cè)數(shù)據(jù)不正確等問(wèn)題，給日常工作造成很大的不便;產(chǎn)生安全隱患及所測(cè)數(shù)據(jù)正確率低，產(chǎn)生對(duì)被測(cè)電氣設(shè)備的狀態(tài)誤判斷，本文研制的檢測(cè)儀器電池電量測(cè)試的裝置，電力系統(tǒng)在日常的安裝、檢修、預(yù)試檢測(cè)工作前，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)儀器電池不足、電池?fù)p壞等狀態(tài)。工作人員及時(shí)針對(duì)性處理。以此來(lái)清除安全隱患，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)試儀器的正常運(yùn)行的裝置。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第60頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。