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          檢測儀器蓄電池測試裝置的研制與應用

          作者:周子驪 周剛 錢軍 高惠新 胡海平 時間:2016-03-28 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:在對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)的測試工作過程中,常常會碰到電池無電、電量不足,造成無法測試及所測數(shù)據(jù)不正確。特別是在測試工作出發(fā)前,對測試儀器儀表進行檢查時,電量顯示是滿的,到了施工現(xiàn)場使用時,電池電量瞬間降低,發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的。但目前無法在測試工作前,對測試儀器電池的好壞進行測試,工作造成很大的麻煩。因此,本文研制對檢測儀器電池電量測試的裝置,不僅能對測試儀器的電池的實際電量進行測試,而且能根據(jù)一些測試數(shù)據(jù)來判斷電池是否正常。

          摘要:在對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)的測試工作過程中,常常會碰到電池無電、,造成及所測數(shù)據(jù)不正確。特別是在測試工作出發(fā)前,對測試儀器儀表進行檢查時,電量顯示是滿的,到了施工現(xiàn)場使用時,電池電量瞬間降低,發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的。但目前無法在測試工作前,對測試儀器電池的好壞進行測試,工作造成很大的麻煩。因此,本文研制對檢測儀器電池的裝置,不僅能對測試儀器的電池的實際電量進行測試,而且能根據(jù)一些測試數(shù)據(jù)來電池。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201603/288912.htm

          引言

            電力系統(tǒng)在設備的安裝、檢修、預試等日常的工作中,為了確保電力設備能正常、安全、經(jīng)濟地運行,需要對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)測試,來被測的設備、是否存在缺陷。

            目前所用的檢測儀器大部分需要有電池電源供電才能工作,測試工作過程中常常會碰到電池無電、。特別是在測試工作出發(fā)前,對測試儀器儀表進行檢查時,電量顯示是滿的,到了施工現(xiàn)場使用時,電池電量瞬間降低,發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的,造成及所測數(shù)據(jù)不正確。但目前無法在測試工作前,對測試儀器電池的好壞進行對測試[1]

            首先在現(xiàn)場工作中,一旦發(fā)現(xiàn)檢測儀器沒電或,我們必須回班組更換測試儀器或現(xiàn)場電池充電。我們大家都知道,工作現(xiàn)場一般都在變電所或發(fā)電生產(chǎn)車間,來回都需要大量的時間,若對電池現(xiàn)場充電更會浪費我們的工作時間,這危及到設備的正常投運時間,無法確保按時送電,為廣大的用電用戶提供優(yōu)質可靠的電能。對工作造成很大的麻煩。

            其次,電池的日常維護的好壞直接影響到電池的壽命。由于測量儀器內(nèi)部電池的自放電效應,如果長期不進行充放電維護,就會導致電池蓄電能力下降,甚至無法再充電和使用,影響正常的生產(chǎn)。電力生產(chǎn),安全第一,需要特別注意對這些危險點進行控制。

            基于以上的問題,設想研制一套小型的電池檢測裝置,能對儀器內(nèi)部電池進行監(jiān)測,并給出評價結果,提醒試驗人員及時充電或更換電池。能及時提醒試驗人員對電池進行維護和充電。

          1 裝置整體概述

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

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

            1、主控制器為STM32,負責處理電池電壓測量、電池電流測量、按鍵輸入、輸出控制和輸出指示。

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

            3、交流恒流源用于電池內(nèi)阻的測量;

            4、恒流放電電路用于測試電池的放電電壓-時間特性曲線;

            5、電池電壓和電流測量電路將模擬信號調理并轉換成數(shù)字信號傳送給控制器;

            6、顯示屏選用128*64點陣分辨率LED背光屏;

            7、內(nèi)置實時時鐘、按鍵、指示燈和蜂鳴器等常用外設。

            2 詳細電路設計

            檢測儀器蓄電池測試裝置其主要由電池內(nèi)阻的測量、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 檢測儀器電池的特點

            檢測儀器電池為一般蓄電池,蓄電池的內(nèi)阻是指電流流過蓄電池內(nèi)部時所受的阻力,鉛酸蓄電池的內(nèi)阻很小,需要用專門的儀器才可以測得比較準確的結果。一般所指的蓄電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻,即蓄電池充滿電時的內(nèi)阻。與之對應的是放電態(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發(fā)熱很厲害,使蓄電池的溫度急劇上升,對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)部化學物質活性的降低,蓄電池的內(nèi)阻會有不同程度的增大,質量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池內(nèi)部阻抗會因放電量增加而增大,尤其是在放電終止時阻抗最大,主要因為放電的進行使得極板內(nèi)產(chǎn)生不良導體硫酸鉛以及電解液比重下降,故放電后務必馬上充電。若任其持續(xù)放電,硫酸鉛形成安定的白色結晶(即硫化現(xiàn)象)后,即使充電,極板的活性物質亦無法恢復原狀,從而將縮短蓄電池的使用壽命[2]。

          2.2 測量技術指標:

            根據(jù)我單位目前使用的測量儀器電源所用的電池,我們設置檢測儀器蓄電池測試裝置以下技術參數(shù)和精度:

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

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

          2.3 電池內(nèi)阻的測量:

            測量電池內(nèi)阻一般采用四線交流法,因為電池實際上等效于一個有源電阻。交流法通過對電池注入一個低頻交流電流信號,測出電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差,從而計算出電池內(nèi)阻。首先產(chǎn)生一個1kHz的恒定交流激勵信號,交流法通過對電池注入一個交流信號Is,測量出電池兩端的電壓響應信號Vo,以及兩者的相位差θ,Z=Vo/Is,R=Zcosθ,即可計算出電池的阻抗,進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級的,電路采樣到的電壓和電流信號的相位差也很小,對交流恒流源的要求非常高,紋波稍大或者信號輸入回路有干擾,就會造成電池內(nèi)阻的測量誤差。因此,設計穩(wěn)定標準的正弦交流恒流源尤為重要,同時要對輸入信號進行濾波和信號處理,并使用專用鑒相芯片對電壓和電流的相位差進行計算,才能達到設計的技術指標和預期的使用效果。

            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)生器廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域。 AD9833無需外接元件,輸出頻率和相位都可通過軟件編程,易于調節(jié)。頻率寄存器是28位的,主頻時鐘為25 MHz時,精度為0.1 Hz;主頻時鐘為1 MHz時,精度可以達到0.004 Hz。

            可以通過3個串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833,這3個串口的最高工作頻率可以達到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,設計中采用AD9833產(chǎn)生1kHz的標準正弦波信號源,芯片通過AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA與控制器相連,芯片的第5腳輸入時鐘源,第10腳輸出有直流偏量的交流正弦波信號[3]。

          2.4 交流恒流源:

            測量所需的交流恒流源至少要輸出50mA的電流,才能對MΩ級的電池內(nèi)阻進行測量。而普通運放的輸出電流都不超過10mA,因此設計選用了BB公司(編者注:已被TI公司收購)的OPA541大功率運放,該運放可以在±10~±40V電壓下工作,可連續(xù)輸出高達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外接電阻來限定電流,保護運放和免受損壞。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放的負端,形成負反饋電路,保持輸出電流的恒定,如圖4所示。

            AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路,主要由精密匹配的兩個帶寬對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成,能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅度比和相位差,可應用于RF/IF功率放大器線性比的測量、RF功率的精確控制、駐波比測量及遠程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等。當芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設置輸入引腳MSET和PSET相連時,芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上(精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB,精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度,中心點為900mV)。另外測量模式下,工作斜率和中心點可以通過引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點900mV處其增益是0dB,-30dB-+30dB的增益范圍對應于0-1.8V的輸出電壓范圍;在中心點900mV處其相位為90度,0-180度的相位范圍對應于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,經(jīng)過AD8302所構成的幅相檢測電路之后,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芯片,可以避免分立電路產(chǎn)生的器件不一致以及失調等問題。其輸出信號只需用普通A/D進行采樣,即可按公式計算出電池內(nèi)阻[4]。

          2.5 電池電量與電壓的對應關系:

            測量電池的負載電壓,再根據(jù)如圖6曲線,可以計算出電池的剩余容量。

          3 裝置實物圖

            根據(jù)上述設計思路,研制出檢測儀器電池儀。實物如圖7所示。

            整機內(nèi)部包含輔助開關電源、主線路板、按鍵板、測試端子、液晶屏等,如圖9、圖10所示。

          4 檢測儀器蓄電池測試裝置圖的應用

            檢測儀器蓄電池測試裝置,對兆歐表電量的測試如圖11所示。

            首先,兆歐表與檢測儀器電池電量檢測裝置相連,四根連線,其中兩根是測試線,兩根信號線。開機,設置相關參數(shù),進入測試,按確定鍵,裝置自動將電池的幾個參數(shù)順序測試完成后,給出電池的運行狀況[5]。

            檢測儀器電池檢測儀界面顯示:圖12所示。

          5 推廣應用

            鑒于本文研制的檢測儀器—電池電量的測試裝置,在國網(wǎng)嘉興供電公司、恒興電力建設有限公司、嘉興市恒欣電建有限公司實際生產(chǎn)應用過程中,使用方便、安全可靠、效果顯著,本項目獲2014年全國優(yōu)秀質量管理小組,目前已申請國家知識產(chǎn)權發(fā)明專利與實用新型專利各一項。并在2014年,列為國網(wǎng)浙江省電力公司群眾性科技性項目,在浙江省電力系統(tǒng)全面推廣應用。

          6 總結

            針對檢測儀器在測試工作過程中,常常碰到的檢測儀器電池無電、電量不足、虛擬電量等因素,造成儀器及所測數(shù)據(jù)不正確等問題,給日常工作造成很大的不便;產(chǎn)生安全隱患及所測數(shù)據(jù)正確率低,產(chǎn)生對被測電氣設備的狀態(tài)誤,本文研制的檢測儀器電池的裝置,電力系統(tǒng)在日常的安裝、檢修、預試檢測工作前,能及時發(fā)現(xiàn)檢測儀器電池不足、電池損壞等狀態(tài)。工作人員及時針對性處理。以此來清除安全隱患,保障現(xiàn)場作業(yè)測試儀器的正常運行的裝置。

          參考文獻:

            [1] 何嘉斌,恭蘭芳,何方.快速數(shù)據(jù)采集模塊的研制.武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2004,28(3): 471~475

            [2] 馬青玉.高壓蓄電池組的計算機檢測設計 [ J]. 電子工程師,2002,28(1):25-26

            [3] 何立民.MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術.北京:北京航空航天大學出版社, 2001 247~365

            [4] 李維,郭強,周云仙.液晶顯示應用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,2002.374~414

            [5] 劉永智,楊開愚.液晶顯示技術.四川:電子科技大學出版社,2003.134~254


          本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第60頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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