一種新的矢量測量法

New Vector Measurement

HE Jiabin1, HE Fang2, YAN Jie3

(1.Wuhan University of Technology, Wuhan 430060, China；
2.Wuhan HongXi Telecommunication Technologies Co., LTD, Wuhan 430074, C hina；
3.EPSON(China) Co., LTD, Wuhan 430010, China)

　　Key words: direct measurement; synchronal signal; indirect measu rement; spot measurement; infrared device

1直接測量法和間接測量法
1.1直接測量法
　　在兩個同頻交流信號矢量的相位角的測量中，過零比較法一直是應用得很多的一種方法。首先直接測量出兩個過零點之間的時間差(Δt)，同時測量其中一個交流信號的周期(T)，它們之間的相位角θ為
　　
　　從圖1中可以看出，兩個同頻交流信號在同向過零點之間相差一個時間Δt，實際上是在電流I的過零點開始計時，在電壓U的(同向)過零點的時刻停止計時，得Δt的數(shù)值。

　　在間接測量法中，需要用到一個三維變量——即光同步信號，用它作為測量過程的參考變量。紅外光信號的傳輸速度很快，抗干擾特性好，是理想的同步源。從圖2的波形圖可以了解測量時序的產(chǎn)生過程，同步源發(fā)出紅外光負脈沖，各個回路的單片機通過紅外光敏器件感受到這個信號的變化，并在它的上升沿時刻，同時啟動各自的定時/計數(shù)器，在各自回路的同向過零點關閉定時/計數(shù)器，于是在各個回路的單片機中得到各自的測量時間Ti(回路數(shù)i可以超過2個)。

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1.3兩種測量法的比較
　　(1)直接測量需要將兩個交流信號引入同一個回路中。這種方法雖然簡單，但是在現(xiàn)場條件下進行測量存在安全問題。被測信號取自電力電壓互感器PT(或電流互感器CT)，接線比較多，現(xiàn)場測試條件復雜，稍有不慎便會出現(xiàn)短路事故。而間接測量法是一種分離式測量法，即在每個交流回路中都有獨立的以單片機為主的測量部分，它們的任務都受同一個紅外光脈沖信號的啟動，并在各自的(同向)過零點完成計數(shù)測量，得到時間量(Ti)。實際上這是一種建立在三維變量的基礎上的測量方法。測量回路的“分離”消除了安全上的隱患，實際應用上有著明顯的優(yōu)勢。
　　(2)直接測量測時間差(Δt)和周期(T)，然后通過計算得到相位角θ，實現(xiàn)起來相對簡單一些。間接測量法也測量兩個時間量——Ti和周期(T)。它們都要用到單片機的定時/計數(shù)器，但是，后者還必須包括其他工作，如對各個回路的參數(shù)(Ti和T)的匯集和計算，還必須借助光信號傳輸數(shù)據(jù)。從原理上看后者要復雜一些，但是，技術比較成熟，而適當增加單片機數(shù)量對于整機成本改變不大。
　　(3)間接測量法主要依靠直線傳播的紅外光信號，所以，存在遮擋問題。在實際應用中，通過安裝位置的調整、增加紅外發(fā)射頭表面的散射性基本解決了大部分問題；在要求更高的場合，則可以用光纖。
　　綜上所述，間接測量法是從根本上改變傳統(tǒng)測量的一種新的測量方式。

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2.1基本測量部件
　　間接測量法的各個回路的測量電路結構基本對稱，其中一個電壓(或者電流)測量部件的基本結構見圖3。電路的核心部分用MCS-51系列的Atmel 2051單片機。交流輸入信號(電壓或者電流)被送到放大、整形電路，并被調理為過零翻轉的方波信號，經(jīng)光電耦合電路送到2051的T0腳，由單片機程序控制定時/計數(shù)器進行測量，測出T0腳上方波信號的周期(或方波寬度等時間量)［4］。此外，圖3電路還包括紅外發(fā)射器和接收器的電路。
　　接收時，2051通過RXD感受紅外光脈沖信號，在它的上升沿啟動內部的定時/計數(shù)器，而在該回路交流信號過零翻轉的時刻，關閉定時/計數(shù)器，讀取計數(shù)值Ti的數(shù)值(參考圖2的波形圖)。同樣，定時/計數(shù)器很容易測量周期T。
　　為計算相位角θ，每個回路的單片機都必須通過TXD將各自回路得到的測量值(Ti和T)用紅外發(fā)射器向主機傳輸，由主機匯集、計算。
　　
2.2主機部件結構
　　主機部分是以Atmel公司單片機89C52為核心的結構(圖4)。由于采用的器件比較少、結構簡單，整機功耗很低，可采用電池供電。主機部分包括LCD顯示器、鍵盤和收發(fā)電路。通過鍵盤可以控制測量過程，用LCD顯示器顯示現(xiàn)場參數(shù)的測量數(shù)值。
　　收發(fā)電路通過RXD和TXD與單片機89C52相連。實現(xiàn)的任務有兩個——第一，通過TXD和紅外發(fā)射器，主機向各個測量部件發(fā)出紅外光脈沖信號，同時啟動測量過程；各個部件將各自測量的Ti和T數(shù)據(jù)值保存后，等待向主機發(fā)送。第二，采集各測量部件的測量數(shù)據(jù)值。這個過程以主機部分為主，而各測量部件為從，并根據(jù)測量回路的數(shù)量決定主——從通信的結構，例如，在測量“六角圖”(測量6個矢量之間的相量圖)時，主機同時與6個從機通信，主機的程序是——(根?據(jù)次序)先用紅外信號呼叫#1從機——#1機有應答后將測量數(shù)據(jù)值T1和T傳送到主機——主機保存數(shù)據(jù)以 后#1機通信結束——再呼叫#2從機……，直到主機保存了#6機數(shù)據(jù)，整個通信過程結束。?
　　理論上看，測量信號是同頻的交流信號，周期應該相同，但是，由于間接測量法是在多個回 路中進行的測量過程，不同單片機的晶振頻率會有一定的差異，導致各個單片機的定時/計 數(shù)器的測量值有一定的差異，這些影響必須統(tǒng)一在計算機的運算過程中考慮。正因為如此， 在測量過程中對多個信號的周期(T)都進行了測量，在算式中利用這些數(shù) 據(jù)補償機器周期不同的影響，使得測量更加精確。由于篇幅原因，具體的補償算式和程序略 。

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　　這種間接測量法是在傳統(tǒng)的測量法的基礎上的一種改進。光信號作為一個參比量，它的引入 改變了整個測量過程。這種方法的特點是——用光信號同步和傳輸數(shù)據(jù)。多個測量回路不再 需要電路上的直接連接，各個回路的測量獨立進行。這對于應用來說，有很重要的實際意義 。我們希望通過對這種方法的探討，進一步拓展思維，起到拋磚引玉的效果。當然，我們還 準備在這個基礎上進一步探索，爭取解決在一些特殊場合的測量的問題，例如，研究在高電 壓、易燃易爆或者有毒的場合下的非接觸式的測量方法。