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一种新的矢量测量法
通过两种测量方式的比较，引出一种全新的矢量测量方法；文章介绍了实现这种方法的具体结构、工作原理以及工作过程。这种测量方法的特点在于采用红外光信号，它一方面作为参考变量进行同步测量，另一方面还作为传输数据的通道。
关键词：直接测量法；同步信号；间接测量法；现场测试；红外器件
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)
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直接测量法和间接测量法
1.1直接测量法
在两个同频交流信号矢量的相位角的测量中，过零比较法一直是应用得很多的一种方法。首先直接测量出两个过零点之间的时间差(Δt)，同时测量其中一个交流信号的周期(T)，它们之间的相位角θ为
从图1中可以看出，两个同频交流信号在同向过零点之间相差一个时间Δt，实际上是在电流I的过零点开始计时，在电压U的(同向)过零点的时刻停止计时，得Δt的数值。
1.1直接测量法
在两个同频交流信号矢量的相位角的测量中，过零比较法一直是应用得很多的一种方法。首先直接测量出两个过零点之间的时间差(Δt)，同时测量其中一个交流信号的周期(T)，它们之间的相位角θ为
从图1中可以看出，两个同频交流信号在同向过零点之间相差一个时间Δt，实际上是在电流I的过零点开始计时，在电压U的(同向)过零点的时刻停止计时，得Δt的数值。
在间接测量法中，需要用到一个三维变量——即光同步信号，用它作为测量过程的参考变量。红外光信号的传输速度很快，抗干扰特性好，是理想的同步源。从图2的波形图可以了解测量时序的产生过程，同步源发出红外光负脉冲，各个回路的单片机通过红外光敏器件感受到这个信号的变化，并在它的上升沿时刻，同时启动各自的定时/计数器，在各自回路的同向过零点关闭定时/计数器，于是在各个回路的单片机中得到各自的测量时间Ti(回路数i可以超过2个)。
? 1.3两种测量法的比较
(1)直接测量需要将两个交流信号引入同一个回路中。这种方法虽然简单，但是在现场条件下进行测量存在安全问题。被测信号取自电力电压互感器PT(或电流互感器CT)，接线比较多，现场测试条件复杂，稍有不慎便会出现短路事故。而间接测量法是一种分离式测量法，即在每个交流回路中都有独立的以单片机为主的测量部分，它们的任务都受同一个红外光脉冲信号的启动，并在各自的(同向)过零点完成计数测量，得到时间量(Ti)。实际上这是一种建立在三维变量的基础上的测量方法。测量回路的“分离”消除了安全上的隐患，实际应用上有着明显的优势。
(2)直接测量测时间差(Δt)和周期(T)，然后通过计算得到相位角θ，实现起来相对简单一些。间接测量法也测量两个时间量——Ti和周期(T)。它们都要用到单片机的定时/计数器，但是，后者还必须包括其他工作，如对各个回路的参数(Ti和T)的汇集和计算，还必须借助光信号传输数据。从原理上看后者要复杂一些，但是，技术比较成熟，而适当增加单片机数量对于整机成本改变不大。
(3)间接测量法主要依靠直线传播的红外光信号，所以，存在遮挡问题。在实际应用中，通过安装位置的调整、增加红外发射头表面的散射性基本解决了大部分问题；在要求更高的场合，则可以用光纤。
综上所述，间接测量法是从根本上改变传统测量的一种新的测量方式。
(1)直接测量需要将两个交流信号引入同一个回路中。这种方法虽然简单，但是在现场条件下进行测量存在安全问题。被测信号取自电力电压互感器PT(或电流互感器CT)，接线比较多，现场测试条件复杂，稍有不慎便会出现短路事故。而间接测量法是一种分离式测量法，即在每个交流回路中都有独立的以单片机为主的测量部分，它们的任务都受同一个红外光脉冲信号的启动，并在各自的(同向)过零点完成计数测量，得到时间量(Ti)。实际上这是一种建立在三维变量的基础上的测量方法。测量回路的“分离”消除了安全上的隐患，实际应用上有着明显的优势。
(2)直接测量测时间差(Δt)和周期(T)，然后通过计算得到相位角θ，实现起来相对简单一些。间接测量法也测量两个时间量——Ti和周期(T)。它们都要用到单片机的定时/计数器，但是，后者还必须包括其他工作，如对各个回路的参数(Ti和T)的汇集和计算，还必须借助光信号传输数据。从原理上看后者要复杂一些，但是，技术比较成熟，而适当增加单片机数量对于整机成本改变不大。
(3)间接测量法主要依靠直线传播的红外光信号，所以，存在遮挡问题。在实际应用中，通过安装位置的调整、增加红外发射头表面的散射性基本解决了大部分问题；在要求更高的场合，则可以用光纤。
综上所述，间接测量法是从根本上改变传统测量的一种新的测量方式。
? 2.1基本测量部件
间接测量法的各个回路的测量电路结构基本对称，其中一个电压(或者电流)测量部件的基本结构见图3。电路的核心部分用MCS-51系列的Atmel 2051单片机。交流输入信号(电压或者电流)被送到放大、整形电路，并被调理为过零翻转的方波信号，经光电耦合电路送到2051的T0脚，由单片机程序控制定时/计数器进行测量，测出T0脚上方波信号的周期(或方波宽度等时间量)［4］。此外，图3电路还包括红外发射器和接收器的电路。
接收时，2051通过RXD感受红外光脉冲信号，在它的上升沿启动内部的定时/计数器，而在该回路交流信号过零翻转的时刻，关闭定时/计数器，读取计数值Ti的数值(参考图2的波形图)。同样，定时/计数器很容易测量周期T。
为计算相位角θ，每个回路的单片机都必须通过TXD将各自回路得到的测量值(Ti和T)用红外发射器向主机传输，由主机汇集、计算。
2.2主机部件结构
主机部分是以Atmel公司单片机89C52为核心的结构(图4)。由于采用的器件比较少、结构简单，整机功耗很低，可采用电池供电。主机部分包括LCD显示器、键盘和收发电路。通过键盘可以控制测量过程，用LCD显示器显示现场参数的测量数值。
收发电路通过RXD和TXD与单片机89C52相连。实现的任务有两个——第一，通过TXD和红外发射器，主机向各个测量部件发出红外光脉冲信号，同时启动测量过程；各个部件将各自测量的Ti和T数据值保存后，等待向主机发送。第二，采集各测量部件的测量数据值。这个过程以主机部分为主，而各测量部件为从，并根据测量回路的数量决定主——从通信的结构，例如，在测量“六角图”(测量6个矢量之间的相量图)时，主机同时与6个从机通信，主机的程序是——(根?据次序)先用红外信号呼叫#1从机——#1机有应答后将测量数据值T1和T传送到主机——主机保存数据以 后#1机通信结束——再呼叫#2从机……，直到主机保存了#6机数据，整个通信过程结束。?
理论上看，测量信号是同频的交流信号，周期应该相同，但是，由于间接测量法是在多个回 路中进行的测量过程，不同单片机的晶振频率会有一定的差异，导致各个单片机的定时/计 数器的测量值有一定的差异，这些影响必须统一在计算机的运算过程中考虑。正因为如此， 在测量过程中对多个信号的周期(T)都进行了测量，在算式中利用这些数 据补偿机器周期不同的影响，使得测量更加精确。由于篇幅原因，具体的补偿算式和程序略 。
间接测量法的各个回路的测量电路结构基本对称，其中一个电压(或者电流)测量部件的基本结构见图3。电路的核心部分用MCS-51系列的Atmel 2051单片机。交流输入信号(电压或者电流)被送到放大、整形电路，并被调理为过零翻转的方波信号，经光电耦合电路送到2051的T0脚，由单片机程序控制定时/计数器进行测量，测出T0脚上方波信号的周期(或方波宽度等时间量)［4］。此外，图3电路还包括红外发射器和接收器的电路。
接收时，2051通过RXD感受红外光脉冲信号，在它的上升沿启动内部的定时/计数器，而在该回路交流信号过零翻转的时刻，关闭定时/计数器，读取计数值Ti的数值(参考图2的波形图)。同样，定时/计数器很容易测量周期T。
为计算相位角θ，每个回路的单片机都必须通过TXD将各自回路得到的测量值(Ti和T)用红外发射器向主机传输，由主机汇集、计算。
2.2主机部件结构
主机部分是以Atmel公司单片机89C52为核心的结构(图4)。由于采用的器件比较少、结构简单，整机功耗很低，可采用电池供电。主机部分包括LCD显示器、键盘和收发电路。通过键盘可以控制测量过程，用LCD显示器显示现场参数的测量数值。
收发电路通过RXD和TXD与单片机89C52相连。实现的任务有两个——第一，通过TXD和红外发射器，主机向各个测量部件发出红外光脉冲信号，同时启动测量过程；各个部件将各自测量的Ti和T数据值保存后，等待向主机发送。第二，采集各测量部件的测量数据值。这个过程以主机部分为主，而各测量部件为从，并根据测量回路的数量决定主——从通信的结构，例如，在测量“六角图”(测量6个矢量之间的相量图)时，主机同时与6个从机通信，主机的程序是——(根?据次序)先用红外信号呼叫#1从机——#1机有应答后将测量数据值T1和T传送到主机——主机保存数据以 后#1机通信结束——再呼叫#2从机……，直到主机保存了#6机数据，整个通信过程结束。?
理论上看，测量信号是同频的交流信号，周期应该相同，但是，由于间接测量法是在多个回 路中进行的测量过程，不同单片机的晶振频率会有一定的差异，导致各个单片机的定时/计 数器的测量值有一定的差异，这些影响必须统一在计算机的运算过程中考虑。正因为如此， 在测量过程中对多个信号的周期(T)都进行了测量，在算式中利用这些数 据补偿机器周期不同的影响，使得测量更加精确。由于篇幅原因，具体的补偿算式和程序略 。
? 这种间接测量法是在传统的测量法的基础上的一种改进。光信号作为一个参比量，它的引入 改变了整个测量过程。这种方法的特点是——用光信号同步和传输数据。多个测量回路不再 需要电路上的直接连接，各个回路的测量独立进行。这对于应用来说，有很重要的实际意义 。我们希望通过对这种方法的探讨，进一步拓展思维，起到抛砖引玉的效果。当然，我们还 准备在这个基础上进一步探索，争取解决在一些特殊场合的测量的问题，例如，研究在高电 压、易燃易爆或者有毒的场合下的非接触式的测量方法。
工商网监
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