自制高压电表电压调零问题技术研究

陈 松, 荣 军, 张国云, 李宏民

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳414006)

自制高压电表电压调零问题技术研究

陈 松, 荣 军, 张国云, 李宏民

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳414006)

设计了一种简单实用的高压电表, 对其核心表头的设计过程做了简单阐述, 主要针对其电压不归零问题的原因进行了详细查找, 指出了其电压不归零的原因在于导线本身的内阻以及线路连接的方式, 最终通过简单的电路改进, 解决了电压不归零问题.

高压电表; 调零; 分压电阻

引言

对万伏高压进行测量时, 有人身安全和仪器自身安全这两方面的安全问题. 如果在实际测量中, 出现任何细小的错误, 都可能导致多种大小事故, 甚至危及使用者的生命[1～2]. 如果能设计一个使用充电电池供电的“万用表”, 通过远距离时刻监视高压变化, 即可实现人身、仪表与高压的良好隔离, 其测量过程为使用单片机采集高压数据后, 通过无线或光纤传输到控制端, 不但能保证测量精度, 重要的是能够确保人身安全. 市面上出售的高压电表大多数在测量完毕后电压不能自动归零, 针对这个问题, 需要通过人为的调节电阻使其电压归零, 因此造成诸多不方便. 本文自制了一个数字控制的高压电表, 简单描述了其核心部件表头的设计过程, 主要针对其电压测量完毕后, 电压不能自动归零问题进行了详细查找, 最终给出其解决方案, 为工程设计人员设计高压电表以及其他测量仪器时, 在处理电压不能归零的问题提供了一种比较好的设计思路.

1 高压电表表头的器件选择

(1) 表头芯片选择

高压电表设计的核心是表头设计, 因此采用什么样的芯片就决定了高压电表的测量精度. 本文查找了相关表头设计芯片, 决定采用协力XL5145, 其包括五种型号, 其各种型号的性能描述见表1[3].

经过详细比较后, 选择XL5145V－2作为表头设计芯片, 原因在于控制精度和分辨率都满足设计要求, 整个设计过程也比较容易实现. XL5145V－2芯片主要特点有以下几个方面: ① 供电电源电压为直流5V±0.2V, 工作电流为150mA; ② 字体显示为高亮度红色、绿色或蓝色15mm LED字体; ③ 数据读取为四位半(19999记数), 并且为自动极性转换; ④ 芯片预热时间为2分钟左右; ⑤ 工作温度范围为0℃～40℃(相对湿度20～80%); ⑥ 小数点设置可以采用外部跳线任意设定位置; ⑦ 如果测量范围超出量程测量范围, 报警方式为闪烁; ⑧ 外形尺寸为宽79mm×高42.5mm×深25构造的高压电表外部设计尺寸,其尺寸设计示意图和外部接线示意图如图1、图2所示.

表1 协力XL5145各种信号性能描述

图1 高压电表尺寸设计示意图

图2 高压电表外部接线示意图

(2) 分压电阻选择

表头分压电阻选择采用50MΩ与5kΩ电阻, 可以将高电压转换为低电压, 以保证人身安全, 其中50MΩ电阻选择功率为10W的大红袍电阻, 5kΩ采样电阻选择精度为1%, 功率为2W的金属膜电阻, 采用此分压电路, 可将10000V高压变成1V低压, 表头可以不使用小数点[4].

(3) 电源选择

选用可充电锂电池, 4.2V×3=12.6V, 采用金升阳78M05-500(96%效率)三端稳压器, 能满足设计要求.

(4) 测试端、充电口、开关选择以及外壳设计

测试端可以采用普通万用表测试端口; 充电口可选择DC12V, 5mm全铜圆插; 电源开关就选择普通船形开关; 外壳设计可采用180×75×70的工程塑料外壳.

2 表头设计“不归零”原因查找以及解决方法

高压电表表头的电路设计图如图3所示, 其工作过程比较简单, 这里不做详细阐述. 设计完成后可以直接对其进行测试. 测试结果表明电压显示正常, 但是测量后电压不能归零, 电压最终显示为−12V. 如果调节表头可调电阻, 发现对调零无任何帮助, 电压显示仍然为−12V.

究其调零失败原因时, 考虑到是不是由于信号(−)与电源负极连接在一起, 工作电流是否导致了零漂呢？于是先做一下简单处理, 在供电(−)与信号(−)两端分别串接电阻R1和R2, 改良后的电路设计图如图4所示.

图3 高压电表表头的电路设计图

图4 改良后的表头设计电路图

图4 中的R1和R2, 并非实际电阻, 而是导线自身的内阻. 假设表头工作电流为0.15A, 如果设计中采用的AWG23号线, 那么100m长的数据线内阻大约为6.8Ω. 两根导线长度一样, 长度都为20cm, 因此电阻可推断为0.0136Ω. 如果电流平分, 则信号线两端电压降可算出为0.075×0.0136=1.02mV, 与估计数据非常接近. 此外, 还有一个问题是: 为什么数据显示是−12而不是+12呢？为了方便分析和查找原因, 在图4所示的电路中的信号( +)与供电( −)串接一个电阻R3. 其电路图如图5所示. 图5所示的电路工作过程如下: 电流流向是DC5V→信号( −)→线电阻R2→电池负. 也就是说, R2两端的电压降, 是通过电阻R3,施加至信号( −)和信号(+)的两端, 因此信号( −)电压高于信号(+), 测量完后的电压显示为−12V.

找到了测量完后电压不归零, 而显示为−12V的原因后, 将图3所示的电路最终改为图6所示的电路.经过试验, 测量后电压显示为零, 电路归零正常.

图5 加电阻R3后表头设计电路图

图6 最终设计的表头设计电路图

3 结束语

本文主要对高压电表表头电压不归零问题进行了详细的研究, 针对其显示为−12V的问题通过串接电阻等方法确定了其不归零的原因是导线自身的内阻造成的电压降, 最后给出了表头电路最终的连接方式,解决了表头电压不归零的问题, 为高压电表不归零的设计问题提供了一种简单而有效的解决办法.

[1] 肖如泉, 程天强. 关于高压电压表校验中的几点意见[J]. 高压电器, 1997(5): 27～30

[2] 盛新富, 杨学昌, 戚庆成. 智能式高压电压表的研制[J]. 电工电能新技术, 1997(4): 28～32

[3] 朱小斌．电子测量仪器[M]. 北京: 电子工业出版社, 1996

[4] 刘建华, 黄晓英, 何 熔. 直流高压静电电压表检定方法的研究[J]. 湖北电力, 2001, 25(4): 52～53

The Technology Study of Voltage to Zero for Homemade High-voltage Meter

CHEN Song, RONG Jun, ZHANG Guo-yun, LI Hong-min
(College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

The paper designs a simple and practical high-voltage meter, and the brief description is made for the design process of core head. For the main reasons for the problem for voltage being not to zero, the paper points out the reasons of the connection wire self-resistance and the modes of wires connection. Finally, through the simple and improved circuit, the problem of zero being not to zero was solved.

high-voltage meter; voltage to zero; dividing resistors

TN741

A

1672-5298(2015)02-0053-03

2015-04-27

陈 松(1973− ), 男, 湖南平江人, 硕士, 湖南理工学院信息与通信工程学院讲师. 主要研究方向: 应用电子技术