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一 引言 電能測量是一種成熟、常用而又重要的測試技術。它與能源利用、經(jīng)濟效益和環(huán)境保護等重大課題都緊密相關。但是，通常所指的“電能測量”，其測試對象一般是直流或工頻電能量。他們都表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)信號。其數(shù)值是不隨時間變化或緩慢變化或周期變化的。一般來說采用各種電能計量儀表，按工業(yè)標準規(guī)定測量某些參數(shù)數(shù)值即可。但是隨著科學應用和現(xiàn)代工業(yè)自動化技術的發(fā)展，在許多實驗研究，工業(yè)過程及產(chǎn)品測試中，能量的變化不再是穩(wěn)態(tài)過程，而表現(xiàn)為隨時間變化的突發(fā)性、隨機性和瞬時性，是典型的動態(tài)時域過程。在實際中這樣的例子很多。例如，在工業(yè)過程的自動化控制中電機運行條件日趨復雜，表現(xiàn)為電機運行過渡過程的大量增加。即為了執(zhí)行控制程序指令，電機必須頻繁的啟動、停車、變速、換向、加載、卸載等等。又比如儲能器件（電容、電感及電池等）能量的充填與釋放，往往表現(xiàn)為一個單次瞬態(tài)時域過程。再一個典型例子是汽油發(fā)動機的點火能量，它是一種占空比很小，脈沖沿十分陡峭并伴隨有強電磁干擾的時域過程。盡管穩(wěn)態(tài)能量和動態(tài)能量的測試理論是相同的，都是電壓與電流在對應時刻上相乘得到功率后再對時間積分，但測試技術的難度和設備的復雜程度卻大不相同。后者要求測試系統(tǒng)有足夠的帶寬，良好的動態(tài)響應和很強的抗干擾能力。同時對捕捉到的信息必須及時存儲，然后分析、處理并獲得電壓、電流、功率和能量的時域波形，而不僅僅是某些時刻的參數(shù)值。要實現(xiàn)上述測試任務，目前沒有現(xiàn)成的動態(tài)能量測試設備可供選擇，需要自己結(jié)構測試系統(tǒng)。在各種方法中，其首選方案是：電壓、電流探頭+臺式智能示波器+計算機+應用測試程序。其中，示波器的正確選用是關鍵因素。 美國Tektronix公司在2002年推出了TDS1000系列、TDS2000系列數(shù)字存儲示波器和TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器。它們都屬于中、低檔價位的智能示波器，具有實時采樣速率高、智能功能較全、可配程控接口、抗電磁干擾能力強、性價比好等共同特點。經(jīng)過反復的比較和實驗，這些示波器在動態(tài)能量測試中都有良好的穩(wěn)定性、適用性和抗干擾能力。同時，還給用戶提供了一個較大的價位選擇空間。應該說，選擇上述示波器用于動態(tài)能量時域過程測試是最佳方案之一。 為了實驗教學和工業(yè)產(chǎn)品測試的需要，我們構建了基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的動態(tài)能量測試系統(tǒng)。經(jīng)過長期測試，它已成功的用于電機過渡過程能量測試，電容、電感、電池的充放電能量測試、發(fā)動機點火能量測試。配以相應的傳感器，這個測試系統(tǒng)還能用于某些非電量瞬態(tài)能量時域過程的測試，如相機快門的機械能、沖擊溫升的熱能和快速運動物體的動能等等。有理由認為：這個測試系統(tǒng)有一定的實用價值和良好的應用前景。 二 測試系統(tǒng)構成及主要特點 基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的動態(tài)能量測試系統(tǒng)主要由電壓、電流探頭，TDS系列示波器，應用測試軟件，計算機及其外圍設備等組成。 現(xiàn)以汽油機點火能量測試為例，說明測試系統(tǒng)的工作過程：首先高壓探頭將點火裝置輸出的脈沖高電壓進行衰減后送給TDS系列示波器一個Y輸入通道，而電流探頭則將點火裝置輸出的脈沖小電流轉(zhuǎn)換為相應的脈沖小電壓輸入到TDS系列示波器另一個Y輸入通道。接著調(diào)整示波器的各項工作狀態(tài)參數(shù)，及時、正確地捕獲電壓、電流時域波形，并存入相應的參考存儲器中。最后借助應用測試軟件把示波器捕獲的數(shù)據(jù)傳送給計算機并進行運算處理，以獲得與能量相關的數(shù)據(jù)表和時域波形圖。如果需要，則將所需信息硬拷貝輸出或進行網(wǎng)絡傳輸。 測試系統(tǒng)的結(jié)構框圖如下： 現(xiàn)對上面的測試系統(tǒng)結(jié)構框圖簡要說明如下： 1．被測裝置與器件 被測裝置與器件主要是指產(chǎn)生電能量瞬時變化時域過程的被測對象。如：各類各型的汽油內(nèi)燃機的點火裝置；電動機過渡過程中功率、能量隨時間的變化歷程；各種儲能器件（電容、電感、電池等）能量充填和釋放過程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測等等。其種類繁多、性狀各異，無法細述。 2．電壓、電流探極 電壓、電流探頭主要完成電壓變比、阻抗變換、差分輸入、電壓/電流變換、初次級隔離等功能。從而給示波器提供保真度高、幅值適當?shù)碾妷盒盘枴EK公司提供了性能齊全的電壓、電流探頭及其系統(tǒng)。除了示波器標準配置的電壓探頭之外，還可以選用各種專用探頭。如：P5200型高壓差分探頭、P6015A高壓探頭、AM 503S電流探測系統(tǒng)、TCP202直流耦合電流探頭等。 3．TDS系列示波器 TDS系列示波器主要是指TDS1000系列、TDS2000系列數(shù)字存儲示波器和TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器。在智能示波器中，它們屬于中低檔層次的儀器。其采樣速率從2GS/s到5GS/s，實時帶寬從60MHz到500MHz，Y通道數(shù)為2到4個，有程度不同的智能功能并可以配置程控接口。更重要的是，在工作條件比較惡劣，現(xiàn)場存在較強的電磁干擾時，它們?nèi)匀荒軌蚍�(wěn)定可靠地工作。這在汽油機點火特性和電機過渡過程的測試實踐中已得到證實。我們曾做過多次實驗，發(fā)現(xiàn)某些智能功能很強、價位很高的示波器在電磁干擾下會常常產(chǎn)生亂屏、死機等現(xiàn)象，無法正常工作。而動態(tài)能量的測試必須在現(xiàn)場進行，常常伴有較強共生和環(huán)境的電磁干擾。所以，抗干擾能力的優(yōu)劣是選擇示波器的首要因素之一。 4．應用測試軟件 應用測試軟件的功能是實現(xiàn)示波器與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，并對數(shù)據(jù)進行運算、分析和處理。我們知道，示波器捕獲的僅僅是電壓和電流波形。要獲得能量信息則必須先把電壓和電流波形逐點相乘，得到功率波形。然后再對時間積分，才能得到能量波形。一般的示波器測量軟件雖然功能較全，但并不提供能量測試功能。為此，我們開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權的動態(tài)能量測試軟件。其主要功能和特點是：它支持多種型號的示波器（TDS 200系列、TDS 1000系列 TDS 2000系列 TDS 3000B系列等）；使用最常用的計算機串口傳輸數(shù)據(jù)；它將示波器捕獲的電壓-時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中之后進行處理，生成電壓、電流、能量、功率波形圖和對應的數(shù)據(jù)表，并對波形圖實現(xiàn)光標測量；還提供對應于測試數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)庫和報表打印輸出功能。可適用于汽油機點火技術特性及電機過渡過程，電容、電池充放電等動態(tài)能量時域信號等方面的測試。 5．計算機及其外圍設備 計算機的軟硬件資源及其外圍設備是運行應用測試軟件和完成數(shù)據(jù)硬拷貝的基礎。不必祥述。 三．測試數(shù)據(jù)及其分析 使用以TDS系列示波器為基礎的動態(tài)能量測試系統(tǒng)對汽油機點火特性、電動機過渡過程、儲能器件的充放電波形完成了多次測量。對它們的能量時域過程進行了大量的實驗研究。獲得了眾多的測試數(shù)據(jù)。下面給出幾組典型的測試波形并進行簡要分析。 圖（2） 摩托車火花電壓、電流波形圖 圖（3）動態(tài)能量測試軟件主界面 圖（4）汽車點火能量波形圖 圖（5）直流電機啟動電壓、電流波形圖 圖（2）給出了摩托車點火線圈產(chǎn)生的次級高壓擊穿三極放電探針空氣間隙，形成火花放電時捕獲的電壓電流波形。其電壓峰值高達十幾仟伏，電流峰峰值僅有四百毫安，持續(xù)時間不到三百微妙。是一個典型的瞬態(tài)小能量時域過程。電壓波形是由P6015高壓探頭測得，電流波形由TCP202電流探頭得到。使用TDS3012B數(shù)字熒光示波器，通過本機軟驅(qū)獲得上述波形。 圖（3）、圖（4）是用我們開發(fā)的動態(tài)能量測試軟件把TDS1002數(shù)字存儲示波器捕獲的波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，然后進行運算、處理得到的。前者是軟件的主界面，包括由電壓、電流各自的2500個數(shù)據(jù)點，運算得到的功率、能量數(shù)據(jù)組成得數(shù)據(jù)表，以及實施連接、數(shù)據(jù)存取、打開數(shù)據(jù)庫等人機交互功能組成。后者則是一個典型的汽車點火能量時域波形圖。它有一個陡峭的能量上升沿。在不到兩毫秒的時間間隔內(nèi)，能量從零上升到九十毫焦耳。可以很方便的使用光標對能量波形進行定量測試。 圖（5）是使用TDS1002數(shù)字存儲示波器捕獲的直流電機啟動時的電壓、電流波形圖。它是通過Tektronix公司的WSTRO波形測量軟件完成數(shù)據(jù)傳輸和處理的。可以看到，這個直流伺服電機啟動時電流高達四安培，是穩(wěn)態(tài)電流的十倍。 四：結(jié)語 綜上所述，筆者有如下看法： 1．隨著工業(yè)過程控制的日益復雜化和科學應用技術不斷發(fā)展的需要，動態(tài)電能量測試將顯得越來越重要。因此，研究動態(tài)電能量的測試方法，開發(fā)其測試設備是必要的。對于降低能源消耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高企業(yè)經(jīng)濟效益都有一定的實際意義。 2．在動態(tài)能量測試過程中，如何提高測試設備的抗干擾能力，是一個十分重要的問題。實踐證明，TDS1000/2000/3000B系列示波器有較強的抗干擾能力。可以用于諸如點火能量、電機過渡過程等有較大電磁干擾的測試中。 3．當動態(tài)電能量測試用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測時，如何在保證抗干擾能力的同時提高檢測效率是一個需要進一步解決的問題。 |
