高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，是在正?；蚬收锨闆r下接通或斷開(kāi)高壓電路的專(zhuān)用電器，在保障電力系統(tǒng)的安全方面起關(guān)鍵作用。在高壓斷路器的生產(chǎn)及使用維護(hù)過(guò)程中，對(duì)儲(chǔ)能碟簧的特性進(jìn)行測(cè)量，一方面是為了測(cè)試碟簧的儲(chǔ)能特性，另一方面通過(guò)保壓試驗(yàn)可以間接地測(cè)試液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封效果。因此，有效地進(jìn)行碟簧特性測(cè)試，保證碟簧工作的可靠性，對(duì)于提高液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體性能具有重要意義。

液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用碟形彈簧組作為儲(chǔ)能元件，由液壓實(shí)現(xiàn)能量傳遞，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭完成分、合閘動(dòng)作。要保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性，就要求儲(chǔ)能碟簧具有良好的儲(chǔ)能性能；為了使開(kāi)關(guān)能可靠地保持在合閘或分閘狀態(tài)，就要求液壓系統(tǒng)具有良好的內(nèi)部密封性，避免因內(nèi)部泄漏引起系統(tǒng)壓力不足而出現(xiàn)誤操作。

碟片彈簧裝置的儲(chǔ)能狀態(tài)可以通過(guò)各個(gè)壓力閉鎖點(diǎn)對(duì)應(yīng)的碟簧壓縮量及系統(tǒng)油壓得到反映，每個(gè)閉鎖點(diǎn)的碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓值必須在規(guī)定的合理范圍內(nèi)，才能保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的性能；液壓系統(tǒng)的內(nèi)部泄漏油情況則通過(guò)保壓試驗(yàn)來(lái)測(cè)試，通過(guò)24h或48h內(nèi)碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓的變化量，判斷系統(tǒng)的內(nèi)部密封性。根據(jù)以上對(duì)液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理及彈簧特性的分析，反映碟簧特性所需的主要參數(shù)有限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻、碟簧的壓縮量和液壓系統(tǒng)的油壓。

目前國(guó)內(nèi)外操動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家在檢測(cè)高壓斷路器儲(chǔ)能彈簧的性能和液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封性時(shí)，都是采用人工手動(dòng)測(cè)量的方式，這不僅會(huì)引入不必要的人為誤差，影響測(cè)試結(jié)果的客觀性，而且人工測(cè)量的效率比較低。對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，一款操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的碟簧特性測(cè)試設(shè)備，是保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量、提高測(cè)試效率的有力保障，也是后期產(chǎn)品維護(hù)的得力助手。因此，設(shè)計(jì)與研制一款便攜式碟簧特性測(cè)試設(shè)備具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求，提出高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）壓力測(cè)量范圍為0～100MPa，測(cè)量不確定度為0.3MPa；2）壓力測(cè)量響應(yīng)時(shí)間為20ms；3）位移測(cè)量范圍為0～100mm，測(cè)量不確定度為0.5mm；4）同時(shí)采集4路限位開(kāi)關(guān)觸頭信號(hào)。

測(cè)試系統(tǒng)的主要功能為：

1）自動(dòng)采集限位開(kāi)關(guān)觸頭信號(hào)；2）測(cè)量系統(tǒng)油壓；3）測(cè)量碟簧壓縮量（通過(guò)測(cè)量位移實(shí)現(xiàn)）；4）能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和測(cè)試結(jié)果輸出；5）保壓試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)記錄并輸出測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)提出的要求，分析需要實(shí)現(xiàn)的功能，提出測(cè)試系統(tǒng)的主體方案如下：以PIC16F系列單片機(jī)為主控制器，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)碟簧特性的測(cè)量，其中壓力的測(cè)量采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，位移測(cè)量采用模擬式位移傳感器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖1中按鍵和液晶顯示部分可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，微型打印機(jī)用于測(cè)試結(jié)果的輸出，F(xiàn)lash則實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的斷電保存，實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于設(shè)置測(cè)試儀的時(shí)間，使其與現(xiàn)實(shí)時(shí)間一致，從而便于測(cè)試結(jié)果的記錄和存檔。

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及人機(jī)交互部分電路、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路、壓力信號(hào)調(diào)理電路、模擬位移采集調(diào)理電路等。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及人機(jī)交互部分電路

設(shè)計(jì)中選用Microchip公司的PIC16F877A作為主控單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理。該部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)（電源、晶振、復(fù)位）電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘、按鍵、LCD顯示、打印、Flash等功能器件的選擇及其與單片機(jī)之間的電路連接。其中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘選擇集成芯片DS1302，顯示用LCD12864液晶顯示器，存儲(chǔ)器選用512×8bit的W29C040 CMOS Flash存儲(chǔ)器。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.2 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路

測(cè)試中需要同時(shí)采集四路限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，并測(cè)量開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)變化點(diǎn)處的位移和壓力數(shù)據(jù)。限位開(kāi)關(guān)信號(hào)作為開(kāi)關(guān)量，可以直接由單片機(jī)的I/O口進(jìn)行測(cè)量，電路設(shè)計(jì)中只需要在I/O口處作簡(jiǎn)單的RC濾波即可。限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路

2.3 壓力信號(hào)調(diào)理電路

壓力測(cè)量選用YMC—4B型壓力變送器，該變送器采用DC 24V供電，測(cè)量范圍為0～100MPa，輸出為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此調(diào)理電路需要完成電流-電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波，將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)A/D口所需的電壓信號(hào)，完成壓力信號(hào)的采集。壓力信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 壓力信號(hào)調(diào)理電路

圖4中，通過(guò)125Ω精密電阻實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，將壓力變送器輸出的4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成0.5～2.5V的電壓信號(hào)，經(jīng)RC低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)后直接進(jìn)入單片機(jī)的A/D采集通道。

2.4 模擬位移采集調(diào)理電路

位移測(cè)量選用電位器式拉線位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出信號(hào)大、使用方便、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是易磨損。

設(shè)計(jì)中綜合考慮測(cè)試要求，選擇LXW系列拉線位移傳感器，該設(shè)備采用DC 5V供電，有效測(cè)量范圍為0～120mm，滿(mǎn)足測(cè)量要求（一般測(cè)量時(shí)位移小于100mm）。輸出信號(hào)為1～7mA，線性度優(yōu)于0.8%F.S.。該位移傳感器在10mm處輸出為1mA，因此在安裝時(shí)，其拉繩需要有一定的預(yù)拉伸長(zhǎng)度，保證傳感器工作于線性狀態(tài)。

模擬位移調(diào)理電路如圖5所示。在該電路中，用250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻將位移傳感器輸出的電流信號(hào)變換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)測(cè)量放大器AD623，將電壓信號(hào)變換成單片機(jī)A/D口需要的0～2.5V的電壓。當(dāng)AD623的增益電阻取為180kΩ時(shí)，放大倍數(shù)為

式（1）

此時(shí)最大輸入電壓對(duì)應(yīng)的位移為118mm，能滿(mǎn)足測(cè)量要求，因此選擇增益調(diào)整電阻為180kΩ。其中，增益的微調(diào)可用RV1實(shí)現(xiàn)。

圖5 模擬位移調(diào)理電路

在保壓測(cè)試時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)微變位移量的測(cè)量，采用分段采樣的方式提高測(cè)試通道的分辨率，即用模擬通道的整個(gè)測(cè)量范圍實(shí)現(xiàn)某一特定區(qū)段位移的測(cè)量。如在本設(shè)計(jì)中，使AD通道滿(mǎn)量程僅完成75～100mm區(qū)段位移的測(cè)量，大大提高了測(cè)量分辨率。

電路的原理與圖5所示相同，只是電阻分壓部分的R3改為10kΩ，將R5改為9.1kΩ，再將反饋電阻R7改用13kΩ。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試方法有效提高了測(cè)量分辨率，從原來(lái)的0.03mm提高到0.01mm，可以較好地監(jiān)測(cè)保壓試驗(yàn)中碟簧位移的微量變化。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境Maplab進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試功能。軟件設(shè)計(jì)主要包括位移校準(zhǔn)、性能測(cè)試和時(shí)間設(shè)置三個(gè)功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，對(duì)位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，利用初始位移、終止位移及用戶(hù)輸入的標(biāo)準(zhǔn)位移值來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算位移校準(zhǔn)系數(shù)，從而可以方便、準(zhǔn)確地對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

性能測(cè)試程序主要由特性測(cè)試和保壓試驗(yàn)兩部分組成，特性測(cè)試過(guò)程中采集限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，并記錄開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)刻碟簧的壓力和位移值，測(cè)試結(jié)束后可根據(jù)用戶(hù)要求打印輸出測(cè)試結(jié)果；保壓試驗(yàn)中，主要完成保壓時(shí)間的設(shè)置和測(cè)試結(jié)果的輸出打印及顯示。

時(shí)間設(shè)置程序?qū)?shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使其跟現(xiàn)實(shí)時(shí)間保持一致，便于對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行保存和后續(xù)分析。對(duì)儀器的操作參數(shù)設(shè)置主要通過(guò)按鍵和顯示配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)通過(guò)應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器與拉線式位移傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能液壓機(jī)用彈簧性能的自動(dòng)測(cè)試，并且自動(dòng)打印輸出測(cè)試報(bào)告。為了校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是否滿(mǎn)足預(yù)期的性能要求，首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)性評(píng)定。

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將設(shè)計(jì)完成的碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)在陜西省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，壓力校準(zhǔn)采用一等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)，位移校準(zhǔn)采用二等量塊，校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1的壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，壓力的最大測(cè)量誤差為0.2MPa。表2的位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，模擬位移的最大測(cè)量誤差為0.27mm。

圖7 校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（單位: MPa）

表2 位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（單位: mm）

由表1數(shù)據(jù)可得，壓力測(cè)量通道的最大測(cè)量誤差百分比為

壓力和位移的測(cè)量誤差均能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需求。

4.2 系統(tǒng)重復(fù)性評(píng)定

為了進(jìn)一步評(píng)定系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的壓力重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 壓力重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)（單位: MPa）

由表3可得，壓力的A類(lèi)不確定度為

由計(jì)算數(shù)據(jù)可得，壓力和位移的測(cè)量準(zhǔn)確度均能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求。

表4 位移重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)（單位: mm）

測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及測(cè)試報(bào)告如圖8所示。

圖8 測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及測(cè)試報(bào)告

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，結(jié)合顯示、打印等外圍輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器碟簧特性位移和壓力的測(cè)量。經(jīng)陜西省計(jì)量科學(xué)研究院檢定和校準(zhǔn)，壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，模擬位移的測(cè)量誤差最大為0.27mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可得，壓力擴(kuò)展不確定度為0.24MPa，位移擴(kuò)展不確定度為0.29mm。

測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試設(shè)備操作簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定可靠、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，大大提高了碟簧特性的測(cè)試效率，滿(mǎn)足一般的工業(yè)測(cè)量要求。

本文編自2022年第9期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，作者為周蘭蘭、李華。