设苗・产品 比差：０．２％ 过感应在二次线网中得到一个可变的电流信号，通 Ｕ Ｒ ａ Ｏ 一 一 一 一 ＿ 一痢掰 广上０～１ ２５０ Ｖ三种量程作为程控放大器的三个量程 ）； 将电流钳夹到Ａ相（以Ａ相为例）电线上，通 段，设计电路如图４。 过二次线圈上接入的２ Ｑ精密线绕电阻可以获得一 个可变的电压信号，见图２。 一Ｉ＂Ｃ１－Ｃ２ Ｌ ３￣１＿Ｕ１一 图２电流分流原理图 通过对ｕｌ的测量就可以换算出Ａ相的电流 值。一般来说，电流互感器都有在不同程度的角差 问题，这在设计过程中必须加以重视，尤其在测量 抽油机电动机功率时，其功率因数在０—１８０。相 位角变化，更要在补偿方面加以重视才能满足其设 计要求。一般补偿的方法是在感应线圈中并入 ５ Ｆ～４０ Ｆ的电解电容即可。如图２中Ｃ．和Ｃ：， Ｒ，一般选择０．００１～０．００５ ｋ之间。 ２．２ 电压分压电路的设计 交流电压分压有许多方法，有电阻分压法、电 感电容分压法和电压互感器分压方法。而本项目在 设计过程中，主要考虑到抽油机工作的特殊环境及 抽油机电动机接地问题，采用电压互感器分压方 法，电压互感器选取某公司生产电压互感器，见图３。 图３电压分压原理图 电压互感器实际上就是电流互感器。在电压互 感器的二次相加一个１００ ｎ的精密线绕电阻，感应 出的电压信号通过同相放大器输出一个可变的Ｕ， 电压信号。Ｒ。的选取由下式来确定： Ｒｏ＝Ｕａ／Ｉ （１） Ｊ一般在６ ｍＡ左右为宜， “选取７００ Ｖ。互 感器的角差问题，要在以后的设计中统一考虑。 ２．３交流电压程控放大器电路的设计 一般抽油机电动机的供电电压有３８０ Ｖ，６６０ Ｖ， ｌ １４０ Ｖ。根据三种供电电压的形势，充分考虑到电 压波动的情况，设计时采用了０～４５０Ｖ，０～７５０ Ｖ， 图４交流电压程控放大器原理图 为提高输入阻抗，本电路采用同相输入方式， Ｒ 、Ｗ．，Ｒ，、ｗ ，Ｒ 、ｗ，组成了ｊ个不同量程的 反馈电阻，同时ＣＤ４０５２作为ｊ路的模拟开关，Ａ、 Ｂ的状态由计算机根据抽油机工作状态来自动确 定，以此达到了自动识别采用哪种Ｔ作模式更为合 理。电路中尺 选取５．１ ｋＱ的电阻根据以下公式来 确定： Ａ＝１＋尽，／Ｒ５ （２） ２．４高精度四象限乘法器电路的设计 乘法器一般分为模拟乘法器和数字乘法器。采 用模拟乘法器时应考虑其损耗，但它具有响应时间 短的优点。数字乘法器多采用经数据处理的串行数 字乘法器。 本仪器采用电压控制型时分割乘法器，并设计 补偿电路解决开关尖峰问题；采用调零电路解决由 于使用较多运放带来的满度和零点的漂移及稳定 问题。 电压控制时分割乘法器原理框图见图５。 Ａ１一积分器；Ａ２一低通滤波器；Ａ３一比较器。 图５ 电压控制时分割乘法器原理图 图５所示为本机采用的时分割乘法器 Ｉ原理框 图。它由脉宽调制器和一低通滤波器组成。输入电 压经分压器后将 送至积分器的输入端，积分器 ２ＤＩ 年第５期石油石化节能ｆ ３５ １—— Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｐｒｏｄｕｃｔ 作积分运算。比较器输出Ｅ２开关５１按通一Ｅ 的 大，如果波动比２Ｅ 大，则乘法器工作时就不会稳 时间为ｔ１，接通Ｅ 的时间为ｔ ，于是经开关动作 定，在实际电路设计时采取措施有效对积分波动进 控制脉冲信号宽度，它正比于输入信号电压 ， 行了抑制。 见图６。 ／ ＼ ／。 ＼ ＼ ／． ＼ ．／ 、 ｔ１ ｔ２ － ‘ 图６脉冲信号控制原理图 整个系统在一个积分周期终了时，送入积分器 的电流为零，于是有下面的公式： １×（正 ’＋Ｅｓ）＋ｔ２×（走Ｅ 一Ｅｓ）＝０ 所以有： ｔｚ／（ｔｌ＋ｔ２）一１／２（１＋志 ／Ｅｓ） （３） 将钳型表输出电流流经负载上的压降加到乘法 器的电流边。由于脉宽调制器输入信号Ｅ 控制开 关５２通，于是将Ｅｙ接入，其时间为ｔｏ。 用丁表示低通滤波器的积分时间，于是输入的 平均值Ｅ 为： ＿厂 Ｅ０＝１／Ｔ ｌ Ｅｙｔｌ／（丁＝ｔ１＋ｆ２）ｄｔ （４） ０ 将（３）、（４）式结合得： 了’ 丁 Ｅ（）＝１／２Ｔ Ｉ Ｅｙｄｔ＋ｋ￣２ＴＥｓ Ｉ Ｅａ－Ｅｙｄｔ（５） ０ ０ 式（５）中第一项是交流分量，通过后面的低 通滤波器即可滤掉。第二项为被测交流电压、电流 瞬时值在整个周期内的积分，其周期内平均的直流 信号正比于有功功率，其信号通过１２位Ａ／Ｄ转换及 计算程序处理后，送至ＬＣＤ液晶显示器及数据存 储区。 在图５中因为加入积分器Ａ 构成闭环电路。 所以可降低对 角波的线性要求，从而提高精度。 实际上由于输入失调电压及其漂移的存在，电容ｃ 上并联电阻Ｒ 引入电流负反馈，从而有效抑制漂移 的存在。 另外Ｒ，Ｃ的值应大于积分常数ｒ，及Ｒ ２》Ｒｌ。 在实际电路中Ｒ２＝１ ３ ｋＯ，Ｒｌ＝４００ ｎ，故满意条 件。为保证同时刻瞬时量相乘及保证后级数据处 理，则必须加快响应速度。但这样积分波动就会更 ｊ ３６ １ ｗｗｗ．ｓｙｓｈｊｎ．ｃｏｍ ２．５高速Ａ／Ｄ电路的设计 由于ＡＤ５７４片内有时钟，故无须外加时钟信 号，该设计电路为单极性输入方式，可对０～１０ Ｖ 模拟信号进行转换，当ＡＤ５７４、８９Ｃ５１单片机配置 时，由于ＡＤ５７４输出１２位数码，所以当单片机读 取转换结果时，需分两次进行，先高８位，后低４ 位，设计时ＡＤ５７４采用查询方式读取转换数据。 ３ 软件设计 仪器所用的工作软件为Ｆｒａｎｃｌｉｎｅ Ｃ５１提供的软 件包编写 。程序的结构化设计，良好的可读性及 所提供的标准函数库和参数传递时采用的ＲＡＭ覆 盖技术均给设计，调试创造良好的开发环境。 ４仪器误差分析 仪器误差主要分布在放大器放大电路；由多级 运放组成的电压控制型乘法器，由于开关场效应管 的尖峰效应和导通电阻的影响以及运算放大器漂移 影响所产生的满度和零点不稳所带来的误差；Ａ／Ｄ 转换带来的误差等。 ４．１ 电压测量误差分析 实践证明当二次谐波不太大时，如是正弦波幅 值的１０％，产生误差为１％。故本仪器在设计时， 输入端加带通滤波器，从而保证ＡＣ／ＡＤ转换精度 ０．２％，加上单级放大器误差０－３％，总误差为 ０．５％。 ４．２ 电源设计保证仪表的总体精度指标 本仪器中使用现今广泛使用的串联型稳压电 源。在电路中，放大器的电源Ｅ。一般是稳压电 源，当Ｅ 失控时，在放大器输入端短路的条件下 输出也不是零，而是稳压电源失控后的纹波，使得 放大器的工作不正常。所以在电路中参数选取时保 证Ｕ．一△Ｕ。～Ｕ０＜Ｕｍｉｎ［Ｖ］。是保证稳压电压正 常工作时调整管管压降的最小数值。 对仪表电源进行必要的处理是为保证稳压电源 不失控，稳压电源的输入电压Ｕ ≥Ｕ。＋Ｕ 。 ，输 入电压 Ｕ 的波动数值应保证 △Ｕ。≤Ｕ２ 一（Ｕｏ＋Ｕ ｉ ）。 例如选用的集成稳压电源ＣＷ７８０５，实际输入 Ｕ０＝４．９５ Ｖ，特制变压器副端输出Ｕ２ ＝１２Ｖ， Ｕｉ一０．７０７×１２—８．４７Ｖ，Ｕ 一２～２．５Ｖ。ＡＵ。最 船大为２ Ｖ。可见上述数据完全满足电源稳定的条件。 ４．３钳型电流表的精度 御＿ 出信号能无失真地复现原信号。因此本系统在Ａ／Ｄ 转换前设置低通滤波器，以消除信号中无用的高频 分量的影响。Ａ／Ｄ转换器使用ＡＤ５７４ ，它是１２位 的，Ａ／Ｄ转换器的分辩率为１ＬＳＢ，量化误差±（１／ ４ ０９６）Ｘ １００％＝４－０．０２４％。 钳型电流表的精度为０．２％。 ４．４放大器误差 电路中采用ＯＰ０７运算放大器。对于ＯＰ０７运算 放大器产生最大温度漂移误差为： ｅａｌ＝［Ａｅ ／ＡＴＥｒ—Ｒ厂＋Ｒｉ／Ｒ￣、］＋ＲｉＡＩ６／ａＴ］×△Ｔｉｅ （６） 式中： Ａｅ ／△丁——温度每变化１ ｏＣ引起电压漂移； △ ／△丁——温度每变化１ ｏＣ引起电流漂移； Ｒ，——０Ｐ０７反馈电阻； Ｒｉ——输入电阻； ——输入电压信号。 若取△丁＝±２５℃， ＝１０ ｍＶ，Ｒ，、一Ｒｉ一３ ｋＯ， Ａｅ ／ＡＴ：０．５ Ｖ／℃，△，６／ａＴ＝１３ｐＡ／０（２，贝１ ｓａｌ＝ ±０．３％。 二级放大电路，ＡＴ＝±２５ ｏＣ，Ｐ ＝１０ ｍＶ， Ｒ／’：１３ ｋｎ， Ｒｉ＝３ ｋＱ， Ａｅ ／ＡＴ：０．５ Ｖ／ ，ＡＩ ／ａＴ＝１３ｐＡ／％，则ｓａ２＝±０－３％。 ４．５乘法器误差 精确的乘法器特性，是在一些理想的假定条件 下获得的。实际器件不可能具有完全理想化的特 性。其误差的来源主要有以下几个方面。 １）晶体管特性的差异。尽管对元件进行挑 选，晶体管特性及温度系数虽可以达到非常接近的 程度，但总不可能绝对相同。这些特性的微小差异 仍然是造成乘法器存在误差的重要来源之一。通过 调节外接失调电路可以在很大程度』＿消除这类 误差。 ２）晶体管基极欧姆电阻的存在，是乘法器在 实际应用中存在误差的最主要的原因。由此造成的 误差很难在外同电路进行补偿。 ３）非线性电阻 的影响。可通过采用足够大 的Ｒ Ｒ ，力口以克服。 ４．６ Ａ／Ｄ转换误差 为使采样数值有效，在Ａ／Ｄ转移期问输入电压 应稳定，为防止得到一个不定的结果，输入电压摆 动的时间的速率应小于１０ Ｖ／ｍｓ。抽油机电动机转 动的周期平均达到６～１０ ｒ／ｍｉｎ，这样可以大致估计 出模拟信号的带宽为０．１～０．１６ Ｈｚ。系统采样频率 为１００ Ｈｚ，根据Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定理可知，当采样频 率至少为输入信号最高有效频率的２倍，则采样输 ５ 结束语 经过多年的研究和实验，我们对抽油机电功率 测试有了更加深入的了解，它与一般的电功率测试 有所不同，在测量电路设计上和计算上都有很大的 差异，这是因为抽油机工作时，其负载在不断的变 化，而且由于抽油机平衡块作用，有时抽油机电动 机可能全处在发电状态，它的功率因数有可能在正 负两个方向不断地变化，因此在测量时，一定要有 足够的采样点，采样的速度一定要快，否则在测量 一个冲程内的有功功率值会造成很大的误差，再 者，目前国内抽油机电动机的供电电压是随着地域 的不同，供电电压是不同的（一般有３８０ Ｖ，６６０ Ｖ 和１ １４０ ｖ），因此在设计过程中充分考虑到用户的 实际情况，使之更加适合各种环境下的抽油机电动 机的测量，通过多年在油田的实际应用，该装置能 满足目前国内用户的要求，达到了节能监测目的。 参考文献： ［１］葛苏鞍．抽油机电动机运行状态分析［Ｊ］油田节能， ２０００，（１） ［２］瘴保中抽油机负功与电机功率测试仪表的合理选择 ［Ｊ］石油１ 业技术监督，２０００，（２）． ［３］胡述龙．十｝“油机ｆ 作中电动机发电运行状念分析［Ｊ］石 油机械，２００３，（９） ［４］童诗『Ｌｆ，华成英，模拟电子技术基础［Ｍ］高等教育 版 衬：．２００１：４０６—４０８ ［５］周赢功增强型８００５１单片机速成 实战［Ｍ］．北京：北京 航空航天大学 版社 ２００３—７ ［６］潭浩强，０程序设计［Ｍ］第２版．北京：清华大学大学 版 社．１ ９９９． ［７］张毅刚，潭晓昀，彭喜源，等ＭＯＳ－５１单片机应用设计 ［Ｍ］第２版哈尔滨：哈尔滨ｒ＼Ｊ 火学 版丰十．１ ９９７． （收稿１４期：２Ｏ１ ２－２—１８） ２０１ 年第５期石油石化节能Ｉ ３７
