應(yīng)用LabVIEW環(huán)境評(píng)估交流電壓測(cè)量的精度

1、應(yīng)用LabVIEW環(huán)境評(píng)估交流電壓測(cè)量的精度P Otomahskii, Z Krawiecki, A Odon波茲南工業(yè)大學(xué)，電氣工程和電子研究所Piotrowo 3A, 60-965 Poznah,波蘭E-mail: HYPERLINK mailto:otomanet.put.poznan.pl otomanet.put.poznan.pl1、摘要：文章提出了應(yīng)用完整Labview環(huán)境來最終評(píng)估交流電壓測(cè)量精度。該文章說 明的是選定交流電壓表在一個(gè)被設(shè)計(jì)的測(cè)量位置上獲得測(cè)量結(jié)果。所設(shè)計(jì)的測(cè)量 位置有研究以及教學(xué)的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。由于這種儀器，我們可以識(shí)別那些在手冊(cè)中 查不到的交流電壓表的特征，或

2、者驗(yàn)證由制造商提供的參數(shù)。所獲得的測(cè)量結(jié)果 的分析應(yīng)該考慮處理測(cè)量方法精確度的限制，尤其是所測(cè)波形和儀表頻帶帶來的 影響，這些問題常常被忽略或難以引起重視。筆者對(duì)如何使測(cè)量結(jié)果以方便和用 戶容易接受的形式顯示給大家進(jìn)行了思考。本文討論的主題是分析選定的LabVIEW 應(yīng)用的用途。2、正文:2.1、簡(jiǎn)介：發(fā)現(xiàn)一個(gè)測(cè)量的真實(shí)值是每次測(cè)量的目標(biāo)。因?yàn)闊o論是測(cè)量設(shè)備還是測(cè)量方 法都是不完善的，所以我們永遠(yuǎn)無法準(zhǔn)確地測(cè)出這個(gè)量。從測(cè)量所得的結(jié)果是真 實(shí)值的某一評(píng)估，評(píng)估越好則測(cè)量精度越高。從測(cè)量得到的值和實(shí)際值之間的差 異是測(cè)量誤差。根據(jù)文獻(xiàn)1，測(cè)量誤差是測(cè)量結(jié)果與測(cè)定量的真實(shí)值之間的差異。 因?yàn)槲覀儚?/p>

3、來未準(zhǔn)確的知道真實(shí)值，在實(shí)踐中我們經(jīng)常利用一個(gè)常規(guī)的真實(shí)值， 這個(gè)值被認(rèn)為是確定的，有時(shí)按照慣例，認(rèn)為該值在特定的應(yīng)用中通常被看作是 一種不確定性的值1。2.2、交流電壓量描述：描述交流電壓的基本參數(shù)為：瞬時(shí)值U（t），均方根值U，修正值Ur，峰值 。山，形狀系數(shù)F和峰值系數(shù)PF。一個(gè)具體電壓測(cè)量值的選擇取決于它的應(yīng)用的目 標(biāo)和測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。最經(jīng)常使用的電壓值是RMS值，公式計(jì)算（1）：U=，-Iu 2 （t ）dt（1）TL 0目前使用的交流電壓表是按正弦波波形的RMS值顯示的。根據(jù)其工作原理， 它們可以響應(yīng)均方根值，修正值，或很少見，響應(yīng)峰值。電壓表響應(yīng)的修正值是 根據(jù)公式（2）：叫

4、-F其中：uw的值是由儀表顯示，虬是正弦信號(hào)形狀系數(shù)值。電壓表響應(yīng)的峰值 是根據(jù)公式（3）：眺其中：PF是正弦信號(hào)的峰值系數(shù)值。對(duì)于distontion信號(hào)，利用公式（2）或（3）有錯(cuò)誤，從被調(diào)查研究的波形 來看，錯(cuò)誤是正弦波形越大波形越失真。失真信號(hào)的測(cè)量的可靠性由電壓表的頻率特性而定。儀表和機(jī)電傳感器通常 用來測(cè)量頻率不超過幾赫茲的信號(hào)，但市場(chǎng)上現(xiàn)有的電子轉(zhuǎn)換器和測(cè)量?jī)x表已經(jīng) 能測(cè)量幾或幾十KHz的上限頻率。因此，應(yīng)用儀表和轉(zhuǎn)換器顯示RMS值并不是顯 示交流電壓特征值的充分條件。例如，含有400Hz頻段的電磁表并不能確保含有 高次諧波的失真波形的正確的測(cè)量。2.3、LabVIEW編程環(huán)境L

5、abVIEW （實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是一個(gè)圖形化編程軟件，被用來對(duì)開發(fā) 程序進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)采集，控制和通信。在LabVIEW環(huán)境中相互關(guān)聯(lián)的圖標(biāo)創(chuàng)建 一個(gè)程序通常被稱為一個(gè)VI （虛擬儀器）234。所有VI的必須有兩個(gè)部分: 前面板和方框圖。前面板包含各種控制和顯示，而方框圖包括了多種功能。功能 （圖標(biāo)）是有線內(nèi)部框圖，其中電線代表了數(shù)據(jù)流。VI的執(zhí)行依賴于數(shù)據(jù)，這意 味著一個(gè)框圖內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將只執(zhí)行數(shù)據(jù)可在該節(jié)點(diǎn)通過的每個(gè)輸入端。相比之下， 像C程序這種傳統(tǒng)的程序的執(zhí)行須遵循其中5的指示編寫的順序。VI構(gòu)成了新一 代的測(cè)量設(shè)備。在這些新的設(shè)備中，硬件某些函數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)可以用適當(dāng)?shù)腜C機(jī) 可執(zhí)

6、行程序?qū)崿F(xiàn)6。它主要涉及的是設(shè)備處理和信號(hào)處理算法的執(zhí)行。正是由于 這些設(shè)備，才很容易修改設(shè)備和執(zhí)行信號(hào)處理算法。特別是LabVIEW環(huán)境一般常 用在大學(xué)的教學(xué)過程中以實(shí)現(xiàn)具體方案提出的各種問題。2.4、測(cè)量位置該測(cè)量結(jié)果來自于一個(gè)設(shè)計(jì)的測(cè)量位置，如圖1所示。測(cè)量結(jié)果由一個(gè)測(cè)試 信號(hào)的電壓u（t，）儀表顯示的常規(guī)真實(shí)值，被研究的交流電壓表，和計(jì)算機(jī)源的控 制軟件組成。所討論的測(cè)量系統(tǒng)的功能發(fā)生器33120A被用來作為測(cè)試信號(hào)源。依 靠被研究的電壓表的類型，當(dāng)為平均測(cè)量而設(shè)計(jì)的電壓表，電壓表測(cè)量的參考電壓是用萬用表34401A，當(dāng)我們研究?jī)x表的高精確度時(shí)，用3458A。IEEE-488.2EXA

7、MINED VOLTMETERSPRINTERCONTROL SOFTWAREIEEE-488.2 產(chǎn)WAVEFORM qutGENERATOR 0REFERENCEVOLTMETER o 一圖1、測(cè)量位置示意圖，研究交流電壓表的精度在系統(tǒng)中使用的參考電壓表和函數(shù)發(fā)生器，配有通訊接口 IEEE-488.2，基于 SCPI命令的標(biāo)準(zhǔn)，使得它可以遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平和研究在LabVIEW環(huán)境下 編寫的應(yīng)用。2.5、虛擬儀器的設(shè)計(jì)確定了測(cè)量結(jié)果的誤差基于虛擬儀器的開發(fā)程序的設(shè)計(jì)用來確定測(cè)量結(jié)果誤差值。開發(fā)好的應(yīng)用使 可能實(shí)現(xiàn)許多功能，例如：-實(shí)現(xiàn)一個(gè)被監(jiān)測(cè)信號(hào)的任意形式，-存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，-測(cè)定測(cè)量

8、結(jié)果的相對(duì)值和絕對(duì)值的錯(cuò)誤以及他們的形象化，-在文本文件中記錄測(cè)量結(jié)果和計(jì)算。在測(cè)量環(huán)中，用選定的萬用表分四個(gè)階段對(duì)交流電壓測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，-測(cè)試50Hz頻率的正弦曲線波形，測(cè)試正弦、三角形和矩形標(biāo)準(zhǔn)波形，-測(cè)試任意失真的波形，檢查測(cè)試信號(hào)頻率對(duì)電壓表指示的影響。圖2給出了應(yīng)用程序的框圖，顯示了交流電壓測(cè)量精度評(píng)估方法的框圖。對(duì)于每一個(gè)階段的研究實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序面板準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)一個(gè)給定 類型的測(cè)量。在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，GPIB總線總是在測(cè)試，以檢測(cè)測(cè)試信號(hào)和參考電壓表的 來源，并且在面板適當(dāng)?shù)膮^(qū)域顯示它們的身份和通信參數(shù)相應(yīng)的字段。在數(shù)據(jù)被 批準(zhǔn)后，研究應(yīng)采用測(cè)量裝置的標(biāo)簽。這些操作結(jié)束

9、了配置階段，這是測(cè)量前需 要的階段。圖2、應(yīng)用程序的框圖在圖3中，是一個(gè)面板的例子，指的是檢測(cè)失真交流電壓精度的功能TRIALWAVEFORM PARAMETERSGENERATED WAVEFORMRMSALUEFREQUENT/IGNITION ANGLEGENERATE WAVEFORMMEASUREMENTSREFERENCE VOLTMETERLTI比山抵三1_|0LTEND CF MEASUREMENTS圖3、虛擬設(shè)備面板的變形功能檢查作為一個(gè)失真的電壓，我們使用了一種在一個(gè)雙向可控控制系統(tǒng)獲得的仿真 模擬。這個(gè)面板分為兩部分。在上層的一部分，我們?cè)O(shè)置所生成的波形，如RMS值， 頻

10、率和可控硅點(diǎn)火角度以百分比表示。按鈕“生成信號(hào)”運(yùn)行中的設(shè)置被轉(zhuǎn)換成 的SCPI語(yǔ)言，然后傳送到發(fā)電機(jī)。這些操作正確執(zhí)行后，會(huì)顯示程序中生成的波 形和信號(hào)也會(huì)發(fā)送到參考電壓表，從而引發(fā)了交流電壓測(cè)量。然后，作為這次操作的結(jié)果，在面板下部，在“參考表”區(qū)域，從設(shè)備得到 的測(cè)量結(jié)果被顯示。被檢查過的儀表顯示的值應(yīng)該是刻在他們的名字安置的領(lǐng)域。 基于引進(jìn)的測(cè)量結(jié)果和形象的圖表解釋，測(cè)量值的錯(cuò)誤是一定的，形狀系數(shù)和峰 值系數(shù)的值也一樣。雖然它們涉及不同的任務(wù)，但剩下的面板中準(zhǔn)備一個(gè)類似的 平面布局，并以類似的方式操作。測(cè)量完畢后，測(cè)量報(bào)告自動(dòng)生成，然后在連接 的打印機(jī)上打印。圖4顯示了旨在對(duì)失真交流電

11、壓測(cè)量精度的檢測(cè)功能的應(yīng)用程序片段。圖4、設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序片段決心的交流電壓測(cè)量精度檢查3、結(jié)論：與基于Labview開發(fā)的應(yīng)用一起，本文的測(cè)量位置使運(yùn)用計(jì)算機(jī)援助的先進(jìn) 方法來驗(yàn)證測(cè)量交流電壓的通用設(shè)備的計(jì)量性能的過程成為可能。設(shè)計(jì)的測(cè)量位 置有研究和教學(xué)的好處。由于這種儀器，我們可以識(shí)別那些在手冊(cè)中查不到的交 流電壓表的特征，或者驗(yàn)證由制造商提供的參數(shù)。這些問題頻繁地被忽略或幾乎 不被強(qiáng)調(diào)。討論了測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤以方便和用戶容易接受的形式形象化地顯示給大家的可 能性。通過使用LabVIEW環(huán)境，它以開發(fā)的應(yīng)用的例子來說明，我們可以支持或 增加種類到學(xué)生教學(xué)的計(jì)量學(xué)和測(cè)量理論領(lǐng)域。作者的當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)顯

12、示出，開發(fā)軟件是協(xié)助教學(xué)的過程的一臺(tái)非常有用的儀器。 計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用在教學(xué)是現(xiàn)代教育的要求。4、參考文獻(xiàn)：International Vocabulary of Metrology - basic and general conceptsand associated terms, 2008 VIM 3rd edition, JCGM 200:2008LabVIEW User Manual 1999 National Instruments CorporationTravis J Kring J 2006 LabVIEW for everyone New York Prentice HallLabVIEW - Measurement Manual 2000 National Instrument CorporationSokoloff L 2004 Applications in LabVIEW New Jerse