高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，是在正常或故障情況下接通或斷開高壓電路的專用電器，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)過程中，對儲能碟簧的特性進(jìn)行測量，一方面是為了測試碟簧的儲能特性，另一方面通過保壓試驗可以間接地測試液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封效果。因此，有效地進(jìn)行碟簧特性測試，保證碟簧工作的可靠性，對于提高液壓彈簧操動機構(gòu)的整體性能具有重要意義。

液壓彈簧操動機構(gòu)利用碟形彈簧組作為儲能元件，由液壓實現(xiàn)能量傳遞，驅(qū)動開關(guān)動觸頭完成分、合閘動作。要保證操動機構(gòu)動作的可靠性，就要求儲能碟簧具有良好的儲能性能；為了使開關(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。

碟片彈簧裝置的儲能狀態(tài)可以通過各個壓力閉鎖點對應(yīng)的碟簧壓縮量及系統(tǒng)油壓得到反映，每個閉鎖點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)，才能保證操動機構(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保壓試驗來測試，通過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)以上對液壓彈簧操動機構(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)有限位開關(guān)動作時刻、碟簧的壓縮量和液壓系統(tǒng)的油壓。

目前國內(nèi)外操動機構(gòu)生產(chǎn)廠家在檢測高壓斷路器儲能彈簧的性能和液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封性時，都是采用人工手動測量的方式，這不僅會引入不必要的人為誤差，影響測試結(jié)果的客觀性，而且人工測量的效率比較低。對于操動機構(gòu)生產(chǎn)廠家來說，一款操作方便、運行穩(wěn)定可靠的碟簧特性測試設(shè)備，是保證操動機構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量、提高測試效率的有力保障，也是后期產(chǎn)品維護(hù)的得力助手。因此，設(shè)計與研制一款便攜式碟簧特性測試設(shè)備具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)方案

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

1）壓力測量范圍為0～100MPa，測量不確定度為0.3MPa；2）壓力測量響應(yīng)時間為20ms；3）位移測量范圍為0～100mm，測量不確定度為0.5mm；4）同時采集4路限位開關(guān)觸頭信號。

測試系統(tǒng)的主要功能為：

1）自動采集限位開關(guān)觸頭信號；2）測量系統(tǒng)油壓；3）測量碟簧壓縮量（通過測量位移實現(xiàn)）；4）能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和測試結(jié)果輸出；5）保壓試驗時，自動記錄并輸出測試結(jié)果。

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)提出的要求，分析需要實現(xiàn)的功能，提出測試系統(tǒng)的主體方案如下：以PIC16F系列單片機為主控制器，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)對碟簧特性的測量，其中壓力的測量采用壓力傳感器實現(xiàn)，位移測量采用模擬式位移傳感器實現(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現(xiàn)簡單的人機交互，微型打印機用于測試結(jié)果的輸出，F(xiàn)lash則實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的斷電保存，實時時鐘用于設(shè)置測試儀的時間，使其與現(xiàn)實時間一致，從而便于測試結(jié)果的記錄和存檔。

2 硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括單片機最小系統(tǒng)及人機交互部分電路、限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路、壓力信號調(diào)理電路、模擬位移采集調(diào)理電路等。

2.1 單片機最小系統(tǒng)及人機交互部分電路

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

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路

2.2 限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路

測試中需要同時采集四路限位開關(guān)信號，并測量開關(guān)信號狀態(tài)變化點處的位移和壓力數(shù)據(jù)。限位開關(guān)信號作為開關(guān)量，可以直接由單片機的I/O口進(jìn)行測量，電路設(shè)計中只需要在I/O口處作簡單的RC濾波即可。限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路

2.3 壓力信號調(diào)理電路

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

圖4 壓力信號調(diào)理電路

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

2.4 模擬位移采集調(diào)理電路

位移測量選用電位器式拉線位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉(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)點是結(jié)構(gòu)簡單、輸出信號大、使用方便、價格低廉，缺點是易磨損。

設(shè)計中綜合考慮測試要求，選擇LXW系列拉線位移傳感器，該設(shè)備采用DC 5V供電，有效測量范圍為0～120mm，滿足測量要求（一般測量時位移小于100mm）。輸出信號為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，其拉繩需要有一定的預(yù)拉伸長度，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變換成電壓信號，再經(jīng)過測量放大器AD623，將電壓信號變換成單片機A/D口需要的0～2.5V的電壓。當(dāng)AD623的增益電阻取為180kΩ時，放大倍數(shù)為

式（1）

此時最大輸入電壓對應(yīng)的位移為118mm，能滿足測量要求，因此選擇增益調(diào)整電阻為180kΩ。其中，增益的微調(diào)可用RV1實現(xiàn)。

圖5 模擬位移調(diào)理電路

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

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。測試結(jié)果表明，該測試方法有效提高了測量分辨率，從原來的0.03mm提高到0.01mm，可以較好地監(jiān)測保壓試驗中碟簧位移的微量變化。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用PIC單片機開發(fā)環(huán)境Maplab進(jìn)行軟件設(shè)計，采用C語言進(jìn)行模塊化編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的測試功能。軟件設(shè)計主要包括位移校準(zhǔn)、性能測試和時間設(shè)置三個功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

為了提高測量準(zhǔn)確性，對位移進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，利用初始位移、終止位移及用戶輸入的標(biāo)準(zhǔn)位移值來動態(tài)計算位移校準(zhǔn)系數(shù)，從而可以方便、準(zhǔn)確地對位移進(jìn)行實時測量。

性能測試程序主要由特性測試和保壓試驗兩部分組成，特性測試過程中采集限位開關(guān)信號，并記錄開關(guān)狀態(tài)變化時刻碟簧的壓力和位移值，測試結(jié)束后可根據(jù)用戶要求打印輸出測試結(jié)果；保壓試驗中，主要完成保壓時間的設(shè)置和測試結(jié)果的輸出打印及顯示。

時間設(shè)置程序?qū)崟r時鐘芯片的時間進(jìn)行設(shè)置，使其跟現(xiàn)實時間保持一致，便于對測試結(jié)果進(jìn)行保存和后續(xù)分析。對儀器的操作參數(shù)設(shè)置主要通過按鍵和顯示配合來實現(xiàn)。

4 測試結(jié)果及分析

設(shè)計通過應(yīng)變式稱重傳感器與拉線式位移傳感器配合使用，實現(xiàn)儲能液壓機用彈簧性能的自動測試，并且自動打印輸出測試報告。為了校驗測試系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的性能要求，首先對測試系統(tǒng)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，然后通過現(xiàn)場測試，對其進(jìn)行重復(fù)性評定。

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將設(shè)計完成的碟簧特性測試系統(tǒng)在陜西省計量科學(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，位移校準(zhǔn)采用二等量塊，校準(zhǔn)現(xiàn)場如圖7所示，校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)見表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，模擬位移的最大測量誤差為0.27mm。

圖7 校準(zhǔn)現(xiàn)場

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，壓力測量通道的最大測量誤差百分比為

壓力和位移的測量誤差均能滿足工業(yè)現(xiàn)場測試的需求。

4.2 系統(tǒng)重復(fù)性評定

為了進(jìn)一步評定系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，需要對測試系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測試。現(xiàn)場測試所得的壓力重復(fù)性測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 壓力重復(fù)性測試數(shù)據(jù)（單位: MPa）

由表3可得，壓力的A類不確定度為

由計算數(shù)據(jù)可得，壓力和位移的測量準(zhǔn)確度均能滿足工業(yè)現(xiàn)場測試的要求。

表4 位移重復(fù)性測試數(shù)據(jù)（單位: mm）

測試設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用及測試報告如圖8所示。

圖8 測試設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用及測試報告

5 結(jié)論

本文設(shè)計的高壓斷路器碟簧特性測試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機為核心，結(jié)合顯示、打印等外圍輔助設(shè)備，實現(xiàn)對高壓斷路器碟簧特性位移和壓力的測量。經(jīng)陜西省計量科學(xué)研究院檢定和校準(zhǔn)，壓力測量的準(zhǔn)確度等級為0.2級，模擬位移的測量誤差最大為0.27mm。經(jīng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可得，壓力擴展不確定度為0.24MPa，位移擴展不確定度為0.29mm。

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

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試系統(tǒng)的設(shè)計”，作者為周蘭蘭、李華。