本文主要介绍一种能够测量交流电压、交流电流、工频频率以及电压与电压之间、电流与电流之间、电压与电流之间的相位的数字式钳型仪表。较详细地分析了相位测量电路、频率测量电路和直流—直流电源变换电路的工作原理，并对仪器的实际应用作了具体介绍。
数字双钳相位伏安表是一种具有多种电量测量功能的便携式仪表。该表最大特点是可以测量两路电压之间、两路电流之间及电压与电流之间的相位和工频频率。
1. 主要技术指标
1.相位
量程：0～360°；准确度：±3°
工作条件：20V～750V，0.05A～20A
2.交流电压
量程：0～2V／20V／200V／750V
准确度：读数的0.8％±5个字
3.交流电流
量程：0～200mA／2A／20A
准确度：读数的1％±5个字
4.频率测量范围：40Hz～100Hz
2. 系统框图及工作原理
系统框图如图1所示：
2.1 相位测量
如图2所示，被测信号加到电路输入端A，基准信号加到输入端B。当正弦波形过零点时，比较器变换状态，转换成方波信号，通过光电耦合器隔离，分别触发双稳电路的复位端R和置位端S。基准信号的每个正半周前沿使双稳电路置位，此时双稳电路输出高电平(电源电压)；被测信号每到正半周前沿则使双稳电路复位，此时双稳电路输出低电平(0V)。在0～360°相位角范围内，被测信号与基准信号之间的相位差愈大，双稳电路输出高电平的时间就愈长，其平均输出电压也就愈高。经过适当校准，用数字式电压表测量此电压就可以测出两信号之间的相位角。
图3给出相位角的波形，其中B和A分别是基准信号和被测信号的波形；①和②是它们转换成方波的波形；③是双稳电路的输出波形。
本仪表配备两把电流钳(即双钳)，分别对应两路电流回路，在进行电流值或相位测量时非常方便。
2.2 交流电压、电流测量
进行交流电压测量时，被测信号经转换开关加至分压电阻上，通过分压获得1V以内的交流电压信号，进入交直流转换器，将被测交流电压转换成直流电压，再输入到直流数字电压表表头，显示测量结果。
测量交流电流时，通过钳型电流互感器取得测量信号。钳型电流互感器的初级绕组是1匝被测载流导线，次级有几千匝。测量时钳口张开，包围被测载流导线，然后使钳口闭合，在次级绕组中感应出正比于初级导线电流的次级电流来。该电流流过取样电阻，变成正比于被测电流的电压。为了保证钳型电流互感器的次级电流信号的相位与初级相同，在次级加入补偿电容。
2.3 交流直流转换器
本仪表选用性能较好，价格低廉的真有效值交直流转换器AD737，它的转换范围为0～200mV，输入阻抗高达1012Ω，输入偏置电流小于25pA，工作电压范围从+2.8V，-3.2V一直到±16.5V。转换精度为0.2mV±读数的0.3％，实际电路如图4所示。
2.4 频率测量
如图5所示，仪器采用简单价廉的LM331电压／频率转换芯片，片中使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0伏电源电压下都有极高的精度。
能隙基准电路产生1.9V直流电压，送到2脚，并箝位在1.9V上。当2脚外接Rs后，形成基准电流i=1.9/RS(i=50～500μA)。
输入频率脉冲fIN经过C-R网络接入比较器阀值端6脚上，脉冲的下降沿使比较器触发定时电路，定时器的定时周期t=1.1RtCt，LM331的1脚流出平均电流I=i·t·fIN=(1.9/RS)×(1.1RtCt)×fIN=fIN×2.09RtCt/RS，此电流经过R、C网络滤波即可获得与fIN信号频率成正比的直流电压
通过调节可变电阻RS2，使输出的直流电压严格地正比输入频率，再输入到直流数字电压表表头，显示测量结果。
2.5 供电电源
由于仪器内各电路之间必须相互隔离，故需要多组电源供电。为解决这一问题，我们在本仪表中设计了一种逆变式、高效率的直流—多路直流变换器，只需一组五号充电电池供电即可。
该逆变器原理图如图6所示，功率开关管Q1、Q2和变压器T组成共发射极推挽式振荡器。变压器端子1、2和3之间为反馈线圈，端子4、5和6之间为初级线圈，7、8等端子之间为输出线圈；变压器T的铁芯选用容易绕制和安装的罐形磁芯，采用具有较高的电阻率和非常低的涡流损耗的铁氧体磁性材料制作，铁氧体还具有高的导磁率和高Q值。
当直流电压E首次加到电路上时，通过电阻R使晶体管正偏，使集电极电流流入Q1和Q2。但由于两晶体管工作状态不可能完全一样，一只晶体管中增加的电流将大于另一只晶体管。变压器T初级线圈的这个电流差，被反射回去成为反馈线圈的感生电压，它使得一只晶体管中的电流急剧增加到饱和，而流经另一晶体管的电流却减少，最后导致后面这只晶体管截止。
当导通晶体管中的电流达到其饱和值时不再进一步增加，此时变压器T中的磁通停止变化，而反馈线圈的感生电压突然反向，使得电流开始流入截止的晶体管；此电流增加，但其相位相反，使先前导通晶体管截止。这个过程周期性地快速重复，结果在变压器的次级线圈上也感应出方波电压，此方波电压经整流滤波后变为直流电压，再经三端稳压器稳压后输出。
3. 使用方法举例
本仪表除了能够直接测量交流电压值、交流电流值、两电压之间、两电流之间及电压、电流之间的相位和工频频率外，还具有其他测量判断功能。
1.感性电路、容性电路的判定
将被测电路的电压从U1端输入、电流经卡钳(钳型电流互感器)从I2插孔输入，测量其相位。若测得相位小于90°，则电路为感性；若测得的相位大于270°，则电路为容性。
2.三相电压相序的测量
将UAB(或UAO)电压从U1端输入，UBC(或UBO)电压从U2端输入，测量其相位角Φ。若Φ=120°，则为正相序；若Φ=240°，则为负相序。
3.检查变压器的接线组别
我国电力变压器采用Y/YO-12，YO/Δ-11，Y/Δ-11三种接线组别。当采用Y/YO-12接法时，UAB与Uab同相，测量其相位角为0°或360°；当采用YO/Δ-11或Y/Δ-11接法时，Uab与UAB间相位角为30°，即Uab超前UAB相位30°(脚标A、B表示高压绕组端，a、b表示低压绕组端；O表示有中线联接)。
4.三相二元件有功电能表接线正确性判断
考虑到电流的进出和三相电压相序、七条入线有48种组合；这48种中只有两种是正确的，其余46种是错误的。使用本仪表能方便的读测相位关系，判断出两种正确的接线，即测取UAB与IA相位角等于Φ1，UCB与IC相位角等于Φ2，Φ1-Φ2=±300°。
5.估计判断电能表运行的快慢
在现场，根据公式：T=3600n/NP(秒)，计算理论时间，测定运行中的电能表是快还是慢。
式中P为测定时加于电能表的功率(kW)，P=UICOSΦ；
N为电能表的常数(转/kWh)：
n为计算理论时间所取的转数；
T为理论时间。
电能表快慢由T-t确定。t为电能表转n转时，实际所用的时间。
4. 结束语
本仪器具有体积小，重量轻，结构简单，操作方便，使用电池供电，数字显示测量结果，携带方便等优点，对测量三相电路具有很强的功能，是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统正确把握电力使用情况，进行二次回路检查的理想仪表。
