CN1030153C - 电子数控电度表 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电能测量的电子数据电度表，由取样、采集、乘法器、电压—频率转换器、显示等组成，其中取样电路采用高频滤波、压敏防雷、防地线干挠的浮空技术等；转换电路先把测量中的电压参数数字化，然后与电流参数相乘，输出一个功率电压值；在转换器与显示器等部件之间连接一处理器，增加功能。本表结构合理，造价低，功能齐全，具有优良的性能价格比。

Description

本发明涉及一种测量仪表，特别适用于电能测量的电子数控电度表。

电子式电度表的理论随着电子学理论和技术的发展已提出近半个世纪，作为主要着眼于高精度，特殊用途的研制虽在八十年代已进行，然而作为工业、民用的常规测量电子式电度表现末见到明确的报导。现有的专利申请中，如申请号CN88201155.3，CN88202638.0，CN90201650.4等虽公布有关电子电度表装置，但技术中有的在取样电路精度较低，在强电和弱电的交接处无隔离;有的测试麻烦，离散性较大;有的整个电路末设计永久性存在贮器，一旦停电数据全部丢失。

本发明的目的就是为提供一种精度高，造价低，可靠性高适应性强，功能多的电子数控电度表。

本发明由取样电路、转换电路、单片机、报警控制电路、通讯电路、显示电路、数据卡、电源等部件组成。取样电路用电阻分压法取样，并采用高频滤波电路，压敏防雷装置等措施，考虑耐压和地线干挠，输入强信号地与弱信号地互相隔离的浮空电路。转换电路把模拟乘法器和数字电路结合起来，先把 测量中的电压参数数字化，然后把电流参数和数字化电压值相乘，输出一个功率电压值此法用一个A/D一个D/A，一个线性放大器即可实现。在电压-频率转换器与显示器之间连接一个单片机由于单片机的外围配置简单，但又能完成既多又复杂的功能，如多重显示，数据卡数据交换和控制报警信号输出，自动启动通讯电路，时钟读入和控制等等。完成这样繁多而复杂的功能，而电路结构并不复杂造价很低。取样电路采用两种取样电路，对0.5～1.0级的电度表用分时取样，对0.5级以上则采用叠加取样。

图1是本发明的系统结构图。

图2是直接取样电路图。

图3是互感器取样电路图。

图4是转换电路图。

图5是处理器结构图。

如图1所示电子式数据电度表的电路结构主要由取样电路、转换电路、处理器电路、电源等部分组成。电子式电度表的基本理论是对瞬时功率的积分，要测得电能W，首先须测得瞬时功率Pi＝Vi·Ii，而从电网中取得的Vi和Ii都是模拟量，两个模拟量相乘的模拟乘法器，其方法很多，为了得到足够的精度，也可将模拟量转换成数字量然后相乘。实现对Pi的积分的方法也各不相同，早期的方法是将Pi转换为频率F，然后对F分频，再用计数器进行累加。在计算机技术成熟的今天，可用计算机 直接计算W＝∫Pidt的值，为了充分利用计算机的资源，采用直接对F计数的方法是较为合理的。

如图2、图3所示的取样电路的功能是将电网中各相的电压和电流以一定的比例取出，送到转换电路中转换。取样有两种方法一种是直接取样，这种方法适应单相供电的民用电用户，或以直流供电的用户。另一种方法是用互感器取样，这种方法适应三相或单相供电的大容量用户。

直接取样的电路如图2，电压取样是用电阻分压法在放大器A1输入端获得的电压为：

V＝Vi (ViR23)/(R21+R22+R23)

V经A1放大后，输出的电压V0为转换电路所规定的精确值，为了保证测量精度，要求电压的分压比精确。图中的VR是保护器件，当供电回路受到雷击或超压时，使电路能得到保护。C21是滤波器，滤掉供电回路感应的高频成份。

电流取样是由取样电阻RL来实现的，当负载电流IL流经RL时，则在RL两端产生电压降VL

VL＝RLIL

对不同IL（5A、10A、20A）则取不同RL，使输出的VL是一个定值，使转换和处理采用一个标准，以保证公共电路的通用性。RL要取尽量小的数值，以保证供电回路的电压损耗和表底功 耗。由于VL很小，一般为几十毫伏。这样小的信号源，且RL内阻极低，为了保证对VL的不失真放大采用桥式放大电路以得到线性良好精度较高的电流信号VI0，

对电路的保护仍采用VR，当雷击和超压时，VR接地。为电流互感器，都在互感器的副边采用电阻分压法取样，所取得的信号电压为：

VU＝ (R33)/(R31+R32+R33) ·VP

Vi＝ (R37)/(R35+R36+R37) ·VC

电阻的配选是按照互感器二次电压的标准，并保证回路中有足够的维持电流，由于电流互感器在开路状态下将下将产生很高的电压，为安全考虑，在CT地次回路中增加了VR3，以保证转换电路的安全。

从电路结构上，直接取样须考虑模拟地，数字地和供电零线的分离问题，且供电火线和零线应符合图中的线序;而互感器取样其二次回路可以和模拟电路共地，地线结构较简单。

转换电路包括功率转换和电流电压相位差的转换。如图4所示，相电流Ii和相电压Vi通过多路模拟采样开关IC41，经隔离电容C41、C42，送到A41、A42，送到A41、A43，进行全波整流，经整流后的单向电压由A42、A44线性放大，得到设计的标称值，其电压信号进行模/数转换，其数据再送入数/模转换器;其电 流信号作为数/模转换的参电压，经数/模转换后的输出即为电流和电压的瞬时乘积，对于一个8位的D/A转换器，其输出电压为VO，V0的值即为对应的Pi，则

V0＝ (Di)/512 VREF;

将V0进行频率转换（F/V），所得到的频率F即为对应的Pi，在处理器中对F计数，就得到电量的数值，因全波整流后，电流和电压的波形均为正值，其计算出的功率为视在功率，为了获得有功功率，必须乘以一个功率因素COSφ，φ为电流和电压的相位差。

转换电路得到的是VS波形，将VS送入处理器测量出tφ，再计算出α和COSφ，

电度表的精度主要取决转换电路，对控制精度的线性放大器;A/D、D/A均需作严格的调试。系统的调零是控制精度的重要部分本设计采用测量一路零信号的方法，对整个转换电路进行系统补偿。

处理器电路有两种方案，对单相民用电度表采用8048系列单片机，对多相电度表因功能较多，而采用8051系列单片机，图5为51系列单片机的配置。

D0～D7作为六位动态显示数据转输口，P0.0～P0.7作为外部存贮器的通道口，P2口作为选控通道，P1口用为控制通道， 这里没有详细画出，主要有声、光板警，通讯控制和断电控制信号输出等，出可由用户提出的特殊控制功能。

T0对转换部分的功率频率计数，统计出电路的视在电功，T1对转换部分的相位差脉冲进行测量，然后计算出COSφ，将两项相乘得到有功电度;

A＝∫Pidt＝VI·COSφ

六位动态显示器常态显示为总有功电度，精确到0.1度，定时（10秒）显示一次功率因数（COSφ），强制显示峰值电度、各值电度和时间。

2816存放所购的电度和运行中生成的统计数值，为了节省存贮空间2816中的统计数值不断更新，满一个月后只保留统计总数。2816既作为8031的外存贮器，又作为数据卡部件，可以脱机工作。本发明用一个电擦除可编程只读存贮器E²PROM，完整地实现了磁卡的功能，对工业民用表用串行电擦除可编程只读存贮器E²PROM，而对特殊要求的电度表，如需高速交换数据的电度表，则用并行的电擦除可编程只读存贮器E²PROM，由于电擦除可编程只读存贮器E²PROM的写入寿命有一定的限制，本发明在编制软件时进行特殊处理，可使一个数据卡连续使用数年，以至更长时间。用E²PROM作为电度表的外存，并完成磁卡的功能是最独特的特点。当电度底表到了极限时或供电回路的负荷超过允许的负载时，表内会发出蜂鸣声，一个LED会闪亮。本发明用普通的电话线即可完成通讯功能，如当发生报警时，能启 动表内自动拨号电路，一直将某一个或几个拨通为止，并传送规定的语音。本发明设计了时刻表读入，表一出厂已开始运行，45天内不会终止，即是中断，通电后会自动起动，无影响。时刻表是为复费计算而设计的，时刻表内有50个存贮单元，可以将常用的用电时间作息表存入，到能自动按作息表计电计费。设计为不显示时钟，只供单片机读入，但当发生报警和超荷时，此时间会进入内存，而被记录下来，作为资料供分析和查对。本发明处理器芯片选用8048或8051系列，P0口作为数据总线，P2口为选控能道，P1口为控制通道，T0对转换部分的功率频率计数，T1对转换部分的相位差进行测量，然后计算出COSφ。

本发明与现有技术相比，具有精度高，造价低、功能多等优点。

Claims (9)

1、一种电子数控电度表，由取样、乘法器、电压、频率转换器、显示器、电源等组成，其特征在于：

a.取样电路采用高频滤波电路、压敏防雷装置、输入强信号地与弱信号地互相隔离的浮空电路；

b.转换电路用一个A/D、一个D/A及一个线性放大器组成，先把测量中的电压参数数字化，然后把电流参数与数字化电压值相乘，输出一个功率电压值；

c.在电压--频率转换器与显示器之间连接一处理器；

d.取样电路对0.5至1.0级的电度表用分时取样，对0.5级以下则采用叠加取样；

2、根据权利要求1所述的电度表，其特征在于取样电路对高于380V电压用互感器后再送入系统。

3、根据权利要求1所述的电度表，其特征在于取样电路对于单相表的电流取样采用线性放大器组成的桥式取样电路。

4、根据权利要求1所棕的电度表，其特征在于处理器与数据卡、控制报警器、自动启动通讯电路、时刻表读入装置连接。

5、根据权利要求4所述的电度表，其特征在于用电擦除可编程只读存贮器一个E²PROM完成数据片功能。

6、根据权利要求5所述的电度表，其特征在于工业和民用表用串行电擦除可编程只读存贮器E²PROM。

7、根据权利要求5所述的电度表，其特征在于需高速交换数据的电度表采用并行电擦除可编程只读存贮器E²PROM。

8、根据权利要求4所述的电度表，其特征在于电度底数到极限时，表内发出蜂鸣报警声，并启动表内自动拨号电路，拨号电路与电话线连接完成通讯工作。

9、根据权利要求1或4所述的电度表，其特征在于处理器芯片选用8048或8051系列，P0口作为数据总线，P2作为选控通道，P1口为控制通道，T0对转换部分的功率频率读数，T1对转换部分的相位差进行测量，然后计算了COSφ

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