CN1147732C - 光测电度表 - Google Patents

Abstract

一种光测电度表，包括连接到光源、检测电路和单片机的电源，单片机前有一显示单元，在电源和检测电路之间接有光源和传感头。本发明所述传感头可做的很小，体积和重量比传统电度表小的多，用材少，节约有色金属，由于信号是由光纤传输的，受电磁干扰小，抗干扰能力强，绝缘性好，不易短路，传感头不会因过流，过压或电路而烧坏；误差小，精度高；动态范围大，可测高电压、大电流系统而不用加互感器。

Description

光测电度表

技术领域

本发明属于电度表，特别是一种光测电度表。

背景技术

目前使用最多的电度表为感应系电度表，它是基于电磁感应原理的机械转动式电度表。这种电度表有很多不足之处，诸如：接线复杂，易于接错；对于高电压、大电流的电路中的电能测量，还要增加笨重的电流、电压互感器；测量系统易短路；机械转动引起的摩擦力大，在负载小时可能转动不起来，误差较大，用材料较多等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于光学传感原理制成的动态范围大的新型光侧电度表，

本发明的主要特点是连接到光源、检测电路和单片机的电源，单片机前有一显示单元，其特征在于在电源和检测电路之间接有光源和传感头，检测电路的另一端与单片机相连，所述传感头包括光纤、自聚焦棒、起偏器、四分之一波片、电极、电流线圈、电光晶体和磁光玻璃，所述传感头的电极并联接入负载电路，传感头的电流线圈串联接入负载电路。

本发明所述光测电度表具有如下诸多优点：传感头可做的很小，体积和重量比传统电度表小的多，用材少，节约有色金属，由于信号是由光纤传输的，受电磁干扰小，抗干扰能力强，绝缘性好，不易短路，传感头不会因过流，过压或电路而烧坏；误差小，精度高；动态范围大，可测高电压、大电流系统而不用加互感器。光测电度表是一种新型的电度表，它具有很多传统电度表所不具有的优点

附图说明

图1是光测有功功率原理图。

图中1-P₁起偏器   2-四分之一波片

   3-电光晶体C4-磁光玻璃F  5-检偏器P₂  6-电极  7-电流线圈

图2是光学传感头结构示意图。

图中21-起偏器  22-四分之一波片  23-电极  24-电流线圈25-检偏器  26、27-光纤  28、211-自聚焦光棒  29-电光晶体210-磁光玻璃

图3是光测电度表框图。

图中31-光源  32-光学传感头  33-检测电路；34-单片机35-显示36-电源37-电路负载

具体实施方式

本发明光测电度表主要分为36电源、31光源、32光学传感头、33检测电路、34单片机系统、35显示等几部分。这几部分装在一个盒中，见光测电度表原理框图(3)。

本发明的电源是用来给光源和单片机系统(包括显示)提供电源的元件，可以用干电池，也可用民用的220伏交流电，如果用交流电的话，表中的电源部分要加变压器和整流滤波电路；光源可用LD半导体激光器，也可用LED发光二极管；光学传感头是用来测量电路中负载所耗有功功率大小的元件，是光测电度表的核心部分，它采用电光调制和磁光调制组合的组合光调制制作而成。电光晶体可选用铌酸锂晶体，磁光玻璃可选用SF-6重火石玻璃；检测电路是用来完成光电转换和提取有功率信号的元件，它由光电探测器、放大器和滤波器组成，光电探测器可选用光敏三极管(3DU80)，运算放大器可选用(OP07)；单片机系统是用来完成对功率的积分运算并显示的元件，它由单片机、A/D转换器、I/O接口芯片、显示元件组成。单片机可选用8051，也可用8098，A/D转换器可选用ADC0809，I/O接口芯片可选用8155，显示元件可选用LED。

下面具体说明本发明电度表设计原理。

电路中的有功功率对时间的积分就可得到电能，即W＝∫P_有功dt，W为电能，P_有功为有功功率。我们用光纤传感器对有功功率进行测量，然后用单片机来完成对有功功率的积分运算，这样就可得电能数值。本电度表关键部分是光纤传感器部分的设计。下面是光纤传感器测量有功功率的原理。

用光纤传感器对有功功率的测量，是利用电光调制和磁光调制的组合光调制来进行测量的，其原理框图如图(1)所示，设G₁、 G_C、G_F、G₂分别为起偏器P₁、 波片、电光晶体C、磁光玻璃F、检偏器P₂的琼斯矩阵。由检偏器P₂出射的光矢量为 ${\stackrel{\→}{E}}_o=G_2{G}_F{G}_C{G}_{\frac{\mathrm{\λ}}{4}}{G}_1{\stackrel{\→}{E}}_i,$ 则输出光强为：

$P_o={\stackrel{\→}{E}}_o^{*}{\stackrel{\→}{E}}_o=E_{{\mathrm{ix}}^{\′}}^2[1+\sin 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}]=\frac{1}{2}{P}_i[1+\sin 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}]$

式中 $P_i=2E_{{\mathrm{ix}}^{\′}}^2$ 为入射光强，δ为电光晶体产生的相位差，θ为磁光玻璃的磁旋角。从上式中可见，输出光强信号中既含有电光调制信号δ，又含有磁光调制信号θ。检偏器P₂输出的光强由两部分组成，第一项代表P₂输出的无电压、电流调制时光强的大小，经光电转换后，其值定义为光强的参考电平；第二项为光强经电流、电压调制后的信息项。考虑到实际测量时2θ、δ很小，这时有sin2θ≈2θ、sinδ≈δ。我们知道，θ＝V₁I，则有

$P_o=\frac{1}{2}{P}_i(1+\sin 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ})=\frac{1}{2}{P}_i+\frac{1}{2}{P}_i\mathrm{AIV}.$

可见上式的第二项 与电流和电压的乘积成正比，或者说与瞬时功率成正比。瞬时功率：

W＝IV＝I_oV_ocosωtcos(ωt+)＝I_oV_o(cos²ωtcos-cosωtsinωtsin)

通常我们所要测量的不是瞬时功率，而是它在一个周期内的平均值，即平均功率。平均功率又分为有功功率W_有功、无功功率W_无功、视在功率W_视在，它们分别表示为：

一般需要测量的是W_有功。考虑到上面的关系，这时有

上面输出光强经光电转换后以弱电压输出，可表示为

式中k为光电转换系数， $U_i=\frac{1}{2}k{P}_i$ 为光强参考电平。上式右边项为直流成分。用低通滤波器提取上式中的直流成分，减去参考电平，最后取正值，可得到有功功率 。当参考电平U_i足够稳定时，可把

作为标定系数看待，可以看到W_有功与U_o成线性关系。由此可见，通过测量U_o就可测得W_有功。

根据上面所述光测有功功率原理我们设计了传感头，如图(2)所示。

从光源发出的光束，经光纤26进入光纤传感头，进入自聚焦棒28，光束经自聚焦棒准直后通过起偏器21，起偏器21把光束变为线偏振光，线偏振光束通过四分之一波片22后，通过电光晶体29，光束受到电光晶体的电光调制，然后光束再通过磁光玻璃210，又受到磁光调制，通过这样两次组合光调制后，输出光信号中100Hz信号就携带有功功率信息。调制后的光束再经自聚焦棒211准直，准直后的光束经光纤27传到光电探测器，光电探测器把光强信号转化成弱电压信号，经运算放大器放大，放大后送到滤波电路进行滤波，经滤波电路滤波后，从100Hz信号中可提取出含有有功公功率的电压信号，该电压与有功功率成线性关系，提取的电压信号送入A/D转换器中，A/D转换器把电压的模拟信号转化成数字信号，转换后送入单片机，单片机按一定时间间隔(如0.1秒)从A/D转换器读取数据，时间间隔越短测量越精确，把每次读取的数据乘时间间隔后送入到累加器进行累加，也就是进行积分运算，然后把累加后的数据乘一常数(该常数应综合考虑电路系数和时间间隔，可以通过实验确定)，然后送入到某一储存单元进行储存，显示电路按一定的时间间隔显示该储存单元的数据，显示的数据就是所测的电度数，时间间隔可任选，如5分钟或30分钟。

需要说明的是，图中的电极23应并联接入负载电路，也就是接负载电路两端的电压，电流线圈24应串联接入负载电路，也就是接负载电路电流。偏振片、电光晶体、磁光玻璃、四分之一波片和自聚焦光棒可集成在一起，也可分开排列，集成在一起可以做到性能稳定，体积小，便于批量生产。

Claims (5)

1.一种光测电度表，包括连接到光源、检测电路和单片机的电源，单片机前有一显示单元，其特征在于在电源和检测电路之间接有光源和传感头，检测电路的另一端与单片机相连，所述传感头包括光纤、自聚焦棒、起偏器、四分之一波片、电极、电流线圈、电光晶体和磁光玻璃，所述传感头的电极并联接入负载电路，传感头的电流线圈串联接入负载电路。

2.按权利要求1所述的光测电度表，其特征在于所述光源为半导体激光器或LED发光二极管。

3.按权利要求1所述的光测电度表，其特征在于所述电光晶体是铌酸锂晶体。

4.按权利要求1所述的光测电度表，其特征在于所述磁光玻璃是SF-6重火石玻璃。

5.按权利要求1所述的光测电度表，其特征在于自聚焦棒、起偏器、四分之一波片、电光晶体和磁光玻璃可集成在一起或分开排列。

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