CN116400118A - 一种新型电能表的电压检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电能表的电压检测系统及方法，包括高速电压比较器和处理器，高速电压比较器的一个输入端接待测电压信号，另一个输入端接标准高频信号，高速电压比较器连接到处理器，处理器用于对电压比较器输出信号发生反转的时间进行计量。本发明采用电压比较器对待测电压与标准高频信号进行比较，对电压比较器的输出电平变换进行计时，通过高精度时间计量实现电压的检测，取消了模数转换器，同时由于转换后的信号是数字信号，抗干扰信也大大提高，有效解决了现有技术中干扰大、精度难以提高和成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型电能表的电压检测系统及方法，属于电能表的电压检测技术领域。
背景技术
现有单相智能电表在常规功率计量情况下精度均可保障，但对于微小功率计量时容易出现较大偏差，造成产品检定不合格的情况。智能电能表在校表的时候跳差比较大，范围在-1％～+1％之间。随着电能表市场对智能电表需求量的进一步扩大，对电表的生产效率提出了更高的要求。电表的跳差要求在-0.1％～+0.1％之间。电能表在微小功率计量时，由于电压检测误差的影响，电能表的计量准确性需要进一步提高。很多电能表为了提高电压计量的准确性，采用16位AD转换芯片，电能表的成本也相应增加。同时由于模拟电压信号容易受到外界干扰，这也造成电压计量精度提升困难。在交流电压测量方面，相关学者研究基于差分采样的交流电压精密测量方式以及交流量子电压测量方法，这类方法主要应用于交流电压基准领域，由于成本因素很难在电能表中进行应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种新型电能表的电压检测系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种新型电能表的电压检测系统，包括高速电压比较器和处理器，高速电压比较器的一个输入端接待测电压信号，另一个输入端接标准高频信号，高速电压比较器连接到处理器，处理器用于对电压比较器输出信号发生反转的时间进行计量。
高速电压比较器输入端接同向输入端/或反向输入端，标准高频信号接反向输入端/或同向输入端。
高速电压比较器采用两个，一个高速电压比较器设置为同向电压比较器，一个高速电压比较器设置为反向电压比较器。
标准高频信号频率大于500KHz。
标准高频信号为正弦信号或等腰三角波信号。
一种新型电能表的电压检测系统还包括过零比较器，过零比较器连接到处理器，用于检测高频标准信号处于正半周期还是负半周期。
一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，该方法为：处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/高电平的时刻为t2，再次由低电平/或高电平转高电平/或低电平的时刻t3，取时间差t2-t1与t3-t2中的小值作为时间差Δt，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，该方法为：当检测过零比较器的输出为高电平，则标准高频信号处于正半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续高电平，时间差为t2-t1，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为/>
其中K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；
当检测过零比较器的输出为低电平，则标准高频信号处于负半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻t1，由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续低电平，时间差为t2-t1，当标高频准信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明采用电压比较器对待测电压与标准高频信号进行比较，对电压比较器的输出电平变换进行计时，通过高精度时间计量实现电压的检测，取消了模数转换器，同时由于转换后的信号是数字信号，抗干扰能力也大大提高，有效解决了现有技术中干扰大、精度难以提高和成本高的问题。
附图说明
图1是本发明采用同向高速电压比较器结构原理图；
图2是本发明采用反向高速电压比较器结构原理图；
图3是本发明采用同向和反向高速电压比较器结构原理图；
图4是本发明采用过零比较器结构原理图；
图5是实例1的电压测量时间计算原理图；
图6是实例2的电压测量时间计算原理图；
图7是实例3的电压测量时间计算原理图；
图8是实例4的电压测量时间计算原理图；
图9是实例5的电压测量时间计算原理图；
图10是实例6的电压测量时间计算原理图；
图11是实例6中标准高频信号处于负半周期的电压测量时间计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-4所示，一种新型电能表的电压检测系统，包括高速电压比较器和处理器，高速电压比较器的一个输入端接待测电压信号，另一个输入端接标准高频信号，高速电压比较器连接到处理器，处理器用于对电压比较器输出信号发生反转的时间进行计量。通过对电压比较器输出信号发生反转的时间进行计量，即可获得待测信号的电压值。
高速电压比较器输入端接同向输入端/或反向输入端，标准高频信号接反向输入端/或同向输入端。
高速电压比较器采用两个，一个高速电压比较器设置为同向电压比较器，一个高速电压比较器设置为反向电压比较器。
标准高频信号频率大于500KHz。
标准高频信号为正弦信号或等腰三角波信号。
实施例2：如图2所示，一种新型电能表的电压检测系统还包括过零比较器，过零比较器连接到处理器，用于检测高频标准信号处于正半周期还是负半周期，处理器连接到用于显示电压的显示装置。
实施例3：一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，该方法为：处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/高电平的时刻为t2，再次由低电平/或高电平转高电平/或低电平的时刻t3，取时间差t2-t1与t3-t2中的小值作为时间差Δt，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
实施例4：一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，该方法为：当检测过零比较器的输出为高电平，则标准高频信号处于正半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续高电平，时间差为t2-t1，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为/>
其中K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；
当检测过零比较器的输出为低电平，则标准高频信号处于负半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻t1，由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续低电平，时间差为t2-t1，当标高频准信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
具体实例1：如图5所示，以反向电压比较器为例，标准高频信号为正弦信号。待测信号输入高速电压比较器的反向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的同向端。当标准高频信号电压超过待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平，此时时间计为t1，到t2时刻，标准高频信号电压低于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由高电平变为低电平。由于标准高频信号频率远远高于待测信号，可以忽略t1至t2时刻待测信号的电压变化。根据公式可以推出时间与检测电压V的关系，即可实现通过时间测量电压的目的。
具体实例2：如图6所示，以反向电压比较器为例，标准高频信号为正弦信号。待测信号输入高速电压比较器的反向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的同向端。当标准高频信号电压超过待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平，此时时间计为t1，到t2时刻，标准高频信号电压低于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由高电平变为低电平，到t3时刻，标准高频信号电压高于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平。由于标准高频信号频率远远高于待测信号，可以忽略t1至t3时刻待测信号的电压变化。此时由于待测电压为负值，必须确定时间间隔为1/4个周期范围内，根据两两时间差的最小值即可确定出经过波谷的时间差。根据公式可以推出时间与检测电压V的关系，即可实现通过时间测量电压的目的。
具体实例3：如图7所示，以反向电压比较器为例，标准高频信号为等腰三角波信号，待测信号输入高速电压比较器的反向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的同向端。当标准高频信号电压超过待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平，此时时间计为t1，到t2时刻，标准高频信号电压低于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由高电平变为低电平。由于标准高频信号频率远远高于待测信号，可以忽略t1至t2时刻待测信号的电压变化。根据公式可以推出时间与检测电压V的关系，即可实现通过时间测量电压的目的。
具体实例4：如图8所示，以反向电压比较器为例，标准高频信号为等腰三角波信号，待测信号输入高速电压比较器的反向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的同向端。当标准高频信号电压超过待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平，此时时间计为t1，到t2时刻，标准高频信号电压低于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由高电平变为低电平，到t3时刻，标准高频信号电压高于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平。由于标准高频信号频率远远高于待测信号，可以忽略t1至t3时刻待测信号的电压变化。此时由于待测电压为负值，必须确定时间间隔为1/4个周期范围内，根据两两时间差的最小值即可确定出经过波谷的时间差。根据公式可以推出时间与检测电压V的关系，即可实现通过时间测量电压的目的。
具体实例5：同时采用同向电压比较器和反向电压比较器进行电压测量。
在反向电压比较器中，标准高频信号为等腰三角波信号，待测信号输入高速电压比较器的反向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的同向端。如图8所示，当标准高频信号电压超过待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平，此时时间计为t1，到t2时刻，标准高频信号电压低于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由高电平变为低电平，到t3时刻，标准高频信号电压高于待测信号电压V时，反向电压比较器输出电平由低电平变为高电平。由于标准高频信号频率远远高于待测信号，可以忽略t1至t3时刻待测信号的电压变化。此时由于待测电压为负值，必须确定时间间隔为1/4个周期范围内，根据两两时间差的最小值即可确定出经过波谷的时间差。根据公式可以推出时间与检测电压V的关系，即可实现通过时间测量电压的目的。
在同向电压比较器中，标准高频信号为等腰三角波信号，待测信号输入高速电压比较器的同向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的反向端。如图9所示，同向电压比较器输出由高电平变换为低电平的时刻t1，由低电平变换为高电平的时刻为t2，再次由高电平转低电平的时刻t3，取时间差t2-t1与t3-t2中的小值作为时间差Δt，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。不断根据同向电压比较器与反向电压比较器的输出状态变化时间差计算待测电压。
具体实例6：采用过零比较器的实施例。
在同向电压比较器中，标准高频信号为等腰三角波信号，待测信号输入高速电压比较器的同向端，标准三角波信号输入高速电压比较器的反向端。标准三角波信号同时输入过零比较器。当过零比较器输出高电平时，此时标准高频信号处于正半周期。如图10所示，同向电压比较器输出由高电平变换为低电平的时刻t1，由低电平变换为高电平的时刻为t2，取时间差t2-t1作为时间差Δt，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。不断根据同向电压比较器与反向电压比较器的输出状态变化时间差计算待测电压。
当过零比较器输出低电平时，此时标准高频信号处于负半周期。如图11所示，同向电压比较器输出由低电平变换为高电平的时刻t1，由高电平变换为低电平的时刻为t2，取时间差t2-t1作为时间差Δt，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：包括高速电压比较器和处理器，高速电压比较器的一个输入端接待测电压信号，另一个输入端接标准高频信号，高速电压比较器连接到处理器，处理器用于对电压比较器输出信号发生反转的时间进行计量。
2.根据权利要求1所述的一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：高速电压比较器输入端接同向输入端/或反向输入端，标准高频信号接反向输入端/或同向输入端。
3.根据权利要求1所述的一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：高速电压比较器采用两个，一个高速电压比较器设置为同向电压比较器，一个高速电压比较器设置为反向电压比较器。
4.根据权利要求1所述的一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：标准高频信号频率大于500KHz。
5.根据权利要求1所述的一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：标准高频信号为正弦信号或等腰三角波信号。
6.根据权利要求1所述的一种新型电能表的电压检测系统，其特征在于：还包括过零比较器，过零比较器连接到处理器，用于检测标准高频信号处于正半周期还是负半周期。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，其特征在于：该方法为：处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/高电平的时刻为t2，再次由低电平/或高电平转高电平/或低电平的时刻t3，取时间差t2-t1与t3-t2中的小值作为时间差Δt，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为/>
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种新型电能表的电压检测系统的检测方法，其特征在于：该方法为：当检测过零比较器的输出为高电平，则标准高频信号处于正半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻t1，由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续高电平，时间差为t2-t1，当标准高频信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率；
当检测过零比较器的输出为低电平，则标准高频信号处于负半周期，处理器对反向电压比较器/或同向电压比较器的输出电平变换进行时间记录，反向电压比较器/或同向电压比较器输出由高电平/或低电平变换为低电平/或高电平的时刻t1，由低电平/或高电平变换为高电平/或低电平的时刻为t2，在此期间过零比较器的输出一直持续低电平，时间差为t2-t1，当标高频准信号为正弦信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，A为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率，当标准高频信号为等腰三角波信号时，则待测信号电压值为计算结果为
其中，K为标准高频信号的幅值，f为标准高频信号频率。
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