CN1605032A - 用于测量电能消耗的装置 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种用于测量电能消耗的装置，其基于可输入到电路输出端(2，3)的电压和电流信号(u，i)来计算当前的功率信号，所述功率信号借助于校准块(10)与校准因子相乘。所述校准因子被存储在非易失的、可编程的固定值存储器(12)中，所述存储器包含大量可进行不可逆编程的存储单元(13)。这样构成所述存储单元，使得不可逆地改编任意一个存储单元(12)的程序会引起所述校准因子的提高。因此，例如在官方校准之后，可能通过改编所述校准因子的程序来操纵能量计将总是导致对操纵者来说不期望的测量值的增大。

Description

用于测量电能消耗的装置

本发明涉及用于测量电能消耗的装置。

用于电能的测量装置或能量计被用于检测馈入电网的电能或从电网中得到的电能，所述测量装置或能量计在口语中也被称为电表或千瓦小时计(kWh计)。为此，将从电网中、例如从用户处得到的瞬时电功率对时间积分。在此，由电流和电压的乘积得出瞬时电功率。这种电能计被电能供应企业EVU用作为对其顾客、即用户计费的根据。

在文献DE 198 42 241 A1中给出了一种电度表。该电度表包括具有模/数转换器的集成输入模块以及乘法工具。此外配备了用于输入电压和电路的输入端。还进一步规定，在生产电度表时存储校正信息。

为了降低获得电能的成本，在用户方面尝试这样操纵电能计，使得所显示的电能比事实上得到的电能要少。为了防止这种不期望的、操纵式的破坏，EVU在能量计上安装例如铅封。然而这只有有限的保护作用。

尤其是在现代的、数字化方式工作的并且基于半导体而生产的电能计情况下，可以尝试通过改编有关电子元件的程序来操纵能量计数。

本发明的任务是给出一种测量电能消耗的装置，该装置一方面可以集成在芯片上，并且另一方面对防止不期望的、具有以下目的的操作进行了改进，即相对于事实上得到的能量而降低所计数的能量。

根据本发明，所述任务通过用于测量电能消耗的装置来解决，所述装置具有以下部分：

-用于输入电压信号的第一输入端，

-用于输入电流信号的第二输入端，

-乘法器，其与第一和第二输入端相连接，并且根据电压和电流信号在其输出端上输出中间信号，

-校准块，其与乘法器的输出端和非易失的存储器相连接，并且用校准因子来乘乘法器的中间信号，

-积分器，其与校准块相连接，并且在其输出端上提供校准后的能量测量值，以及

-非易失的存储器，其这样包含大量可进行不可逆编程的存储单元以用于存储校准因子，使得改编任意一个存储单元的程序会引起校准因子的提高。

所述测量装置在下文中也被称为计数电路。

按照已介绍的原理，将优选地作为计数电路的时间连续和数值连续的模拟信号的电压和电流输入到第一和第二输入端上。借助于乘法器，由电压和电流的相乘计算出瞬时得到的电功率。在后接的校准块中，用校准因子乘上计算出来的电功率，最后由这样获得的、校准后的瞬时功率值经对时间的积分或经有限数量的功率测量值的累积而形成能量测量值。

对电能计进行校准是有利的，因为基于生产引起的、产生元件值容差的参数波动，以及基于老化引起的漂移效应和引起标准偏差的其他原因，可能会出现不期望的测量误差。

按照本原理，这样实现被规定用于存储校准因子的非易失的存储器，使得以后改编任意一个存储单元的程序都会引起校准因子的提高，所述存储单元由非易失的存储器所包含。在此，可以对单个可编程存储单元进行不可逆编程。已经公开了例如作为熔断器、即所谓的熔丝，以及作为可编程的二极管的这种可进行不可逆编程的存储单元，所述可编程的二极管可以通过阻断方向上的过载而转换为短路、即所谓的齐纳击穿。

当然，除了已列举的元件之外也可以使用其他的可编程单元。

按照本原理，根据所使用的、可编程存储单元的结构类型，对需存储在非易失的存储器中的校准因子这样进行编码，使得在以后改编存储单元的程序时，不依赖于选择改编哪个可编程存储单元的程序，总是引起校准因子的提高。

因此，保证了：在不期望的、具有以下目的的对计数电路的破坏情况下-即这样操纵该计数电路使得就实际得到的电能而言计数值较低，总是导致所测量的能量数量相对于实际给出的能量数量被增加了。

因此，由后来对存储单元的程序改编而引起的校准因子的提高导致：与事实上得到的千瓦小时相比，电度表将计数更多的而决不是更少的千瓦小时。

例如在生产期间或直接在生产完之后或在对计数电路进行官方校准的范围内，可以对校准因子进行编程。

按照本发明的一个优选实施方案，非易失的存储器包括用于对存储单元进行编程的程序输入端。可以例如利用可编程的固定值存储器的并行或串行程序输入端来执行对存储单元的编程。如在这种存储器中很普遍的是，可以例如借助于行和列解码器来实现单个存储单元的寻址。在此，可编程存储单元被布置为矩阵形状、例如被布置在平方矩阵中。

按照本发明的另一个优选实施方案，可编程存储单元分别包含一个二极管，所述二极管通过施加能量脉冲而不可逆地逐渐变为低阻状态。

这种可编程的固定值存储器也被称为反熔丝，所述固定值存储器可以通过阻断方向上的过载而从电的高阻状态转换为短路。按照本发明，在使用这种可编程存储单元时，所有可编程存储单元首先优选地处于高阻状态。按照本原理，可设置的最小的校准因子例如通过以下方式被编码，即所有可编程存储单元处于高阻导电状态，以及可设置的最大的校准因子通过以下方式被编码，即所有可编程存储单元处于低阻导电状态。因此，通过从高阻导电状态到低阻导电状态的不可逆过程来改编程序只能提高校准因子，而不能降低校准因子。在此，按照本原理，是否只改编一个可编程存储单元的程序、选择特定的可编程存储单元进行程序改编或改编所有可编程存储单元的程序，这是无关紧要的。

在本发明的一个替代的、同样优选的实施方案中，可编程存储单元分别包含一个熔断器，所述熔断器通过施加能量脉冲而从低阻导电状态不可逆地逐渐变为高阻导电状态。这种熔断器也被称为熔丝，其通常由细金属电桥构成。所述熔断器通过施加能量脉冲、例如电流或电压脉冲而从很低阻的导电状态不可逆地转变为事实上无穷大的高阻导电状态。因此，关于校准因子的编码，以下是适用的：例如可设置的最小的校准因子通过使所有的熔断器处于低阻导电状态来编码，以及可设置的最大的校准因子例如通过使所有的熔断器或可编程存储单元处于高阻导电状态来编码。因此，按照本发明，在编码校准因子时必须注意：任意一个存储单元不可逆的转变或任意地选择从低阻到高阻导电状态的存储单元总是引起校准因子的放大。

按照本发明的另一个优选实施方案，在积分器的输出端上连接一个脉冲发生器，该脉冲发生器与在积分器输出端上提供的、校准后的能量测量值成比例地提供编码输出信号。

因此，脉冲发生器的编码输出信号是由计数电路测量的、例如从能量测量值清零起积分器中电能的量度。

按照本发明的另一个优选实施方案，分别配备一个模/数转换器以用于连接第一和第二输入端与所述乘法器。

因此，与计数电路的第一输入端相连接的模/数转换器将馈入的模拟电压信号转换为数字电压信号，该数字电压信号优选地为时间离散和数值离散或至少是数值离散。

相应地，与计数电路的第二输入端相连接的模/数(AD)转换器将可在输入侧输入的、为模拟信号的电流信号转换为数字信号，该数字信号至少是数值离散以及优选地为时间离散和数值离散。不考虑不可避免的量化误差，可在A/D转换器输出侧得到的数字电流和电压信号与在输入侧输入的模拟电流和电压信号成比例。所述A/D转换器可以对电流和电压信号进行快速的、无干扰的和以可靠方式工作的数字信号处理、尤其是为得到瞬时功率值的乘法以及与校准因子的乘法以及最后在积分器中所计算的、校准后的功率值的累积。

按照本发明的另一个优选实施方案，分别配备一个数字滤波器以用于连接A/D转换器与乘法器，所述数字滤波器在输入侧与各个模/数转换器的输出端相连接，并且在输出侧分别与乘法器的输入端相连接。

所述数字滤波器尤其可以有利地抑制量化时在A/D转换器中产生的信号的较高次谐波，所述信号的较高次谐波可能会在后接的乘法器中导致测量结果的失真。

按照本发明的另一个优选实施方案，所述非易失的存储器被设计用于以二进制编码的方式存储所述校准因子。

因为可编程的固定值存储器的存储单元根据其导电状态通常只能取高阻的或低阻的两种逻辑状态，所以二进制编码特别合适于借助固定值存储器的校准因子的编码。

按照本发明的另一个优选实施方案，计数电路被构成为集成电子电路。

按照计数电路的另一个优选改进方案，这样构成非易失的存储器，使得可在非易失的存储器上得到的校准值只能取正值。

因此，在非易失的存储器中不带正负符号地存储校准值。在此，校准值可以取例如在0.5和2之间的值域中的值，然后该校准值与所测量的瞬时功率值相乘。

本发明的其他细节和有利的扩展方案由从属权利要求给出。

下面根据一个实施例并参考附图来详细讲述本发明。

其中：

图1示出了按照本发明并借助于所选择的电路部件的计数电路的第一个示例性实施方案的简化框图，以及

图2示出了在按照图1的计数电路情况下在非易失的存储器中根据所选择的校准值的校准因子的示例性编码。

图1示出了一个电能计数电路的框图，该电能计数电路被构造为芯片1上的集成电路。该计数电路具有用于输入电压信号u的第一输入端2，用于输入电流信号i的第二输入端3以及输出端4，在该输出端上可以得出校准后的测量值，该测量值是对依赖于电流和电压信号i、u的并且经过一段确定时间积分的电能数量的量度。

详细地，所述计数电路包括两个分别具有一个用于输入模拟信号的输入端的模/数转换器5、6，这两个模/数转换器与所述计数电路的第一或第二输入端2、3相连接。在模/数转换器5、6的输出侧分别连接了一个数字滤波器7、8。所述数字滤波器7、8的输出端分别与以数字化方式工作的乘法器9的输入端相连接。该乘法器9在其输出端上提供通过电流和电压信号i、u相乘而形成的中间信号，该中间信号是对瞬时电功率的量度，然而还没有被校准。混合器9的输出端与校准块10相连接。该校准块10具有另一个带两个输入端的乘法器11，其中第一输入端与乘法器9的输出端相连接以及第二输入端与非易失的存储器12相连接。所述非易失的存储器12包括大量可进行不可逆编程的存储单元13。此外，所述非易失的存储器12还包括用于对可进行不可逆编程的存储单元13编程的程序输入端14。校准块10中另一个乘法器11的输出端连接到积分器15的输入端上，在所述校准块上提供表示瞬时电功率P的校准后的信号，所述积分器将该瞬时电功率P对时间积分并且在其输出端上提供能量计数值W。该积分器15的输出端与脉冲发生器16的输入端相连接，该脉冲发生器在其输出端4上提供计数器的当前能量测量值。

利用按照图1的、集成在芯片上的电能计持续地检测当前的电功率，其由电压信号u和电流信号i的乘积产生。在此，电压u通常是供电网的额定电压、例如230伏交流电。在乘法器9的输出端上提供由电压和电流信号得出的当前电功率。利用校准块10将在乘法器9的输出端上提供的电功率与校准因子相乘。该校准因子不仅被用于校正带有计数电路1的芯片上的内部标准偏差，而且被用于校正例如由线路阻抗引起的外部标准偏差。例如在生产了计数电路之后，在定标或校准电能计期间确定所述校准因子。这时，将所述校准因子不断地与当前电功率相乘，使得在校准块10的输出端上提供被校正了校准因子倍的瞬时电功率P。所述被校正的瞬时电功率P在积分器15中被不断累积。因此，借助于所述校准因子尤其补偿了由生产引起的、积分计数电路1的元件值的标准偏差。由此，能量计数的结果、即在积分器15的的输出端上提供的、累积后的能量测量值在其精度方面被明显改善。在此，所述校准因子被这样储存在非易失的存储器12中，使得数位后来的变化、也就是单个可编程存储单元的程序改编不依赖于被改编程序的存储单元的选择而总是导致校准因子的放大，从而也导致瞬时电功率的提高，因此对于操纵者来说，操纵能量计并不是有利可图的。

非易失的存储器12包括大量被布置在矩阵中的、可进行不可逆编程的存储单元。每个可编程存储单元可以取两个可能的状态即0或1中的一个。非易失的存储器的一个特征是：当计数电路的供电电压被切断时，可编程存储单元还保持被编程的状态。可编程存储单元可以进行不可逆编程，也就是说其通常以导电状态的形式存在的存储状态只能在一个方向上、例如从高阻向低阻或从低阻向高阻的方向上被改编程序。根据实现方式，这种非易失的并且可进行不可逆编程的存储单元也被称为熔丝或反熔丝。在本实施例中，可编程存储单元13作为二极管被实现，所述二极管可以通过阻断方向上的过载而被转换为短路。然而作为替代方案，也可以使用其他的可编程存储单元、例如同样适于作为PROM可编程只读存储器的浮动门金属氧化物半导体场效应晶体管(Floating-Gate-Mosfets)。在这种可编程的浮动门金属氧化物半导体场效应晶体管情况下，在编程时绝缘的浮动门被充电，因此金属氧化物半导体场效应晶体管的阈值电压持续地移动。

图2示出了根据一个实施例的、非易失的存储器12中校准因子的编码，这里非易失的存储器12包括16个可编程存储单元。这些可编程存储单元的原始状态是逻辑0，在此处规定使用二极管的情况下该原始状态表示高阻导电状态。在根据图2的表格中，分别为4个例值、即为校准因子0.5；1.0-1LSB；1.0和2.0-1LSB，在第一列中描述了十进制形式的校准因子，在第二列中给出了十六进制编码的校准因子以及在第三列中给出了二进制编码的校准因子，在此，LSB表示价值最不高的比特位、即所谓的最不重要比特位。因此，本表格示出了可设置在0.5-2.0范围内的校准因子。如已经根据图1的说明所讲述的，该校准因子不断地与当前计算出的瞬时功率值相乘。当然，在具体实现中也可以对大量的其他的校准因子进行编码。根据所述表格，图2只示出了校准因子的一种选择。

没有正负符号位的二进制编码可以实现简单的乘法。在本实施例中，其中可设置的最大的校准因子为2.0-1LSB，规定：二进制编码的小数点在两个最重要比特位之间。例如二进制编码数1100表示小数1.5，二进制编码数1010表示小数1.25等等。

在按照图2的二进制描述中，逻辑0对应于可进行不可逆编程的存储单元的原始状态，而逻辑1表明存储单元在执行了不可逆的状态改变之后、也就是在改编程序之后具有的那个状态。可以看出，在按照图2的表格进行二进制编码时，任意地改编一个或多个存储单元的程序、在现有情况下也就是状态由0过渡到1，总是导致校准因子的提高。

借助于另一个利用4比特二进制描述来编码的例子来进一步解释本原理。假设：用于存储校准因子的非易失的存储器的初始状态为0000。因为在左边的两位之间、也就是在两个最重要比特位之间应该重新为小数的小数点位置，所以比特序列1000表示小数1.0，因此1必须被编程。如果用种种方法、例如在尝试操纵的范围内改变另一个任意的数位、例如第二位，那么新的用二进制描述的校准因子是1010，这表示小数1.25。可以看出该校准因子增大了。

作为已介绍的校准因子二进制编码的替代方案，也可以假设：非易失的存储器的初始状态由二进制的4比特字1111来表示，并且通过将逻辑状态从1改变为0来实现对校准因子的编程。因此，在使用二极管来作为可编程元件时，逻辑1表示其高阻导电状态。如果在这种情况下，在校准能量计时，将小数1.375设置为校准因子，那么必须对比特序列1011进行编程。这里，然而这时例如可以使右起第二位变为0，由此得到对应于小数1.125的数1001。然而该校准因子变小了，因此如破坏者所期望的操纵尝试将导致所显示的能量数量的降低。因此，操作将使操纵者有利可图。

在替代地使用非易失的存储器时，该存储器具有可进行不可逆编程的存储单元，然而在这些存储单元中由逻辑1来表示可编程存储单元的原始状态，则在应用本原理时必须将此看作为反转的二进制数，因此例如用二进制描述的校准因子0111将表示小数1.0。如果这里将任何一位改编程序为0，那么校准因子因此同样被放大。

当然，在本发明的范围内，与已介绍的单相电度表相似，所述计数电路也可以被构造为三相计数电路以代替所示单相交流计数电路。

此外，所述原理反之也可以例如通过风力或太阳能电流设备的驱动器而被改进为用于测量馈入网中的电能的装置，其中操纵的破坏将不涉及校准因子的减小，而是将涉及校准因子的放大。

Claims (10)

1.用于测量电能消耗的装置，具有以下部分：

-用于输入电压信号(u)的第一输入端(2)，

-用于输入电流信号(i)的第二输入端(3)，

-乘法器(9)，其与第一和第二输入端(2，3)相连接，并且根据电压和电流信号(u，i)在其输出端上输出中间信号，

-校准块(10)，其与所述乘法器(9)的输出端和非易失的存储器(12)相连接，并且用校准因子来乘所述乘法器(9)的所述中间信号，

-积分器(15)，其与所述校准块(10)相连接，并且在其输出端上提供校准后的能量测量值(W)，

-其中用于存储所述校准因子的所述非易失的存储器(12)包含大量可进行不可逆编程的存储单元(13)，并且这样被构成，使得改编任意一个存储单元(13)的程序将引起所述校准因子的提高。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非易失的存储器(12)包含用于对所述可编程存储单元(12)进行编程的程序输入端(14)。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可编程存储单元(12)分别包含一个二极管，所述二极管通过施加能量脉冲而从高阻的导电状态不可逆地逐渐变为低阻的导电状态。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可编程存储单元(12)分别包含一个熔断器，所述熔断器通过施加能量脉冲而从低阻的导电状态不可逆地逐渐变为高阻的导电状态。

5.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，在所述积分器(15)的输出端上连接一个脉冲发生器(16)，其与所述校准后的能量测量值(W)成比例地提供编码输出信号。

6.如权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，分别配备一个模/数转换器(5，6)以用于连接第一和第二输入端(2，3)与所述乘法器(9)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，分别配备一个数字滤波器(7，8)以用于连接所述模/数转换器(5，6)与所述乘法器(9)，所述数字滤波器在输入侧与所述模/数转换器(5，6)的输出端相连接，并且在输出侧分别与所述乘法器(9)的输入端相连接。

8.如权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述非易失的存储器(12)被设计用于以二进制编码的形式存储所述校准因子。

9.如权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述装置作为集成电路被实现。

10.如权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，这样构成所述非易失的存储器(12)，使得所述的可在所述非易失的存储器(12)上得到的校准因子只能取正值。

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