CN1902500A - 能量消耗计量装置 - Google Patents

Abstract

说明了一种具有两个输入(1，2)的能量消耗计量装置，依赖于电压(V)和电流(I)的信号被馈送到该装置。这些信号在模拟－数字转换器(3，4)中被数字化并相互组合。为了校正可由用于耦合入所述信号的装置(12，14)所引起的相位差，相位估算块(9)耦合到能量消耗计量装置的输入(1，2)。相位估算块(9)驱动在模拟－数字转换器(4)的输出处的相位校正块(6)。结果，对相位误差有成本效益的补偿可能具有较低的复杂性，其使在输入的DC隔离是可能的同时避免测量误差。所述能量消耗计量装置特别适合于使用集成电路技术来实现。

Description

能量消耗计量装置

本发明涉及能量消耗计量装置。

能量消耗计量器用于检测所消耗或所产生的电能。这样的能量消耗计量器也被称为电计量器或千瓦时计量器。

在电子操作的能量消耗计量器的情形中，电压和电流通常被检测、数字化并彼此相乘。相乘后，提供了瞬时电功率。如果该电功率在时间上积分或积聚，可获得一信号，它是对在特定时间周期内所产生或消耗的电能的测量。

为了获得与电压和电流成比例的信号，可使用分压器、电压互感器、电流互感器或用于耦合出信号的其他装置。

在许多应用中，需要至少在用于检测电压和电流的两个通道中的一个中提供DC隔离。电路的这种DC隔离由互感器提供。

然而，这种互感器的一个问题是由互感器的感应耦合所引起的相移。该相移首先产生在互感器的输出信号和输入信号之间。然而其次，该相移还产生在表示电流的信号和表示电压的信号之间。

然而，这在电压和电流相乘期间导致了不理想的测量误差。在此情形中，需要注意电压和电流一般不以DC信号的形式出现，而是以具有或多或少的谐波信号形状的AC信号的形式。

另外，该问题通过以下事实进一步强化，该事实为即使将一个相应的基于互感器的传递装置插入到电压和电流测量通道中，在两个输入通道之间的不可预料的相移也会由制造容差、热效应、老化效应等引起。

为了校正不理想的相移，例如可使用包括电阻器和电容器的RC网络。然而，这些RC网络通常需要以附加的外部部件的形式，且不利地，通常不能被集成。另外，与制造相关和与温度相关的容差的问题原则上不能通过这种装置解决。

本发明的目的是提供一种能量消耗计量装置，该装置可几乎无复杂性地被集成且使用该装置电压和/或电流可被DC隔离地检测，没有测量误差产生。

根据本发明，该目的通过一种能量消耗计量装置实现，所述装置具有：

-第一输入，用于馈送源自电压的信号，第一模拟-数字转换器连接到该第一输入；第二输入，用于馈送源自电流的信号，第二模拟-数字转换器连接到该第二输入，

-乘法器，其将两个模拟-数字转换器的输出彼此组合，

-相位估算块，具有两个输入，这两个输入耦合到能量消耗计量装置的第一和第二输入，以便测量相位差；且具有输出，该输出耦合到相位校正块，以及

-相位校正块，其耦合到两个模拟-数字转换器中一个的输出，设计用于校正源自电流或电压的数字化信号的相位差。

根据所提出的原理，在源自电压的信号所馈送到的该能量消耗计量装置的输入和源自电流的信号所馈送到的该能量消耗计量装置的输入之间的相移得到检测和补偿。用于对源自电压的信号和源自电流的信号进行馈送的信号输入还可以被称为输入通道，即电压通道和电流通道。

有利地是，可能利用所提出的对在两个通道之间的相移的测量和补偿，来将通道彼此DC隔离，和/或将至少一个输入从该能量消耗计量装置DC隔离。由于相移的补偿，避免了装置的测量误差。在此情形中，针对移相目的，有利地不需要如电阻/电容网络的外部网络。

相位估算块和相位校正块不用任何外部部件，有利地导致了能量消耗计量装置的所谓芯片上相位校正。

例如，在两个输入通道间的相位差可通过对两个输入所施加的相同的输入信号在校准操作模式中测量。在校准操作模式中，正弦信号被优选施加到能量消耗计量装置的两个输入。

在此情形中，例如两个信号的过零(zero crossing)，可有利地通过相位估算块来比较。因而有可能确定在过零之间的相对时间间隔。例如，借助于相位估算块中的逻辑单元，可有利地得出对来自两个信号的过零时间间隔的相位差的计算。然后有可能容易地使用所确定的相位差来进行在两个通道的一个中的该相位差的精确校正。

相位校正值可有利地存储在相位估算块中，以便在校准操作模式后该校正值在正常操作期间中也可用。

由于这一事实，即不需要外部部件用于相位校正，所提出的能量消耗计量装置的实施可能有利地以一种非常有成本效益的方式。因此所提出的可集成的能量消耗计量装置特别好地适于大规模生产。

用于基于所提出的原理来校准能量消耗计量装置的所需时间特别少的事实提供了另一优点。原则上，两个输入通道之间的相位差可以在输入信号的仅一个周期中确定。在此情形中可通过相应信号频率的倒数值以简单方式计算该周期。根据国家标准，在该能量消耗计量器中的信号频率通常是50赫兹或60赫兹。

根据所提出的原理，检测能量消耗计量装置的输入信号之间的相位差，该相位差以模拟信号的形式出现。另一方面，在数字信号处理的范围中校正相位误差，即在输入信号的模拟-数字转换后。

为了实现在能量消耗计量装置的输入通道之间的相位差的特别快的确定，有利的是，将相位估算块的时钟输入连接到模拟-数字转换器的时钟输入，以及还因此使用模拟-数字转换器的时钟信号用于相位估算，在任何情形总需要该时钟信号来用于能量消耗计量装置的操作。

相位估算块有利地包括用于永久存储相位校正值的装置。该用于永久存储相位校正值的装置优选地以非易失性存储器的形式，例如以EEPROM的形式。

由于相位校正值的永久存储，在校准操作模式中所确定的相位校正值在能量消耗计量装置断开连接和重连接后还仍然可用。

为了对待馈送到相位估算块的输入信号进行信号调节，有利地在每种情况下提供一个限制放大器，该限制放大器将能量消耗计量装置的第一输入和第二输入耦合到相位估算块的相关输入。

模拟-数字转换器有利地每个以sigma-delta转换器的形式或sigma-delta调制器的形式。结果，有可能以高的分辨度和好的可积性(integrability)对源自电压和电流的输入信号进行采样。

在乘法器的输出有利地提供了积分器，该积分器对由乘法器所提供的信号进行积分。积分器可有利地以累加器的形式。

积分器被有利地设计，使得它对由乘法器所提供并表示瞬时电功率的信号进行积分，以形成一信号，该信号是对所消耗的或所产生的电能量的测量。

进一步优选地，使用集成电路技术来设计第一和第二模拟-数字转换器、相位校正块和相位估算块。如果已提供，则限制放大器、sigma-delta转换器和进一步的功能块和/或在能量消耗计量装置的信号处理链中的部件，可使用集成电路技术来有利地设计。能量消耗计量装置可有利地以单个集成半导体电路实施。

导致DC隔离的传递装置的输出可有利地连接到能量消耗计量装置的第一输入和/或连接到能量消耗计量装置的第二输入。这样非传导的传递装置可以有利地为互感器。

可使用所提出的原理以特别简单和有效以及高精度的方式，对这种导致了输入的DC隔离的耦合元件的比较大的相位差进行补偿。

优选地提供用于生成测试信号的装置，该装置耦合到能量消耗计量装置的第一输入和第二输入。

如果提供耦合入(coupling in)元件，如基于互感器的传递装置，则有利地如此设计用于生成测试信号的装置，使得测试信号在传递装置或耦合入元件的输入馈入。在此情形中，可以有利的是使输入在有用的信号操作模式和校准操作模式之间切换成为可能，其中该输入连接到用于生成测试信号的装置。

用于生成测试信号的装置在校准操作模式中可有利地被激活，而在正常操作模式中，即在实际能量测量操作期间，可去激活。

所提出原理的进一步细节和有利的精化是附属权利要求的主题。

以下参考附图使用示范实施例来更详细地解释所述发明，其中：

附图示出了所提出的能量消耗计量装置的示范实施例的块电路图。

附图示出了具有第一输入1和第二输入2的能量消耗计量装置。第一输入1被设计用于馈送源自电压V的信号。第二输入2被设计用于馈送源自电流I的信号。在此情形中，电压V和电流U基于同一信号。第一模拟-数字转换器3的输入连接到第一输入1。第二模拟-数字转换器4的输入连接到第二输入2。模拟-数字转换器3、4均以sigma-delta调制器的形式。第一模拟-数字转换器3的输出通过第一数字过滤器5连接到乘法器7的输入。第二模拟-数字转换器4的输出通过第二数字过滤器6连接到乘法器7的又一输入。第二数字过滤器6包括相位校正块。积分器8连接到乘法器7的输出，并将对积分器输入所施加的并且是对瞬时电功率P的测量的信号转换成表示电能量E的信号。此外，提供了具有第一输入和第二输入的相位估算块9。能量消耗计量装置的第一输入和第二输入1、2通过一个相应的限制放大器10、11连接到相位估算块9的输入。

相位估算块9包括非易失性存储器17，在其中所测量的相位差或相关的校正值可永久保存。

为了耦合出电压，提供了分压器12，该分压器的输出连接到能量消耗计量装置的第一输入，而该分压器的输入形成了用于馈送电压的电压输入13。为了耦合出电流，提供了连接在电流输入15和能量消耗计量装置的第二输入2之间的互感器14。互感器14在电流输入15和第二输入2之间提供DC隔离。

测试信号发生器16的输出连接到电压输入13和电流输入15。测试信号发生器16提供谐波，例如具有50或60赫兹额定频率的正弦信号。

由于分压器12和互感器14，对能量消耗计量器的两个输入通道产生了不同相移。具有特别意义的是在能量消耗计量装置的输入1、2的两个输入通道之间的相对相位差Δ。该相位差Δ由相位估算块9来确定。这由于以下事实在校准操作模式中发生，即测试信号发生器16被激活且结果在电压输入13和电流输入15馈入一个相应的同相、正弦信号。该信号在分压器12和互感器14中经历了不同的相移。

在输入1、2的相对相位差Δ在相位估算块中通过在相位估算块的输入的两个信号的过零被检测和被转换成对应相位差之间的时间跨度来确定。对应的校正值在相位估算块的输出被输出。相位校正块因此在数字过滤器6中被驱动且精确地补偿相位差Δ。在过程中限制放大器10、11提高了过零检测的精确性。

当生产能量消耗计量装置时，校准操作模式被单独激活一次。

所提出的原理提供了用于被完全集成的集成能量消耗计量装置的自动相位校正。所提出的能量消耗计量装置特征还在于低校准时间和生产期间的低成本。另外，至少一个通道的DC隔离可能在能量消耗计量装置的输入，不产生测量误差。当测量多于一个通道时DC隔离特别重要，这在电能消耗计量器的情形中是常规的。

特别是，有可能补偿由互感器产生的不可避免的相移。在此情形中，针对相位校正目的，不需要如电阻-电容网络的另外的外部部件。

由于非易失性存储器17，当能量消耗计量器被关断后，相位校正值还仍然可用。

由于相位差的确定原则上在一个周期内是可能的，使用所提出的原理可进行特别快的校准。

相位估算块9有利地具有时钟输入，该时钟输入连接到sigma-delta调制器3、4的时钟输入。结果，在两个过零之间的时钟边缘可在输入1、2被计数且因此相位差可以用简单和准确的方式来确定。

根据所提出的原理，在能量消耗计量装置的两个输入的相对相位差在模拟信号领域中被检测。然而，相位差是在数字信号处理领域中被校正。

Claims (9)

1.一种能量消耗计量装置，具有

-第一输入(1)，用于馈送源自电压(V)的信号，第一模拟-数字转换器(3)连接到所述第一输入(1)，

-第二输入(2)，用于馈送源自电流(I)的信号，第二模拟-数字转换器(4)连接到所述第二输入(2)，

-乘法器(7)，其将所述两个模拟-数字转换器(3，4)的所述输出彼此组合，

-相位估算块(9)，具有两个输入，所述两个输入耦合到所述能量消耗计量装置的所述第一和所述第二输入(1，2)以便于测量相位差(Δ)，并具有耦合到相位校正块(6)的输出，以及

-所述相位校正块(6)，其耦合到所述两个模拟-数字转换器(4)中一个的输出，设计用于校正源自电流(I)或电压(V)的数字化信号的所述相位差(Δ)。

2.如权利要求1所述的能量消耗计量装置，特征在于所述相位估算块(9)包括用于永久存储相位校正值的装置(17)。

3.如权利要求1或2所述的能量消耗计量装置，特征在于提供一个相应的限制放大器(10，11)，所述限制放大器(10，11)将所述能量消耗计量装置的一个相应输入(1，2)耦合到所述相位估算块(9)的一个相应输入。

4.如权利要求1至3中之一所述的能量消耗计量装置，特征在于所述第一和所述第二模拟-数字转换器(3，4)均是sigma-delta转换器的形式。

5.如权利要求1至4中之一所述的能量消耗计量装置，特征在于提供了在所述乘法器下游所连接的积分器(8)。

6.如权利要求1至5中之一所述的能量消耗计量装置，特征在于所述第一和所述第二模拟-数字转换器(3，4)、所述相位校正块(6)和所述相位估算块(9)使用集成电路技术来设计。

7.如权利要求1至6中之一所述的能量消耗计量装置，特征在于非传导耦合的传递装置(14)连接到所述第一输入(1)和/或所述第二输入(2)，以便于耦合入源自电压(V)和/或源自电流(I)的所述信号。

8.如权利要求7所述的能量消耗计量装置，特征在于所述非传导耦合的传递装置(14)是以互感器的形式。

9.如权利要求1至8中之一所述的能量消耗计量装置，特征在于提供了用于产生测试信号的装置(16)，所述装置耦合到所述能量消耗计量装置的所述第一和所述第二输入(1，2)。