CN201497776U - 采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置 - Google Patents

Abstract

采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，属于电气测量领域，目的是为解决现有分流器/分压器的测量结果经过长距离传输导致测量精度低的问题。本实用新型包括电流信号测量和电压信号测量，由分流器采集的模拟量电流信号经电流运算放大和线性光耦隔离模块转换成数字量信号，由分压器采集的模拟量电压信号经电压运算放大和线性光耦隔离模块转换成数字量信号，所述获取的两种信号数字量信号由数字信号处理和运算模块DSP进行处理，电流信号的极性由电流极性判断电路进行判断并将标识量传给DSP，电压信号的极性由电压极性判断电路进行判断并将标识量传给DSP，DSP控制同步采集电压和电流信号。本实用新型用于现场精确测量功率。

Description

采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，属于电气测量领域。

背景技术

电气测量系统的功率测量装置要获取的结果是有功功率、无功功率、视在功率及电压信号和电流信号的相位差，目前大多采用的技术手段是同步采集电流信号和电压信号，利用电流互感器或霍尔电流传感器采集电流信号，利用电压互感器或霍尔电压传感器采集电压信号，但是电流/电压互感器、霍尔电流/电压传感器在电气测量系统中应用具有一定的局限性，电流/电压互感器受到频带的限制只能检测额定频率±5％附近频带的电流/电压信号，且信号为非直流信号；霍尔电流/电压传感器使用的频带为0-100kHz，虽然能够满足现有电气测量频带要求和电流控制精度，但是它很难在整个频带和量程范围内满足高精度的测量要求。它们的应用成本都远高于分流器/分压器。因此，分流器/分压器在电气测量领域得到了广泛应用。

电气测量领域中应用分流器检测电流、用分压器检测电压的方式，以其结构最简单、反应电流/电压变化实时性最高等优点曾经得到广泛应用，但是，现有的分流器/分压器长距离传输的结构特点影响测量精度，导致测量精度低：分流器采样电流后的电压参数、分压器采样后的电压参数要经过长距离传输到后台PC机进行统一应用及处理，电流采样所得电压信号、分压器采样后的电压参数在传输过程中会产生线路压降，进而影响电流的检测精度；由于长距离传输，采样回路易受电磁环境干扰引起采样信号非线性变化从而影响检测精度等缺点又制约了其应用的广泛性。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有分流器/分压器的测量结果经过长距离传输导致测量精度低的问题，提供一种采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置。

本实用新型包括分流器、分压器、电流运算放大和线性光耦隔离模块、电压运算放大和线性光耦隔离模块、电流极性判断电路、电压极性判断电路、电流A/D转换电路、电压A/D转换电路和数字信号处理和运算模块DSP，

分流器的采样电阻Ri两端引出线为分流器的电压信号输出端，所述分流器的电压信号输出端与电流运算放大和线性光耦隔离模块的输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块的输出端与电流A/D转换电路的输入端相连，电流A/D转换电路的输出端与数字信号处理和运算模块DSP的电流采样输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块的电流极性信号输出端与电流极性判断电路的输入端相连，电流极性判断电路的输出端与数字信号处理和运算模块DSP的电流极性控制端相连，

分压器的分压电阻Rv两端引出线为分压器的电压信号输出端，所述分压器的电压信号输出端与电压运算放大和线性光耦隔离模块的输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块的输出端与电压A/D转换电路的输入端相连，电压A/D转换电路的输出端与数字信号处理和运算模块DSP的电压采样输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块的电压极性信号输出端与电压极性判断电路的输入端相连，电压极性判断电路的输出端与数字信号处理和运算模块DSP的电压极性控制端相连，

数字信号处理和运算模块DSP的同步采样控制端同时与电流A/D转换电路的电流采样控制端和电压A/D转换电路的电压采样控制端相连。

本实用新型的优点是：分流器/分压器采样获得的电压信号不用长距离传输给后台进行处理，直接在现场利用数字信号处理和运算模块DSP进行处理，直接获得要用到的结果，即有功功率、无功功率、视在功率及电压信号和电流信号的相位差，这样，不会因为长距离传输时导致线路压降，保证了测量的高精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，图2是分流器和分压器的测量原理图，图3是电流运算放大和线性光耦隔离模块的结构示意图，图4是电压运算放大和线性光耦隔离模块的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置包括分流器1、分压器2、电流运算放大和线性光耦隔离模块3、电压运算放大和线性光耦隔离模块4、电流极性判断电路5、电压极性判断电路6、电流A/D转换电路7、电压A/D转换电路8和数字信号处理和运算模块DSP9，

分流器1的采样电阻Ri两端引出线为分流器1的电压信号输出端，所述分流器1的电压信号输出端与电流运算放大和线性光耦隔离模块3的输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块3的输出端与电流A/D转换电路7的输入端相连，电流A/D转换电路7的输出端与数字信号处理和运算模块DSP9的电流采样输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块3的极性信号输出端与电流极性判断电路5的输入端相连，电流极性判断电路5的输出端与数字信号处理和运算模块DSP9的电流极性控制端相连，

分压器2的分压电阻Rv两端引出线为分压器2的电压信号输出端，所述分压器2的电压信号输出端与电压运算放大和线性光耦隔离模块4的输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块4的输出端与电压A/D转换电路8的输入端相连，电压A/D转换电路8的输出端与数字信号处理和运算模块DSP9的电压采样输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块4的极性信号输出端与电压极性判断电路6的输入端相连，电压极性判断电路6的输出端与数字信号处理和运算模块DSP9的电压极性控制端相连，

数字信号处理和运算模块DSP9的同步采样控制端同时与电流A/D转换电路7的电流采样控制端和电压A/D转换电路8的采样控制端相连。

本实用新型装置实现的是功率的测量，功率的测量需要采集两个信号，一个电流信号，一个是电压信号，本实施方式中，用分流器1采集电流信号，用分压器2采集电压信号，参见图2说明其测量原理。

分流器1具有采样电阻Ri，分流器1的采样电阻Ri串联于被测的回路中，知道所述采样电阻Ri两端的分流电压u_i即可求得电流i，i＝u_i/Ri，采样所述采样电阻Ri两端的电压信号输送给电流运算放大和线性光耦隔离模块3。

分压器2的全部电阻为R_T，并联在需要测量的回路中，电阻R_T两端被测电压为U，分压电阻R_v是电阻R_T的一部分，分压电阻R_v两端的分压电压为u_v，采集分压电阻R_v两端的分压电压u_v输送给电压运算放大和线性光耦隔离模块4，u_v＝U×R_T/R_v，一般分压电阻R_v的阻值很小，这样就可以实现高压的测量。

先对采集电流信号进行说明，参见图3所示，电流运算放大和线性光耦隔离模块3包括两大部分，一部分是运算放大，另一部分是线性光耦，能实现该功能的电路有很多，本实施方式给出的电路如图3所示，电流运算放大和线性光耦隔离模块3包括第一线性光耦OC1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一集成运放A1、第二集成运放A2、第三集成运放A3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，第一线性光耦OC1由第一发光二极管LED、反馈光电二极管PD1和第一输出光电二极管PD2组成，第一电阻R1的一端与分流器1的电压信号输出端相连，第一电阻R1的另一端与第一二极管D1的正极相连，第一电阻R1的另一端同时与第二二极管D2的负极相连，第一二极管D1的负极同时与第一集成运放A1的反相输入端和反馈光电二极管PD1的负极相连，第一电容C1并联在第一集成运放A1的反相输入端和输出端之间，第三二极管D3反向并联在第一集成运放A1的反相输入端和输出端之间，第一集成运放A1的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与发光二极管LED的负极相连；

第二二极管D2的正极与反馈光电二极管PD1的正极相连，第二二极管D2的正极同时与第二集成运放A2的反相输入端相连，第二电容C2并联在第二集成运放A2的反相输入端和输出端之间，第四二极管D4正向并联在第二集成运放A2的反相输入端和输出端之间，第二集成运放A2的输出端与发光二极管LED的正极相连；

第一集成运放A1的正相输入端和第二集成运放A2的正相输入端的连接点引出线与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第一集成运放A1的正相输入端和第二集成运放A2的正相输入端的连接点引出线同时与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与电流极性判断电路5相连。

线性光耦随市场出现的转换精度最高的和频带最高的来选型，本实施例中，第一线性光耦OC1采用HCNR200型线性光耦或HCNR201型线性光耦。分流电压信号u_i的线性转换一次侧由第一线性光耦OC1的反馈光电二极管PD1和第一发光二极管LED，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一集成运放A1、第二集成运放A2、第一电容C1、第二电容C2组成。

线性转换二次侧由第一线性光耦OC1的第一输出光电二极管PD2，第三集成运放A3，第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3组成，第六电阻R6的作用为信号的增益GAIN调节。

当第一发光二极管LED通过驱动电流If时，发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在反馈光电二极管PD1、第一输出光电二极管PD2上，反馈光电二极管PD1吸收伺服光通量的一部分，从而产生控制电流I1(I1＝0.005If)。该电流用来调节If以补偿第一发光二极管LED的非线性。第一输出光电二极管PD2产生的输出电流I2与第一发光二极管LED发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1＝I1/If，正向增益K2＝I2/If；则传输增益K3＝K2/K1＝I2/I1，K3的典型值为1。分流电压信号u_i为正极性输入时，第一二极管D1、第一集成运放A1这一路参与工作，正极性输出；分流电压信号u_i为负极性输入时，第二二极管D2、第二集成运放A2这一路参与工作，负极性输出，也就是说，分流电压信号u_i可以是正也可以是负，即分流电压信号u_i可以是直流，也可以是交流。在电气测量现场一般测量都是交流信号，下面以采样交流信号为对象进行说明。

分流电压信号u_i的极性的判断由电流极性判断电路5来完成，电流极性判断电路5包括第四集成运放A4、第五集成运放A5、第七电阻R7、第八电阻R8和第二线性光耦OC2，第二线性光耦OC2包括第二发光二极管LED2、第二输出光电二极管PD3、第一三极管T1、第二三极管T2，第二输出光电二极管PD3的正极与第一三极管T1的基极相连，第二输出光电二极管PD3的负极与第一三极管T1的集电极相连，第一三极管T1的发射极与第二三极管T2的基极相连，第二三极管T2的发射极接地，

第四集成运放A4的反相输入端与电流运算放大和线性光耦隔离模块3的第一电阻R1的另一端相连，第四集成运放A4的正相输入端接地，第四集成运放A4的输出端与电流运算放大和线性光耦隔离模块3的第二电阻R2的另一端相连，第四集成运放A4的输出端同时与第五集成运放A5的正相输入端相连，第五集成运放A5的反相输入端接地，第五集成运放A5的输出端与第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端与第二发光二极管LED2的正极相连，第二发光二极管LED2的负极接地，

第一三极管T1的集电极同时与电源Vcc和第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端与第二三极管T2的集电极相连，第八电阻R8的另一端与第二三极管T2的集电极的连接点引出线作为电流极性判断电路5的输出端，输出电流极性标识V_sign1。

分流电压信号u_i为正极性时，电流极性判断电路5输出电流极性标识V_sign1＝0，分流电压信号u_i为负极性时，电流极性判断电路5输出电流极性标识V_sign1＝1，电流极性标识这个开关量给数字信号处理和运算模块DSP9，用于判断电流信号处于正半周期还是负半周期。

电流运算放大和线性光耦隔离模块3输出模拟电压信号U_out1，所述模拟电压信号U_out1端口连接电流A/D转换电路7，电流A/D转换电路7将模拟电压信号U_out1转换成16位的数字信号，并输出给数字信号处理和运算模块DSP9。

下面再对采集电压信号进行说明，参见图4所示，电压运算放大和线性光耦隔离模块4的结构与电流运算放大和线性光耦隔离模块3完全相同，分压电压信号u_v经电压运算放大和线性光耦隔离模块4输出模拟电压信号U_out2，所述模拟电压信号U_out2端口连接电压A/D转换电路8，电压A/D转换电路8将模拟电压信号U_out2转换成16位的数字信号，并输出给数字信号处理和运算模块DSP9。

分压电压信号u_v的极性的判断由电压极性判断电路6来完成，电压极性判断电路6的结构与电流极性判断电路5完全相同，电压极性判断电路6输出电压极性标识V_sign2，分压电压信号u_v为正极性时，电压极性判断电路6输出电压极性标识V_sign2＝0，分压电压信号u_v为负极性时，电压极性判断电路6输出电压极性标识V_sign2＝1，电压极性标识这个开关量给数字信号处理和运算模块DSP9，用于判断电压信号处于正半周期还是负半周期。

为了保证功率计算的准确性，要同步采集同一回路的电压信号和电流信号数据以保证相位采集的同时性，进而计算电压和电流相位差才是正确的。因此，由数字信号处理和运算模块DSP9控制电流A/D转换电路7和电压A/D转换电路8同时采集信号，并读取其输出数字信号，数字信号处理和运算模块DSP9保存实时数据，计算得到信号的基波有效值、基波频率、相位、谐波分量。利用计算结果可以计算出这个回路的视在功率S、电压和电流的相位差φ、有功功率P以及无功功率Q。

由电压的有效值和电流的有效值的乘积可以计算被测回路的视在功率S；电压相位计算值减去电流相位计算值得到该回路的功率因数角φ；视在功率S乘以功率因数角φ的余弦得到回路的有功功率P；视在功率S乘以功率因数角φ的正弦得到回路的无功功率Q。

这样，用户在现场就获得了想要得到的最终测量结果，不会因为长距离传输时导致线路压降，保证了测量的高精度。

本实用新型的主要指标：本实用新型测量的频带宽，频带为0-10kHz，电流和电压的准确度由于0.2级，功率测量准确度优于1.0级，满足现有电力计量和电机测试国家标准对功率测试的要求。

具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括光纤通讯发送模块OTS10、光纤通讯接收模块OTR11和光纤通讯接口电路12，数字信号处理和运算模块DSP9的输出端通过BUS总线与光纤通讯发送模块OTS10的输入端相连，光纤通讯发送模块OTS10的输出端和光纤通讯接收模块OTR11的输入端之间光信号耦合连接，光纤通讯接收模块OTR11的输出端通过BUS总线与光纤通讯接口电路12相连，其它与实施方式一相同。

实施方式一在数字信号处理和运算模块DSP9中获得一系列计算数据，这些数据是用户要用到的最终结果，这些数据通过光纤通讯传送给用户，BUS总线采用RS485总线，光纤通讯接口电路12采用RS485接口电路，或BUS总线采用CAN总线，光纤通讯接口电路12采用CAN接口电路。即BUS总线与用户端的光纤通讯接口电路12保持一致。

这样，在现场计算好的高精度的数据经过光纤传输给用户端不会降低测量的精度。而且，本实施方式传输的手段是采用光纤通讯，受到的干扰弱，整个量程检测精度一致、抗干扰能力强，实现了数字化通讯功能。

Claims (4)

1.采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，其特征在于，它包括分流器(1)、分压器(2)、电流运算放大和线性光耦隔离模块(3)、电压运算放大和线性光耦隔离模块(4)、电流极性判断电路(5)、电压极性判断电路(6)、电流A/D转换电路(7)、电压A/D转换电路(8)和数字信号处理和运算模块DSP(9)，

分流器(1)的采样电阻Ri两端引出线为分流器(1)的电压信号输出端，所述分流器(1)的电压信号输出端与电流运算放大和线性光耦隔离模块(3)的输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块(3)的输出端与电流A/D转换电路(7)的输入端相连，电流A/D转换电路(7)的输出端与数字信号处理和运算模块DSP(9)的电流采样输入端相连，电流运算放大和线性光耦隔离模块(3)的电流极性信号输出端与电流极性判断电路(5)的输入端相连，电流极性判断电路(5)的输出端与数字信号处理和运算模块DSP(9)的电流极性控制端相连，

分压器(2)的分压电阻Rv两端引出线为分压器(2)的电压信号输出端，所述分压器(2)的电压信号输出端与电压运算放大和线性光耦隔离模块(4)的输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块(4)的输出端与电压A/D转换电路(8)的输入端相连，电压A/D转换电路(8)的输出端与数字信号处理和运算模块DSP(9)的电压采样输入端相连，电压运算放大和线性光耦隔离模块(4)的电压极性信号输出端与电压极性判断电路(6)的输入端相连，电压极性判断电路(6)的输出端与数字信号处理和运算模块DSP(9)的电压极性控制端相连，

数字信号处理和运算模块DSP(9)的同步采样控制端同时与电流A/D转换电路(7)的电流采样控制端和电压A/D转换电路(8)的电压采样控制端相连。

2.根据权利要求1所述的采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，其特征在于，它还包括光纤通讯发送模块OTS(10)、光纤通讯接收模块OTR(11)和光纤通讯接口电路(12)，数字信号处理和运算模块DSP(9)的输出端通过BUS总线与光纤通讯发送模块OTS(10)的输入端相连，光纤通讯发送模块OTS(10)的输出端和光纤通讯接收模块OTR(11)的输入端之间光信号耦合连接，光纤通讯接收模块OTR(11)的输出端通过BUS总线与光纤通讯接口电路(12)相连。

3.根据权利要求2所述的采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，其特征在于，BUS总线采用RS485总线，光纤通讯接口电路(12)采用RS485接口电路。

4.根据权利要求2所述的采用线性光耦实现基于电阻采样的功率测量装置，其特征在于，BUS总线采用CAN总线，光纤通讯接口电路(12)采用CAN接口电路。

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