CN204462248U - 一种高精度计量测控仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度计量测控仪表，包括：电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元和功率计算单元，所述电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元均与功率计算单元电性连接，且功率计算单元将电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元输出的数字电压值与数字电流值转变成为平均功率值。通过上述方式，本实用新型提供的高精度计量测控仪表，将电压通道调制器上的第一斩波时钟脉冲与电流通道调制器上的第二斩波时钟脉冲设置为不相关，从而电压通道调制器和电流通道调制器内的噪声相关性就降低，在相同频率处出现噪声的概率减小，从而提高测控仪表的计量精度。

Description

一种高精度计量测控仪表

技术领域

本实用新型涉及一种测控仪表，特别是涉及一种高精度计量测控仪表。

背景技术

在日常生活中，每个家庭和单位都要用到测控仪表，测控仪表是用于计算电能消耗的工具。按照原理分，测控仪表可分为感应式和电子式两大类。随着智能电网的不断发展，高速、双向、实时、集成的电网通信系统发展成熟，测控仪表的应用越来越广泛。电子式测控仪表是运用模数转换器把电压值和电流值转换为相应的数字值，然后用数字电路实现电能计量功能。在国家实施智能电网的战略推动下，如何提高测控仪表的计量精度已经成为电能计量行业内共同追求的目标。

测控仪表是通过模数转换器对模拟电压和模拟电流进行采样并转换成它们的数字形式，以便计量电路来计算电能、功率等数据。为了提高测控仪表的精度，一般是通过提高模数转换器的精度的方法来实现。模数转换器包括调制器和滤波器两部分，调制器能将基带内的量化噪声推向高频，并通过滤波器滤除高频噪声，实现高信噪比。

图1显示了现有技术中测控仪表电能计量部分的基本结构，电压值U经过电压通道调制器变为数字信号，经过低通滤波器LPF1和高通滤波器HPF后变成与电压值U相对应的数字值u，同样电流值I变成相对应的i，将u和i相乘得到瞬时功率p，瞬时功率p经过低通滤波器得到平均功率P，计量单元通过平均功率P便能得到电能值。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是如何将电压通道调制器上的第一斩波时钟脉冲与电流通道调制器上的第二斩波时钟脉冲设置为不相关，从而电压通道调制器和电流通道调制器内的噪声相关性就降低，在相同频率处出现噪声的概率减小，从而提高测控仪表的计量精度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种高精度计量测控仪表，包括用于将电压输入值转变为相应数字电压值的电压通道模数转换单元、用于将电流输入值转变为相应数字电流值的电流通道模数转换单元和功率计算单元，所述电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元均与功率计算单元电性连接，且功率计算单元将电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元输出的数字电压值与数字电流值转变成为平均功率值。

其中，所述电压通道模数转换单元中包含有用于产生第一时钟脉冲的第一时钟产生单元，所述的第一时钟脉冲中包含有第一采样时钟脉冲、第一斩波时钟脉冲。所述的第一采样时钟脉冲中又包括两相第一采样时钟脉冲、所述的第一斩波时钟脉冲包括两相第一斩波时钟脉冲，同时，所述的两相第一采样时钟脉冲不交叠，所述的两相第一斩波时钟脉冲不交叠。

所述电流通道模数转换单元中包含有用于产生第二时钟脉冲的第二时钟产生单元，所述第二时钟脉冲包含有第二采样时钟脉冲、第二斩波时钟脉冲，所述的第二采样时钟脉冲中进一步包含有两相第二采样时钟脉冲、所述的第二斩波时钟脉冲中包含有两相第二斩波时钟脉冲，所述的两相第二采样时钟脉冲不交叠，所述的两相第二斩波时钟脉冲不交叠。

所述第一斩波时钟脉冲与第二斩波时钟脉冲具有不相关性。

在一个较佳实施例中，所述电压通道模数转换单元中设置有用于对电压输入值进行调制并输出数字电压信号的电压通道调制器、用于对输出数字电压信号进行电压滤波并输出数字电压值的第一低通滤波器和第一高通滤波器，所述电压通道调制器、第一低通滤波器和第一高通滤波器之间依次电性连接。

所述电流通道模数转换单元中设置有用于对电流输入值进行调制并输出数字电流信号的的电流通道调制器、用于对输出数字电流信号进行电流滤波并输出数字电流值的第二低通滤波器和第二高通滤波器，所述电流通道调制器、第二低通滤波器和第二高通滤波器之间依次电性连接。

在一个较佳实施例中，所述电压滤波按照第一低通滤波器、第一高通滤波器依序进行，其中，所述第一低通滤波器用于消除电压通道调制器产生的高频噪音，所述第一高通滤波器用于消除数字电压信号的偏移值。

在一个较佳实施例中，所述电流滤波按照第二低通滤波器、第二高通滤波器依序进行，其中，所述第二低通滤波器用于消除电流通道调制器产生的高频噪音，所述第二高通滤波器用于消除数字电流信号的偏移值。

在一个较佳实施例中，所述第一时钟单元内包含有第一参考时钟脉冲、第一两相不交叠时钟发生器、第一伪随机序列发生器和第二两相不交叠时钟发生器。

所述第一两相不交叠时钟发生器接收第一参考时钟脉冲并输出两相第一采样时钟脉冲。

所述第一伪随机序列发生器和第二两相不交叠时钟发生器之间相连接，接收第一参考时钟脉冲并输出两相第一斩波时钟脉冲。

在一个较佳实施例中，所述第二时钟单元内包含有第二参考时钟脉冲、第三两相不交叠时钟发生器、第二伪随机序列发生器和第四两相不交叠时钟发生器。

所述第三两相不交叠时钟发生器接收第二参考时钟脉冲并输出两相第二采样时钟脉冲。

所述第二伪随机序列发生器和第四两相不交叠时钟发生器之间相连接，接收第二参考时钟脉冲并输出两相第二斩波时钟脉冲。

在一个较佳实施例中，第一两相不交叠时钟发生器与第二两相不交叠时钟发生器的结构相同。

在一个较佳实施例中，所述的第一伪随机序列发生器与第二伪随机序列发生器的结构不相同。

在一个较佳实施例中，所述功率计算单元中还包含有乘法器和第三低通滤波器，所述乘法器用于将数字电压值和数字电流值相乘以得到相应的瞬时功率，所述第三低通滤波器将瞬时功率通过滤波转变成为平均功率。

本实用新型的有益效果是：利用第一时钟产生单元为电压通道调制器提供两相不交叠的第一采样时钟脉冲和两相不交叠的第一斩波时钟脉冲，利用第二时钟产生单元为电流通道调制器提供两相不交叠的第二采样时钟脉冲和两相不交叠的第二斩波时钟脉冲，电压通道调制器上的第一斩波时钟脉冲与电流通道调制器上的第二斩波时钟脉冲基本不相关，电压通道调制器和电流通道调制器内的噪声相关性就降低，即在相同频率处出现噪声的概率减小，从而提高电能表的计量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本实用新型中现有技术部分测控仪表的基本电路结构；

图2是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的基本电路结构；

图3是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的第一采样时钟脉冲φ1、φ2和第一斩波时钟脉冲ch1、ch2的脉冲波形图；

图4是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的两相不交叠时钟发生器的电路结构示意图；

图5是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的第一伪随机序列发生器的电路结构示意图；

图6是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的第二伪随机序列发生器的电路结构示意图；

图7是本实用新型中高精度计量测控仪表一较佳实施例的参考时钟脉冲、第一伪随机序列发生器的输出时钟脉冲以及第二伪随机序列发生器的输出时钟脉冲的脉冲波形图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-图7，在本实用新型的一个具体实施例中提供一种高精度计量测控仪表，所述的高精度计量测控仪表中电压通道模数转换单元包括：电压通道调制器，第一低通滤波器以及第一高通滤波器。

电流通道模数转换单元，包括：电流通道调制器，第二低通滤波器以及第二高通滤波器。

功率计算单元包括：用于将电压通道模数转换单元输出的电压值与所述电流通道模数转换单元输出的电流值相乘以获得瞬时功率的乘法器；用于对所述乘法器输出的瞬时功率进行滤波以得到平均功率的第三低通滤波器。

电压通道模数转换单元还包括：用于为电压通道调制器提供时钟脉冲的第一时钟产生单元；第一时钟产生单元产生的时钟脉冲包括第一采样时钟脉冲和第一斩波时钟脉冲，第一采样时钟脉冲包括两相不交叠的采样时钟脉冲，第一斩波时钟脉冲包括两相不交叠的斩波时钟脉冲。

电流通道模数转换单元还包括：用于为电流通道调制器提供时钟脉冲的第二时钟产生单元；第二时钟产生单元产生的时钟脉冲包括第二采样时钟脉冲和第二斩波时钟脉冲，第二采样时钟脉冲包括两相不交叠的采样时钟脉冲，第二斩波时钟脉冲包括两相不交叠的斩波时钟脉冲；第二斩波时钟脉冲与第一斩波时钟脉冲不具相关性。

在一个具体实施例中，电压通道模数转换单元用于对输入的模拟电压U进行采样并转换成数字电压值u，以便后续计算。在转换单元中，电压通道调制器是用于对U进行调制，第一低通滤波器以及第一高通滤波器是用于依序对电压通道调制器输出的数字电压信号进行滤波后得到数字电压值u。第一低通滤波器的作用为消除电压通道调制器产生的高频噪声，第一高通滤波器的作用为消除数字电压信号中的偏移值。

电流通道模数转换单元是用于对输入的模拟电流I进行采样并转换成数字电流值i，以便后续计算。在转换单元中，电流通道调制器是用于对I进行调制，第二低通滤波器以及第二高通滤波器是用于依序对电流通道调制器输出的数字电流信号进行滤波后得到数字电流值i。第二低通滤波器的作用为消除电流通道调制器产生的高频噪声，第二高通滤波器的作用为消除数字电流信号中的偏移值。

在实施过程中，电压u和电流i的表达式分别为：

u=Ucos(2π×50)+ ∑uicos(ωi)；

i=Icos(2π×50)+ ∑ijcos(ωj)；

其中u和i的后一项为电压和电流的各种噪声之和。

而功率p=u×i=1/2UI+1/2UIcos(2π×100)+ Icos(2π×50) ×∑uicos(ωi)+ Ucos(2π×50) ×∑ijcos(ωj)+∑uicos(ωi)×∑ijcos(ωj)；

其中第一项为有功功率P=1/2UI；

此外，uicos(ωi)×ijcos(ωj)=1/2uiijcos(ωi-ωj)+1/2uiijcos(ωi+ωj)，由此可知，只要电压通道和电流通道含有相同频率的噪声uicos(ωi)和ijcos(ωj)，这两部分的噪声相乘后将产生直流功率噪声1/2uiij。由于低通滤波器不能滤除这部分噪声，因此，这部分直流噪声是电能表的主要误差来源。

第二项1/2UIcos(2π×100)为100Hz的功率信号，可以被低通滤波器LPF2滤除。

第三项Icos(2π×50) ×∑uicos(ωi)为电流信号和电压噪声相乘。

第四项Ucos(2π×50) ×∑ijcos(ωj)为电压信号和电流噪声相乘。由于电压噪声和电流噪声都不含有50Hz的噪声成分，所以和50Hz的信号相乘后不会产生直流功率噪声。

第五项∑uicos(ωi)×∑ijcos(ωj)为电压噪声和电流噪声相乘，如果电压通道和电流通道含有相同的噪声成分，则第四项会产生直流功率噪声。

因此，电压通道模数转换单元中，还包括第一时钟产生单元，用于为电压通道调制器提供两相不交叠的第一采样时钟脉冲和两相不交叠的第一斩波时钟脉冲；

在电流通道模数转换单元中，还包括第二时钟产生单元，用于为电流通道调制器提供两相不交叠的第二采样时钟脉冲和两相不交叠的第二斩波时钟脉冲。

其中，第一时钟产生单元提供的第一斩波时钟脉冲与第二时钟产生单元提供的第二斩波时钟脉冲不具相关性，这样，电压通道调制器和电流通道调制器内的噪声相关性就大大降低，即在相同频率处出现的噪声概率更小，从而提高电能表的计量精度。

第一时钟产生单元包括：第一两相不交叠时钟发生器，接收参考时钟脉冲CLK并输出包含两相不交叠的第一采样时钟脉冲φ1和φ2；第一伪随机序列发生器及与第一伪随机序列发生器相连的第二两相不交叠时钟发生器，接收参考时钟脉冲CLK并输出两相不交叠的第一斩波时钟脉冲ch1、ch2。

第二时钟产生单元包括：第三两相不交叠时钟发生器，接收参考时钟脉冲CLK并输出两相不交叠的第二采样时钟脉冲φ1和φ2；第二伪随机序列发生器及与第二伪随机序列发生器相连的第四两相不交叠时钟发生器，接收参考时钟脉冲CLK并输出两相不交叠的第二斩波时钟脉冲ch1、ch2。

在实施例中，第一两相不交叠时钟发生器与第二两相不交叠时钟发生器是相同的两相不交叠时钟发生器，第一伪随机序列发生器与第二伪随机序列发生器是不相同的伪随机序列发生器。

在一个具体实施例中，参考时钟脉冲CLK与第一伪随机序列发生器的输出时钟脉冲out1以及第二伪随机序列发生器的输出时钟脉冲out2的脉冲波形图如图6所示，在图7中由于采用不同的伪随机序列发生器，因此out1和out2不同，二者不相关。

因此，本实用新型中公开的高精度计量测控仪表能够达到的有益效果如下：利用第一时钟产生单元为电压通道调制器提供两相不交叠的采样时钟脉冲和两相不交叠的斩波时钟脉冲的第一时钟产生单元。利用第二时钟产生单元为电流通道调制器提供两相不交叠的采样时钟脉冲和两相不交叠的斩波时钟脉冲，电压通道调制器上的斩波时钟脉冲与电流通道调制器上的斩波时钟脉冲不相关，电压通道调制器和电流通道调制器内的噪声的相关性就降低，即在相同频率处出现噪声的概率就更小，从而提高电能表的计量精度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高精度计量测控仪表，其特征在于，包括：用于将电压输入值转变为相应数字电压值的电压通道模数转换单元、用于将电流输入值转变为相应数字电流值的电流通道模数转换单元和功率计算单元，所述电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元均与功率计算单元电性连接，且功率计算单元将电压通道模数转换单元、电流通道模数转换单元输出的数字电压值与数字电流值转变成为平均功率值；

其中，所述电压通道模数转换单元中包含有用于产生第一时钟脉冲的第一时钟产生单元，所述的第一时钟脉冲中包含有第一采样时钟脉冲、第一斩波时钟脉冲，所述的第一采样时钟脉冲中又包括两相第一采样时钟脉冲、所述的第一斩波时钟脉冲包括两相第一斩波时钟脉冲，同时，所述的两相第一采样时钟脉冲不交叠，所述的两相第一斩波时钟脉冲不交叠；

所述电流通道模数转换单元中包含有用于产生第二时钟脉冲的第二时钟产生单元，所述第二时钟脉冲包含有第二采样时钟脉冲、第二斩波时钟脉冲，所述的第二采样时钟脉冲中进一步包含有两相第二采样时钟脉冲、所述的第二斩波时钟脉冲中包含有两相第二斩波时钟脉冲，所述的两相第二采样时钟脉冲不交叠，所述的两相第二斩波时钟脉冲不交叠；

所述第一斩波时钟脉冲与第二斩波时钟脉冲具有不相关性。

2.根据权利要求1所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述电压通道模数转换单元中设置有用于对电压输入值进行调制并输出数字电压信号的电压通道调制器、用于对输出数字电压信号进行电压滤波并输出数字电压值的第一低通滤波器和第一高通滤波器，所述电压通道调制器、第一低通滤波器和第一高通滤波器之间依次电性连接；

所述电流通道模数转换单元中设置有用于对电流输入值进行调制并输出数字电流信号的的电流通道调制器、用于对输出数字电流信号进行电流滤波并输出数字电流值的第二低通滤波器和第二高通滤波器，所述电流通道调制器、第二低通滤波器和第二高通滤波器之间依次电性连接。

3.根据权利要求2所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述电压滤波按照第一低通滤波器、第一高通滤波器依序进行，其中，所述第一低通滤波器用于消除电压通道调制器产生的高频噪音，所述第一高通滤波器用于消除数字电压信号的偏移值。

4.根据权利要求2所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述电流滤波按照第二低通滤波器、第二高通滤波器依序进行，其中，所述第二低通滤波器用于消除电流通道调制器产生的高频噪音，所述第二高通滤波器用于消除数字电流信号的偏移值。

5.根据权利要求1所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述第一时钟单元内包含有第一参考时钟脉冲、第一两相不交叠时钟发生器、第一伪随机序列发生器和第二两相不交叠时钟发生器；

所述第一两相不交叠时钟发生器接收第一参考时钟脉冲并输出两相第一采样时钟脉冲；

所述第一伪随机序列发生器和第二两相不交叠时钟发生器之间相连接，接收第一参考时钟脉冲并输出两相第一斩波时钟脉冲。

6.根据权利要求5所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述第二时钟单元内包含有第二参考时钟脉冲、第三两相不交叠时钟发生器、第二伪随机序列发生器和第四两相不交叠时钟发生器；

所述第三两相不交叠时钟发生器接收第二参考时钟脉冲并输出两相第二采样时钟脉冲；

所述第二伪随机序列发生器和第四两相不交叠时钟发生器之间相连接，接收第二参考时钟脉冲并输出两相第二斩波时钟脉冲。

7.根据权利要求5所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，第一两相不交叠时钟发生器与第二两相不交叠时钟发生器的结构相同。

8.根据权利要求5或6所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述的第一伪随机序列发生器与第二伪随机序列发生器的结构不相同。

9.根据权利要求1所述的高精度计量测控仪表，其特征在于，所述功率计算单元中还包含有乘法器和第三低通滤波器，所述乘法器用于将数字电压值和数字电流值相乘以得到相应的瞬时功率，所述第三低通滤波器将瞬时功率通过滤波转变成为平均功率。