CN213600855U - 一种智能电能表计量脉冲灯检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，将发光二极管在高电平驱动、低电平驱动等不同驱动方式下的正常状态、短路异常、开路异常、极性装反异常等多种状态，经过运算和转换后，变成只有正常状态同步脉冲输出和异常状态低电平输出两种状态。实现根据输出信号的状态识别计量脉冲灯的正常和异常状态。

Description

一种智能电能表计量脉冲灯检测电路

技术领域

本实用新型涉及智能电能表技术领域，具体涉及一种智能电能表计量脉冲灯检测电路。

背景技术

伴随着智能电网建设的快速推进，智能电能表技术研究和应用取得了显著成果，自2009年以来，我国电力行业制定了统一的智能电能表技术和功能标准，逐步建成了基于智能电能表的电力用户用电采集系统，截至2020年已累计安装使用近5亿只智能电能表。

电能量累计和存储是智能电能表的基本、核心功能，其准确度和可靠性等级是整个产品的最高的。智能电能表的电能计量功能设计时采用电能计量集成芯片，对采样的电压、电流等信号进行处理、计算后输出一定频率的有功电能量、无功电能量脉冲，该脉冲一方面用于进行智能电能表的生产检验，一方面用于产品电能计量功能指示。指示灯采用发光二极管(LED)作为电能计量脉冲灯，电能量脉冲灯是每只智能电能表的标准配置，该LED脉冲指示灯点亮的频率与电能量大小相对应，通过该脉冲灯的计数可以判断对应用电量的大小。智能电能表使用数量较大，批量生产过程中往往存在发光二极管器件被装反、焊脚虚焊、短路等不良，造成电能计量脉冲指示灯不能正常工作。

传统的检测判断，主要靠人工观察识别，检验人员通过观察检验过程中的智能电能表是否正常点亮计量脉冲灯。这种方法虽然直接，但是效率低，容易漏判，而且只能观察是否点亮，无法进行定量判断点亮的频率是否正确。

现有对检测智能电能表计量脉冲等检测方法，主要采用关电采样技术，设计相应的光电采样头，安装在检测设备上，对准被检测的位置，当计量脉冲灯LED点亮时，光信号通过光电采样头转换成电信号，实现对计量脉冲灯的检测和计数。但是，这种光电采样方法，容易受到智能电能表上其他指示灯(如报警灯、跳闸灯)等干扰，造成误判。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，对智能电能表计量脉冲指示灯正常状态、异常状态进行电气检测。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，包括依次相连的3级电路单元，第一级为发光二极管状态抓取电路，第二级为状态转换电路，第三级为信号调整电路；

第一级发光二极管状态抓取电路，用来采集被测发光二极管两端电压；

第二级为状态转换电路，用于将前级被测二极管的不同端电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出；

第三级信号调整电路，用于对前级输出的电压信号进行滤波调整后输出，根据输出的电压信号判断被测发光二极管的状态。

进一步的，所述第一级发光二极管状态抓取电路，包括两个输入端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，以及运算放大器OP1；

两个输入端分别连接被测发光二极管的阳极LED-A和阴极LED-K；

两个输入端之间并联电阻R1，电阻R1的一端串联电阻R4和电阻R5后接地，电阻R4和电阻R5之间的节点连接运算放大器OP1的同相输入端，电阻R1的另一端串联电阻R2后连接运算放大器OP1的反相输入端，运算放大器OP1的同相输入端与运算放大器OP1的输出端之间串联电阻R3，运算放大器OP1的输出端作为第一级发光二极管状态抓取电路单元的输出端。

进一步的，电阻R2、R3、R4、R5四个电阻阻值相同。

进一步的，所述第二级为状态转换电路，包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，和比较器CM2、比较器CM3；

运算放大器OP1的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端一路连接比较器CM2的同相输入端，另一路连接比较器CM3的反相输入端；

比较器CM2的反相输入端一路串联电阻R7后接地，另一路串联电阻R8后接电源；

比较器CM3的同相输入端一路串联电阻R9后接地，另一路串联电阻R10后接电源；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后输出，作为第二级为状态转换电路的输出。

进一步的，所述电源为5V。

进一步的，所述电阻R6、R7、R8、R9、R10，比较器CM2、CM3组成窗口电压比较器电路，比较器CM2的同相输入端记为S4节点，电阻R7和电阻R8之间的点为S5节点，电阻R9和电阻R10之间的点为S6节点；比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流点为S7节点；

记S4点的输入电压为Vs4，S5和S6两个点不同的电压比较基准为Vs5、Vs6，S7点输出电压为Vs7，经过该电路后，将前级被测二极管不同状态对应的不同电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出；

输入点S4与两个基准点S5、S6的电压比较逻辑关系为：

当Vs4＜Vs5时，S7输出低电平；

当Vs5＜Vs4＜Vs6时，S7输出高电平；

当Vs4＞Vs6时，S7输出低电平。

进一步的，调整R7、R8、R9、R10阻值，设置S5、S6两个不同的比较电压值：

Vs5＝R7/(R7+R8)*5V＝1.32V；

Vs6＝R9/(R9+R10)*5V＝3.0V。

进一步的，所述第三级信号调整电路，包括电阻R11、电阻R15和电容C15；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后连接电阻R11，电阻R11的另一端一路串联电阻R15后连接电源，另一路串联电容C15后接地，电阻R15和电容C15之间的节点作为输出端输出信号TEST-OUT。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：本实用新型可以对计量脉冲灯装反、虚焊、短路等异常情况进行检测判，也可以对正常脉冲进行计数以便进行准确性进行判断。该电路可以开发成一个模块用到生产过程的检测工装，实现对计量脉冲灯的状态检测和准确计数，不受干扰，可实现完全自动化，效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有描述中所需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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是低电平有效驱动方式发光二极管状态的结构示意图；

图2是高电平有效驱动方式发光二极管状态的结构示意总图；

图3是本实用新型检测电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本实用新型专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型专利中的具体含义。

在本实用新型专利中，相关技术术语的名词解释：

智能电能表：是具备电能计量、数据存储、时段费率、通信、数据安全、负荷控制等功能的电能计量表计，可实现远程自动抄表。

高电平有效驱动：是指当发光二极管的阳极输入高电压时，二极管导通点亮。

低电平有效驱动：是指当发光二极管的阴极输入低电压时，二极管导通点亮。

现有技术中，智能电能表的计量脉冲指示LED灯主要由一定频率的数字脉冲电平驱动(1表示高电平，0表示低电平)，不同的产品驱动电平不同，有低电平有效、高电平有效两种驱动方式。

低电平有效驱动方式：发光二极管的阳极接电源，驱动脉冲由阴极进行驱动，当驱动脉冲低电平时点亮，高电平熄灭。正常驱动原理和可能存在的异常情况，如图1所示，图中LED为用于指示计量脉冲的发光二极管，R为限流电阻，生产过程中可能存在的状态，具体如下：

①为正常状态：LED的阳极接电源，阴极串接限流电阻后接脉冲驱动信号，可正常工作；

②为异常状态：LED的阳极虚焊开路，不能正常工作；

③为异常状态：LED的阴极虚焊开路，不能正常工作；

④为异常状态：LED的阳极、阴极连锡短路，不能正常工作；

⑤为异常状态：LED的阳极、阴极颠倒了，不能正常工作。

高电平有效驱动方式：发光二极管的阳极接驱动信号，阴极接地，当驱动脉冲高电平时点亮，低电平熄灭。正常驱动原理和可能存在的异常情况，如图2所示，图中LED为用于指示计量脉冲的发光二极管，R为限流电阻，生产过程中可能存在的状态，具体如下：

⑥为正常状态：LED的阳极接脉冲驱动信号，阴极串接限流电阻后接地，可正常工作；

⑦为异常状态：LED的阳极虚焊开路，不能正常工作；

⑧为异常状态：LED的阴极虚焊开路，不能正常工作；

⑨为异常状态：LED的阳极、阴极连锡短路，不能正常工作；

⑩为异常状态：LED的阳极、阴极颠倒了，不能正常工作。

以上，给出了生产过程中脉冲灯可能存在的所有状态，无论是高电平驱动方式还是低电平驱动方式，发光二极管导通时阳极与阴极两端之间的正向电压压降在(1.5-2.0)V，当开路或者极性装反时其两极之间电压为高电平或者高阻，当短路时其两极之间电压为0V。

本实用新型的技术构思是：在不影响被检测电路的情况下，可以将高电平驱动和低电平驱动不同驱动方式下的正常状态、开路、短路、极性反接等不同状态经过抓取和运算后变换成只有正常状态同步脉冲和异常状态低电平两种状态。

本实用新型的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，旨在针对智能电能表大批量生产过程中可能存在的不同状态进行准确的电气识别和判断。如图3所示，该电路由3级组成，第一级为发光二极管状态抓取电路，第二级为状态转换电路，第三级为信号调整电路。

第一级发光二极管状态抓取电路，用来采集被测发光二极管两端电压，具体电路结构参见图3，包括两个输入端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，以及运算放大器OP1。

两个输入端分别连接被测发光二极管的阳极LED-A和阴极LED-K；

两个输入端之间并联电阻R1，电阻R1的一端串联电阻R4和电阻R5后接地，电阻R4和电阻R5之间的节点连接运算放大器OP1的同相输入端，电阻R1的另一端串联电阻R2后连接运算放大器OP1的反相输入端，运算放大器OP1的同相输入端与运算放大器OP1的输出端之间串联电阻R3，运算放大器OP1的输出端作为第一级发光二极管状态抓取电路单元的输出端。用来连接第二级状态转换电路。

从以上电路连接关系可知，其中电阻R1并在运放的输入端，能够保证前端被测发光二极管不同状态时运放OP1的输入稳定，避免干扰，电阻值取10KΩ。由电阻R1、R2、R3、R4、R5，运算放大器OP1组成差动比例电路，其两个输入端电压(Vled-a，Vled-k)取自被测发光二极管的两极LED-A、LED-K；R2、R3接反相输入端，R4、R5接同相输入端，电阻的阻值匹配要求R2/R3＝R4/R5，运算放大器OP1的反相输入端记为S1节点，此处电压记为Vs1，此运算放大器OP1的同相输入端记为S2节点，此处电压记为Vs2，运算放大器OP1的输出端记为S3节点，此处电压记为Vs3，输入输出电压关系为：

Vs3＝(R3/R2)*(Vs2-Vs1)＝(R3/R2)*(Vled-a-Vled-k)

该电路中采集二极管端电压只需要1倍即可，所以取R2、R3、R4、R5四个电阻阻值相同，取51KΩ。

该差动比例电路将发光二极管的不同状态通过检测被测发光二极管管脚LED-A与LED-K两端之间的不同电压差值，进行比例运算。该电路充分利用运算放大器的高输入阻抗和运算功能，既不影响被检测电路的正常功能，又实现了对输入不同状态反馈的差分电压值运算转换成以地为参考的不同电压信号。

第二级为状态转换电路，用于将前级被测二极管的不同电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出。包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，和比较器CM2、比较器CM3；

运算放大器OP1的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端一路连接比较器CM2的同相输入端，另一路连接比较器CM3的反相输入端；

比较器CM2的反相输入端一路串联电阻R7后接地，另一路串联电阻R8后接电源；

比较器CM3的同相输入端一路串联电阻R9后接地，另一路串联电阻R10后接电源；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后输出，作为第二级为状态转换电路的输出，用来连接后续第三级信号调整电路。

该电路的被检测对象的电源电压一般为3.3V或5.0V，所以这里的电源设计成5V，可兼容3.3V的被测对象。

从以上电路连接关系可知，由电阻R6、R7、R8、R9、R10，比较器CM2、CM3组成的窗口电压比较器电路。比较器CM2的同相输入端记为S4节点，电阻R7和电阻R8之间的点为S5节点，电阻R9和电阻R10之间的点为S6节点；比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流点为S7节点。

记S4点的输入电压为Vs4，S5和S6两个点不同的电压比较基准为Vs5、Vs6，S7点输出电压为Vs7，经过该电路后，将前级不同状态对应的不同电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出。

输入点S4与两个基准点S5、S6的电压比较逻辑关系为：

当Vs4＜Vs5时，S7输出低电平；

当Vs5＜Vs4＜Vs6时，S7输出高电平；

当Vs4＞Vs6时，S7输出低电平；

电路S4点与S3点的电压相同，根据被测二极管不同状态对应的S3点的不同电压值，详见表1.不同的电压值，依据表1可见，无论被检测二极管处于什么状态，对应第二级电路的输入点S4的电压值，只有三个不同的区间段：(0-0.8)V、(1.5-2.0)V、(3.3-5.0)V，后端电路要想对这三种不同的区间段进行比较判断，那么设置的比较电压值需要两个，一个介于(0.8-1.5)V之间，一个介于(2.0-3.3)V之间；再考虑到二极管正常导通时，电压值在(1.5-2.0)V，所以两个比较值确定为：1.3V，3.0V左右。

调整R7、R8、R9、R10阻值，设置S5、S6两个不同的比较电压值：

Vs5＝R7/(R7+R8)*5V＝1.32V；

Vs6＝R9/(R9+R10)*5V＝3.0V。

第三级信号调整电路，用于对前级输出的电压信号进行滤波调整。包括电阻R11、电阻R15和电容C15；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后连接电阻R11，电阻R11的另一端一路串联电阻R15后连接电源，另一路串联电容C15后接地，电阻R15和电容C15之间的节点作为输出端输出信号TEST-OUT。

上拉电阻R11的作用是，保证前端无输入时，后端输出始终是高电平，只有前端电路输出S7为低电平时，TEST-OUT才输出低电平，这样可以实现：被检测二极管异常状态，而且是无论哪一种异常状态时，TEST-OUT只输出低电平，当被检测二极管正常状态(导通、截止切换)时，TEST-OUT输出同步的高、低电平，可用于进行脉冲比对。

从以上电路连接关系可知，由电阻R11、电容C15组成的RC低通滤波电路，该电路将前端的窗口电压比较器电路在高低电平切换瞬间产生的尖峰毛刺波形进行滤波，保证TEST-OUT输出信号没有尖峰干扰信号。

TEST-OUT输出信号，该信号可以用于整个检测装置的处理器芯片输入，用于识别计量脉冲灯的正常和异常状态。

经过以上几级电路，从被检测发光二极管的不同状态，到整个电路的输出TEST-OUT之间的逻辑关系如下表：

表1：不同检测状态对应的输出信号逻辑关系

由以上分析可知，本实用新型的电路可以将发光二极管在高电平驱动、低电平驱动等不同驱动方式下的正常状态、短路异常、开路异常、极性装反异常等多种状态，经过运算和转换后，变成只有正常状态同步脉冲输出和异常状态低电平输出两种状态。即：当发光二极管正常状态时，该检测电路输出与电能脉冲同步的脉冲信号；当发光二极管异常状态时，该检测电路均输出低电平。

即根据输出信号TEST-OUT的状态识别计量脉冲灯的正常和异常状态，即若输出信号TEST-OUT为高、低电平交替脉冲电平信号，则说明被测发光二极管为正常状态，若输出信号TEST-OUT为低电平，则说明被测发光二极管为异常状态，可能是开路、短路、极性反接等导致的异常状态。

本实用新型实现对智能电能表计量脉冲指示灯正常状态、异常状态进行电气检测，电气检测准确、有效，生成可以进行逻辑判断的数字信号，可进一步实现检测设备的自动化。

本实用新型电气检测电路准确有效，可以作为一个模块，用于自动化检测装置。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，包括依次相连的3级电路单元，第一级为发光二极管状态抓取电路，第二级为状态转换电路，第三级为信号调整电路；

第一级发光二极管状态抓取电路，用来采集被测发光二极管两端电压；

第二级为状态转换电路，用于将前级被测二极管的不同端电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出；

第三级信号调整电路，用于对前级输出的电压信号进行滤波调整后输出，根据输出的电压信号判断被测发光二极管的状态。

2.根据权利要求1所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，所述第一级发光二极管状态抓取电路，包括两个输入端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，以及运算放大器OP1；

两个输入端分别连接被测发光二极管的阳极LED-A和阴极LED-K；

两个输入端之间并联电阻R1，电阻R1的一端串联电阻R4和电阻R5后接地，电阻R4和电阻R5之间的节点连接运算放大器OP1的同相输入端，电阻R1的另一端串联电阻R2后连接运算放大器OP1的反相输入端，运算放大器OP1的同相输入端与运算放大器OP1的输出端之间串联电阻R3，运算放大器OP1的输出端作为第一级发光二极管状态抓取电路单元的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，电阻R2、R3、R4、R5四个电阻阻值相同。

4.根据权利要求3所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，所述第二级为状态转换电路，包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，和比较器CM2、比较器CM3；

运算放大器OP1的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端一路连接比较器CM2的同相输入端，另一路连接比较器CM3的反相输入端；

比较器CM2的反相输入端一路串联电阻R7后接地，另一路串联电阻R8后接电源；

比较器CM3的同相输入端一路串联电阻R9后接地，另一路串联电阻R10后接电源；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后输出，作为第二级为状态转换电路的输出。

5.根据权利要求4所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，所述电源为5V。

6.根据权利要求4所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，所述电阻R6、R7、R8、R9、R10，比较器CM2、CM3组成窗口电压比较器电路，比较器CM2的同相输入端记为S4节点，电阻R7和电阻R8之间的点为S5节点，电阻R9和电阻R10之间的点为S6节点；比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流点为S7节点；

记S4点的输入电压为Vs4，S5和S6两个点不同的电压比较基准为Vs5、Vs6，S7点输出电压为Vs7，经过该电路后，将前级被测二极管不同状态对应的不同电压变换成只有高电平、低电平两种电平输出；

输入点S4与两个基准点S5、S6的电压比较逻辑关系为：

当Vs4＜Vs5时，S7输出低电平；

当Vs5＜Vs4＜Vs6时，S7输出高电平；

当Vs4＞Vs6时，S7输出低电平。

7.根据权利要求6所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，调整R7、R8、R9、R10阻值，设置S5、S6两个不同的比较电压值：

Vs5=R7/(R7+R8)*5V=1.32V；

Vs6= R9/(R9+R10)*5V=3.0V。

8.根据权利要求4所述的一种智能电能表计量脉冲灯检测电路，其特征是，所述第三级信号调整电路，包括电阻R11、电阻R15和电容C15；

比较器CM2和比较器CM3的输出端汇流后连接电阻R11，电阻R11的另一端一路串联电阻R15后连接电源，另一路串联电容C15后接地，电阻R15和电容C15之间的节点作为输出端输出信号TEST-OUT。

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