CN216670108U - 一种电能表直流计量电压采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电能表直流计量电压采样装置，包括：依次串联连接的第一分压模块、光耦处理模块、信号放大模块、第二分压模块和采样信号切换模块；第一分压模块的输入端分别与待测电能表电压采样端子的正极和负极连接；光耦处理模块对经第一分压模块分压后的采样信号进行线性放大及隔离，其输出端依据待测电能表电压采样端子的正极和负极的连接情况自动调整输出电压的参考点；信号放大模块对光耦处理模块输出的采样信号进行放大处理，并将放大处理后的采样信号经第二分压模块后输出至采样信号切换模块；采样信号切换模块依据预设频率值对第二分压模块输出的单路电压信号进行差分处理，得到等幅值的差分信号并输入值计量芯片电压通道进行计量。

Description

一种电能表直流计量电压采样装置

技术领域

本实用新型涉及智能电表技术领域，特别涉及一种电能表直流计量电压采样装置。

背景技术

随着技术的发展，对直流计量的需求越来越大。目前直流电能表的使用场所适用于直流充电桩、电池、光伏发电等直流信号设备电量测量和电能计量装置，亦可用于工矿企业、民用建筑、楼宇自动化等现代供配直流电系统。相比较于交流计量场所，直流计量中的待计量电源的电压等级更高，比如在直流充电桩中，计量的额定电压值要求一般为DC700V或DC750V，电流规格可达到DC300A甚至600A；在光伏发电系统中电压等级高达DC1000V，电流规格也在DC200A左右。如此高的电压电流规格，就要求直流计量系统中的安全性和防呆性级别更高。

在直流计量中，电流采样一般采用分流器采样方式将被测电流转换成对应的被测电流信号；电压采样一般采用的是电阻分压采样方式，将被测电压转换成对应的被测电压信号输入到直流电能表中直接进行计量，具体的电路形式如下图1所示。另外为提高直流电能表在-40℃～70℃全温度范围内的计量精度，可采用一种直流信号切换电路，将直流信号切换成50Hz的脉冲波信号后打开计量芯片内部的高通滤波器，滤除直流信号中的直流分量成分。此项措施能有效地提高直流计量精度，在直流电能表产品中应用广泛，具体的电路形式如下图1所示。此种方案中的电压采样和电流采样共地(GND)，在直流电能表接线过程中，参考示意图如下图2，会将电流采样接线中的端子2(对应图1中的GND)和电流采样接线中的端子3(对应图1中的VIN2)作为公共端(采样参考点)使用。实际接线中图2中的端子1接入图1中的IIN+，端子2和端子3作为计量公共端接入图1中的GND，端子4接入图1中的VIN1。50Hz信号为电能表内部由MCU产生的脉冲波信号。

随着直流电能表应用场所越来越广泛，受安装位置布局的影响，在不同的场所直流表安装的位置也有所不同，部分厂家将直流电能表分流器采样(电流回路采样)安装在待计量高压电源的正极，一些厂家直流表分流器采样安装在待计量高压电源负极。甚至同一厂家的不同型号产品上直流表分流器采样安装方式也会有所不同，采样分流器被接在被测电源的正极或负极上。原设计方案中直流电能表的端子2和端子3为电流采样回路和电压采样回路的的公共端(参考点)，端子3受电流采样回路(端子2)安装方式的影响，需要对应的接在被计量电源的正极或负极上，如下图2和图3所示。

在实际批量安装过程中，电压采样端子3和电流采样端子4极易被接反，接反会造成被测电源正负极短路，出现直流电表损坏现象，甚至损坏被测电源。对上述问题，亟需找到兼容两种接法的电压采样方案。

发明内容

本实用新型实施例的目的是提供一种电能表直流计量电压采样装置，在不改变原有总体计量方案的基础上，允许电压采样回路的输入信号可为正信号，也可为负信号，并利用线性光耦的隔离特性，避免电压采样回路与电流采样回路短路，以兼容直流电能表电流采样接在被测电源的正极或负极两种情况。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种电能表直流计量电压采样装置，包括：依次串联连接的第一分压模块、光耦处理模块、信号放大模块、第二分压模块和采样信号切换模块；

所述第一分压模块的输入端分别与待测电能表电压采样端子的正极和负极连接；

所述光耦处理模块对经所述第一分压模块分压后的采样信号进行线性放大及隔离，其输出端依据所述待测电能表电压采样端子的正极和负极的连接情况自动调整输出电压的参考点；

所述信号放大模块对所述光耦处理模块输出的采样信号进行放大处理，并将放大处理后的所述采样信号经所述第二分压模块后输出至所述采样信号切换模块；

所述采样信号切换模块依据预设频率值对所述第二分压模块输出的单路电压信号进行差分处理，得到等幅值的差分信号并输入值计量芯片电压通道进行计量。

进一步地，所述第一分压模块包括：串联连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述光耦处理模块的第一输入端和第二输入端分别与所述第四电阻的两端连接。

进一步地，所述光耦处理模块的输入信号分别为VIP和VIN，其输出信号分别为VOP和VON；

VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

进一步地，所述信号放大模块包括：运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容；

所述第五电阻串联于所述运算放大器的正极输入端，所述第七电阻串联于所述运算放大器的负极输入端，所述第八电阻和第三电容并联后分别与所述运算放大器的负极输入端和输出端连接，所述第六电阻和所述第二电容并联后一端与所述运算放大器的正极输入端连接且另一端接地。

进一步地，所述信号放大模块还包括：第九电阻、第十电阻和可调电阻；

所述可调电阻串联于所述运算放大器正极输入端和所述第六电阻之间；

所述第九电阻和第十电阻串联后与所述可调电阻并联连接；

所述第九电阻与所述第十电阻的连接端还与所述可调电阻的第三端连接。

进一步地，所述第五电阻、所述第六电阻、所述第七电阻和所述第八电阻的电阻值相等；

所述运算放大器的输出电压值为：

VO_1＝VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，VIP和VIN为所述光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为所述光耦处理模块的输出信号，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

进一步地，所述第二分压模块包括：第十一电阻、第十二电阻和第六电容；

所述第十一电阻串联设置于信号放大模块的输出端；

所述第十二电阻与所述第六电容并联连接；

所述第六电容的一端与所述第十一电阻的负极连接，其另一端接地。

进一步地，所述第十一电阻和第十二电阻的阻值关系为：

所述第二分压模块的输出电压值为：

其中，VIP和VIN为所述光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为所述光耦处理模块的输出信号，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

进一步地，所述预设频率值为50Hz。

本实用新型实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

在不改变原有总体计量方案的基础上，允许电压采样回路的输入信号可为正信号，也可为负信号，并利用线性光耦的隔离特性，避免电压采样回路与电流采样回路短路，以兼容直流电能表电流采样接在被测电源的正极或负极两种情况。

附图说明

图1是现有技术中的直流电压采样电路和信号处理电路示意图；

图2是现有技术中的分流器采样接在电源正极时端子3和端子4的接线方式示意图；

图3是现有技术中的分流器采样接在电源负极时端子3和端子4的接线方式示意图；

图4是本实用新型实施例提供的电能表直流计量电压采样装置示意图一；

图5是本实用新型实施例提供的电能表直流计量电压采样装置示意图二。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

请参照图4和图5，本实用新型实施例提供了一种电能表直流计量电压采样装置，包括：依次串联连接的第一分压模块、光耦处理模块、信号放大模块、第二分压模块和采样信号切换模块；第一分压模块的输入端分别与待测电能表电压采样端子的正极和负极连接；光耦处理模块对经第一分压模块分压后的采样信号进行线性放大及隔离，其输出端依据待测电能表电压采样端子的正极和负极的连接情况自动调整输出电压的参考点；信号放大模块对光耦处理模块输出的采样信号进行放大处理，并将放大处理后的采样信号经第二分压模块后输出至采样信号切换模块；采样信号切换模块依据预设频率值对第二分压模块输出的单路电压信号进行差分处理，得到等幅值的差分信号并输入值计量芯片电压通道进行计量。

具体的，第一分压模块包括：串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；光耦处理模块的第一输入端VIP和第二输入端VIN分别与第四电阻的两端连接。

具体的，光耦处理模块的输入信号分别为VIP和VIN，其输出信号分别为VOP和VON；

VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，n为光耦处理模块的线性放大倍数。

具体的，信号放大模块包括：运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2和第三电容C3；第五电阻R5串联于运算放大器U1的正极输入端，第七电阻R7串联于运算放大器U1的负极输入端，第八电阻R8和第三电容C3并联后分别与运算放大器U1的负极输入端和输出端连接，第六电阻R6和第二电容C2并联后一端与运算放大器U1的正极输入端连接且另一端接地。

具体的，信号放大模块还包括：第九电阻R9、第十电阻R10和可调电阻RT1；

可调电阻RT1串联于运算放大器U1正极输入端和第六电阻R6之间；第九电阻R9和第十电阻R10串联后与可调电阻RT1并联连接；第九电阻R9与第十电阻R10的连接端还与可调电阻RT1的第三端连接。

具体的，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8的电阻值相等；运算放大器U1的输出电压值为：

VO_1＝VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，VIP和VIN为光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为光耦处理模块的输出信号，n为光耦处理模块的线性放大倍数。

进一步地，第二分压模块包括：第十一电阻R11、第十二电阻R12和第六电容C6；第十一电阻R11串联设置于信号放大模块的输出端；第十二电阻R12与第六电容C6并联连接；第六电容C6的一端与第十一电阻R11的负极连接，其另一端接地。

进一步地，第十一电阻R11和第十二电阻R12的阻值关系为：

第二分压模块的输出电压值为：

其中，VIP和VIN为光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为光耦处理模块的输出信号，n为光耦处理模块的线性放大倍数。

具体的，采样信号切换模块中，VO_2电压经过50Hz的信号和MOS管搭建的切换电路后，会被切换成等幅值的差分信号(Vo+和Vo-)输入到计量芯片电压通道进行计量，因为VO_2电压值与原始采样端的采样信号VIP-VIN值相等且与原方案中的采样值相等，在计量校表过程中不需要再处理信号值。

具体的，假使在接线过程中VIN1和VIN2接错线，由于被测电源的电压采样接线在光耦前端与电流采样回路不共地，光耦后端的VOP和VON输出根据输入的情况自动调整输出电压的参考点。故电压线接反不会造成被测电源短路，且基于线性光耦的输出特性，VO_2与VIP和VIN的对应关系为：

VO_2＝VIN-VIP；

如图5所示，此种条件下VO_2电压经过切换电路得到的等幅值的差分信号(Vo+和Vo-)与正常接线得到的差分信号(Vo+和Vo-)幅值一样，相位差180°，得到的显示电压值不变，方向显示电压负向提示电压线接反。从而实现电压采样公共端的自适应，以兼容直流电能表接在被测电源的正极或负极两种情况。

进一步地，预设频率值为50Hz。

本实用新型实施例旨在保护一种电能表直流计量电压采样装置，包括：依次串联连接的第一分压模块、光耦处理模块、信号放大模块、第二分压模块和采样信号切换模块；第一分压模块的输入端分别与待测电能表电压采样端子的正极和负极连接；光耦处理模块对经第一分压模块分压后的采样信号进行线性放大及隔离，其输出端依据待测电能表电压采样端子的正极和负极的连接情况自动调整输出电压的参考点；信号放大模块对光耦处理模块输出的采样信号进行放大处理，并将放大处理后的采样信号经第二分压模块后输出至采样信号切换模块；采样信号切换模块依据预设频率值对第二分压模块输出的单路电压信号进行差分处理，得到等幅值的差分信号并输入值计量芯片电压通道进行计量。上述技术方案具备如下效果：

在不改变原有总体计量方案的基础上，允许电压采样回路的输入信号可为正信号，也可为负信号，并利用线性光耦的隔离特性，避免电压采样回路与电流采样回路短路，以兼容直流电能表电流采样接在被测电源的正极或负极两种情况，提高产品的防呆性，保证现场接线的安全。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，包括：依次串联连接的第一分压模块、光耦处理模块、信号放大模块、第二分压模块和采样信号切换模块；

所述第一分压模块的输入端分别与待测电能表电压采样端子的正极和负极连接；

所述光耦处理模块对经所述第一分压模块分压后的采样信号进行线性放大及隔离，其输出端依据所述待测电能表电压采样端子的正极和负极的连接情况自动调整输出电压的参考点；

所述信号放大模块对所述光耦处理模块输出的采样信号进行放大处理，并将放大处理后的所述采样信号经所述第二分压模块后输出至所述采样信号切换模块；

所述采样信号切换模块依据预设频率值对所述第二分压模块输出的单路电压信号进行差分处理，得到等幅值的差分信号并输入值计量芯片电压通道进行计量。

2.根据权利要求1所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述第一分压模块包括：串联连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述光耦处理模块的第一输入端和第二输入端分别与所述第四电阻的两端连接。

3.根据权利要求1所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述光耦处理模块的输入信号分别为VIP和VIN，其输出信号分别为VOP和VON；

VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

4.根据权利要求1所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，所述信号放大模块包括：运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容；

所述第五电阻串联于所述运算放大器的正极输入端，所述第七电阻串联于所述运算放大器的负极输入端，所述第八电阻和第三电容并联后分别与所述运算放大器的负极输入端和输出端连接，所述第六电阻和所述第二电容并联后一端与所述运算放大器的正极输入端连接且另一端接地。

5.根据权利要求4所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，所述信号放大模块还包括：第九电阻、第十电阻和可调电阻；

所述可调电阻串联于所述运算放大器正极输入端和所述第六电阻之间；

所述第九电阻和第十电阻串联后与所述可调电阻并联连接；

所述第九电阻与所述第十电阻的连接端还与所述可调电阻的第三端连接。

6.根据权利要求4所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述第五电阻、所述第六电阻、所述第七电阻和所述第八电阻的电阻值相等；

所述运算放大器的输出电压值为：

VO_1＝VOP-VON＝n×(VIP-VIN)；

其中，VIP和VIN为所述光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为所述光耦处理模块的输出信号，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

7.根据权利要求1所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述第二分压模块包括：第十一电阻、第十二电阻和第六电容；

所述第十一电阻串联设置于信号放大模块的输出端；

所述第十二电阻与所述第六电容并联连接；

所述第六电容的一端与所述第十一电阻的负极连接，其另一端接地。

8.根据权利要求7所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述第十一电阻和第十二电阻的阻值关系为：

所述第二分压模块的输出电压值为：

其中，VIP和VIN为所述光耦处理模块的输入信号，VOP和VON为所述光耦处理模块的输出信号，n为所述光耦处理模块的线性放大倍数。

9.根据权利要求1所述的电能表直流计量电压采样装置，其特征在于，

所述预设频率值为50Hz。

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