專利名稱：用于計(jì)量電功率的計(jì)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電功率計(jì)量儀的領(lǐng)域，該電功率計(jì)量儀利用數(shù)字信號(hào)處理，從而通過對(duì)所述電功率進(jìn)行積分而提供電能消耗量。
背景技術(shù)：
提供允許測(cè)量設(shè)備消耗的電能的需給電表(electrical utility meter)是公知的。這樣的計(jì)量儀將被計(jì)量的電力線中與電流和電壓成正比的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于數(shù)字信號(hào)處理。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供這樣的轉(zhuǎn)換步驟。然后，可以將該數(shù)字信號(hào)容易地相乘，并且該乘積提供電功率。然后將電功率提供給累加器，該累加器產(chǎn)生與被計(jì)量的電力線上使用的功率成正比的脈沖。
這樣的公知需給電表遇到的一個(gè)問題是該計(jì)量儀的精度需要在電壓和電流信號(hào)各自提供到模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，所述電壓和電流信號(hào)具有正確的相位關(guān)系。也就是說，該相位關(guān)系應(yīng)精確地代表電力線中的相位關(guān)系。然而，電壓和電流濾波、放大和隔離是通過包括可能引入它們之間的相位差或誤差的儀表變壓器和其它電路元件的電路來實(shí)現(xiàn)的。
為了獲得需要的精度，并補(bǔ)償儀表變壓器的制造誤差和電路元件隨時(shí)間推移和環(huán)境暴露而發(fā)生的改變，這一問題的一種已知解決方案是為該電表提供相位補(bǔ)償部件。這樣的方案已在文獻(xiàn)US5017860中公開，其中公開了一種計(jì)量儀，其包括補(bǔ)償部件，用于調(diào)整一個(gè)信號(hào)(電流或電壓)相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)的采樣時(shí)間，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的相移，并提供對(duì)電力線上使用的功率的更精確的表示。
然而，這一方案帶來一些難以解決的問題。相移可能實(shí)際上根據(jù)放大和濾波階段中使用的組件的容差而改變。所以，在這樣的相移改變的情況下，所述調(diào)整采樣時(shí)間的部件可能不再有效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于計(jì)量電力負(fù)載上的電功率的計(jì)量儀，其即使在相移變化的情況下，也通過考慮正確的相位關(guān)系而允許良好的測(cè)量精度。
更具體地，本發(fā)明提供了一種用于計(jì)量電功率的計(jì)量儀，包括電壓傳感器，用于響應(yīng)于提供到所述負(fù)載的電壓而產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，電流傳感器，用于響應(yīng)于提供到所述負(fù)載的電流而產(chǎn)生模擬電流信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括第一采樣部件，用于在第一采樣時(shí)間基于所述模擬電壓信號(hào)產(chǎn)生第一電壓樣本，第二采樣部件，用于在第二采樣時(shí)間基于所述模擬電流信號(hào)產(chǎn)生第一電流樣本，相位補(bǔ)償部件，用于通過對(duì)照所述第一采樣時(shí)間而調(diào)整所述第二采樣時(shí)間，來補(bǔ)償所述模擬電壓和電流信號(hào)之間的相移，以便提供基本同相的所述第一電壓樣本和所述第一電流樣本，所述計(jì)量儀的特征在于，其還包括用于使所述電壓和電流模擬信號(hào)飽和以產(chǎn)生電壓和電流大致方波的部件，用于通過采用所述電流方波的過零時(shí)間和所述電壓方波的過零時(shí)間之間的差而估計(jì)所述采樣時(shí)間的偏移的部件。
由此，利用該計(jì)量儀，實(shí)時(shí)進(jìn)行相移估計(jì)，以便對(duì)相位補(bǔ)償部件進(jìn)行必要的校正。這可通過使正弦曲線電壓和電流模擬信號(hào)飽和以便產(chǎn)生方波，并將所述方波提供到微控制器以便估計(jì)采樣時(shí)間的偏移而完成。所以，根據(jù)本發(fā)明，存在對(duì)相移校正延遲的自動(dòng)校準(zhǔn)。
有利地，所述用于使所述電壓和電流模擬信號(hào)飽和的部件是過零檢測(cè)電路。
有利地，所述用于使所述電流模擬信號(hào)飽和的部件是飽和放大器。
有利地，所述相位補(bǔ)償部件是集成在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的定時(shí)器。
有利地，所述計(jì)量儀包括微控制器，所述微控制器包括所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，中斷輸入端，用于接收所述電壓和電流大致方波，并檢測(cè)所述電壓和電流大致方波的過零點(diǎn)。


通過參考附圖閱讀作為示例給出的本發(fā)明的實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，其中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量儀的方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量儀1。
通常，所述計(jì)量儀1可操作地連接到未示出的耗電設(shè)備如住宅或工業(yè)企業(yè)的電力線負(fù)載2。
該計(jì)量儀1包括電流傳感器3，電壓傳感器4，電壓電平調(diào)整部件5，電流電平調(diào)整部件6，電壓過零檢測(cè)電路12，電流過零檢測(cè)電路13，微控制器7。
所述微控制器7包括模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器8，包括，包含比較寄存器的相位調(diào)整定時(shí)器9，輸入選擇器10，具有中斷輸入端的模塊14，相移測(cè)量裝置15，校準(zhǔn)控制裝置18，采樣定時(shí)器19，乘法器16，積分器17。
該電壓傳感器4與電力線2相連，并可操作以產(chǎn)生代表電力線2上的電壓波形的電壓測(cè)量信號(hào)Vs。所述電壓傳感器4可例如為簡(jiǎn)單的電阻分壓器。然后，由電壓電平調(diào)整部件5調(diào)整該Vs信號(hào)，輸出調(diào)整后的電壓測(cè)量信號(hào)Vin。使用所述電壓電平調(diào)整部件5是為了向A/D轉(zhuǎn)換器8提供正確的信號(hào)電平。應(yīng)注意所述電壓電平調(diào)整部件5也可具有濾波功能。
該電流傳感器3也與電力線2相連，并可操作以產(chǎn)生代表電力線2上的電流波形的電流測(cè)量信號(hào)Is。所述電流傳感器可例如為用于導(dǎo)出電流的分流電阻。然后，由電流電平調(diào)整部件6調(diào)整該Is信號(hào)，輸出兩個(gè)調(diào)整后的電流測(cè)量信號(hào)Ilow和Ihi。Ihi和Ilow信號(hào)代表分別用兩個(gè)不同增益A1和A2調(diào)整的同一Is信號(hào)。這允許跨整個(gè)電流范圍(例如10mA到100A)的良好的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍。例如，A1用于產(chǎn)生4到100A的主電流的合適信號(hào)Ihi，而A2用于產(chǎn)生10mA到4A的主電流的合適信號(hào)Ilow。和電壓調(diào)整部件5一樣，應(yīng)注意電流調(diào)整部件6也可具有濾波功能。
A/D轉(zhuǎn)換器8基于電壓調(diào)整部件5提供的電壓測(cè)量信號(hào)Vin而產(chǎn)生包括多個(gè)電壓測(cè)量樣本Vin(1)、Vin(2)、Vin(3)、...Vin(n)的采樣電壓測(cè)量數(shù)據(jù)流。
同樣地，所述A/D轉(zhuǎn)換器8基于電流調(diào)整部件6提供的電流測(cè)量信號(hào)Ihi而產(chǎn)生包括多個(gè)電流測(cè)量樣本Ihi(1)、Ihi(2)、Ihi(3)、...Ihi(n)的第一采樣電流測(cè)量數(shù)據(jù)流，并基于電流調(diào)整部件6提供的電流測(cè)量信號(hào)Ilow而產(chǎn)生包括多個(gè)電流測(cè)量樣本Ilow(1)、Ilow(2)、Ilow(3)、...Ilow(n)的第二采樣電流測(cè)量數(shù)據(jù)流。
一個(gè)問題在于調(diào)整和濾波步驟在不同模擬信號(hào)中引入了相移；當(dāng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，必須考慮這樣的相移。對(duì)于用于調(diào)整信號(hào)Is的電流調(diào)整部件6，這樣的情況尤其正確。電流調(diào)整部件6提供的調(diào)整引起Ihi和Ilow的一些相移，并且在為了降低噪聲和改善信噪比而對(duì)信號(hào)附加低通濾波時(shí)，進(jìn)一步發(fā)生相移；在Ilow發(fā)生嚴(yán)重相移的情況下，最后一點(diǎn)為關(guān)鍵。所以，在Vin和Ihi之間總是存在不太高的第一相移，并在Vin和Ilow之間存在第二較高相移。
為了得到基本同相的與電壓和電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓和電流樣本，微控制器7包括相位調(diào)整定時(shí)器9，用于補(bǔ)償所述模擬電壓Vin和所述電流信號(hào)Ihi之間以及所述模擬電壓Vin和所述電流信號(hào)Ilow之間的相移。為了提供基本同相的電壓樣本和電流樣本，通過對(duì)照Vin的采樣時(shí)間來調(diào)整Ihi和Ilow的采樣時(shí)間而獲得這樣的補(bǔ)償。
然而，相移可能根據(jù)放大和濾波階段使用的組件的容差而改變。所以，即使在這樣的相移改變的情況下，相位調(diào)整定時(shí)器9也必須有效。
利用計(jì)量儀1，為了對(duì)所述相位調(diào)整定時(shí)器9進(jìn)行必要的校正，實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)相移的估計(jì)。
為了獲得該結(jié)果，將10A信號(hào)與電壓信號(hào)同相地注入該電流輸入信號(hào)。這一信號(hào)將在Ilow信號(hào)上施加虛擬(virtual)的基本上為方形的波Ilowzc，其被傳遞進(jìn)入模塊14的中斷輸入端。例如通過使電流電平調(diào)整部件6中包括的具有A2增益的運(yùn)算放大器飽和，可獲得這樣的飽和。
Ihi和Vin信號(hào)實(shí)際上不需要該10A信號(hào)，因?yàn)樗鼈兎謩e具有過零點(diǎn)檢測(cè)電路13和12。來自這些電路的大致方波輸出Ihizc和Vinzc也被傳遞進(jìn)入模塊14的中斷輸入端。當(dāng)輸入任何跨越預(yù)定義的電壓閾值的信號(hào)時(shí)，過零點(diǎn)檢測(cè)電路13和12中的每一個(gè)將產(chǎn)生恒定振幅的方波輸出。當(dāng)輸入高于閾值時(shí)，輸出為高，而當(dāng)輸入低于閾值時(shí)，輸出為低。以這種方式，可以使用該輸出來給微控制器提供可用作中斷輸入的干凈邊沿(clean edge)。
根據(jù)微控制器的架構(gòu)和中斷輸入端的獨(dú)立設(shè)置，由各種過零點(diǎn)信號(hào)的上升沿或下降沿觸發(fā)模塊14的中斷輸入端。根據(jù)所選擇的特定微控制器，一些是可配置的，一些是不可配置的。該中斷輸入端配置為暫停微控制器軟件的正常執(zhí)行，并立即運(yùn)行服務(wù)例程。
由校準(zhǔn)裝備(圖1中未示出)執(zhí)行校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)設(shè)備可以通過計(jì)量儀注入負(fù)載，并通過提供適合必要?jiǎng)幼鞯囊唤M命令的通信接口來控制該計(jì)量儀。
由該校準(zhǔn)裝備告訴校準(zhǔn)控制模塊18啟動(dòng)相移校準(zhǔn)。
該相移測(cè)量裝置15從Vinzc、Ihizc和Ilowzc的中斷輸入端接收3個(gè)邊沿。
當(dāng)捕獲到Vinzc邊沿時(shí)，使相位調(diào)整定時(shí)器9復(fù)位。
相位調(diào)整定時(shí)器9是16位定時(shí)器，并以大約2Mhz運(yùn)行。這為50Hz信號(hào)提供直到40,000的范圍，或?yàn)?0Hz信號(hào)提供直到33,333的范圍。這允許非常精確的大約1/100度的分辨率。
當(dāng)捕獲Ihizc或Ilowzc邊沿中的任一個(gè)時(shí)，相位調(diào)整定時(shí)器值9被讀取并加到所述定時(shí)器9中包括的兩個(gè)累加器之一(對(duì)于每個(gè)I信號(hào)有一個(gè))。
重復(fù)該步驟，直到已累加了每個(gè)信號(hào)的50個(gè)樣本為止。
然后，每個(gè)累加器除以50，以求相移的平均值，創(chuàng)建兩個(gè)常量Ihi_sample_delay和Ilow_sample_delay。然后將它們永久存儲(chǔ)在計(jì)量儀中，作為校準(zhǔn)處理的一部分。
該10A信號(hào)被去除，并且該校準(zhǔn)控制被告知禁止相移校準(zhǔn)。
采樣定時(shí)器19是8位定時(shí)器，以大約1kHz(我們的實(shí)現(xiàn)中為1024Hz)運(yùn)行，并觸發(fā)Vin(n)的初始樣本。
采樣定時(shí)器19還使相位調(diào)整定時(shí)器9復(fù)位，并將該Ihi_sample_delay常量載入所述相位調(diào)整定時(shí)器9中包括的比較寄存器中。
當(dāng)相位調(diào)整定時(shí)器9達(dá)到比較寄存器值時(shí)，其觸發(fā)Ihi(n)的樣本。該相位調(diào)整定時(shí)器9再次復(fù)位，并將(Ilow_sample_delay-Ihi_sample_delay)的值載入其比較寄存器中。
當(dāng)相位調(diào)整定時(shí)器9再次達(dá)到比較寄存器值時(shí)，其觸發(fā)Ilow(n)的樣本。該相位調(diào)整定時(shí)器9停止。
輸入選擇器10的作用是從例如Ihi(n)和Ilow(n)的兩個(gè)電流樣本中選擇一個(gè)，其將用于功率計(jì)算。這樣的選擇基于Ihi(n)和Ilow(n)的電平。在此假設(shè)選擇Ilow(n)。
樣本Vin(n)和Ilow(n)提供對(duì)乘法器16的輸入，其將Vin(n)乘以Ilow(n)，以向積分器17提供數(shù)字輸入信號(hào)P1，積分器17將提供累加的能量E。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于所描述和示出的例子和實(shí)施例，并且可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行本領(lǐng)域技術(shù)人員可得到的各種變更。
例如，因?yàn)樾盘?hào)相移可以變化，所以它們可以任何順序到達(dá)。對(duì)于公開的實(shí)施例，我們已假設(shè)因?yàn)殡娐返募?jí)聯(lián)特性，所以Ilowzc總是滯后Ihizc。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量儀可允許以任何順序接收它們。
此外，已將根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量儀描述為具有兩種類型的電流信號(hào)Ih和Ilow，但也可僅具有一種類型的電流。
權(quán)利要求
1.一種用于計(jì)量電功率的計(jì)量儀(1)，包括電壓傳感器(4)，用于響應(yīng)于提供到所述負(fù)載的電壓而產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，電流傳感器(3)，用于響應(yīng)于提供到所述負(fù)載的電流而產(chǎn)生模擬電流信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)，包括第一采樣部件，用于在第一采樣時(shí)間基于所述模擬電壓信號(hào)產(chǎn)生第一電壓樣本，第二采樣部件，用于在第二采樣時(shí)間基于所述模擬電流信號(hào)產(chǎn)生第一電流樣本，相位補(bǔ)償部件(9)，用于通過對(duì)照所述第一采樣時(shí)間而調(diào)整所述第二采樣時(shí)間，來補(bǔ)償所述模擬電壓和電流信號(hào)之間的相移，以便提供基本同相的所述第一電壓樣本和所述第一電流樣本，所述計(jì)量儀(1)的特征在于，其還包括用于使所述電壓和電流模擬信號(hào)飽和以產(chǎn)生電壓和電流大致方波的部件(6，12，13)，用于通過采用所述電流方波的過零時(shí)間和所述電壓方波的過零時(shí)間之間的差而估計(jì)所述采樣時(shí)間的偏移的部件(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)量儀(1)，其中所述用于使所述電壓和/或電流模擬信號(hào)飽和的部件是過零檢測(cè)電路(12，13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的計(jì)量儀(1)，其中所述用于使所述電流模擬信號(hào)飽和的部件是飽和放大器。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一個(gè)的計(jì)量儀(1)，其中所述相位補(bǔ)償部件是集成在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的定時(shí)器(9)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一個(gè)的計(jì)量儀(1)，包括微控制器(7)，所述微控制器(7)包括所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)，中斷輸入端(14)，用于接收所述電壓和電流方波，并檢測(cè)所述電壓和電流大致方波的過零點(diǎn)。
6.一種基本如這里參考附圖所描述或如附圖中所圖示的計(jì)量儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及電功率計(jì)量儀。該計(jì)量儀1包括電壓傳感器4，響應(yīng)于提供到負(fù)載的電壓而產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)；電流傳感器3，響應(yīng)于提供到負(fù)載的電流而產(chǎn)生模擬電流信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器8，其中第一采樣部件在第一采樣時(shí)間基于模擬電壓信號(hào)產(chǎn)生第一電壓樣本，第二采樣部件在第二采樣時(shí)間基于模擬電流信號(hào)產(chǎn)生第一電流樣本。該計(jì)量儀還包括相位補(bǔ)償部件9，通過對(duì)照第一采樣時(shí)間而調(diào)整第二采樣時(shí)間，來補(bǔ)償模擬電壓和電流信號(hào)之間的相移，以便提供基本同相的第一電壓樣本和第一電流樣本；使電壓和電流模擬信號(hào)飽和以產(chǎn)生電壓和電流大致方波的部件6，12和13；以及用于通過采用電流方波的過零時(shí)間和電壓方波的過零時(shí)間之差而估計(jì)采樣時(shí)間偏移的部件15。
文檔編號(hào)G01R22/10GK1627087SQ20041010032
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者斯科特·布朗, 陳春 申請(qǐng)人:阿克塔里斯英國有限公司