專利名稱：電子數(shù)控電度表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀表，特別適用于電能測量的電子數(shù)控電度表。
電子式電度表的理論隨著電子學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展已提出近半個世紀(jì)，作為主要著眼于高精度，特殊用途的研制雖在八十年代已進(jìn)行，然而作為工業(yè)、民用的常規(guī)測量電子式電度表現(xiàn)末見到明確的報導(dǎo)?，F(xiàn)有的專利申請中，如申請?zhí)朇N88201155.3，CN88202638.0，CN90201650.4等雖公布有關(guān)電子電度表裝置，但技術(shù)中有的在取樣電路精度較低，在強電和弱電的交接處無隔離;有的測試麻煩，離散性較大;有的整個電路末設(shè)計永久性存在貯器，一旦停電數(shù)據(jù)全部丟失。
本發(fā)明的目的就是為提供一種精度高，造價低，可靠性高，適應(yīng)性強，功能多的電子數(shù)控電度表。
本發(fā)明由取樣電路、轉(zhuǎn)換電路、單片機、報警控制電路、通訊電路、顯示電路、數(shù)據(jù)卡、電源等部件組成。取樣電路用電阻分壓法取樣，并采用高頻濾波，壓敏防雷等措施，考慮耐壓和地線干擾，應(yīng)用浮空技術(shù)。轉(zhuǎn)換電路把模擬乘法器和數(shù)字電路結(jié)合起來，先把測量中的電壓參數(shù)數(shù)字化，然后把電流參數(shù)和數(shù)字化電壓值相乘，輸出一個功率電壓值。此法用一個A/D一個D/A，一個線性放大器即可實現(xiàn)。在電壓-頻率轉(zhuǎn)換器與顯示之間連接一個單片機由于單片機的外圍配置簡單，但又能完成既多又復(fù)雜的功能，如多重顯示，數(shù)據(jù)卡數(shù)據(jù)交換和控制報警信號輸出，自動啟動通訊電路，時鐘讀入和控制等等。完成這樣繁多而復(fù)雜的功能，而電路結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜造價很低。采集電路采用兩種采集電路，對0.5～1.0級的電度表用分時采集，對0.5級以上則采用疊加采集。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是直接取樣電路圖。
圖3是互感器取樣電路圖。
圖4是轉(zhuǎn)換電路圖。
圖5是處理器結(jié)構(gòu)圖。
如圖1所示電子式數(shù)據(jù)電度表的電路結(jié)構(gòu)主要由取樣電路、轉(zhuǎn)換電路、處理器電路、電源等部分組成。電子式電度表的基本理論是對瞬時功率的積分，要則得電能W，首先須測得瞬時功率Pi＝Vi·Ii，而從電網(wǎng)中取得的Vi和Ii都是模擬量，兩個模擬量相乘的模擬乘法器，其方法很多，為了得到足夠的精度，也可將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量然后相乘。實現(xiàn)對Pi的積分的方法也各不相同，早期的方法是將Pi轉(zhuǎn)換為頻率F，然后對F分頻，再用計數(shù)器進(jìn)行累加。在計算機技術(shù)成熟的今天，可用計算機直接計算W＝∫Pidt的值，為了充分利用計算機的資源，采用直接對F計數(shù)的方法是較為合理的。
如圖2、圖3所示的取樣電路的功能是將電網(wǎng)中各相的電壓和電流以一定的比例取出，送到轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換。取樣有兩種方法一種是直接取樣，這種方法適應(yīng)單相供電的民用電用戶，或以直流供電的用戶。另一種方法是用互感器取樣，這種方法適應(yīng)三相或單相供電的大容量用戶。
直接取樣的電路如圖2，電壓取樣是用電阻分壓法在放大器A1輸入端獲得的電壓為V＝Vi (ViR23)/(R21+R22+R23)V經(jīng)A1放大后，輸出的電壓VO為轉(zhuǎn)換電路所規(guī)定的精確值，為了保證測量精度，要求電壓的分壓比精確。圖中的VR是保護(hù)器件，當(dāng)供電回路受到雷擊或超壓時，使電路能得到保護(hù)。C21是濾波器，濾掉供電回路感應(yīng)的高頻成份。
電流取樣是由取樣電阻RL來實現(xiàn)的，當(dāng)負(fù)載電流IL流經(jīng)RL時，則在RL兩端產(chǎn)生電壓降VLVL＝RLIL對不同IL(5A、10A、20A)則取不同RL，使輸出的VL是一個定值，使轉(zhuǎn)換和處理采用一個標(biāo)準(zhǔn)，以保證公共電路的通用性。RL要取盡量小的數(shù)值，以保證供電回路的電壓損耗和表底功耗。由于RL很小，一般為幾十毫伏。這樣小的信號源，且VL內(nèi)阻極低，為了保證對VL的不失真放大采用橋式放大電路以得到線性良好，精度較高的電流信號VIO，對電路的保護(hù)仍采用VR，當(dāng)雷擊和超壓時，VR接地。為電流互感器，都在到感器的副邊采用電阻分壓法取樣，所取得的信號電壓為VU＝ (R33)/(R31+R32+R33) ·VP
Vi＝ (R37)/(R35+R36+R37) ·VC電阻的配選是按照互感器二次電壓的標(biāo)準(zhǔn)，并保證回路中有足夠的維持電流，由于電流互感器在開路狀態(tài)下將產(chǎn)生很高的電壓，為安全考慮，在CT地次回路中增加了VR3，以保證轉(zhuǎn)換電路的安全。
從電路結(jié)構(gòu)上，直接取樣須考慮模擬地，數(shù)字地和供電零線的分離問題，且供電火線和零線應(yīng)符合圖中的線序;而互感器取樣其二次回路可以和模擬電路共地，地線結(jié)構(gòu)較簡單。
轉(zhuǎn)換電路包括功率轉(zhuǎn)換和電流電壓相位差的轉(zhuǎn)換。如圖4所示，相電流Ii和相電壓Vi通過多路模擬采樣開關(guān)IC41，經(jīng)隔離電容C41、C42，送到A41、A42，送到A41、A43，進(jìn)行全波整流，經(jīng)整流后的單向電壓由A42、A44線性放大，得到設(shè)計的標(biāo)稱值，其電壓信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)再送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器;其電流信號作為數(shù)/模轉(zhuǎn)換的參電壓，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后的輸出即為電流和電壓的瞬時乘積，對于一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓為VO，VO的值即為對應(yīng)的Pi，則VO＝ (Di)/512 VREF;
將VO進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換(F/V)，所得到的頻率F即為對應(yīng)的Pi，在處理器中對F計數(shù)，就得到電量的數(shù)值，因全波整流后，電流和電壓的波形均為正值，其計算出的功率為視在功率，為了獲得有功功率，必須乘以一個功率因素COSφ，φ為電流和電壓的相位差。
轉(zhuǎn)換電路得到的是VS波形，將VS送入處理器測量出tφ，再計算出α和COSφ，電度表的精度主要取決轉(zhuǎn)換電路，對控制精度的線性放大器;A/D、D/A均需作嚴(yán)格的調(diào)試。系統(tǒng)的調(diào)零是控制精度的重要部分本設(shè)計采用測量一路零信號的方法，對整個轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行系統(tǒng)補償。
處理器電路有兩種方案，對單相民用電度表采用8048系列單片機，對多相電度表因功能較多，而采用8051系列單片機，圖5為51系列單片機的配置。
D0～D7作為六位動態(tài)顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸口，P0.0～P0.7作為外部存貯器的通道口，P2口作為選控通道，P1口用為控制通道，這里沒有詳細(xì)畫出，主要有聲、光報警，通訊控制和斷電控制信號輸出等，可由用戶提出的特殊控制功能。
TO對轉(zhuǎn)換部分的功率頻率計數(shù)，統(tǒng)計出電路的視在電功，T1對轉(zhuǎn)換部分的相位差脈沖進(jìn)行測量，然后計算出COSφ，將兩項相乘得到有功電度;
A＝∫Pidt＝VI·COSφ六位動態(tài)顯示器常態(tài)顯示為總有功電度，精確到0.1度，定時(10秒)顯示一次功率因數(shù)(COSφ)，強制顯示峰值電度、各值電度和時間。
2816存放所購的電度和運行中生成的統(tǒng)計數(shù)值，為了節(jié)省存貯空間2816中的統(tǒng)計數(shù)值不斷更新，滿一個月后只保留統(tǒng)計總數(shù)。2816既作為8031的外存貯器，又作為數(shù)據(jù)卡部件，可以脫機工作。本發(fā)明用一個E2PROM，完整地實現(xiàn)了磁卡的功能，對工業(yè)民用表用串行E2PROM，而對特殊要求的電度表，如需高速交換數(shù)據(jù)的電度表，則用并行的E2PROM，由于E2PROM的寫入壽命有一定的限制，本發(fā)明在編制軟件時進(jìn)行特殊處理，可使一個數(shù)據(jù)卡連續(xù)使用數(shù)年，以至更長時間。用E2PROM作為電度表的外存，并完成磁卡的功能是最獨特的特點。當(dāng)電度底表到了極限時或供電回路的負(fù)荷超過允許的負(fù)載時，表內(nèi)會發(fā)出蜂鳴聲，一個LED會閃亮。本發(fā)明用普通的電話線即可完成通訊功能，如當(dāng)發(fā)生報警時，能啟動表內(nèi)自動撥號電路，一直將某一個或幾個撥通為止，并傳送規(guī)定的語音。本發(fā)明設(shè)計了時刻表讀入，表一出廠已開始運行，45天內(nèi)不會終止，即是中斷，通電后會自動起動，無影響。時刻表是為復(fù)費計算而設(shè)計的，時刻表內(nèi)有50個存貯單元，可以將常用的用電時間作息表存入，到能自動按作息表計電計費。設(shè)計為不顯示時鐘，只供單片機讀入，但當(dāng)發(fā)生報警和超荷時，此時間會進(jìn)入內(nèi)存，而被記錄下來，作為資料供分析和查對。本發(fā)明處理器芯片選用8048或8051系列，P0口作為數(shù)據(jù)總線，P2口為選控能道，P1口為控制通道，T0對轉(zhuǎn)換部分的功率頻率計數(shù)，T1對轉(zhuǎn)換部分的相位差進(jìn)行測量，然后計算出COSφ。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有精度高，造價低、功能多等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種電子數(shù)控電度表，由取樣、采集、乘法器、電壓-頻率轉(zhuǎn)換器、顯示、電源等組成，其特征在于a.取樣電路采用高頻濾波、壓敏防雷、防地線干擾的浮空技術(shù)等；b.轉(zhuǎn)換電路用一個A/D、一個D/A及一個線性放大器組成，先把測量中的電壓參數(shù)數(shù)字化，然后把電流參數(shù)與數(shù)字化電壓值相乘，輸出一個功率電壓值；c.在電壓--頻率轉(zhuǎn)換器與顯示之間連接一處理器；d.采集電路對0.5至1.0級的電度表用分時采集，對0.5級以下則采用疊加采集；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電度表，其特征在于取樣電路對高于380V電壓用互感器后再送入系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電度表，其特征在于取樣電路對于單相表的電流取樣采用線性放大器組成的橋式取樣電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電度表其特征在于處理器與數(shù)據(jù)卡、控制報警信號、自動啟動通訊電路、時刻表讀入連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電度表，其特征在于用一個E2PROM完成數(shù)據(jù)片功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電度表，其特征在于工業(yè)和民用表用串行E2PROM。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電度表，其特征在于需高速交換數(shù)據(jù)的電度表采用并行E2PROM。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電度表，其特征在于電度底數(shù)到極限時，表內(nèi)發(fā)出蜂鳴報警聲，并啟動表內(nèi)自動撥號電路，撥號電路與電話線連接完成通訊工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電度表，其特征在于處理器芯片選用8048或8051系列，PO口作為數(shù)據(jù)總線，P2口作為選控通道，P1口為控制通道，TO對轉(zhuǎn)換部分的功率頻率計數(shù)，T1對轉(zhuǎn)換部分的相位差進(jìn)行測量，然后計算出COSφ。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電能測量的電子數(shù)控電度表，由取樣、采集、乘法器、電壓-頻率轉(zhuǎn)換器、顯示等組成。其中取樣電路采用高頻濾波、壓敏防雷、防地線干擾的浮空技術(shù)等；轉(zhuǎn)換電路先對測量中的電壓參數(shù)數(shù)字化，然后與電流參數(shù)相乘，輸出一個功率電壓值；在轉(zhuǎn)換器與顯示等部件之間由一單片機連接以增加功能。
文檔編號G01R22/00GK1087177SQ9211328
公開日1994年5月25日 申請日期1992年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月20日
發(fā)明者揚萬書 申請人:深圳華儀電子器材有限公司