專利名稱：多功能電子電度表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電力部門用的測(cè)量、計(jì)量?jī)x表，特別是一種多功能電子式(微電腦)電度表。
電度表是電力部門和電力用戶之間進(jìn)行聯(lián)系的一個(gè)重要的測(cè)量?jī)x表。它的性能優(yōu)劣能直接影響到電力部門和電力用戶。我國(guó)目前大量采用的感應(yīng)式機(jī)械電度表，它是通過在電表中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)來達(dá)到測(cè)量電能的目的。當(dāng)電表中電壓線圈加上電壓，電流線圈流過電流時(shí)，隨著電流大小的改變，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同，使處于磁場(chǎng)中的鋁圓盤上感應(yīng)出的渦流大小隨著改變，使鋁圓盤按照與功率成正比率的速率旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳動(dòng)方法傳給計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量，這種產(chǎn)品耗能高，計(jì)量精度低，適用性及抗干擾性差，管理不便；國(guó)內(nèi)從87年開始，科研人員不斷在電表的改型方面推出各種方案。有的提出利用可控硅的開關(guān)特性，控制電表電壓線圈的通斷，使得用戶電器不工作時(shí)，電壓線圈不耗能。有的提出在電表上加裝籌碼盒，使用戶在用電前必須投入一定的籌碼從而使先用電后交費(fèi)，變成先買電后用電。有的提出加裝單片機(jī)，進(jìn)行智能控制，監(jiān)測(cè)用戶狀況，分時(shí)計(jì)價(jià)平衡負(fù)荷等等。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有幾家工廠生產(chǎn)出多功能電度表，它根據(jù)機(jī)械式無功、有功功率脈沖表的輸入脈沖，在數(shù)據(jù)處理單元中進(jìn)行處理、計(jì)算、記錄、顯示，它存在的主要問題是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)也高，也無法克服感應(yīng)表本身帶來的種種缺陷。
CN－2048590提出了一種智能卡式數(shù)字電度表，其中的電壓、電流信號(hào)通過乘法器和V－F電路輸出有功功率的脈沖，再經(jīng)過CPU單元與密卡電路相連，該電度表只能檢測(cè)有功功率，功能單一，依目前的科技水平，低價(jià)乘法器的溫漂和精度都難滿足需要，而且密卡的保密性也很差。
CN－86100655公開了一種智能化多功能電能計(jì)量?jī)x，它把電壓、電流信號(hào)送入一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量再經(jīng)光電隔離送入CPU進(jìn)行計(jì)算、控制、顯示，該表采用離散計(jì)算的方法計(jì)算有功、無功功率，但由于僅采用一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換芯片，檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)不是同時(shí)刻信號(hào)，在計(jì)算后必然存在誤差；另外，滿足一定精度要求的A／D芯片的價(jià)格也很高。
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、具有分時(shí)計(jì)價(jià)即復(fù)費(fèi)率功能而且能計(jì)算、記錄需量并且復(fù)合現(xiàn)有控制柜中全部表計(jì)性能的多功能電度表或電能測(cè)量、記錄儀。
本實(shí)用新型的多功能電子電度表包括電壓變換部分，用于發(fā)出與所加的高電壓相對(duì)應(yīng)的低壓信號(hào)；電流變換部分，用于發(fā)出與輸入的大電流相對(duì)應(yīng)的小電流信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；模擬開關(guān)，用于將電壓和電流信號(hào)同時(shí)的導(dǎo)通；采樣保持電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電壓或電流變換部分輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；處理和控制單元；時(shí)鐘電路；存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；輸入輸出接口電路，包括顯示電路，打印電路，傳輸電路；電源部分；每一路的電壓和電流經(jīng)電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關(guān)，模擬開關(guān)與二個(gè)采樣保持電路相連，采保的輸出端接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入處理和控制單元進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和打印、傳輸。
本實(shí)用新型的多功能電子電度表實(shí)現(xiàn)了全電子的測(cè)量、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、打印、傳輸，采用了對(duì)交流電壓、電流直接進(jìn)行同步隨機(jī)采樣技術(shù)，省去了對(duì)其頻率或周期的整步技術(shù)，所以該表具有以下的特點(diǎn)1、可一表多用，本表可通過按各個(gè)選擇鍵來選擇顯示所需的各種電力參數(shù)，這些參數(shù)為三相的電壓、電流、功率因素，峰／平／谷(可有更多時(shí)段)的有功電能、無功電能，有功功率、無功功率，需量，頻率，斷電起始、終了時(shí)間和斷電時(shí)的供電狀況，超容用電和低功率因素的狀況，還可顯示年月日、時(shí)分秒，所以一表可取代原配電柜上安裝的全部表計(jì)。
2、本表可對(duì)高次諧波的電力信號(hào)進(jìn)行處理，因而計(jì)量精確度高。
3、能存儲(chǔ)多月的用戶的用電情況。
4、有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)校準(zhǔn)之功能。
5、有較高的過電壓、過電流能力，可以自動(dòng)進(jìn)行量程切換。
6、能分區(qū)、分時(shí)、分價(jià)自動(dòng)計(jì)費(fèi)，能記錄超容和低功率因素的情況，使電力部門能按電力這個(gè)不能儲(chǔ)存的特殊商品的供求矛盾來調(diào)整價(jià)格，最終盡可能實(shí)現(xiàn)移峰填谷。
7、可利用串行口與上位機(jī)或手掌機(jī)或類似手掌機(jī)的取數(shù)器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的預(yù)置、修改以及提取所有存儲(chǔ)的電力計(jì)量數(shù)據(jù)，也可利用微型打印機(jī)直接打印出用電報(bào)表。
8、耗電省，屬于節(jié)能型產(chǎn)品，并且節(jié)省有色金屬。
9、擴(kuò)展功能容易，進(jìn)一步開發(fā)出無線遙測(cè)等新品種。
為詳細(xì)介紹本實(shí)用新型，下列結(jié)合附圖對(duì)其電路原理及技術(shù)特征作進(jìn)一步的說明

圖1為本實(shí)用新型的電路原理框圖；圖2為類似圖1的另一個(gè)實(shí)施例的電路原理框圖；圖3為類似圖1的又一個(gè)實(shí)施例的電路原理框圖；圖4為類似圖1的再一個(gè)實(shí)施例的電路原理框圖；圖5是一路的電壓變換部分的詳細(xì)線路圖；圖6是一路的電流變換部分的詳細(xì)線路圖；圖7是采樣保持電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間的信號(hào)處理電路；圖8是類似圖7功能的電路簡(jiǎn)圖；圖9是另一個(gè)類似圖7功能的電路簡(jiǎn)圖。
參見圖1、2、3、4，本實(shí)用新型的多功能電子電度表，包括組裝各種電路板用的外殼(圖上未示)，其特征在于電壓變換部分1，用于發(fā)出與所加的高電壓(例如220V、380V或更高的電壓)相對(duì)應(yīng)的低壓信號(hào)，一般為±5V，參見圖5，它由電壓互感器PT11，分壓電阻R11，R12，濾波電容C11，鉗位穩(wěn)壓管DZ11，DZ12，高精度、低溫漂的運(yùn)算放大器IC11組成，其中的運(yùn)放接成射隨器方式，進(jìn)行阻抗匹配；電流變換部分2，用于發(fā)出與輸入的大電流相對(duì)應(yīng)的小電流信號(hào)，再通過一電阻變成電壓信號(hào)，參見圖6，它由電流互感器CT21，很低溫度系數(shù)的小阻值電阻R21，接成差分放大方式的雙運(yùn)放IC21和高精度、低溫漂的運(yùn)算放大器IC22組成，為實(shí)現(xiàn)較寬量程內(nèi)的高精度測(cè)量，上述的運(yùn)算放大器IC22可置外成可編程的運(yùn)放，也可在模擬開關(guān)3與模數(shù)轉(zhuǎn)換器41之間串接入一個(gè)可編程的運(yùn)放；模擬開關(guān)3，用于將相對(duì)應(yīng)的每一路電壓和電流信號(hào)同時(shí)導(dǎo)通；采樣保持電路41、42，以保證采樣到的電壓和電流信號(hào)是同相位的；模數(shù)轉(zhuǎn)換器51、52，用于將所述電壓或電流變換部分輸入的所述電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；處理和控制單元6，它為一微處理器，較好的是各種型號(hào)的單片機(jī)；時(shí)鐘電路7，一般采用工控日歷鐘，例如MSM5832；存儲(chǔ)器8，包括程序存儲(chǔ)器(EPROM)81，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，例如靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)82和／或長(zhǎng)期非易失性存儲(chǔ)器(EEPROM)83；輸入輸出接口電路，包括顯示電路91，打印接口電路92，串行通訊傳輸電路93，這些部分與CPU的各種組合屬于現(xiàn)有技術(shù)中通用的設(shè)計(jì)，包括必要的譯碼器、鎖存器、緩沖器及并行口擴(kuò)展電路94；電源部分，負(fù)責(zé)向全部電路的供電。
圖上示出的觸發(fā)電路根據(jù)電壓信號(hào)的頻率高低產(chǎn)生一方波信號(hào)，輸入到單片機(jī)的高速輸入口，用來計(jì)算對(duì)電壓、電流信號(hào)的采樣間隔。
圖2中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區(qū)別在于只有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器5，采樣保持器41、42保持下來的同一相位某一時(shí)刻的電壓和電流信號(hào)Vi、Ii經(jīng)過一個(gè)模擬開關(guān)3’輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器5，其中的模擬開關(guān)3’可以與模擬開關(guān)3進(jìn)行合并。
圖3中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區(qū)別在于只有二路的電壓、電流信號(hào)輸入，類似于機(jī)械式電度表中的三相三線制的二元件。
圖4中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區(qū)別在于省去了一個(gè)長(zhǎng)期非易失性存儲(chǔ)器(EEPROM)和一個(gè)并行口擴(kuò)展電路。
以上四個(gè)原理圖中的各種方案可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意的組合。
為了降低整機(jī)的造價(jià)，可以采用內(nèi)部保成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，例如8098，8096等，其中8098是美國(guó)intel公司1988年推出的產(chǎn)品，具有比其它單片機(jī)性能高、功能全、價(jià)格低、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，它有一個(gè)高性能6位RALU、高速輸入／輸出口(HSI／HSO)，帶有采樣保持(S／H)電路的4路10位A／D，一個(gè)串行口，兩個(gè)16位的定時(shí)器，一個(gè)自復(fù)位電路(WATCHDOG)只需很少的硬件支撐就可組成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，由于這片內(nèi)的A／D只能檢測(cè)正半周的信號(hào)，從采樣保持器輸出的信號(hào)在送入單片機(jī)內(nèi)的A／D之前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，參見圖7、8、9，圖7的方案是充分利用片內(nèi)的4路A／D，其中二路用于電壓信號(hào)的檢測(cè)，另二路用于電流信號(hào)的檢測(cè)，不管是反應(yīng)電壓變化的信號(hào)還是反應(yīng)電流變化的信號(hào)，對(duì)于正半周的信號(hào)，通過接入運(yùn)放的正向端，再?gòu)倪\(yùn)放的輸出端接入A／D，對(duì)于負(fù)半周的信號(hào)，通過接入運(yùn)放的反向端反向，再?gòu)倪\(yùn)放的輸出端接入A／D；圖8的方案是先把±5V的信號(hào)通過運(yùn)放抬高5V，最通過二個(gè)運(yùn)放分離出正負(fù)半周的信號(hào)；圖9的方案是用一個(gè)運(yùn)放信號(hào)根據(jù)信號(hào)處于正負(fù)半周的情況利用模擬開關(guān)的切換來抬高5V否。以上的任一種接法都展寬了量程，即把10位的A／D變成11位。
本機(jī)的片內(nèi)A／D采樣到任一相的同時(shí)刻的電壓、電流離散值，就可計(jì)算出每一相的電壓、電流、有功功率、無功功率，有功電能、無功電能B，其中計(jì)算的公式如下電壓值V＝1NΣi=1i=NVi2]]>電流值I＝1NΣi=1i=NIi2]]>有功功率P＝ 1/(N)-Σi=1i=NVi/AIi]]>無功功率Q＝V2×I2-P2]]>
功率因素COS
＝P／(V×I)有功電能W＝P×ΔT無功電能A＝Q×ΔT其中×ΔT為時(shí)間間隔。
有了以上的結(jié)果，不難計(jì)算出整機(jī)的用電參數(shù)，對(duì)于圖3所示的二路測(cè)量電路的情況，也可計(jì)算出整機(jī)的用電參數(shù)，而且根據(jù)所檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(和日期)及此時(shí)所處的峰／谷／平狀態(tài)，分別按復(fù)費(fèi)率的要求記錄用電情況，同時(shí)可計(jì)算出需量，頻率，記錄斷電起始、終了時(shí)間和斷電時(shí)的供電狀況，超容用電和低功率因素的狀況，還可顯示年月日、時(shí)分秒，上述的全部數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)可根據(jù)需要累計(jì)、刷新、在整點(diǎn)時(shí)刻或規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，還可根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性分別記存在SRAM或EEPROM中，當(dāng)然可實(shí)時(shí)顯示、打印、傳輸。
其中復(fù)費(fèi)率時(shí)段的設(shè)置，超容用電和低功率因素的限值，需量的計(jì)量時(shí)間等參數(shù)可通過串行口傳輸預(yù)置，也可設(shè)置必要的撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
為了提高整機(jī)的測(cè)量精度，除了上面提及的利用差分放大、采用低溫漂運(yùn)放外，還可通過選擇合適的單片機(jī)以及電路結(jié)構(gòu)安排，另外的措施是充分利用單片機(jī)微電腦的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用數(shù)字濾波技術(shù)和自動(dòng)調(diào)零技術(shù)，以及自動(dòng)誤差補(bǔ)償或修正技術(shù)。
為了使整機(jī)的結(jié)構(gòu)性好，便于生產(chǎn)、安裝、調(diào)試和維修，可以把電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關(guān)，采樣保持電路和電源部分等模擬電路部分制作在一塊電路板上，把模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，處理和控制單元，存儲(chǔ)器，輸入輸出接口電路制作在一塊電路板上，二塊電路板之間以及機(jī)殼上的硬件接口之間通過插接件相互連接。
權(quán)利要求1.一種多功能電子電度表，包括組裝容留電路板的外殼，其特征在于由以下部分組成電壓變換部分，用于發(fā)出與所加的高電壓相對(duì)應(yīng)的低壓信號(hào)；電流變換部分，用于發(fā)出與輸入的大電流相對(duì)應(yīng)的小電流信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；模擬開關(guān)，用于將電壓和電流信號(hào)同時(shí)的導(dǎo)通；采樣保持電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電壓或電流變換部分輸入的所述低壓或低電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；處理和控制單元；時(shí)鐘電路；存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；輸入輸出接口電路，包括顯示電路，打印電路，傳輸電路；電源部分；每一路的電壓和電流經(jīng)電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關(guān)，模擬開關(guān)與二個(gè)采樣保持電路相連，采保的輸出端接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入處理和控制單元，時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路與處理和控制單元相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述的電壓變換部分由電壓互感器和電阻式分壓器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述的電流變換部分由電流互感器和變換電阻組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述的處理和控制單元是一微處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在處理和控制單元中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM和長(zhǎng)期非易失性存儲(chǔ)器EEPROM。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關(guān)，采樣保持電路和電源部分制作在一塊電路板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，處理和控制單元，存儲(chǔ)器，輸入輸出接口電路制作在一塊電路板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于還包括有時(shí)段設(shè)置撥碼開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子電度表，其特征在于上述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與采樣保持器之間接有一信號(hào)預(yù)處理電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的多功能電子電度表包括電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關(guān)，采樣保持電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，處理和控制單元；時(shí)鐘電路；存儲(chǔ)器，輸入輸出接口電路，電源部分；每一路的電壓和電流經(jīng)電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關(guān)，模擬開關(guān)與二個(gè)采樣保持電路相連，采保的輸出端接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)換后的數(shù)字信號(hào)送入處理和控制單元進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和打印、傳輸。實(shí)現(xiàn)了全電子化，節(jié)能、精度高，功能齊全。
文檔編號(hào)G01R22/00GK2172478SQ93243818
公開日1994年7月20日 申請(qǐng)日期1993年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月8日
發(fā)明者姜榮行, 林建敏, 楊紅巖, 顏友鈞, 沈翔 申請(qǐng)人:姜榮行, 林建敏