專利名稱：用于計量電功率的儀表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電功率表領(lǐng)域，其利用數(shù)字信號處理以便通過所述電功率的積分得到電能的消耗量。
背景技術(shù)：
眾所周知提供用電表(electric utility meter)可以測量設(shè)備消耗的電能。該儀表把與被計量的電源線中電流和電壓成比例的模擬信號轉(zhuǎn)換成用于數(shù)字信號處理的數(shù)字信號。該轉(zhuǎn)換步驟由模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。然后可將數(shù)字信號容易地相乘并且相乘的乘積提供電功率。然后電功率被提供給在被計量的電源線上的累加器，該累加器產(chǎn)生與電功率成比例的脈沖。
該公知的用電表遇到的一個問題是，該儀表的準(zhǔn)確度要求在電壓和電流信號的每個提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器前、電壓和電流信號有正確的相位關(guān)系。即相位關(guān)系應(yīng)準(zhǔn)確表示電源線中的相位關(guān)系。然而，電壓和電流的濾波、放大和隔離是通過包含可帶來其間相差或誤差的儀器變壓器和其他電路元件完成的。
為了獲得要求的準(zhǔn)確度并補償儀器變壓器的制造誤差及電路元件隨時間和環(huán)境暴露的改變，該問題的公知的解決方案是提供用于電表的相位補償裝置。這樣一種解決方案在文獻(xiàn)US5017860中披露，其公開了一種儀表，包括補償裝置，用于調(diào)整一個信號(電流或電壓)相對其它信號的采樣時間以補償系統(tǒng)中的相移，并提供電源線上使用的功率的更精確指示。
然而，這個解決方案出現(xiàn)了如圖1中所示的一些難題。圖1說明表示為時間的函數(shù)的第一和第二電壓采樣VS1和VS2及第一電流采樣IS1。因為相位補償，存在一個相比采樣模擬電壓信號時間的采樣模擬電流信號時間的調(diào)整t1。該調(diào)整時間t1可能相當(dāng)長；例如t1可能約為880μs。采用1024采樣/秒的采樣速率，提供了僅為976μs的采樣窗口。這樣，只有很短的時間t2(這里為96μs)用來執(zhí)行功率計算VS1×IS1，因為在需要下一個采樣電壓值VS2之前該計算必須完成。實驗表明依賴于需要的計算這通常是不夠的；例如，累計1kWh能量需要較長的時間。在此情形，存在計算中斷的風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于計量在功率負(fù)載上的電功率的儀表，其允許優(yōu)良的測量準(zhǔn)確度同時具有足夠的時間來以低中斷風(fēng)險執(zhí)行計算。
更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明提供一種用于計量電功率的儀表，包括-響應(yīng)于提供給所述負(fù)載的電壓而產(chǎn)生模擬電壓信號的電壓傳感器，-響應(yīng)于提供給所述負(fù)載的電流而產(chǎn)生模擬電流信號的電流傳感器，-模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包含o基于所述模擬電壓信號在第一采樣時間產(chǎn)生第一電壓采樣的第一采樣裝置，o基于所述模擬電流信號在第二采樣時間產(chǎn)生第一電流采樣的第二采樣裝置，-相位補償裝置，通過相比所述第一采樣時間調(diào)整所述第二采樣時間以補償所述模擬電壓和電流信號間的相移，從而提供基本同相的所述第一電壓采樣和所述第一電流采樣，所述儀表的特征在于進(jìn)一步包括用于存儲的裝置，用于同時存儲所述第一電壓采樣和緊跟采樣所述第一電壓采樣的第二電壓采樣，或同時存儲所述第一電流采樣和緊跟采樣所述第一電流采樣的第二電流采樣。
這樣，使用該儀表，兩個連續(xù)采樣的電壓值被存儲在象FIFO(先入先出)緩沖存儲器的存儲裝置中。在此情形，所述FIFO緩沖存儲器必須同時保存兩個電壓采樣。因此，可能在第二采樣電壓值已經(jīng)被采樣并被所述緩沖存儲器接收后，把第一采樣電流和電壓值相乘。依據(jù)本發(fā)明，因此存在較大的時間窗口來以低中斷風(fēng)險執(zhí)行計算。
有益地，所述用于存儲的裝置是帶有兩個存儲位置的先入先出緩沖器，從而能同時存儲兩個電壓采樣。
有益地，所述用于存儲的裝置是軟件裝置。
有益地，所述儀表包括微控制器，所述用于存儲的裝置集成于所述微控制器中。
有益地，所述相位補償裝置是集成于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的定時器。


通過閱讀以下通過舉例和參考附圖給出的本發(fā)明實施例的描述，將會顯現(xiàn)本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點，其中-圖1示意表示使用依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的儀表實現(xiàn)的一些電流和電壓采樣數(shù)據(jù)流與時間關(guān)系；-圖2示意表示依據(jù)本發(fā)明的儀表的框圖；-圖3示意表示使用依據(jù)本發(fā)明的儀表實現(xiàn)的一些電流和電壓采樣數(shù)據(jù)流與時間關(guān)系。
具體實施例方式
圖1參考現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)被描述。
圖2示意表示依據(jù)本發(fā)明的儀表1。
通常，所述儀表1可操作地連接到功率消耗設(shè)備的電源線負(fù)載2上，例如住宅或工業(yè)設(shè)備(未示出)。
儀表1包括-電流傳感器3，-電壓傳感器4，-電壓電平調(diào)整裝置5，-電流電平調(diào)整裝置6，-微控制器7。
所述微控制器7包含-包含定時器9的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器8，-輸入選擇器10，-FIFO緩沖器11，-乘法器16，-積分器17。
電壓傳感器4連接到電源線2并可操作于產(chǎn)生表示電源線2上電壓波形的電壓測量信號Vs。所述電壓傳感器4可以是例如簡單的電阻分壓器。然后Vs信號經(jīng)電壓電平調(diào)整裝置5調(diào)整，輸出一個調(diào)整的電壓測量信號Vin。所述電壓電平調(diào)整裝置5用于提供校正信號電平給A/D轉(zhuǎn)換器8。必須注意的是，所述電壓電平調(diào)整裝置5也可以具有濾波功能。
電流傳感器3也連接到電源線2并可操作于產(chǎn)生表示電源線2上電流波形的電流測量信號Is。所述電流傳感器可以是例如用于分流的分流(shunt)電阻。然后Is信號由電流電平調(diào)整裝置6調(diào)整，輸出兩個調(diào)整的電流測量信號Ilow和Ih。Ih和Ilow信號表示分別經(jīng)兩個不同增益A1和A2調(diào)整的同一信號Is。這允許A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍覆蓋整個電流范圍(例如10mA到100A)。例如A1用于產(chǎn)生用于4到100A主電流的合適信號Ih，而A2用于產(chǎn)生用于10mA到4A主電流的合適信號Ilow。對于電壓電平調(diào)整裝置5，必須注意電流電平調(diào)整裝置6也可以具有濾波功能。
A/D轉(zhuǎn)換器8產(chǎn)生包含基于電壓調(diào)整裝置5提供的電壓測量信號Vin的多個電壓測量采樣Vin1、Vin2、Vin3、...的采樣電壓測量數(shù)據(jù)流。
同樣，所述A/D轉(zhuǎn)換器8產(chǎn)生包含基于電流調(diào)整裝置6提供的電流測量信號Ih的多個電流測量采樣Ih1、Ih2、Ih3、...的第一采樣電流測量數(shù)據(jù)流，以及產(chǎn)生包含基于電流調(diào)整裝置6提供的電流測量信號Ilow的多個電流測量采樣Ilow1、Ilow2、Ilow3、...的第二采樣電流測量數(shù)據(jù)流。
一個問題是調(diào)整和濾波步驟引入不同模擬信號的相移；在采樣信號時該相移不得不考慮。這種情況在電流調(diào)整裝置6用于調(diào)整信號Is時特別明顯。電流調(diào)整裝置6所作的調(diào)整引起Ih和Ilow的相位偏移，進(jìn)一步相位偏移發(fā)生在低通濾波為減少噪聲和提高信噪比而加到信號時；假設(shè)Ilow被極度相移，此最后一點是關(guān)鍵的。因此，總是存在Vin和Ih之間不是很高的第一相移以及Vin和Ilow之間第二較高相移。
為了得到與基本上同相的電壓和電流信號相應(yīng)的電壓和電流采樣，A/D轉(zhuǎn)換器包括用于補償所述模擬電壓Vin和所述電流信號Ih之間和所述模擬電壓Vin和所述電流信號Ilow之間的相移的定時器9。通過相比于Vin的采樣時間調(diào)整Ih和Ilow的采樣時間來得到這樣的補償，從而提供基本上同相的電壓采樣Vin1和電流采樣Ilow1及Ih1。
圖3表示一些連續(xù)的電壓采樣Vin1至Vin3、一些連續(xù)的電流采樣Ih1至Ih3以及一些連續(xù)的電流采樣Ilow0至Ilow2。例如，Vin1、Ilow1、Ih1表示相應(yīng)于基本上同相的模擬信號的三個采樣。如上面參考附圖1已經(jīng)所述的，調(diào)整時間可能相當(dāng)長。這對于表示Vin1和Ilow1間差別的調(diào)整時間特別明顯，即在可表示約880μs的Ilow的采樣時間和Vin的采樣時間之間。
輸入選擇器10的作用是選擇兩個電流采樣例如Ih1和Ilow1之間的一個，其將用于功率計算。這樣的選擇基于Ih1和Ilow1的電平。假定選擇Ilow1。
兩個連續(xù)電壓采樣例如Vin1和Vin2被同時存儲在FIFO緩沖器11中。這樣的FIFO緩沖器是一種集成在微控制器1中基于軟件的緩沖器。
采樣Vin1和Ilow1提供輸入給乘法器16，該乘法器把Vin1和Ilow1相乘以將數(shù)字輸入信號P1提供給積分器17，該積分器將提供累計的能量E。
依據(jù)本發(fā)明，因為Vin1被存儲在緩沖器11中，同時下一個采樣Vin2已經(jīng)被緩沖器11接收，所以在要求下一個采樣Vin2之前乘法器16不必進(jìn)行Vin1×Ilow1的計算。
如圖3所示，使用FIFO緩沖器同時保存Vin1和下一個電壓采樣Vin2，這樣可以在周期t3期間完成Vin1×Ilow1的計算，該周期t3從提供電流采樣Ih1后的下一個電流采樣Ih2持續(xù)到電流采樣Ilow1后的下一個電流采樣Ilow2。
周期t3相應(yīng)于大的時間窗口以實現(xiàn)Vin1×Ilow1的計算。
自然，本發(fā)明不限于所描述和示出的實例和實施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以經(jīng)過許多可用的變化。
例如，雖然同時存儲所述第一電壓采樣和緊跟采樣所述第一電壓采樣的第二電壓采樣的所述裝置已經(jīng)描述為集成在微控制器中的軟件裝置，但也可以基于硬件來解決。
另外，雖然根據(jù)本發(fā)明的儀表已經(jīng)描述為具有兩種電流信號Ih和Ilow，但也可以僅有一種電流。
權(quán)利要求
1.用于計量電功率的儀表(1)，包括-響應(yīng)于提供給所述負(fù)載的電壓而產(chǎn)生模擬電壓信號的電壓傳感器(4)，-響應(yīng)于提供給所述負(fù)載的電流而產(chǎn)生模擬電流信號的電流傳感器(3)，-模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)，包含o基于所述模擬電壓信號在第一采樣時間產(chǎn)生第一電壓采樣的第一采樣裝置，o基于所述模擬電流信號在第二采樣時間產(chǎn)生第一電流采樣的第二采樣裝置，-相位補償裝置(9)，通過相比所述第一采樣時間調(diào)整所述第二采樣時間以補償所述模擬電壓和電流信號間的相移，從而提供基本同相的所述第一電壓采樣和所述第一電流采樣，所述儀表的特征在于進(jìn)一步包括用于存儲的裝置(11)，用于同時存儲所述第一電壓采樣和緊跟采樣所述第一電壓采樣的第二電壓采樣，或同時存儲所述第一電流采樣和緊跟采樣所述第一電流采樣的第二電流采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的儀表(1)，其特征在于，所述用于存儲的裝置(11)是帶有兩個存儲位置的先入先出緩沖器，從而能同時存儲兩個電壓采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的儀表(1)，其特征在于，所述用于存儲的裝置是軟件裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一的儀表(1)，其中所述儀表包括微控制器(7)，所述用于存儲的裝置集成于所述微控制器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任一的儀表(1)，其中所述相位補償裝置(9)是集成于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)中的定時器。
全文摘要
本發(fā)明涉及電功率表領(lǐng)域，其利用數(shù)字信號處理以便通過所述電功率的積分得到電能的消耗量。所述儀表(1)包括產(chǎn)生模擬電壓信號的電壓傳感器(4)；產(chǎn)生模擬電流信號的電流傳感器(3)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)，包含在第一采樣時間產(chǎn)生第一電壓采樣的第一采樣裝置以及在第二采樣時間產(chǎn)生第一電流采樣的第二采樣裝置；相位補償裝置(9)，通過相比第一采樣時間調(diào)整第二采樣時間以補償模擬電壓和電流信號間的相移，從而提供基本同相的第一電壓采樣和第一電流采樣。所述儀表(1)的特征在于還包括存儲裝置(11)，用于同時存儲第一電壓采樣和緊跟采樣第一電壓采樣的第二電壓采樣，或同時存儲第一電流采樣和緊跟采樣第一電流采樣的第二電流采樣。
文檔編號G01R21/133GK1637422SQ20041009548
公開日2005年7月13日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者斯科特·布朗, 陳春 申請人:阿克塔里斯英國有限公司