專利名稱:用于測(cè)量負(fù)載上電能消耗的系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量消耗在負(fù)載上的電能的測(cè)量系統(tǒng)，更詳細(xì)地說(shuō)是涉及一種在電能測(cè)量中采用霍爾效應(yīng)元件的系統(tǒng)，例如家庭或商用的測(cè)量電力消費(fèi)的電度表。這種裝置可以替代常用的以千瓦一小時(shí)方式記錄電能消耗的家用電度表。
采用霍爾效應(yīng)元件的電能測(cè)量裝置是基于，這樣一種原理，即霍爾效應(yīng)元件能夠產(chǎn)生一個(gè)與流過(guò)元件的偏流分量和加在該元件上的磁場(chǎng)成正比的霍爾輸出電壓。偏流值和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別與負(fù)載上的電壓和負(fù)載電流成正比。在這種裝置中，有一種問(wèn)題是偏流本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在霍爾輸出電壓中產(chǎn)生一個(gè)誤差分量，稱作自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)。這個(gè)誤差項(xiàng)可導(dǎo)致在功率測(cè)量中出現(xiàn)不能接受的誤差。自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)還與溫度成非線性關(guān)系。這種非線性使修正的方法變得很困難。
作為功率換能器連接的霍爾元件，其霍爾輸出電壓的直流分量V0由下式給出V0＝W+Ksf+E其中W是有功功率，Ksf是自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)，E表示與負(fù)載電流和負(fù)載電壓之間的相位角無(wú)關(guān)的其它誤差，例如熱-電效應(yīng)引起的誤差。
有功功率W＝KR×VL×lL×COSP其中Kn是一個(gè)增益常數(shù)VL是負(fù)載電壓lL是負(fù)載電流P是VL和lL之間的相位角。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是給出一個(gè)能夠清除自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)Ksf和其它的誤差E的測(cè)量系統(tǒng)，以便使得霍爾輸出電壓V0指示的是有功功率。
在一段時(shí)間T內(nèi)消耗的實(shí)際能量等于WXT，本發(fā)明給出一種用于測(cè)量這個(gè)實(shí)際能的系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)可以裝在一個(gè)例如電能表或瓦特表那樣的電能測(cè)量裝置中。
按照本發(fā)明給出的用于測(cè)量負(fù)載上所消耗電能的系統(tǒng)，包括一個(gè)霍爾效應(yīng)元件，以及霍爾元件的供電電路，該電路響應(yīng)于負(fù)載電壓和負(fù)載電流，并包括一個(gè)對(duì)霍爾元件提供磁場(chǎng)的磁路，和一個(gè)偏流供給電路，該系統(tǒng)的特征在于供給電路包括可操作的轉(zhuǎn)換裝置，以便在預(yù)定的時(shí)間間隔中，在偏置電流和磁場(chǎng)之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)相移，從而改變霍爾元件的霍爾輸出電壓自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量KSf的相位，一個(gè)處理電路連接到霍爾效應(yīng)元件的輸出，以便在不同的時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生自消除誤差信號(hào)，該信號(hào)來(lái)自于自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量KSf的兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)換相位，并且一個(gè)測(cè)量電路用來(lái)接收經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)并存儲(chǔ)與有功功率W和負(fù)載所消耗的能量成正比的測(cè)量值。
在一個(gè)最佳實(shí)施方案中，偏流供給電路用來(lái)為霍爾效應(yīng)元件提供一個(gè)正比于負(fù)載電壓的偏流，而轉(zhuǎn)換裝置是一個(gè)連接到能控制第一個(gè)運(yùn)算放大器輸入的相移開(kāi)關(guān)，從而該運(yùn)算放大器能夠?qū)⑵飨鄬?duì)于磁場(chǎng)的相位移相180°。
和負(fù)載電壓成正比的輸入電壓最好加在第一個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端，而開(kāi)關(guān)連接到運(yùn)算放大器的正向輸入端。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，可將電壓輸入轉(zhuǎn)到正向輸入端，因此，該放大器的輸出相位倒相180°，一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器連接在放大器的輸出和霍爾效應(yīng)元件的偏流輸入之間。
在最佳實(shí)施方案中，處理電路包括一個(gè)連接到霍爾效應(yīng)元件的輸出端的放大電路，并且它的輸出端通過(guò)一個(gè)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)連接到第二個(gè)運(yùn)算放大器，這個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端加有被放大的霍爾輸出電壓，而轉(zhuǎn)換裝置包括一個(gè)相移開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合的同時(shí)，它開(kāi)始工作，從而將被放大了的霍爾輸出電壓轉(zhuǎn)接到該放大器的正相輸入端，由第二個(gè)運(yùn)算放大器輸出一電壓，該電壓具有與有用功率W和與轉(zhuǎn)換狀態(tài)無(wú)關(guān)的信號(hào)成正比的分量，以及由霍爾效應(yīng)元件、轉(zhuǎn)換器、放大電路和其信號(hào)取決于轉(zhuǎn)換狀態(tài)的放大器所引起的誤差分量。
為了減少霍爾輸出電壓的輸出分量，放大器電路可以包括一個(gè)低通濾波器。
為了測(cè)量與多相電源相連的一個(gè)負(fù)載所消耗的電能，對(duì)每個(gè)相位本系統(tǒng)都可以包括，一個(gè)帶有供電線路的霍爾效應(yīng)元件和一個(gè)連到該霍爾效應(yīng)元件輸出端的差分放大器，代表各個(gè)相位所消耗的視在功率的差分放大器輸出被加到加法放大器的輸入端。而加法放大器的輸出，通過(guò)一個(gè)零置開(kāi)關(guān)加到第二個(gè)運(yùn)算放大器的反向端，加到該反相端的電壓為放大的霍爾電壓之和。開(kāi)關(guān)裝置包括一個(gè)相移開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)在每一相閉合時(shí)，該相移開(kāi)關(guān)開(kāi)始動(dòng)作以便將相加后的霍爾輸出電壓轉(zhuǎn)換到放大器的正相輸入端，由此得到了放大器的輸出電壓，該電壓具有與有功功率W和與轉(zhuǎn)換狀態(tài)無(wú)關(guān)的信號(hào)成正比的分量以及由霍爾效應(yīng)元件，差分放大器和其信號(hào)取決于轉(zhuǎn)換狀態(tài)的放大器所引起的誤差分量。
另外，本發(fā)明的處理電路可包括一個(gè)電壓-頻率轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連接到第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端，并在工作時(shí)產(chǎn)生代表放大器輸出電壓的數(shù)字脈沖序列。
按照本發(fā)明，測(cè)量電路包括一個(gè)連接到雙位開(kāi)關(guān)輸出端的加法計(jì)數(shù)器，而雙位開(kāi)關(guān)的輸入端與電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出端和時(shí)鐘脈沖定時(shí)電路相連接。邏輯元件由定時(shí)電路控制，并在預(yù)定的時(shí)間工作以控制相移開(kāi)關(guān)，零置開(kāi)關(guān)和計(jì)數(shù)器，因此，計(jì)數(shù)器接收表示有功負(fù)載功率W和表示場(chǎng)效應(yīng)誤差分量KSf的兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)換位相，自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量KSf在計(jì)教器中自動(dòng)消除。
在最佳實(shí)施方案中，測(cè)量電路包括一個(gè)誤差計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器連接到雙位開(kāi)關(guān)的輸出端，并在置零開(kāi)關(guān)閉合的第一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)工作，而且為了累計(jì)對(duì)應(yīng)于電壓一一頻率轉(zhuǎn)換器和第二個(gè)運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移誤差數(shù)字，通過(guò)邏輯電路封閉加法計(jì)數(shù)器，而在另一時(shí)間間隔，為了接收來(lái)自于定時(shí)電路的定時(shí)脈沖，誤差計(jì)數(shù)器通過(guò)開(kāi)關(guān)工作。
在加法計(jì)數(shù)器接到主時(shí)鐘脈沖并從計(jì)數(shù)器中減去一個(gè)表示第二個(gè)運(yùn)算放大器和轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)漂移誤差的數(shù)字時(shí)，上述定時(shí)電路將計(jì)數(shù)器置零。
本系統(tǒng)可以包括一個(gè)與加法計(jì)數(shù)器相連接的指示器，以指示加法計(jì)數(shù)器所累計(jì)的能量消耗值。
本發(fā)明還給出按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的家用功率消耗計(jì)量表系統(tǒng)，其中指示器直觀給出能量消耗的累計(jì)讀數(shù)。
本發(fā)明的其它實(shí)施方案將結(jié)合例子和附圖在下面加以描述，其中附圖1是本發(fā)明能量測(cè)量系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的模擬電路圖。
附圖2是附圖1中的能量測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字電路圖。
附圖3是一個(gè)時(shí)域圖，表示在工作狀態(tài)時(shí)，圖1和圖2中所示能量測(cè)量系統(tǒng)的各種參數(shù)的相對(duì)狀態(tài)。
附圖4是本發(fā)明能量測(cè)量系統(tǒng)的第二個(gè)實(shí)施方案的電路圖。
附圖5是本發(fā)明的能量測(cè)量系統(tǒng)的第三個(gè)實(shí)施方案的電路圖。
附圖6是本發(fā)明的能量測(cè)量系統(tǒng)的第四個(gè)實(shí)施方案的電路圖。
附圖7是本發(fā)明的能量測(cè)量系統(tǒng)的第五個(gè)實(shí)施方案的電路圖。
在附圖1中，用于測(cè)量負(fù)載上電能消耗的系統(tǒng)包括一個(gè)由兩個(gè)電阻1和2組成的分壓器，在工作時(shí)，它們跨接在加到負(fù)載的電壓VL上，該負(fù)載正是將要進(jìn)行能量消耗測(cè)量的負(fù)載。電路的公共線3連接到電源的中性端，選擇電阻1和2的阻值使電阻1和2之間的導(dǎo)線4上的電壓減少到大約1伏左右，這個(gè)降低了的電壓用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器5。運(yùn)算放大器5的反相輸入端和正相輸入端分別通過(guò)電阻8和相移開(kāi)關(guān)9與導(dǎo)線4相連。開(kāi)關(guān)9是一個(gè)固體器件，在附圖中所表示其處在開(kāi)路狀態(tài)，它的閉合開(kāi)啟狀態(tài)由導(dǎo)線10上傳輸來(lái)的相移信號(hào)控制，該信號(hào)也用來(lái)控制第二個(gè)固體器件相移開(kāi)關(guān)。運(yùn)算放大器5的正相輸入端7通過(guò)一個(gè)電阻12接到公共線3上。
反饋電阻13從放大器5的輸出端14連接到放大器5的反相輸入端6，當(dāng)開(kāi)關(guān)9閉合時(shí)，在輸出端14的電壓與輸入電壓同相，這是一個(gè)180°的有效相移。電阻8和13相匹配，這樣，放大器5的輸出電壓幅度是恒定的，而不受開(kāi)關(guān)9的狀態(tài)所決定的相位的影響。
輸出端14由偶合電容15和電阻16連接到電壓一電流轉(zhuǎn)換器18的正相輸入端17，電壓-電流轉(zhuǎn)換器，也有一個(gè)反相輸入端19，它通過(guò)電阻20連接到公共線3上。放大器5輸出信號(hào)的任何直流電壓分量均被電容15所阻隔。
轉(zhuǎn)換器18的輸出接到霍爾效應(yīng)元件23的偏流輸入端22，該元件的另一個(gè)偏流輸入端22接到轉(zhuǎn)換器18的反相輸入端19。一個(gè)正比于負(fù)載電壓VL的交流偏流被加到霍爾效應(yīng)元件23上。
當(dāng)開(kāi)關(guān)9閉合時(shí)，這個(gè)交流偏流和負(fù)載電壓同相，當(dāng)開(kāi)關(guān)9斷開(kāi)時(shí)，交流偏流相對(duì)于負(fù)載電壓VL產(chǎn)生180°相移。
霍爾元件23的霍爾輸出電壓V0出現(xiàn)在輸出端24的兩端。
在需要測(cè)量能量消耗的負(fù)載中流過(guò)的負(fù)載電流IL，或一個(gè)正比于該負(fù)載電流IL的電流流過(guò)含有霍爾效應(yīng)元件23的磁路線圈25，加到元件23上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和負(fù)載電流IL成正比。兩個(gè)輸出端24之間的霍爾輸出電壓V0有一直流分量，該分量正比于負(fù)載上所消耗的功率W。因?yàn)榧拥絻蓚€(gè)輸出端22上的偏流是交流電流，所以，自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)KRf在輸出電壓中表現(xiàn)為一個(gè)電壓的交流分量，該分量相對(duì)于負(fù)載電壓VL的相位取決于開(kāi)關(guān)9的位置。
霍爾輸出電壓V0被兩個(gè)接成差動(dòng)形式的運(yùn)算放大器26和27所放大。一個(gè)輸出端24通過(guò)由電阻28和電容29組成的低通濾波器偶合到放大器26的正相輸入端，另一個(gè)輸出端24通過(guò)由電阻30和電容31組成的第二個(gè)低通濾波器偶合到放大器27的正相輸入端。一個(gè)反饋電阻串32和33接在放大器26的輸出端和公共線3之間，它們中間接點(diǎn)接到放大器26的反相輸入端。反饋電阻35接在放大器27的輸出36及其反相輸入端之間。
兩個(gè)低通濾波器28，29和30，31減小了霍爾輸出電壓中的交流分量，特別減小了輸出電壓的自場(chǎng)效應(yīng)誤差項(xiàng)。
運(yùn)算放大器27的輸出端36的輸出信號(hào)是一個(gè)DC信號(hào)，該信號(hào)具有與有效負(fù)載功率W成正比的分量，且該分量的符號(hào)取決于開(kāi)關(guān)9的位置。36端的DC輸出信號(hào)的附加分量正比于在霍爾效應(yīng)元件23中產(chǎn)生的誤差項(xiàng)(KSf+E)和放大器26和27中的任何零誤差。這些附加分量的符號(hào)取決于開(kāi)關(guān)9的情況。
放大器27的輸出端36通過(guò)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)37接到下一級(jí)運(yùn)算放大器38上，該放大器38為來(lái)自放大器27的輸出信號(hào)提供第一處理階段。開(kāi)關(guān)37也是一個(gè)固態(tài)器件，并圖示為開(kāi)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)37通過(guò)電阻39接到放大器38的反相輸入端40上，并通過(guò)相移開(kāi)關(guān)11接放大器38的正相輸入端41。電阻42將正向輸入端41接到公共線3，來(lái)自放大器38的輸出43經(jīng)過(guò)反饋電阻44接反相輸入端40。
來(lái)自放大器27的輸出信號(hào)，僅當(dāng)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)37閉合時(shí)，才傳輸給放大器38。開(kāi)關(guān)37，由控制線45上的電平控制。線45上的低電平維持開(kāi)關(guān)37斷開(kāi)，這將切斷測(cè)量信號(hào)到放大器38的饋送通路。
放大器38以與放大器5相同的方式，作為移相反相器工作。當(dāng)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)37閉合，并且開(kāi)關(guān)11與開(kāi)關(guān)9同步動(dòng)作時(shí)，放大器38中信號(hào)分量(它正比于有功功率W)的符號(hào)變化補(bǔ)償了由放大器5產(chǎn)生的任何符號(hào)變化。從而線43上有功功率信號(hào)分量W的符號(hào)不取決于相移開(kāi)關(guān)9和11的狀態(tài)。輸出端36上的信號(hào)的附加誤差分量的符號(hào)，在相移開(kāi)關(guān)11改變狀態(tài)時(shí)由放大器38變換之，因此，線43上的信號(hào)的誤差信號(hào)分量的符號(hào)取決于相移開(kāi)關(guān)11的狀態(tài)。
當(dāng)開(kāi)關(guān)9改變狀態(tài)時(shí)，濾波器28，29和30，31的時(shí)間常數(shù)產(chǎn)生一定的延遲，就好象放大器27的輸出沒(méi)有同時(shí)變化。在此時(shí)間延遲期間，零點(diǎn)開(kāi)關(guān)37維持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，直到放大器27的輸出穩(wěn)定為止。
輸出線43接在電壓一頻率變換器47上(圖2)。該變換器將放大器38的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖序列，供進(jìn)一步處理。從電壓-頻率轉(zhuǎn)換器47輸出的脈沖序列的頻率取決于其輸入電壓，該輸入電壓(忽略誤差信號(hào))依次作為由霍爾效應(yīng)器件所測(cè)得的瓦特的瞬時(shí)值。為了達(dá)到測(cè)量在負(fù)載上所消耗的能量之效率的目的，可以通過(guò)用求和計(jì)數(shù)器在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)換器47輸出的脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù)，使放大器38的輸出信號(hào)對(duì)于時(shí)間積分。該計(jì)數(shù)器將瓦數(shù)累計(jì)達(dá)到這樣一個(gè)值，它可以直接以千瓦一小時(shí)數(shù)在相關(guān)的顯示器上顯示值，或是作為任一其他要求規(guī)格中的總能量損耗值。這將參照?qǐng)D2和圖3予以說(shuō)明。
如圖3所示，測(cè)量周期被分為四部分t1至t4，此處，t1＝t3t2＝t4并且t2＝t1XM，這里M是100。典型的t1可被設(shè)定為4秒期限，所以，t2便為400秒期限。
圖2的處理電路的分量會(huì)有影響累計(jì)測(cè)量的零誤差，在期間t1內(nèi)，任一個(gè)等效于放大器38和轉(zhuǎn)換器47中這種零誤差的數(shù)均由誤差計(jì)數(shù)器來(lái)累計(jì)。這是由斷開(kāi)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)37來(lái)完成的。
全部時(shí)序均取自主時(shí)鐘振蕩器48，振蕩器48的輸出分別由除法器49，50和51的因數(shù)200，500和100來(lái)除。振蕩器48和除法器49，50和51用來(lái)使圖2的邏輯電路工作，以提供圖1中相移開(kāi)關(guān)9和11，以及零位開(kāi)關(guān)37所要求的動(dòng)作次序。
控制線45上對(duì)于零位開(kāi)關(guān)37的電平，在期間t1取自雙穩(wěn)53的52端，52端的輸出此時(shí)是(即“0”)低電平。這一低電平加在線45上，以維持圖1的零位開(kāi)關(guān)37在斷開(kāi)狀態(tài);示于圖3中。
在t1期間，相移開(kāi)關(guān)9和11是斷開(kāi)的，因?yàn)榱阄婚_(kāi)關(guān)37也是斷開(kāi)的，所以放大器38便沒(méi)有輸入信號(hào)。同樣在t1期間，雙穩(wěn)53的55端輸出是高電平(即為“1”)，而且這一高電平輸出通過(guò)線56，57和58饋送給NAND門59，60和61的每一輸入端，以及雙穩(wěn)63的輸入端62。雙穩(wěn)63的輸出端64和65分別為“0”和“1”，并且分別接在NAND門59和61的輸入端上。因此，NAND門59在線66上送出一個(gè)“0”輸出到反相器67。反相器67沿線68送出一個(gè)“1”到OR門69，OR門69之輸出70接加法計(jì)數(shù)器72的抑制輸入71。計(jì)數(shù)器72的作用是一個(gè)寄存器，在這測(cè)量期間結(jié)束時(shí)，表示該期間平均瓦數(shù)的計(jì)數(shù)。OR門69產(chǎn)生一個(gè)“1”輸出，來(lái)封閉求和計(jì)數(shù)器72。
一個(gè)“1”的輸出從NAND門61沿線73和74傳輸給模擬開(kāi)關(guān)76的輸入75，以維持它與線77的連接。線77接在電壓一頻率變換器47的輸出上。線77傳送由變換器產(chǎn)生的數(shù)字脈沖序列。該脈沖序列有選擇地進(jìn)行送入，下面將要解釋，求和計(jì)數(shù)器和誤差計(jì)數(shù)器。NAND61的輸出信號(hào)也沿線73和78傳輸給雙穩(wěn)80的輸入端79，以分別在端81和82上發(fā)出“1”和“0”輸出信號(hào)。
如圖3所示，在t1期間，線66上的NAND門59的“0”輸出沿線83饋送給誤差計(jì)數(shù)器85的輸入84，以便在誤差計(jì)數(shù)器85中產(chǎn)生一遞減式計(jì)數(shù)。當(dāng)有NAND門60的“0”輸出時(shí)，誤差計(jì)數(shù)85不被封閉，并由電壓一頻率變換器47的輸出控制遞減計(jì)數(shù)。該輸出是通過(guò)線77，模擬開(kāi)關(guān)76和連在誤差計(jì)數(shù)器85的輸入87上的線86饋送到計(jì)數(shù)器85去的。因?yàn)榱阄婚_(kāi)關(guān)37在t1期間是斷開(kāi)的，變換器47的輸出只是由于自身的零點(diǎn)誤差和放大器38(圖1)中任一零點(diǎn)誤差引起。在t1期間，典型的變換器47之輸出信號(hào)的頻率大約為100Hz。在t1期間末，誤差計(jì)數(shù)器已由放大器38和變換器47的零誤差表示數(shù)進(jìn)行了遞減計(jì)數(shù)。
雙穩(wěn)53的輸出端55的輸出“1”也用作分配器51的變位，分配器51的輸出沿線88饋送給雙穩(wěn)90的輸入89。雙穩(wěn)90的輸出信號(hào)是一個(gè)移相信號(hào)，該信號(hào)沿線10饋送以便對(duì)相移開(kāi)關(guān)9和11的狀態(tài)進(jìn)行同步控制。
在t1期間末，分配器50的輸出“0”由一個(gè)反相器91變換為“1”輸入信號(hào)加在雙穩(wěn)53的輸出92上。該信號(hào)觸發(fā)了雙穩(wěn)53，致使在t2期間在雙穩(wěn)53的52端輸一個(gè)“1”，這使線45上的零位開(kāi)關(guān)37維持其關(guān)閉狀態(tài)。相移開(kāi)關(guān)9和11仍為斷開(kāi)，在偏流和霍爾元件24上的磁場(chǎng)之間的相位差為P。同樣，在t2期間，在雙穩(wěn)53的55端有一“0”輸出，該輸出經(jīng)線56，57和58饋送到每-NAND門59，60和61的一個(gè)輸入端。NAND門59現(xiàn)在產(chǎn)生在線66上產(chǎn)的生一個(gè)“1”輸出信號(hào)，它由反相器67變?yōu)榫€68上的“0”輸出，該“0”輸出又被加在OR門69的一個(gè)輸入端中，在線92上的來(lái)自雙穩(wěn)80的輸出端82的輸出饋送到OR門69的另一輸入端，門69的輸出仍為“0”，因此，OR門69的輸出是“0”且求和計(jì)數(shù)器72不再被封閉。
雙穩(wěn)80的81端之輸出仍為“1”，并被傳輸?shù)絅AND門60的另一輸入端，在線57上，NAND門60的第一輸入端維持為“0”。因此，NAND門60沿著與誤差計(jì)數(shù)器85的封閉輸入端連接的線93傳輸一個(gè)“1”輸出，使誤差計(jì)數(shù)器85被封閉。NAND門61的輸出仍為“1”，該輸出沿線73和94饋送給求和計(jì)數(shù)器72的輸入端95，使求和計(jì)數(shù)器72為遞增計(jì)數(shù)模式。從而電壓一頻率變換器47的輸出經(jīng)過(guò)線77，模擬開(kāi)關(guān)76以及由線96饋送到求和計(jì)數(shù)器72的輸入97上。并由求和計(jì)數(shù)器72遞增計(jì)數(shù)。在t2期間，典型的變換器47的輸出信號(hào)的頻率為100Hz到25KHz之間，因?yàn)榱阄婚_(kāi)關(guān)37閉合，所以，在t3期間末，寄存在求和計(jì)數(shù)器72中的計(jì)數(shù)正比于有效負(fù)載功率加上一個(gè)相位的誤差項(xiàng)(Ksf+E)和放大器26和27的零點(diǎn)誤差，以及放大器38和電壓一頻率變換器47的任一誤差項(xiàng)。
在t2期間末，雙穩(wěn)53再一次被觸發(fā)，使得雙穩(wěn)53的輸出52在t3期間回復(fù)“0”位，并打開(kāi)零位開(kāi)關(guān)37，在t2期間末，除法器51沿線88產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖觸發(fā)雙穩(wěn)90，使產(chǎn)生的脈沖沿線10傳送以使開(kāi)關(guān)9和11處于閉合狀態(tài)，因此，霍爾效應(yīng)元件23中的偏流相對(duì)磁場(chǎng)移相了180°。
此時(shí)，雙穩(wěn)53的55端之輸出為“1”，它經(jīng)線56，57和58饋送給每一NAND門59，60和61的一個(gè)輸入端。雙穩(wěn)63的64端輸出被線58上的輸入“1”觸發(fā)翻轉(zhuǎn)為“0”，所以在線66上得到的輸出是“1”。因此，在線68上有一加到OR門69的“0”輸出。由于雙穩(wěn)80的輸出81仍為“0”，所以O(shè)R門69的輸出是“0”，求和計(jì)數(shù)器保持封閉。
線66上的輸出“1”，經(jīng)線83饋送，將誤差計(jì)數(shù)器85置于遞增計(jì)數(shù)模式。由于NAND門61的輸入都是“1”，所以沿線73輸出“0”。線73上的這一零輸出沿線74饋送給模擬開(kāi)關(guān)76，以產(chǎn)生98端的電連接。98端接有通往99和100輸入端的線77。輸入端99和100分別由線101接于200的除法器49的輸出，由線102接主時(shí)鐘振蕩器48的輸出。
示于圖3中線73上的“0”輸出沿線78饋送，并將雙穩(wěn)80復(fù)位，沿線94將求和計(jì)數(shù)器72置于遞減模式。
示于圖3中，在t3期間，由除法器49中主時(shí)鐘速率被200除所得脈沖，使誤差計(jì)數(shù)器85遞增計(jì)數(shù)到零，這些脈沖由線101傳輸給開(kāi)關(guān)76的端子100，爾后在線86上，傳輸給誤差計(jì)數(shù)器85的輸入端87。求和計(jì)數(shù)器72由連接在開(kāi)關(guān)76的99端上的線102上的主時(shí)鐘脈沖，以主時(shí)鐘脈沖率作遞減計(jì)數(shù)。線102上的脈沖轉(zhuǎn)接到與計(jì)數(shù)器72的時(shí)鐘脈沖輸入端97連接的線96上。在誤差計(jì)數(shù)器85已遞增計(jì)數(shù)到零時(shí)的t3期間末之前的某一時(shí)刻，在線103上傳輸一個(gè)輸出信號(hào)給雙穩(wěn)80，雙穩(wěn)80翻轉(zhuǎn)其輸出端81為“0”，及其輸出端82為“1”。線92上的輸出“1”，導(dǎo)致OR門69輸出，以封閉求和計(jì)數(shù)器92。
求和計(jì)數(shù)器12的封閉維持一段時(shí)間，緊接著t4期間就開(kāi)始了。當(dāng)誤差計(jì)數(shù)器遞增數(shù)到零時(shí)，開(kāi)始的封閉期間取決于誤差計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到零所花的時(shí)間。一般這一時(shí)間可以少于一秒，則封閉期間常多于3秒。但少于4秒。當(dāng)封閉期間開(kāi)始時(shí)，求和計(jì)數(shù)器72將遞減計(jì)數(shù)，所計(jì)數(shù)等于t1期間乘以200測(cè)得的零點(diǎn)誤差量，即在t1期內(nèi)測(cè)得的累計(jì)零點(diǎn)誤差會(huì)在測(cè)量期間t3至t4中產(chǎn)生。
在t4期間開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)9和11仍為閉合。而且偏置電流和霍爾元件24的磁場(chǎng)之間相位差維持在(P+180°)。雙穩(wěn)53的輸出端52翻回“1”，以閉合零位開(kāi)關(guān)37，則雙穩(wěn)53的輸出端55是“0”。
因此在t4期間偏值電流對(duì)于磁場(chǎng)的相移是180°，而且求和計(jì)數(shù)器72再次對(duì)變換器47的輸出進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)，但這次計(jì)數(shù)速率正比于有效負(fù)載功率W加上放大器38和變換器47來(lái)的零誤差，該零誤差又去掉了其它相位的誤差項(xiàng)(Ksf+E)，以及放大器26和27的零誤差。
在t4期間末，求和計(jì)數(shù)器72中的計(jì)數(shù)正比于t2+t4期間內(nèi)有效平均能量的測(cè)量值。這是因?yàn)樵趖2和t4加在一起的期間內(nèi)，由放大器38和變換器47產(chǎn)生的零誤差已經(jīng)由計(jì)數(shù)器72在t3期間內(nèi)得到補(bǔ)償。誤差項(xiàng)(Ksf+E)和放大器26和27產(chǎn)生的零點(diǎn)誤差在t2和t4期間內(nèi)具有相等的絕對(duì)值，但是相位和符號(hào)相反，并因此而自行補(bǔ)償。
因此，裝置作為一個(gè)瓦特計(jì)工作，每一測(cè)量期中的期間t2+t4內(nèi)能量消耗的有效平均效率顯示在一顯示器104上。顯示器104通過(guò)線105接在OR門69的輸出端70上;和/或用于稅收計(jì)算。期間t3+t4內(nèi)的平均功率可以通過(guò)t2+t4時(shí)間內(nèi)求和計(jì)數(shù)器72中分別測(cè)量的值進(jìn)行計(jì)算。然后以以上工作順序再重復(fù)。
如果平均數(shù)要由若干測(cè)量期間取得，求和計(jì)數(shù)器中的累計(jì)是有效的，(接著進(jìn)行除法)時(shí)序控制電路可用來(lái)觸發(fā)適當(dāng)?shù)碾娐穪?lái)進(jìn)行那些功能。因此，這個(gè)系統(tǒng)可以用作為商業(yè)功率裝置，這一裝置中，瞬時(shí)瓦特?cái)?shù)和累計(jì)的功耗的讀數(shù)都要求以千瓦一小時(shí)計(jì)。
在本實(shí)施方案中，剛才描述的對(duì)霍爾輸出電壓的時(shí)間的積分是由數(shù)字處理過(guò)程進(jìn)行累計(jì)的，由模擬處理技術(shù)進(jìn)行積分也是可行的。
參照?qǐng)D1和圖2所描述的電路可用于多相功率和能量測(cè)量。此外，圖1的電路重復(fù)用于每一相。用于測(cè)量三相負(fù)載L1，L2，L3所消耗的能量的典型線路結(jié)構(gòu)示于圖4中。
三個(gè)驅(qū)動(dòng)電路106，107和108分別接霍爾元件109，110和111。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都包括一個(gè)運(yùn)算放大器5和電壓一電流變換器18，相應(yīng)的電路如圖1所示。每一霍爾元件109，110和111分別接在一差分放大器的輸出級(jí)112，113和114，這些便是表示圖1中霍爾元件23和開(kāi)關(guān)37之間的電路。每一放大級(jí)112，113和114的輸出是一個(gè)直流信號(hào)，該信號(hào)正比于消耗在各相中的視在負(fù)載功率。這三個(gè)輸出饋送到求和放大器115的輸入端。該放大器在線116上的輸出信號(hào)便為三相消耗的視在負(fù)載功率。線116上的輸出信號(hào)照上述圖1和2所描述的相同的方式進(jìn)行處理。
另一個(gè)單相能量測(cè)量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示于圖5中。此電路與圖1中零位開(kāi)關(guān)37之的部分相同。放大器27的輸出饋送給一個(gè)微處理機(jī)117，它通過(guò)圖2電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)和其它邏輯功能。在圖5中加給圖2的頻率轉(zhuǎn)換器的電壓，由一雙向模一數(shù)轉(zhuǎn)換器118代替，并配置一個(gè)外部接口119來(lái)傳輸控制開(kāi)關(guān)11和37的信號(hào)，并將測(cè)量值送往顯示器104。
此外，微處理機(jī)117可以進(jìn)行邏輯功能，以提供瞬時(shí)瓦數(shù)和累計(jì)功率消耗的讀數(shù)。
剛剛描述過(guò)的實(shí)施方案中的開(kāi)關(guān)9，11和37是固定態(tài)模擬開(kāi)關(guān)類型;它們可以是機(jī)電開(kāi)關(guān)。
圖6表示了圖1電路的改進(jìn)模型電路，其中偏置電流和磁場(chǎng)之間180°的相移是通過(guò)保持偏置電流的相位恒定，而改變磁場(chǎng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在圖6中，負(fù)載電流IL饋送給跨接線圈25的橋式電路中的四個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)120，121，122和123。一對(duì)繼電器120和121響應(yīng)螺線管的激勵(lì)同時(shí)閉合，一對(duì)繼電器122和123響應(yīng)螺線管125的激勵(lì)同時(shí)閉合。螺線管124和125的激勵(lì)順序由線10上經(jīng)過(guò)一對(duì)反相器126和127的控制信號(hào)控制。當(dāng)螺線管124受激勵(lì)時(shí)負(fù)載電流按箭頭指示的方向流經(jīng)繼電器120，線圈25和繼電器121。在圖3的時(shí)序圖中，螺線管124的激勵(lì)出現(xiàn)在t1和t2期間內(nèi)。
在t3和t4期間內(nèi)，螺線管125受激勵(lì)，而螺線管124釋放，使得電流流經(jīng)繼電器122，線圈25和繼電器123。當(dāng)電流是以反方向流過(guò)線圈25時(shí)，磁場(chǎng)的相位轉(zhuǎn)變180°，導(dǎo)致偏置電流和磁場(chǎng)的相位變化180°。盡管繼電器是作為電磁操作描述的，然而它們可以是固態(tài)形式。
值得一提的是偏置電流和磁場(chǎng)的相位可以不同程度同時(shí)變化，從而產(chǎn)生相對(duì)的180°相移。
圖7表示了一個(gè)具有與圖5的實(shí)施方案的特征相類似的另一個(gè)實(shí)施方案。線4上減少的電壓直接饋送給相移電路129的一個(gè)輸入端128和相位測(cè)量電路131的輸入端130。相移電路129由微處理機(jī)和117中的時(shí)序電路控制，在第一期間內(nèi)給隨后的減少電壓信號(hào)一個(gè)零相移，在此期間，來(lái)自運(yùn)算放大器26的輸出由一個(gè)DC信號(hào)(其幅值正比于霍爾輸出電壓的幅值)和一個(gè)AC信號(hào)(其相位是負(fù)載電壓和負(fù)載電流間相位的函數(shù))組成。
來(lái)自放大器26的AC和DC信號(hào)傳輸給運(yùn)算放大器27，該放大器將DC信號(hào)放大，AC信號(hào)由電阻35和電容31組成的低通濾波器衰減。然后，放大器3的DC信號(hào)傳送給雙向模一數(shù)變換器118，其輸出由微處理機(jī)控制，對(duì)第一期間內(nèi)負(fù)載所消耗的視在能量進(jìn)行測(cè)量。
來(lái)自放大器26的AC信號(hào)也傳送給相位測(cè)量電路131的第二輸入端132，在此確定了負(fù)載電壓和負(fù)載電流之間的相位角。相位測(cè)量電路131通過(guò)外部接口119將此信息傳輸給微處理機(jī)117，處理機(jī)117計(jì)算出使負(fù)載電壓和負(fù)載電流間的相位角等于90°的必要相移。在一適當(dāng)時(shí)刻，微處理機(jī)通知相移電路129把計(jì)算出的相移加給線4上的新到的減少了的電壓，因此，導(dǎo)致了偏置電流和霍爾效應(yīng)元件23的磁場(chǎng)之間產(chǎn)生90°相位角。這時(shí)，因?yàn)镃OSP是零。所以測(cè)得的負(fù)載功率有效值為零。因此微處理機(jī)117只測(cè)出了電路的誤差和由誤差項(xiàng)(KSf+E)供給的霍爾電壓的誤差。微處理機(jī)117在第二期間測(cè)出這些誤差，計(jì)算出第一期間內(nèi)的累計(jì)誤差，然后從第一期間內(nèi)消耗的視在能量測(cè)量值中減去第一期間內(nèi)計(jì)算的累計(jì)誤差測(cè)量值，便得出在第一期間內(nèi)消耗的有功功率測(cè)量值。這一過(guò)程在后面適當(dāng)?shù)拈g隔中再重復(fù)。
上述任一系統(tǒng)都可以作為用來(lái)測(cè)量負(fù)載消耗的電能的功率表的一部分結(jié)合使用。此外，任一系統(tǒng)也可以和瓦特計(jì)結(jié)合，以及為在一預(yù)定的期間內(nèi)分別對(duì)負(fù)載所耗的能量進(jìn)行測(cè)量而配置的裝置結(jié)合使用。在這一期間，可望得到該期間內(nèi)負(fù)載的平均功耗的測(cè)量值。
在上述實(shí)施方案中，偏置電流取決于負(fù)載電壓。磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于負(fù)載電流。按照本發(fā)明有可能用分流器或變壓器來(lái)配置系統(tǒng)，從而取得由負(fù)載電流決定的偏置電流和由負(fù)載電壓決定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)量負(fù)載消耗的電能的系統(tǒng)，包括一個(gè)霍爾效應(yīng)元件(23)，和對(duì)負(fù)載電壓和電流敏感的霍爾效應(yīng)元件的電源電路，電源電路中包括給元件(23)施加磁場(chǎng)的一條磁路(25)和一個(gè)偏置電流源電路(5，18)，其特征在于電源電路包括開(kāi)關(guān)裝置(9)，此開(kāi)關(guān)裝置可以在預(yù)定的時(shí)間間隔在偏置電流和磁場(chǎng)間產(chǎn)生一相對(duì)相移，進(jìn)而改變?cè)?23)的霍爾輸出電壓的自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量(Ksf)的相位；與霍爾效應(yīng)元件(23)的輸出(24)相連的處理電路(26、27、38、47)，此處理電路可以在不同的時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生誤差自動(dòng)清除信號(hào)，這些信號(hào)是從場(chǎng)效應(yīng)誤差分量(Ksf)的兩不同的變換相位而來(lái)的；以及一個(gè)測(cè)量電路(48～51，72，85)它能接收處理過(guò)的信號(hào)，并寄存與負(fù)載的能量消耗和有功功率(W)成正比的測(cè)量值。
2.如權(quán)項(xiàng)1所要求的系統(tǒng)，其中偏置電流源電路可以向霍爾效應(yīng)元件(23)提供一偏置電流，此電流與負(fù)載電壓成正比，開(kāi)關(guān)裝置是一個(gè)相移開(kāi)關(guān)(9)，它用于控制第一運(yùn)算放大器(5)的輸入，此運(yùn)算放大器進(jìn)而使偏置電流相對(duì)于磁場(chǎng)相位移相180°。
3.如權(quán)項(xiàng)2所要求的系統(tǒng)，其中的第一運(yùn)算放大器(5)的反相輸入端(6)接收一與負(fù)載電壓成比例的電壓輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)(9)與放大器的正相輸入端相連，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電壓輸入正相輸入端，這樣，放大器的輸出就產(chǎn)生180°相移，電壓-電流轉(zhuǎn)換器(18)接在放大器(5)的輸出端和霍爾效應(yīng)元件(23)的偏置電流輸入端(22)之間。
4.如權(quán)項(xiàng)3所要求的系統(tǒng)，其中處理電路包括一與霍爾效應(yīng)元件(23)的輸出端相連的放大電路(26、27)，且其輸出(36)通過(guò)零位開(kāi)關(guān)(37)與第二運(yùn)算放大器(38)相連，第二運(yùn)算放大器的反向輸入端接收放大了的霍爾輸出電壓，而且，開(kāi)關(guān)裝置包括一相移開(kāi)關(guān)(11)，它與開(kāi)關(guān)(9)同步閉合，使輸入放大器(38)正向輸入端的放大的霍爾輸出電壓倒相，因此，第二運(yùn)算放大器(38)的輸出是這樣一個(gè)電壓，它有和有功功率(W)成正比的分量，而且由于霍爾效應(yīng)元件(23)，轉(zhuǎn)換器(18)，放大電路(26、27)以及其符號(hào)取決于開(kāi)關(guān)(11)的狀態(tài)的放大器(38)，分量的符號(hào)與開(kāi)關(guān)(9、11)和誤差分量無(wú)關(guān)。
5.如權(quán)項(xiàng)4所要求的系統(tǒng)，其中放大電路(26)、(27)包括一低通濾波器(28，29，30，31)來(lái)減少霍爾輸出電壓的交流分量。
6.如權(quán)項(xiàng)3所要求的系統(tǒng)，此系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量與一多相電源相連的負(fù)載消耗的電能，其中每一項(xiàng)都有一個(gè)霍爾元件(109，110，111)及其電源電路，系統(tǒng)中還包括一與霍爾效應(yīng)元件的輸出相連的差動(dòng)放大器(112，113，114)，其中代表各相上負(fù)載消耗的視在功率的差動(dòng)放大器的輸出加到一加法放大器(115)的輸入端，此加法放大器的輸出經(jīng)置零開(kāi)關(guān)(37)與第二運(yùn)算放大器(38)相連，第二運(yùn)算放大器在其反相輸入端接收放大了的霍爾輸出電壓的和，系統(tǒng)中還有一開(kāi)關(guān)裝置，此開(kāi)關(guān)裝置包括一相移開(kāi)關(guān)(11)，它在每一相位處與開(kāi)關(guān)(9)同步閉合，使輸入到放大器(38)正相輸入端的累加的霍爾輸出電壓之和翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而放大器(38)的輸出就是這樣一個(gè)電壓，它包括與有效多相功率成正比的分量，由于霍爾效應(yīng)元件(109，110，111)，差分放大器(112，113，114)和其符號(hào)取決于開(kāi)關(guān)(11)狀態(tài)的放大器(38)，此分量的符號(hào)與開(kāi)關(guān)(9，11)的狀態(tài)以及誤差分量無(wú)關(guān)。
7.如權(quán)項(xiàng)4～6中任何一個(gè)所要求的系統(tǒng)，其中處理電路包括一電壓-頻率轉(zhuǎn)換器(47)，它與第二運(yùn)算放大器(38)的輸出相連，并且可以產(chǎn)生代表放大器(38)輸出電壓的數(shù)字脈沖序列。
8.如權(quán)項(xiàng)7所要求的系統(tǒng)，其中測(cè)量電路包括一加法計(jì)數(shù)器(72)，此加法計(jì)數(shù)器與一雙擲開(kāi)關(guān)的輸出端相連，雙擲開(kāi)關(guān)的輸入與電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的輸出和時(shí)鐘脈沖定時(shí)電路相連，(48～51)測(cè)量電路還包括由定時(shí)電路控制并且能在預(yù)定時(shí)間控制相移開(kāi)關(guān)(9，11)置零開(kāi)關(guān)(38)和計(jì)數(shù)器(72)的邏輯元件(53，63，80，90)，這樣計(jì)數(shù)器(72)接收表示負(fù)載有功功率(W)和自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量(KSf)的兩不同變換相位的數(shù)字信號(hào)，而自場(chǎng)效應(yīng)誤差分量在計(jì)數(shù)器(72)中自行消除。
9.如權(quán)項(xiàng)8所要求的系統(tǒng)，其中測(cè)量電路包括一誤差計(jì)數(shù)器(85)，它與雙擲開(kāi)關(guān)(76)的輸出相連，且在第一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)(t1)置零開(kāi)關(guān)(37)閉合，加法計(jì)數(shù)器(72)被邏輯電路(63)封閉時(shí)，累加一代表第二運(yùn)算放大器(38)和電壓-頻率轉(zhuǎn)換器(47)的零誤差數(shù)值，在另一時(shí)間間隔(t3)通過(guò)開(kāi)關(guān)(76)接收來(lái)自定時(shí)電路(48-51)的定時(shí)脈沖，當(dāng)加法計(jì)數(shù)器(72)接收到主時(shí)鐘脈沖時(shí)，定時(shí)電路將計(jì)數(shù)器(85)計(jì)至零，以便從計(jì)數(shù)器(72)里減去代表第二個(gè)運(yùn)算放大器(38)和轉(zhuǎn)換器(47)的零誤差的數(shù)值。
10.如權(quán)項(xiàng)8或9所要求的系統(tǒng)，包括與加法計(jì)數(shù)器(72)相連的顯示器(104)，此顯示器顯示由加法計(jì)數(shù)器(72)累加的能量消耗量。
11.如權(quán)項(xiàng)6或7要求的系統(tǒng)，在一家用功耗表中，其中顯示器(104)給出一直現(xiàn)的能量消耗的累加讀數(shù)。
專利摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量負(fù)載消耗電能的系統(tǒng)。此系統(tǒng)可用于瓦特計(jì)中的能量表。此系統(tǒng)應(yīng)用了帶有電源電路(5，18，25)的一個(gè)霍爾效應(yīng)元件(23)和開(kāi)關(guān)裝置(9，11)，此開(kāi)關(guān)裝置控制偏置電流和與霍爾效應(yīng)元件相關(guān)的磁場(chǎng)之間的相對(duì)相位變化，從而引起霍爾輸出電壓的變化。此輸出電壓被饋送到信號(hào)處理電路(26，27，38，47)和測(cè)量電路(48-51，72，85)來(lái)測(cè)量消耗的電能，測(cè)量結(jié)果與由霍爾效應(yīng)元件(23)中的偏置電流的自場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差無(wú)關(guān)。
文檔編號(hào)G01R21/00GK85104789SQ85104789
公開(kāi)日1986年12月24日 申請(qǐng)日期1985年6月21日
發(fā)明者喬弗雷·克芬斯, 康耐思·詹姆斯·巴特勒 申請(qǐng)人:皮爾金頓兄弟有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan