专利名称:用于测量负载上电能消耗的系统的制作方法
本发明涉及一种用于测量消耗在负载上的电能的测量系统，更详细地说是涉及一种在电能测量中采用霍尔效应元件的系统，例如家庭或商用的测量电力消费的电度表。这种装置可以替代常用的以千瓦一小时方式记录电能消耗的家用电度表。
采用霍尔效应元件的电能测量装置是基于，这样一种原理，即霍尔效应元件能夠产生一个与流过元件的偏流分量和加在该元件上的磁场成正比的霍尔输出电压。偏流值和磁场强度分别与负载上的电压和负载电流成正比。在这种装置中，有一种问题是偏流本身会产生一个磁场，该磁场在霍尔输出电压中产生一个误差分量，称作自场效应误差项。这个误差项可导致在功率测量中出现不能接受的误差。自场效应误差项还与温度成非线性关系。这种非线性使修正的方法变得很困难。
作为功率换能器连接的霍尔元件，其霍尔输出电压的直流分量V0由下式给出V0＝W+Ksf+E其中W是有功功率，Ksf是自场效应误差项，E表示与负载电流和负载电压之间的相位角无关的其它误差，例如热-电效应引起的误差。
有功功率W＝KR×VL×lL×COSP其中Kn是一个增益常数VL是负载电压lL是负载电流P是VL和lL之间的相位角。
本发明的第一个目的是给出一个能夠清除自场效应误差项Ksf和其它的误差E的测量系统，以便使得霍尔输出电压V0指示的是有功功率。
在一段时间T内消耗的实际能量等于WXT，本发明给出一种用于测量这个实际能的系统，并且该系统可以装在一个例如电能表或瓦特表那样的电能测量装置中。
按照本发明给出的用于测量负载上所消耗电能的系统，包括一个霍尔效应元件，以及霍尔元件的供电电路，该电路响应于负载电压和负载电流，并包括一个对霍尔元件提供磁场的磁路，和一个偏流供给电路，该系统的特征在于供给电路包括可操作的转换装置，以便在预定的时间间隔中，在偏置电流和磁场之间产生一个相对相移，从而改变霍尔元件的霍尔输出电压自场效应误差分量KSf的相位，一个处理电路连接到霍尔效应元件的输出，以便在不同的时间周期内产生自消除误差信号，该信号来自于自场效应误差分量KSf的两个不同的转换相位，并且一个测量电路用来接收经过处理的信号并存储与有功功率W和负载所消耗的能量成正比的测量值。
在一个最佳实施方案中，偏流供给电路用来为霍尔效应元件提供一个正比于负载电压的偏流，而转换装置是一个连接到能控制第一个运算放大器输入的相移开关，从而该运算放大器能夠将偏流相对于磁场的相位移相180°。
和负载电压成正比的输入电压最好加在第一个运算放大器的反相输入端，而开关连接到运算放大器的正向输入端。当开关闭合时，可将电压输入转到正向输入端，因此，该放大器的输出相位倒相180°，一个电压-电流转换器连接在放大器的输出和霍尔效应元件的偏流输入之间。
在最佳实施方案中，处理电路包括一个连接到霍尔效应元件的输出端的放大电路，并且它的输出端通过一个零点开关连接到第二个运算放大器，这个运算放大器的反相输入端加有被放大的霍尔输出电压，而转换装置包括一个相移开关，当开关闭合的同时，它开始工作，从而将被放大了的霍尔输出电压转接到该放大器的正相输入端，由第二个运算放大器输出一电压，该电压具有与有用功率W和与转换状态无关的信号成正比的分量，以及由霍尔效应元件、转换器、放大电路和其信号取决于转换状态的放大器所引起的误差分量。
为了减少霍尔输出电压的输出分量，放大器电路可以包括一个低通滤波器。
为了测量与多相电源相连的一个负载所消耗的电能，对每个相位本系统都可以包括，一个带有供电线路的霍尔效应元件和一个连到该霍尔效应元件输出端的差分放大器，代表各个相位所消耗的视在功率的差分放大器输出被加到加法放大器的输入端。而加法放大器的输出，通过一个零置开关加到第二个运算放大器的反向端，加到该反相端的电压为放大的霍尔电压之和。开关装置包括一个相移开关，当开关在每一相闭合时，该相移开关开始动作以便将相加后的霍尔输出电压转换到放大器的正相输入端，由此得到了放大器的输出电压，该电压具有与有功功率W和与转换状态无关的信号成正比的分量以及由霍尔效应元件，差分放大器和其信号取决于转换状态的放大器所引起的误差分量。
另外，本发明的处理电路可包括一个电压-频率转换器，该转换器连接到第二个运算放大器的输出端，并在工作时产生代表放大器输出电压的数字脉冲序列。
按照本发明，测量电路包括一个连接到双位开关输出端的加法计数器，而双位开关的输入端与电压频率转换器的输出端和时钟脉冲定时电路相连接。逻辑元件由定时电路控制，并在预定的时间工作以控制相移开关，零置开关和计数器，因此，计数器接收表示有功负载功率W和表示场效应误差分量KSf的两个不同的转换位相，自场效应误差分量KSf在计教器中自动消除。
在最佳实施方案中，测量电路包括一个误差计数器，该计数器连接到双位开关的输出端，并在置零开关闭合的第一个时间间隔内工作，而且为了累计对应于电压一一频率转换器和第二个运算放大器的零点漂移误差数字，通过逻辑电路封闭加法计数器，而在另一时间间隔，为了接收来自于定时电路的定时脉冲，误差计数器通过开关工作。
在加法计数器接到主时钟脉冲并从计数器中减去一个表示第二个运算放大器和转换器的零点漂移误差的数字时，上述定时电路将计数器置零。
本系统可以包括一个与加法计数器相连接的指示器，以指示加法计数器所累计的能量消耗值。
本发明还给出按照本发明设计的家用功率消耗计量表系统，其中指示器直观给出能量消耗的累计读数。
本发明的其它实施方案将结合例子和附图在下面加以描述，其中附图1是本发明能量测量系统的一种实施方案的模拟电路图。
附图2是附图1中的能量测量系统的数字电路图。
附图3是一个时域图，表示在工作状态时，图1和图2中所示能量测量系统的各种参数的相对状态。
附图4是本发明能量测量系统的第二个实施方案的电路图。
附图5是本发明的能量测量系统的第三个实施方案的电路图。
附图6是本发明的能量测量系统的第四个实施方案的电路图。
附图7是本发明的能量测量系统的第五个实施方案的电路图。
在附图1中，用于测量负载上电能消耗的系统包括一个由两个电阻1和2组成的分压器，在工作时，它们跨接在加到负载的电压VL上，该负载正是将要进行能量消耗测量的负载。电路的公共线3连接到电源的中性端，选择电阻1和2的阻值使电阻1和2之间的导线4上的电压减少到大约1伏左右，这个降低了的电压用于驱动运算放大器5。运算放大器5的反相输入端和正相输入端分别通过电阻8和相移开关9与导线4相连。开关9是一个固体器件，在附图中所表示其处在开路状态，它的闭合开启状态由导线10上传输来的相移信号控制，该信号也用来控制第二个固体器件相移开关。运算放大器5的正相输入端7通过一个电阻12接到公共线3上。
反馈电阻13从放大器5的输出端14连接到放大器5的反相输入端6，当开关9闭合时，在输出端14的电压与输入电压同相，这是一个180°的有效相移。电阻8和13相匹配，这样，放大器5的输出电压幅度是恒定的，而不受开关9的状态所决定的相位的影响。
输出端14由偶合电容15和电阻16连接到电压一电流转换器18的正相输入端17，电压-电流转换器，也有一个反相输入端19，它通过电阻20连接到公共线3上。放大器5输出信号的任何直流电压分量均被电容15所阻隔。
转换器18的输出接到霍尔效应元件23的偏流输入端22，该元件的另一个偏流输入端22接到转换器18的反相输入端19。一个正比于负载电压VL的交流偏流被加到霍尔效应元件23上。
当开关9闭合时，这个交流偏流和负载电压同相，当开关9断开时，交流偏流相对于负载电压VL产生180°相移。
霍尔元件23的霍尔输出电压V0出现在输出端24的两端。
在需要测量能量消耗的负载中流过的负载电流IL，或一个正比于该负载电流IL的电流流过含有霍尔效应元件23的磁路线圈25，加到元件23上的磁场强度和负载电流IL成正比。两个输出端24之间的霍尔输出电压V0有一直流分量，该分量正比于负载上所消耗的功率W。因为加到两个输出端22上的偏流是交流电流，所以，自场效应误差项KRf在输出电压中表现为一个电压的交流分量，该分量相对于负载电压VL的相位取决于开关9的位置。
霍尔输出电压V0被两个接成差动形式的运算放大器26和27所放大。一个输出端24通过由电阻28和电容29组成的低通滤波器偶合到放大器26的正相输入端，另一个输出端24通过由电阻30和电容31组成的第二个低通滤波器偶合到放大器27的正相输入端。一个反馈电阻串32和33接在放大器26的输出端和公共线3之间，它们中间接点接到放大器26的反相输入端。反馈电阻35接在放大器27的输出36及其反相输入端之间。
两个低通滤波器28，29和30，31减小了霍尔输出电压中的交流分量，特别减小了输出电压的自场效应误差项。
运算放大器27的输出端36的输出信号是一个DC信号，该信号具有与有效负载功率W成正比的分量，且该分量的符号取决于开关9的位置。36端的DC输出信号的附加分量正比于在霍尔效应元件23中产生的误差项(KSf+E)和放大器26和27中的任何零误差。这些附加分量的符号取决于开关9的情况。
放大器27的输出端36通过零点开关37接到下一级运算放大器38上，该放大器38为来自放大器27的输出信号提供第一处理阶段。开关37也是一个固态器件，并图示为开状态。开关37通过电阻39接到放大器38的反相输入端40上，并通过相移开关11接放大器38的正相输入端41。电阻42将正向输入端41接到公共线3，来自放大器38的输出43经过反馈电阻44接反相输入端40。
来自放大器27的输出信号，仅当零点开关37闭合时，才传输给放大器38。开关37，由控制线45上的电平控制。线45上的低电平维持开关37断开，这将切断测量信号到放大器38的馈送通路。
放大器38以与放大器5相同的方式，作为移相反相器工作。当零点开关37闭合，并且开关11与开关9同步动作时，放大器38中信号分量(它正比于有功功率W)的符号变化补偿了由放大器5产生的任何符号变化。从而线43上有功功率信号分量W的符号不取决于相移开关9和11的状态。输出端36上的信号的附加误差分量的符号，在相移开关11改变状态时由放大器38变换之，因此，线43上的信号的误差信号分量的符号取决于相移开关11的状态。
当开关9改变状态时，滤波器28，29和30，31的时间常数产生一定的延迟，就好象放大器27的输出没有同时变化。在此时间延迟期间，零点开关37维持断开状态，直到放大器27的输出稳定为止。
输出线43接在电压一频率变换器47上(图2)。该变换器将放大器38的输出信号转变为数字脉冲序列，供进一步处理。从电压-频率转换器47输出的脉冲序列的频率取决于其输入电压，该输入电压(忽略误差信号)依次作为由霍尔效应器件所测得的瓦特的瞬时值。为了达到测量在负载上所消耗的能量之效率的目的，可以通过用求和计数器在一个测量周期内对转换器47输出的脉冲序列进行计数，使放大器38的输出信号对于时间积分。该计数器将瓦数累计达到这样一个值，它可以直接以千瓦一小时数在相关的显示器上显示值，或是作为任一其他要求规格中的总能量损耗值。这将参照图2和图3予以说明。
如图3所示，测量周期被分为四部分t1至t4，此处，t1＝t3t2＝t4并且t2＝t1XM，这里M是100。典型的t1可被设定为4秒期限，所以，t2便为400秒期限。
图2的处理电路的分量会有影响累计测量的零误差，在期间t1内，任一个等效于放大器38和转换器47中这种零误差的数均由误差计数器来累计。这是由断开零点开关37来完成的。
全部时序均取自主时钟振荡器48，振荡器48的输出分别由除法器49，50和51的因数200，500和100来除。振荡器48和除法器49，50和51用来使图2的逻辑电路工作，以提供图1中相移开关9和11，以及零位开关37所要求的动作次序。
控制线45上对于零位开关37的电平，在期间t1取自双稳53的52端，52端的输出此时是(即“0”)低电平。这一低电平加在线45上，以维持图1的零位开关37在断开状态;示于图3中。
在t1期间，相移开关9和11是断开的，因为零位开关37也是断开的，所以放大器38便没有输入信号。同样在t1期间，双稳53的55端输出是高电平(即为“1”)，而且这一高电平输出通过线56，57和58馈送给NAND门59，60和61的每一输入端，以及双稳63的输入端62。双稳63的输出端64和65分别为“0”和“1”，并且分别接在NAND门59和61的输入端上。因此，NAND门59在线66上送出一个“0”输出到反相器67。反相器67沿线68送出一个“1”到OR门69，OR门69之输出70接加法计数器72的抑制输入71。计数器72的作用是一个寄存器，在这测量期间结束时，表示该期间平均瓦数的计数。OR门69产生一个“1”输出，来封闭求和计数器72。
一个“1”的输出从NAND门61沿线73和74传输给模拟开关76的输入75，以维持它与线77的连接。线77接在电压一频率变换器47的输出上。线77传送由变换器产生的数字脉冲序列。该脉冲序列有选择地进行送入，下面将要解释，求和计数器和误差计数器。NAND61的输出信号也沿线73和78传输给双稳80的输入端79，以分别在端81和82上发出“1”和“0”输出信号。
如图3所示，在t1期间，线66上的NAND门59的“0”输出沿线83馈送给误差计数器85的输入84，以便在误差计数器85中产生一递减式计数。当有NAND门60的“0”输出时，误差计数85不被封闭，并由电压一频率变换器47的输出控制递减计数。该输出是通过线77，模拟开关76和连在误差计数器85的输入87上的线86馈送到计数器85去的。因为零位开关37在t1期间是断开的，变换器47的输出只是由于自身的零点误差和放大器38(图1)中任一零点误差引起。在t1期间，典型的变换器47之输出信号的频率大约为100Hz。在t1期间末，误差计数器已由放大器38和变换器47的零误差表示数进行了递减计数。
双稳53的输出端55的输出“1”也用作分配器51的变位，分配器51的输出沿线88馈送给双稳90的输入89。双稳90的输出信号是一个移相信号，该信号沿线10馈送以便对相移开关9和11的状态进行同步控制。
在t1期间末，分配器50的输出“0”由一个反相器91变换为“1”输入信号加在双稳53的输出92上。该信号触发了双稳53，致使在t2期间在双稳53的52端输一个“1”，这使线45上的零位开关37维持其关闭状态。相移开关9和11仍为断开，在偏流和霍尔元件24上的磁场之间的相位差为P。同样，在t2期间，在双稳53的55端有一“0”输出，该输出经线56，57和58馈送到每-NAND门59，60和61的一个输入端。NAND门59现在产生在线66上产的生一个“1”输出信号，它由反相器67变为线68上的“0”输出，该“0”输出又被加在OR门69的一个输入端中，在线92上的来自双稳80的输出端82的输出馈送到OR门69的另一输入端，门69的输出仍为“0”，因此，OR门69的输出是“0”且求和计数器72不再被封闭。
双稳80的81端之输出仍为“1”，并被传输到NAND门60的另一输入端，在线57上，NAND门60的第一输入端维持为“0”。因此，NAND门60沿着与误差计数器85的封闭输入端连接的线93传输一个“1”输出，使误差计数器85被封闭。NAND门61的输出仍为“1”，该输出沿线73和94馈送给求和计数器72的输入端95，使求和计数器72为递增计数模式。从而电压一频率变换器47的输出经过线77，模拟开关76以及由线96馈送到求和计数器72的输入97上。并由求和计数器72递增计数。在t2期间，典型的变换器47的输出信号的频率为100Hz到25KHz之间，因为零位开关37闭合，所以，在t3期间末，寄存在求和计数器72中的计数正比于有效负载功率加上一个相位的误差项(Ksf+E)和放大器26和27的零点误差，以及放大器38和电压一频率变换器47的任一误差项。
在t2期间末，双稳53再一次被触发，使得双稳53的输出52在t3期间回复“0”位，并打开零位开关37，在t2期间末，除法器51沿线88产生一个脉冲，该脉冲触发双稳90，使产生的脉冲沿线10传送以使开关9和11处于闭合状态，因此，霍尔效应元件23中的偏流相对磁场移相了180°。
此时，双稳53的55端之输出为“1”，它经线56，57和58馈送给每一NAND门59，60和61的一个输入端。双稳63的64端输出被线58上的输入“1”触发翻转为“0”，所以在线66上得到的输出是“1”。因此，在线68上有一加到OR门69的“0”输出。由于双稳80的输出81仍为“0”，所以OR门69的输出是“0”，求和计数器保持封闭。
线66上的输出“1”，经线83馈送，将误差计数器85置于递增计数模式。由于NAND门61的输入都是“1”，所以沿线73输出“0”。线73上的这一零输出沿线74馈送给模拟开关76，以产生98端的电连接。98端接有通往99和100输入端的线77。输入端99和100分别由线101接于200的除法器49的输出，由线102接主时钟振荡器48的输出。
示于图3中线73上的“0”输出沿线78馈送，并将双稳80复位，沿线94将求和计数器72置于递减模式。
示于图3中，在t3期间，由除法器49中主时钟速率被200除所得脉冲，使误差计数器85递增计数到零，这些脉冲由线101传输给开关76的端子100，尔后在线86上，传输给误差计数器85的输入端87。求和计数器72由连接在开关76的99端上的线102上的主时钟脉冲，以主时钟脉冲率作递减计数。线102上的脉冲转接到与计数器72的时钟脉冲输入端97连接的线96上。在误差计数器85已递增计数到零时的t3期间末之前的某一时刻，在线103上传输一个输出信号给双稳80，双稳80翻转其输出端81为“0”，及其输出端82为“1”。线92上的输出“1”，导致OR门69输出，以封闭求和计数器92。
求和计数器12的封闭维持一段时间，紧接着t4期间就开始了。当误差计数器递增数到零时，开始的封闭期间取决于误差计数器计数到零所花的时间。一般这一时间可以少于一秒，则封闭期间常多于3秒。但少于4秒。当封闭期间开始时，求和计数器72将递减计数，所计数等于t1期间乘以200测得的零点误差量，即在t1期内测得的累计零点误差会在测量期间t3至t4中产生。
在t4期间开始时，开关9和11仍为闭合。而且偏置电流和霍尔元件24的磁场之间相位差维持在(P+180°)。双稳53的输出端52翻回“1”，以闭合零位开关37，则双稳53的输出端55是“0”。
因此在t4期间偏值电流对于磁场的相移是180°，而且求和计数器72再次对变换器47的输出进行递增计数，但这次计数速率正比于有效负载功率W加上放大器38和变换器47来的零误差，该零误差又去掉了其它相位的误差项(Ksf+E)，以及放大器26和27的零误差。
在t4期间末，求和计数器72中的计数正比于t2+t4期间内有效平均能量的测量值。这是因为在t2和t4加在一起的期间内，由放大器38和变换器47产生的零误差已经由计数器72在t3期间内得到补偿。误差项(Ksf+E)和放大器26和27产生的零点误差在t2和t4期间内具有相等的绝对值，但是相位和符号相反，并因此而自行补偿。
因此，装置作为一个瓦特计工作，每一测量期中的期间t2+t4内能量消耗的有效平均效率显示在一显示器104上。显示器104通过线105接在OR门69的输出端70上;和/或用于税收计算。期间t3+t4内的平均功率可以通过t2+t4时间内求和计数器72中分别测量的值进行计算。然后以以上工作顺序再重复。
如果平均数要由若干测量期间取得，求和计数器中的累计是有效的，(接着进行除法)时序控制电路可用来触发适当的电路来进行那些功能。因此，这个系统可以用作为商业功率装置，这一装置中，瞬时瓦特数和累计的功耗的读数都要求以千瓦一小时计。
在本实施方案中，刚才描述的对霍尔输出电压的时间的积分是由数字处理过程进行累计的，由模拟处理技术进行积分也是可行的。
参照图1和图2所描述的电路可用于多相功率和能量测量。此外，图1的电路重复用于每一相。用于测量三相负载L1，L2，L3所消耗的能量的典型线路结构示于图4中。
三个驱动电路106，107和108分别接霍尔元件109，110和111。每个驱动电路都包括一个运算放大器5和电压一电流变换器18，相应的电路如图1所示。每一霍尔元件109，110和111分别接在一差分放大器的输出级112，113和114，这些便是表示图1中霍尔元件23和开关37之间的电路。每一放大级112，113和114的输出是一个直流信号，该信号正比于消耗在各相中的视在负载功率。这三个输出馈送到求和放大器115的输入端。该放大器在线116上的输出信号便为三相消耗的视在负载功率。线116上的输出信号照上述图1和2所描述的相同的方式进行处理。
另一个单相能量测量系统的电路结构示于图5中。此电路与图1中零位开关37之的部分相同。放大器27的输出馈送给一个微处理机117，它通过图2电路实现定时转换，计数和其它逻辑功能。在图5中加给图2的频率转换器的电压，由一双向模一数转换器118代替，并配置一个外部接口119来传输控制开关11和37的信号，并将测量值送往显示器104。
此外，微处理机117可以进行逻辑功能，以提供瞬时瓦数和累计功率消耗的读数。
刚刚描述过的实施方案中的开关9，11和37是固定态模拟开关类型;它们可以是机电开关。
图6表示了图1电路的改进模型电路，其中偏置电流和磁场之间180°的相移是通过保持偏置电流的相位恒定，而改变磁场的相位来实现的。
在图6中，负载电流IL馈送给跨接线圈25的桥式电路中的四个继电器开关120，121，122和123。一对继电器120和121响应螺线管的激励同时闭合，一对继电器122和123响应螺线管125的激励同时闭合。螺线管124和125的激励顺序由线10上经过一对反相器126和127的控制信号控制。当螺线管124受激励时负载电流按箭头指示的方向流经继电器120，线圈25和继电器121。在图3的时序图中，螺线管124的激励出现在t1和t2期间内。
在t3和t4期间内，螺线管125受激励，而螺线管124释放，使得电流流经继电器122，线圈25和继电器123。当电流是以反方向流过线圈25时，磁场的相位转变180°，导致偏置电流和磁场的相位变化180°。尽管继电器是作为电磁操作描述的，然而它们可以是固态形式。
值得一提的是偏置电流和磁场的相位可以不同程度同时变化，从而产生相对的180°相移。
图7表示了一个具有与图5的实施方案的特征相类似的另一个实施方案。线4上减少的电压直接馈送给相移电路129的一个输入端128和相位测量电路131的输入端130。相移电路129由微处理机和117中的时序电路控制，在第一期间内给随后的减少电压信号一个零相移，在此期间，来自运算放大器26的输出由一个DC信号(其幅值正比于霍尔输出电压的幅值)和一个AC信号(其相位是负载电压和负载电流间相位的函数)组成。
来自放大器26的AC和DC信号传输给运算放大器27，该放大器将DC信号放大，AC信号由电阻35和电容31组成的低通滤波器衰减。然后，放大器3的DC信号传送给双向模一数变换器118，其输出由微处理机控制，对第一期间内负载所消耗的视在能量进行测量。
来自放大器26的AC信号也传送给相位测量电路131的第二输入端132，在此确定了负载电压和负载电流之间的相位角。相位测量电路131通过外部接口119将此信息传输给微处理机117，处理机117计算出使负载电压和负载电流间的相位角等于90°的必要相移。在一适当时刻，微处理机通知相移电路129把计算出的相移加给线4上的新到的减少了的电压，因此，导致了偏置电流和霍尔效应元件23的磁场之间产生90°相位角。这时，因为COSP是零。所以测得的负载功率有效值为零。因此微处理机117只测出了电路的误差和由误差项(KSf+E)供给的霍尔电压的误差。微处理机117在第二期间测出这些误差，计算出第一期间内的累计误差，然后从第一期间内消耗的视在能量测量值中减去第一期间内计算的累计误差测量值，便得出在第一期间内消耗的有功功率测量值。这一过程在后面适当的间隔中再重复。
上述任一系统都可以作为用来测量负载消耗的电能的功率表的一部分结合使用。此外，任一系统也可以和瓦特计结合，以及为在一预定的期间内分别对负载所耗的能量进行测量而配置的装置结合使用。在这一期间，可望得到该期间内负载的平均功耗的测量值。
在上述实施方案中，偏置电流取决于负载电压。磁场强度取决于负载电流。按照本发明有可能用分流器或变压器来配置系统，从而取得由负载电流决定的偏置电流和由负载电压决定的磁场强度。
权利要求
1.用于测量负载消耗的电能的系统，包括一个霍尔效应元件(23)，和对负载电压和电流敏感的霍尔效应元件的电源电路，电源电路中包括给元件(23)施加磁场的一条磁路(25)和一个偏置电流源电路(5，18)，其特征在于电源电路包括开关装置(9)，此开关装置可以在预定的时间间隔在偏置电流和磁场间产生一相对相移，进而改变元件(23)的霍尔输出电压的自场效应误差分量(Ksf)的相位；与霍尔效应元件(23)的输出(24)相连的处理电路(26、27、38、47)，此处理电路可以在不同的时间周期内产生误差自动清除信号，这些信号是从场效应误差分量(Ksf)的两不同的变换相位而来的；以及一个测量电路(48～51，72，85)它能接收处理过的信号，并寄存与负载的能量消耗和有功功率(W)成正比的测量值。
2.如权项1所要求的系统，其中偏置电流源电路可以向霍尔效应元件(23)提供一偏置电流，此电流与负载电压成正比，开关装置是一个相移开关(9)，它用于控制第一运算放大器(5)的输入，此运算放大器进而使偏置电流相对于磁场相位移相180°。
3.如权项2所要求的系统，其中的第一运算放大器(5)的反相输入端(6)接收一与负载电压成比例的电压输入信号，开关(9)与放大器的正相输入端相连，当开关闭合时，电压输入正相输入端，这样，放大器的输出就产生180°相移，电压-电流转换器(18)接在放大器(5)的输出端和霍尔效应元件(23)的偏置电流输入端(22)之间。
4.如权项3所要求的系统，其中处理电路包括一与霍尔效应元件(23)的输出端相连的放大电路(26、27)，且其输出(36)通过零位开关(37)与第二运算放大器(38)相连，第二运算放大器的反向输入端接收放大了的霍尔输出电压，而且，开关装置包括一相移开关(11)，它与开关(9)同步闭合，使输入放大器(38)正向输入端的放大的霍尔输出电压倒相，因此，第二运算放大器(38)的输出是这样一个电压，它有和有功功率(W)成正比的分量，而且由于霍尔效应元件(23)，转换器(18)，放大电路(26、27)以及其符号取决于开关(11)的状态的放大器(38)，分量的符号与开关(9、11)和误差分量无关。
5.如权项4所要求的系统，其中放大电路(26)、(27)包括一低通滤波器(28，29，30，31)来减少霍尔输出电压的交流分量。
6.如权项3所要求的系统，此系统是用来测量与一多相电源相连的负载消耗的电能，其中每一项都有一个霍尔元件(109，110，111)及其电源电路，系统中还包括一与霍尔效应元件的输出相连的差动放大器(112，113，114)，其中代表各相上负载消耗的视在功率的差动放大器的输出加到一加法放大器(115)的输入端，此加法放大器的输出经置零开关(37)与第二运算放大器(38)相连，第二运算放大器在其反相输入端接收放大了的霍尔输出电压的和，系统中还有一开关装置，此开关装置包括一相移开关(11)，它在每一相位处与开关(9)同步闭合，使输入到放大器(38)正相输入端的累加的霍尔输出电压之和翻转，进而放大器(38)的输出就是这样一个电压，它包括与有效多相功率成正比的分量，由于霍尔效应元件(109，110，111)，差分放大器(112，113，114)和其符号取决于开关(11)状态的放大器(38)，此分量的符号与开关(9，11)的状态以及误差分量无关。
7.如权项4～6中任何一个所要求的系统，其中处理电路包括一电压-频率转换器(47)，它与第二运算放大器(38)的输出相连，并且可以产生代表放大器(38)输出电压的数字脉冲序列。
8.如权项7所要求的系统，其中测量电路包括一加法计数器(72)，此加法计数器与一双掷开关的输出端相连，双掷开关的输入与电压-频率转换器的输出和时钟脉冲定时电路相连，(48～51)测量电路还包括由定时电路控制并且能在预定时间控制相移开关(9，11)置零开关(38)和计数器(72)的逻辑元件(53，63，80，90)，这样计数器(72)接收表示负载有功功率(W)和自场效应误差分量(KSf)的两不同变换相位的数字信号，而自场效应误差分量在计数器(72)中自行消除。
9.如权项8所要求的系统，其中测量电路包括一误差计数器(85)，它与双掷开关(76)的输出相连，且在第一个时间间隔内(t1)置零开关(37)闭合，加法计数器(72)被逻辑电路(63)封闭时，累加一代表第二运算放大器(38)和电压-频率转换器(47)的零误差数值，在另一时间间隔(t3)通过开关(76)接收来自定时电路(48-51)的定时脉冲，当加法计数器(72)接收到主时钟脉冲时，定时电路将计数器(85)计至零，以便从计数器(72)里减去代表第二个运算放大器(38)和转换器(47)的零误差的数值。
10.如权项8或9所要求的系统，包括与加法计数器(72)相连的显示器(104)，此显示器显示由加法计数器(72)累加的能量消耗量。
11.如权项6或7要求的系统，在一家用功耗表中，其中显示器(104)给出一直现的能量消耗的累加读数。
专利摘要
本发明涉及用于测量负载消耗电能的系统。此系统可用于瓦特计中的能量表。此系统应用了带有电源电路(5，18，25)的一个霍尔效应元件(23)和开关装置(9，11)，此开关装置控制偏置电流和与霍尔效应元件相关的磁场之间的相对相位变化，从而引起霍尔输出电压的变化。此输出电压被馈送到信号处理电路(26，27，38，47)和测量电路(48-51，72，85)来测量消耗的电能，测量结果与由霍尔效应元件(23)中的偏置电流的自场效应产生的误差无关。
文档编号G01R21/00GK85104789SQ85104789
公开日1986年12月24日 申请日期1985年6月21日
发明者乔弗雷·克芬斯, 康耐思·詹姆斯·巴特勒 申请人:皮尔金顿兄弟有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan