一种电流采样电路及电能表的制作方法

1.本发明涉及一种电流采样电路及电能表，属于直流计量领域。


背景技术：

2.随着直流配电技术的发展，对直流计量的需求越来越大。目前直流电能表适用于直流充电桩、电池、光伏发电等直流信号设备电量测量和电能计量装置，亦可用于工矿企业、民用建筑、楼宇自动化等现代供配直流电系统。目前直流电能表更多的是采用外置式分流器进行电流采样，配套的分流器可看作一个高精度的电阻器（一般为几百μω），将流过的电流信号转换成对应的电压信号。随着直流计量使用设备的小型化发展，整个直流计量模组（直流表+分流器）也需要小型化，由于直流表结构尺寸是按照现有标准（国网企标）型式执行，结构尺寸固定，能小型化的只有外部安装的分流器。
3.常规外置式分流器与直流电能表的配合接线如图1所示，分流器串接在被测电源上，将采样得到的信号传送给直流电能表的端子1和端子2上，如下图2-1和图2-2，分流器采样信号通过端子1和端子2传输到直流电能表内部电路上，电气网络标识记作iin+/gndd，如图3所示。为提高直流电能表在-40℃~70℃全温度范围内的计量精度，直流表内部电路采用电流采样切换电路，将直流电流信号切换成50hz的差分脉冲信号io+/io-后将信号输入到计量芯片上进行计量，并打开计量芯片内部的高通滤波器，滤除直流信号中的直流分量成分。dvdd为切换电路的供电电源，50hz信号为电能表内部由mcu产生的方波信号。
4.直流计量模组（直流表+分流器）小型化设计之后，分流器安装在直流电能表壳体内部，将被测电源的电源线直接引入到直流电能表的端子1和端子2上，分流器在内部完成电流采样，并将采样后的信号传输到直流电能表处理电路中。若配套的分流器规格不变，在60a规格下分流器自身功耗为 4.5w,在100a规格下分流器自身功耗为 7.5w, 在200a规格下分流器自身功耗为 15w, 在300a规格下分流器自身功耗为 22.5w,且由于直流电能表壳体较为密闭，散热性能差，分流器功耗产生的温升会影响到整个直流电能表电路的工作温度，降低电表使用寿命。另若为降低分流器功耗选用较小阻值分流器时，采样得到的电流信号值也会降低，此时连接线、电路板上引入的干扰信号比例增加，影响直流电能表的计量精度尤其是小电流时的计量精度。以300a为例，当阻值由375μω降低至50μω，额定采样值由75mv降低至15mv，在0.01倍额定电流条件下采样值仅为150μv，线路上的干扰信号影响比重也随之升高。为解决上述问题，本发明考虑设计一款既能降低分流器功耗，又不影响计量精度的电流采样电路。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电流采样电路及电能表，为解决当检测的电流较小时内置式分流表检测精度低的问题。
6.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案包括：本发明的电流采样电路包括选配电路、电流采样信号放大电路和电流采样切换电
路；选配电路的输入端和电流采样信号放大电路的输入端用于切换连接分流器的输出端；选配电路的输出端和电流采样信号放大电路的输出端均连接电流采样切换电路的输入端，电流采样切换电路的输出端用于连接计量芯片，用于将直流电流信号切换成脉冲信号输入至计量芯片；若分流器输出的电流采样信号小于或等于第一设定阈值时，选配电路的输入端用于连接至分流器的输出端；若分流器输出的电流采样信号大于第一设定阈值，电流采样信号放大电路的输入端用于连接至分流器的输出端。
7.有益效果为：本发明的电流采样电路利用选配电路和电流采样信号放大电路，保证在电流采样信号降低的情况下，并利用电流采样信号放大电路中精密的放大器，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，以兼容解决分流器内置造成的直流电能表温升问题和电流采样值降低的问题。
8.进一步地，电流采样信号放大电路为差分放大电路。
9.有益效果为：增设差分放大电路，放大至和分流器输入端电流采样信号一致，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，解决了当电流过小时内置式分流表精度低的问题。
10.进一步地，差分放大电路包括运算放大器和瞬态抑制二极管，所述瞬态抑制二极管设置在分流器输出端和地之间；运算放大器的同向输入端通过第一差分电阻接地，第一差分电阻两端并联有第一电容并联；运算放大器的同向输入端还通过第二差分电阻连接分流器输出端；运算放大器的反向输入端通过第三差分电阻接地，运算放大器的同向输入端还通过第四差分电阻连接至运算放大器的输出端，第四差分电阻两端并联有第二电容；运算放大器的输出端连接电流采样信号放大电路的输入端。
11.有益效果为：通过增设电流采样信号放大电路，将由于分流器电阻降低而导致的电流采样变小的信号，放大至和分流器输入端电流采样信号一致，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，解决了当电流过小时内置式分流表精度低的问题。
12.进一步地，所述选配电路包括一条用于连接分流器的输出端和电流采样切换电路输入端的支路，所述支路上串设有选配电阻。
13.有益效果为：电能表可以根据不同大小电流进行切换电路，当电流小时，切换至选配电路，选配电路支路上串设有选配电阻，通过选配电阻连接至电流采样切换电路。
14.本发明的电能表包括分流器和计量芯片，分流器设置在电能表壳体内部，还包括选配电路、电流采样信号放大电路和电流采样切换电路；分流器的输出端切换连接选配电路的输入端和电流采样信号放大电路的输入端，选配电路的输出端和电流采样信号放大电路的输出端均连接电流采样切换电路的输入端，电流采样切换电路的输出端连接计量芯片，用于将直流电流信号切换成脉冲信号输入至计量芯片；若分流器输出的电流采样信号小于或等于第一设定阈值时，分流器的输出端连接选配电路的输入端；若分流器输出的电流采样信号大于第一设定阈值，分流器的输出端连接电流采样信号放大电路的输入端。
15.有益效果为：本发明的电能表允许分流器内置，并利用选配电路、电流采样信号放大电路，保证在电流采样信号降低的情况下，并利用电流采样信号放大电路中精密的放大器，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，以兼容解决分流器内置造成的直流电能表温升问题和电流采样值降低的问题。
16.进一步地，电流采样信号放大电路为差分放大电路。
17.有益效果为：增设差分放大电路，放大至和分流器输入端电流采样信号一致，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，解决了当电流过小时内置式分流表精度低的问题。
18.进一步地，差分放大电路包括运算放大器和瞬态抑制二极管，所述瞬态抑制二极管设置在分流器输出端和地之间；运算放大器的同向输入端通过第一差分电阻接地，第一差分电阻两端并联有第一电容并联；运算放大器的同向输入端还通过第二差分电阻连接分流器输出端；运算放大器的反向输入端通过第三差分电阻接地，运算放大器的同向输入端还通过第四差分电阻连接至运算放大器的输出端，第四差分电阻两端并联有第二电容；运算放大器的输出端连接电流采样信号放大电路的输入端。
19.有益效果为：通过增设电流采样信号放大电路，将由于分流器电阻降低而导致的电流采样变小的信号，放大至和分流器输入端电流采样信号一致，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样信号值，解决了当电流过小时内置式分流表精度低的问题。
20.进一步地，选配电路包括一条用于连接分流器的输出端和电流采样切换电路输入端的支路，所述支路上串设有选配电阻。
21.有益效果为：电能表可以根据不同大小电流进行切换电路，当电流小时，切换至选配电路，选配电路支路上串设有选配电阻，通过选配电阻连接至电流采样切换电路。
22.进一步地，分流器阻值是可变的，若分流器的输入电流大于第二设定阈值时，分流器阻值降低。
23.有益效果为：根据采样的电流大小，可以对不同情况，进行分流器阻值选取，从而降低分流器的功率，以避免分流器功率大导致电能表温度过高，降低电能表的使用寿命。
24.进一步地，电流采样切换电路，将电流采样信号切换成差分脉冲信号,之后进入计量芯片进行计量数据处理。
25.有益效果为：电流采样切换电路用于将电流采样信号切换成差分脉冲信号io+/io-进入计量芯片。
附图说明
26.图1是现有技术的分流器现场接线示意图；图2-1是现有技术的电流电能表端子座示意图；图2-2是现有技术的电流电能表接线示意图；图3是本发明的选配电路；图4是本发明的直流电流采样信号放大电路；图5是本发明的电流采样切换电路。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
28.电能表的实施例：本发明的电能表包括分流器、选配电路、电流采样信号放大电路、电流采样切换电
路和计量芯片。
29.小型化之后的分流器结构尺寸与直流电能表端子1和端子2结构尺寸匹配，在直流表内部用螺钉将分流器固定。为减少分流器自身损耗，分流器的阻值对应减小，且电流规格越大，阻值减少的越多。
30.如图3和图4所示，分流器的输出端切换连接选配电路的输入端和电流采样信号放大电路的输入端，选配电路的输出端和电流采样信号放大电路的输出端均连接电流采样切换电路的输入端，电流采样切换电路用于将直流电流信号切换成脉冲信号输入至计量芯片。
31.如图4所示为本发明的电流采样放大电路，iin+为分流器二次侧得到的电流采样信号，r1/r2/r3/r4/u1为电流采样信号放大电路，选配电路（图3）支路上串设有选配电阻r5；当输入电流值比较小在50a以下时，因电流比较小，分流器的阻值可按原有的进行阻值选取（其中现场待测量的电流值，流过直流电能表的负载电流，由现场的负载大小决定，当待测量电流在50a以下时，内置分流器的阻值可保持与原有外置分流器的阻值一致，此种状态下，分流器内置与分流器外置时得到的采样电流值一样。），电流采样值不变，此时电流采样放大电路可不用，分流器输出端连接选配电路（图3）将r5短接，分流器采样信号viin1进入切换电路（图5），将直流电流信号viin1切换成差分脉冲信号io+/io-,之后进入计量芯片进行计量数据处理；当输入电流值比较大在50a以上时，分流器阻值降低，采样值降低，此时起用电流采样放大电路，r5不焊接，分流器得到的采样信号值经过电流采样放大电路（图4）进行放大，放大后得到viin1，之后接入切换电路（图5），将其切换成差分脉冲信号io+/io-后进入计量芯片进行计量数据处理。
32.图4为以高精度运算放大器u1搭建的差分放大电路，差分放大电路中，分流器输出端通过瞬态抑制二极管tvs1接地；运算放大器u1的同向输入端通过第一差分电阻r1接地，第一差分电阻与第一电容c1并联；运算放大器u1的同向输入端还通过第二差分电阻r3连接分流器输出端；运算放大器的反向输入端通过第三差分电阻r4接地运算放大器的同向输入端还通过第四差分电阻r2与第二电容c1并联的支路连接至运算放大器的输出端；运算放大器的输出端连接电流采样信号放大电路的输入端；运算放大器型号可选为opa189；差分放大电路的放大倍数为：(r1/r3)=(r2/r4)，且要求r1=r2，r3=r4。放大输出信号与输入信号的关系为：viin1=（r1/r3）*(iin1+)，r1/r2/r3/r4的具体数值选型依据分流器阻值的降低系数进行选取，例如：分流器阻值降为原来阻值的0.5倍，此时可通过r1/r2/r3/r4将放大电路的放大倍数设置为2，即得到的viin1值与分流器外置时得到的采样值相同，以便减少计量程序处理、调检表环节的变动。电阻阻值精度可选为0.5%
±
25ppm。
33.如图5所示为电流采样切换电路，在采样信号切换模块中，viin1电压经过50hz的信号和mos管搭建的切换电路后，会被切换成等幅值的差分信号（io+和io-）输入到计量芯片电流通道进行计量，将信号输入到计量芯片上进行计量，并打开计量芯片内部的高通滤波器，滤除直流信号中的直流分量成分。dvdd为切换电路的供电电源，50hz信号为电能表内部由mcu产生的方波信号。
34.另直流电能表的壳体结构、端子座、电路中的其它功能模块（cpu模块、485模块、程序），可不发生变化沿用原有方案即可。
35.本发明的电能表采用运算放大器和差分放大电路以及mos切换电路搭建了一个适用于分流器内置式的直流电流采样电路。该电路在不改变原有总体计量方案和产品方案的基础上，允许分流器安装在直流电能表内部，并利用精密的乘法放大器，保证在降低分流器阻值的情况下，尽可能小的改变电流采样电路输入到计量芯片上的电流采样值，以兼容解决分流器内置造成的直流电能表温升问题和电流采样值降低的问题。
36.电流采样电路的实施例：本发明的一种电流采样电路实施例，该电流采样电路包括：选配电路、电流采样信号放大电路、电流采样切换电路；选配电路的输入端和电流采样信号放大电路的输入端切换连接分流器的输出端，选配电路的输出端和电流采样信号放大电路的输出端均连接电流采样切换电路的输入端，电流采样切换电路用于将直流电流信号切换成脉冲信号输入至计量芯片。若分流器输出的电流采样信号小于或等于第一设定阈值时，选配电路的输入端用于连接至分流器的输出端；若分流器输出的电流采样信号大于第一设定阈值，电流采样信号放大电路的输入端用于连接至分流器的输出端。
37.电流采样电路的详细组成部分以及工作过程及原理已在电能表的实施例中详细说明，这里不再赘述。
38.以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。