专利名称：三相智能电能表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业用电能表，特别是涉及一种三相智能电能表。
已有的智能型电能表，如美国GE公司、瑞士兰迪斯基公司、德国EMH公司等生产的电能表，其功率因数、无功功率和有功功率的获取方法是通过检测和计量有功功率WR、电流A和电压V而取得的。采用这种技术方案，电能表的测量计量电路为三个，这使得表的硬件电路结构复杂，成本高。
电能表的电流采样是关键技术之一，常规的采样方案有(1)电磁线圈，(2)分流电阻，(3)互感器，(4)磁敏元件(霍尔元件)。这几种采样方案均有不足之处，例如，电磁线圈的缺点是精度不高，且其精度的可靠性受机械传动装置的影响；分流电阻采样的最大缺陷是强电和弱电信号不能隔离，在冲击负载下很容易烧表；电流互感器采样的主要缺点在于输入、输出的相位变化在被采样电流值变化超过1/10以上时产生的相位误差较大；霍尔元件采样的缺点是对弱信号的采样精度很难提高。这表明，进一步改进和完善电能表的电流采样的方法和器件，对表的结构和性能的提高是至关重要的。
本实用新型的目的在于提供一种三相智能电能表，该表功能齐全，高精度、高可靠性，响应频率宽，硬件结构简单，操作便捷，成本低。
本实用新型的三相智能电能表，包括表壳、字轮、液晶显示器、测试计量电路系统，其特点是在表壳的面板上设有供插入IC卡用的插入口，插入口下方装有卡座。面板上还设有供打印、检测脉冲和拉闸信号输出用的接口。测试计量电路系统由采样单元、分时处理单元、相位检测电路单元、乘法器、A/D转换单元、CPU、分频单元、步进机和字轮组成。采样单元的输出端与分时处理单元的输入端连接，分时处理单元的一路输出与相位检测电路单元连接，另一路输出与乘法器连接，相位检测电路单元的输出端与CPU连接，乘法器的输出端与A/D转换单元连接，A/D转换单元的一路输出与CPU连接，另一路输出与分频单元连接，分频单元的输出与步进机连接，步进机驱动字轮转动。采样单元采用霍尔磁平衡传感器。
本实用新型的智能化电能表有许多优点。它功能齐全，集有功、无功、分时计量和预付费功能于一体，是用电自动化和半自动化管理的理想产品。新表安装后，管理数据的输入采用先进技术IC卡，操作十分便捷(亦可用编程器从表上232口输入)。在断电后，数据保存于EEPROM中永不丢失。分时计费的时钟在连续断电十年之内，仍可保持正常工作。断电后无须重新校对时钟。本表采用霍耳磁平衡式传感器，不仅使仪表与电网隔离，安全可靠，更重要的是具有0-100KHz的宽响应频率，工矿企业中各种高、中频大型用电设备的用电计量均可采用此表。
本实用新型有如下附图
图1三相智能电能表表壳面板示意图图2三相智能电能表原理框图图3霍尔磁平衡传感器的工作原理图图4相位检测原理电路图图5主程序逻辑流程图图5中断程序逻辑流程图
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细描述。
图1为电能表的面板示意图。图1中，1为IC卡插入口。采用IC智能卡作为表的编程媒介，直接对电能表编程和输入有关管理数据，以代替操作繁杂且易出错的手持编程器。用IC智能卡代替磁卡电子货币预付费，以提高电子货币的可靠性和保密性。IC智能卡采用具有16位两个字节保密字的AT88SC102芯片制作。图1中，2为RS232口，供打印、检测脉冲、拉闸信号输出。兰色功能键3和白色功能键4配合供复位、校时、读卡和打印时用。字轮5供显示三相总电能，液晶显示器6供显示各项数据用。红色指示灯7闪烁表示正在用电。
图2中，8为采样单元，9为分时处理单元，10为相位检测电路单元，11为乘法器，12为A/D转换器，13为字轮，14为步进机，15为分频单元，16为CPU。CPU还与液晶显示、打印、报警、RS232口和拉闸控制连接。分时处理由多路模拟转换开关实现三相电流、电压值的分时采样。功率因数由相位测试模块产生。有功功率，由乘法器经A/D转换给CPU进行峰、谷、平分时计费和显示。每月的无功电能由CPU根据有功电能和功率因数计算给出。
本表的显示(1)三相总电能(字轮显示，kwh)(2)各相实时功率、功率因数和有功电能(液晶显示，w)(3)互感器变比(液晶显示)(4)时钟(液晶显示，h.min)(5)需量显示(6)峰、谷、平电量显示(7)时段显示等本表打印输出(1)各时段最大月计划需量(kwh，八个时段)，(2)各时段功率超限报警计划(w)，(3)上月峰、谷、平各段最大功率(w)，(4)上月各相在峰、谷、平各段的累计用电量(kwh)，(5)上月累计三相总有功电能(kwh)和总无功电能(kVarh)，(6)上月15分钟最大需量值(kwh)，(7)日期和时间(y.m.d.min)，(8)可按用户需要设置和打印有关数据。
本表的监控功能(1)电压监控，时段最大需量监控。(2)超限量自动报警和拉闸控制。本表的RS232接口可与微机、打印机联网。
电能表的技术指标精度 0.5级、1.0级、2.0级电网频率40Hz-60Hz额定电压3×220V/380V额定电流3×1.5(6)A，3×2.5(10)A，3×5(20)A电表常数16001mP/kwh温度-10℃-45℃相对湿度≤95％使用寿命20年体积270mm×160mm×120mm图3为霍尔磁平衡传感器的工作原理图。该传感器的工作原理为原边电路所产生的磁场通过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的条件下工作。该传感器在电能表1.5(6)、2.5(10)、5(20)三种规格表上均获得成功。电能采样在0.075A-6A、0，125A-10A、0.250A-20A范围内采样，精度值均在0.5％以内，实现了用霍尔器件进行宽范围和高精度的测量。
对电能表相位计量的具体分析表明，cosφ值仅在cosφ＝1/2附近，φ角的计量准确性对cosφ值的影响最大。例如φ角在10°附近时，φ角的计量误差只要不超过1°，其cosφ值的改变均在0.3％以内，为此，采用了结构最简单的相位检测电路。设计时不求其计量准确度，只求计量值的稳定性，而对敏感点60°附近采用软件滤波技术来补偿计量误差。其简要原理和电路结构为电压和电流信号输入调幅单元，经调幅后送入相位电路单元，获得相位计量值后送入滤波单元，对φ值进行滤波补偿，滤波单元的输出经A/D转换单元后送CPU。调幅的目的在于计量相角之前将输入不同幅值的电流、电压信号调制成等幅值的信号，以消除幅值不等带来的相角计量误差。相位电路单元对两信号的相位作比较，获得相位计量值。滤波单元它是固化了滤波算法的门阵列芯片，对相位电路输出的φ值进行滤波补偿。A/D转换单元模数转换。
门阵列的算法是在对相位电路所采用的器件作了大量的实验数据的基础上，经统计分析获得的状态方程来设计的，其置信度在98％以上。
经实验验证，该相位检测模块，在计量精度上完全满足了智能工业表计量的要求，而成本只有几十元人民币。
图4为相位检测原理电路图。两路交流电压信号经1N1(2脚)和1N2(3脚)输入，经LM393过零检测芯片，分别从5、6脚输出方波，再经光藕TLP521-2从OUT1和OUT2输出，两方波信号同的间距即为两交流电压信号的相位差。
本电能表的主程序逻辑流程图和中断程序逻辑流程图见图5和图6。
权利要求1.一种三相智能电能表，包括表壳、字轮、液晶显示器、测试计量电路系统，其特征在于在表壳的面板上设有供插入IC卡用的IC卡插入口(1)，插入口(1)下方装有卡座，面板上还设有供打印、检测脉冲和拉闸信号输出用的接口(2)，测试计量电路系统由采样单元(8)、分时处理单元(9)、相位检测电路单元(10)、乘法器(11)、A/D转换单元(12)、CPU(16)、分频单元(15)、步进机(14)和字轮(13)组成，采样单元(8)的输出端与分时处理单元(9)的输入端连接，分时处理单元(9)的一路输出与相位检测电路单元(10)连接，另一路输出与乘法器(11)连接，相位检测电路单元(10)的输出端与CPU(16)连接，乘法器(11)的输出端与A/D转换单元(12)连接，A/D转换单元(12)的一路输出与CPU(16)连接，另一路输出与分频单元(15)连接，分频单元(15)的输出与步进机(14)连接，步进机驱动字轮(13)转动。
2.如权利要求1所述的电能表，其特征在于采样单元(8)采用霍尔磁平衡传感器。
3.如权利要求2所述的电能表，其特征在于相位检测电路单元(10)由调幅单元、相位电路单元、滤波单元和A/D转换单元组成，滤波单元是固化了滤波算法的门阵列芯片，对相位电路输出的φ值进行滤波补偿。
4，如权利要求3所述的电能表，其特征在于IC智能卡采用具有16位两个字节保密字的AT88SC102芯片制作。
5.如权利要求4所述的电能表，其特征在于分时处理由多路模拟转换开关实现三相电流、电压值的分时采样。
6.如权利要求5所述的电能表，其特征在于供打印、检测脉冲和拉闸信号输出用的接口(2)为RS232口。
专利摘要一种三相智能电能表，由表壳、字轮、液晶显示器和测试计量电路系统组成。表壳的面板上设有供IC智能卡插入用的插入口。测试计量电路系统由采样单元、分时处理单元、相位检测电路单元、乘法器、A/D转换单元、CPU、分频单元、步进机和字轮组成。采样单元采用霍尔磁平衡传感器。该电能表功能齐全、安全可靠、响应频率宽、操作便捷、电路结构简单、成本低，是用电自动化和半自动化管理的理想产品。
文档编号G01R22/00GK2247818SQ95219348
公开日1997年2月19日 申请日期1995年8月22日 优先权日1995年8月22日
发明者王明德 申请人:王明德