專利名稱：采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量裝置，屬于電氣測量領域。
背景技術：
電氣測量系統的功率測量裝置要獲取的結果是有功功率、無功功率、視在功率及電壓信 號和電流信號的相位差，目前大多采用的技術手段是同步采集電流信號和電壓信號，利用電 流互感器或霍爾電流傳感器采集電流信號，利用電壓互感器或霍爾電壓傳感器采集電壓信號 ，但是電流/電壓互感器、霍爾電流/電壓傳感器在電氣測量系統中應用具有一定的局限性， 電流/電壓互感器受到頻帶的限制只能檢測額定頻率± 5%附近頻帶的電流/電壓信號，且信號 為非直流信號；霍爾電流/電壓傳感器使用的頻帶為0-100kHz，雖然能夠滿足現有電氣測量 頻帶要求和電流控制精度，但是它很難在整個頻帶和量程范圍內滿足高精度的測量要求。它 們的應用成本都遠高于分流器/分壓器。因此，分流器/分壓器在電氣測量領域得到了廣泛應 用。
電氣測量領域中應用分流器檢測電流、用分壓器檢測電壓的方式，以其結構最簡單、反 應電流/電壓變化實時性最高等優點曾經得到廣泛應用，但是，現有的分流器/分壓器長距離 傳輸的結構特點影響測量精度，導致測量精度低分流器采樣電流后的電壓參數、分壓器采 樣后的電壓參數要經過長距離傳輸到后臺PC機進行統一應用及處理，電流采樣所得電壓信號 、分壓器采樣后的電壓參數在傳輸過程中會產生線路壓降，進而影響電流的檢測精度；由于 長距離傳輸，采樣回路易受電磁環境干擾引起采樣信號非線性變化從而影響檢測精度等缺點 又制約了其應用的廣泛性。
發明內容
本發明的目的是解決現有分流器/分壓器的測量結果經過長距離傳輸導致測量精度低的 問題，提供一種采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量裝置。
本發明包括分流器、分壓器、電流運算放大和線性光耦隔離模塊、電壓運算放大和線性 光耦隔離模塊、電流極性判斷電路、電壓極性判斷電路、電流A/D轉換電路、電壓A/D轉換電 路和數字信號處理和運算模塊DSP，
分流器的采樣電阻Ri兩端引出線為分流器的電壓信號輸出端，所述分流器的電壓信號輸 出端與電流運算放大和線性光耦隔離模塊的輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔離模塊
4的輸出端與電流A/D轉換電路的輸入端相連，電流A/D轉換電路的輸出端與數字信號處理和運 算模塊DSP的電流采樣輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔離模塊的電流極性信號輸出 端與電流極性判斷電路的輸入端相連，電流極性判斷電路的輸出端與數字信號處理和運算模 塊DSP的電流極性控制端相連，
分壓器的分壓電阻Rv兩端引出線為分壓器的電壓信號輸出端，所述分壓器的電壓信號輸 出端與電壓運算放大和線性光耦隔離模塊的輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊 的輸出端與電壓A/D轉換電路的輸入端相連，電壓A/D轉換電路的輸出端與數字信號處理和運 算模塊DSP的電壓采樣輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊的電壓極性信號輸出 端與電壓極性判斷電路的輸入端相連，電壓極性判斷電路的輸出端與數字信號處理和運算模 塊DSP的電壓極性控制端相連，
數字信號處理和運算模塊DSP的同步采樣控制端同時與電流A/D轉換電路的電流采樣控制 端和電壓A/D轉換電路的電壓采樣控制端相連。
本發明的優點是分流器/分壓器采樣獲得的電壓信號不用長距離傳輸給后臺進行處理 ，直接在現場利用數字信號處理和運算模塊DSP進行處理，直接獲得要用到的結果，即有功 功率、無功功率、視在功率及電壓信號和電流信號的相位差，這樣，不會因為長距離傳輸時 導致線路壓降，保證了測量的高精度。
圖l是本發明的結構示意圖，圖2是分流器和分壓器的測量原理圖，圖3是電流運算放大 和線性光耦隔離模塊的結構示意圖，圖4是電壓運算放大和線性光耦隔離模塊的結構示意圖
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的采用線性光耦 實現基于電阻采樣的功率測量裝置包括分流器l、分壓器2、電流運算放大和線性光耦隔離模 塊3、電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4、電流極性判斷電路5、電壓極性判斷電路6、電流 A/D轉換電路7、電壓A/D轉換電路8和數字信號處理和運算模塊DSP9，
分流器l的采樣電阻Ri兩端引出線為分流器l的電壓信號輸出端，所述分流器l的電壓信 號輸出端與電流運算放大和線性光耦隔離模塊3的輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔 離模塊3的輸出端與電流A/D轉換電路7的輸入端相連，電流A/D轉換電路7的輸出端與數字信 號處理和運算模塊DSP9的電流采樣輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔離模塊3的極性 信號輸出端與電流極性判斷電路5的輸入端相連，電流極性判斷電路5的輸出端與數字信號處理和運算模塊DSP9的電流極性控制端相連，
分壓器2的分壓電阻Rv兩端引出線為分壓器2的電壓信號輸出端，所述分壓器2的電壓信 號輸出端與電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4的輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔 離模塊4的輸出端與電壓A/D轉換電路8的輸入端相連，電壓A/D轉換電路8的輸出端與數字信 號處理和運算模塊DSP9的電壓采樣輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4的極性 信號輸出端與電壓極性判斷電路6的輸入端相連，電壓極性判斷電路6的輸出端與數字信號處 理和運算模塊DSP9的電壓極性控制端相連，
數字信號處理和運算模塊DSP9的同步采樣控制端同時與電流A/D轉換電路7的電流采樣控 制端和電壓A/D轉換電路8的采樣控制端相連。
本發明裝置實現的是功率的測量，功率的測量需要采集兩個信號， 一個電流信號， 一個 是電壓信號，本實施方式中，用分流器l采集電流信號，用分壓器2采集電壓信號，參見圖2 說明其測量原理。
分流器l具有采樣電阻Ri，分流器l的采樣電阻Ri串聯于被測的回路中，知道所述采樣電 阻Ri兩端的分流電壓Ui即可求得電流i， i=Ui/Ri，采樣所述采樣電阻Ri兩端的電壓信號輸送 給電流運算放大和線性光耦隔離模塊3。
分壓器2的全部電阻為RT，并聯在需要測量的回路中，電阻RT兩端被測電壓為U，分壓電 阻Rv是電阻Rt的一部分，分壓電阻Rv兩端的分壓電壓為uv，采集分壓電阻Rv兩端的分壓電壓u， 輸送給電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4， uv=UXRT/Rv， 一般分壓電阻Rv的阻值很小，這 樣就可以實現高壓的測量。
先對采集電流信號進行說明，參見圖3所示，電流運算放大和線性光耦隔離模塊3包括兩 大部分， 一部分是運算放大，另一部分是線性光耦，能實現該功能的電路有很多，本實施方 式給出的電路如圖3所示，電流運算放大和線性光耦隔離模塊3包括第一線性光耦0C1、第一 電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一集成運放 Al、第二集成運放A2、第三集成運放A3、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第 四二極管D4、第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3，第一線性光耦0C1由第一發光二極管 LED、反饋光電二極管PD1和第一輸出光電二極管PD2組成，第一電阻R1的一端與分流器1的電 壓信號輸出端相連，第一電阻R1的另一端與第一二極管D1的正極相連，第一電阻R1的另一端 同時與第二二極管D2的負極相連，第一二極管D1的負極同時與第一集成運放A1的反相輸入端 和反饋光電二極管PD1的負極相連，第一電容C1并聯在第一集成運放A1的反相輸入端和輸出 端之間，第三二極管D3反向并聯在第一集成運放A1的反相輸入端和輸出端之間，第一集成運放A1的輸出端與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端與發光二極管LED的負極相連
第二二極管D2的正極與反饋光電二極管PD1的正極相連，第二二極管D2的正極同時與第 二集成運放A2的反相輸入端相連，第二電容C2并聯在第二集成運放A2的反相輸入端和輸出端 之間，第四二極管D4正向并聯在第二集成運放A2的反相輸入端和輸出端之間，第二集成運放 A2的輸出端與發光二極管LED的正極相連；
第一集成運放A1的正相輸入端和第二集成運放A2的正相輸入端的連接點引出線與第三電 阻R3的一端相連，第三電阻R3的另一端接地，第一集成運放A1的正相輸入端和第二集成運放 A2的正相輸入端的連接點引出線同時與第二電阻R2的一端相連，第二電阻R2的另一端與電流 極性判斷電路5相連。
線性光耦隨市場出現的轉換精度最高的和頻帶最高的來選型，本實施例中，第一線性光 耦0C1采用HCNR200型線性光耦或HCNR201型線性光耦。分流電壓信號Ui的線性轉換一次側由 第一線性光耦0C1的反饋光電二極管PD1和第一發光二極管LED，第一二極管D1、第二二極管 D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、 第一集成運放A1、第二集成運放A2、第一電容C1、第二電容C2組成。
線性轉換二次側由第一線性光耦0C1的第一輸出光電二極管PD2，第三集成運放A3，第五 電阻R5、第六電阻R6和第三電容C3組成，第六電阻R6的作用為信號的增益GAIN調節。
當第一發光二極管LED通過驅動電流If時，發出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射 在反饋光電二極管PD1、第一輸出光電二極管PD2上，反饋光電二極管PD1吸收伺服光通量的 一部分，從而產生控制電流Il(I^0.005If )。該電流用來調節If以補償第一發光二極管 LED的非線性。第一輸出光電二極管PD2產生的輸出電流I2與第一發光二極管LED發出的伺服 光通量成線性比例。令伺服電流增益K^I1/If，正向增益K242/If;則傳輸增益 K3=K2/K1=I2/I1， K3的典型值為l。分流電壓信號Ui為正極性輸入時，第一二極管D1、第一 集成運放A1這一路參與工作，正極性輸出；分流電壓信號Ui為負極性輸入時，第二二極管D2 、第二集成運放A2這一路參與工作，負極性輸出，也就是說，分流電壓信號Ui可以是正也可 以是負，即分流電壓信號Ui可以是直流，也可以是交流。在電氣測量現場一般測量都是交流 信號，下面以采樣交流信號為對象進行說明。
分流電壓信號Ui的極性的判斷由電流極性判斷電路5來完成，電流極性判斷電路5包括第 四集成運放A4、第五集成運放A5、第七電阻R7、第八電阻R8和第二線性光耦0C2，第二線性 光耦0C2包括第二發光二極管LED2、第二輸出光電二極管PD3、第一三極管T1、第二三極管T2，第二輸出光電二極管PD3的正極與第一三極管T1的基極相連，第二輸出光電二極管PD3的負極與第一三極管T1的集電極相連，第一三極管T1的發射極與第二三極管T2的基極相連，第二三極管T2的發射極接地，
第四集成運放A4的反相輸入端與電流運算放大和線性光耦隔離模塊3的第一電阻R1的另一端相連，第四集成運放A4的正相輸入端接地，第四集成運放A4的輸出端與電流運算放大和線性光耦隔離模塊3的第二電阻R2的另一端相連，第四集成運放A4的輸出端同時與第五集成運放A5的正相輸入端相連，第五集成運放A5的反相輸入端接地，第五集成運放A5的輸出端與第七電阻R7的一端相連，第七電阻R7的另一端與第二發光二極管LED2的正極相連，第二發光二極管LED2的負極接地，
第一三極管Tl的集電極同時與電源Vcc和第八電阻R8的一端相連，第八電阻R8的另一端與第二三極管T2的集電極相連，第八電阻R8的另一端與第二三極管T2的集電極的連接點引出線作為電流極性判斷電路5的輸出端，輸出電流極性標識Vsigm。
分流電壓信號Ui為正極性時，電流極性判斷電路5輸出電流極性標識VsignfO，分流電壓信號Ui為負極性時，電流極性判斷電路5輸出電流極性標識Vsignfl ，電流極性標識這個開關量給數字信號處理和運算模塊DSP9，用于判斷電流信號處于正半周期還是負半周期。
電流運算放大和線性光耦隔離模塊3輸出模擬電壓信號U。uu，所述模擬電壓信號U。uu端口連接電流A/D轉換電路7，電流A/D轉換電路7將模擬電壓信號U。uu轉換成16位的數字信號，并輸出給數字信號處理和運算模塊DSP9。
下面再對采集電壓信號進行說明，參見圖4所示，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4的結構與電流運算放大和線性光耦隔離模塊3完全相同，分壓電壓信號Uv經電壓運算放大和線性光耦隔離模塊4輸出模擬電壓信號U。ut2，所述模擬電壓信號U。ut2端口連接電壓A/D轉換電路8，電壓A/D轉換電路8將模擬電壓信號U。ut2轉換成16位的數字信號，并輸出給數字信號處理和運算模塊DSP9。
分壓電壓信號Uv的極性的判斷由電壓極性判斷電路6來完成，電壓極性判斷電路6的結構與電流極性判斷電路5完全相同，電壓極性判斷電路6輸出電壓極性標識Vsign2，分壓電壓信號Uv為正極性時，電壓極性判斷電路6輸出電壓極性標識VsignfO，分壓電壓信號Uv為負極性時，電壓極性判斷電路6輸出電壓極性標識Vsignfl ，電壓極性標識這個開關量給數字信號處理和運算模塊DSP9，用于判斷電壓信號處于正半周期還是負半周期。
為了保證功率計算的準確性，要同步采集同一回路的電壓信號和電流信號數據以保證相位采集的同時性，進而計算電壓和電流相位差才是正確的。因此，由數字信號處理和運算模塊DSP9控制電流A/D轉換電路7和電壓A/D轉換電路8同時采集信號，并讀取其輸出數字信號，數字信號處理和運算模塊DSP9保存實時數據，計算得到信號的基波有效值、基波頻率、相位、諧波分量。利用計算結果可以計算出這個回路的視在功率S、電壓和電流的相位差小、有功功率P以及無功功率Q。
由電壓的有效值和電流的有效值的乘積可以計算被測回路的視在功率S;電壓相位計算值減去電流相位計算值得到該回路的功率因數角小；視在功率S乘以功率因數角4)的余弦得到回路的有功功率P;視在功率S乘以功率因數角小的正弦得到回路的無功功率Q。
這樣，用戶在現場就獲得了想要得到的最終測量結果，不會因為長距離傳輸時導致線路壓降，保證了測量的高精度。
本發明的主要指標本發明測量的頻帶寬，頻帶為0-10kHz，電流和電壓的準確度由于0. 2級，功率測量準確度優于l. 0級，滿足現有電力計量和電機測試國家標準對功率測試的要求。
具體實施方式
二、本實施方式與實施方式一的不同之處在于，它還包括光纖通訊發送模塊OTSIO、光纖通訊接收模塊0TR11和光纖通訊接口電路12，數字信號處理和運算模塊DSP9的輸出端通過BUS總線與光纖通訊發送模塊OTS 10的輸入端相連，光纖通訊發送模塊OTS 10的輸出端和光纖通訊接收模塊0TR11的輸入端之間光信號耦合連接，光纖通訊接收模塊0TR11的輸出端通過BUS總線與光纖通訊接口電路12相連，其它與實施方式一相同。
實施方式一在數字信號處理和運算模塊DSP9中獲得一系列計算數據，這些數據是用戶要用到的最終結果，這些數據通過光纖通訊傳送給用戶，BUS總線采用RS485總線，光纖通訊接口電路12采用RS485接口電路，或BUS總線采用CAN總線，光纖通訊接口電路12采用CAN接口電路。S陽US總線與用戶端的光纖通訊接口電路12保持一致。
這樣，在現場計算好的高精度的數據經過光纖傳輸給用戶端不會降低測量的精度。而且，本實施方式傳輸的手段是采用光纖通訊，受到的干擾弱，整個量程檢測精度一致、抗干擾能力強，實現了數字化通訊功能。
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權利要求
1.采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量裝置，其特征在于，它包括分流器(1)、分壓器(2)、電流運算放大和線性光耦隔離模塊(3)、電壓運算放大和線性光耦隔離模塊(4)、電流極性判斷電路(5)、電壓極性判斷電路(6)、電流A/D轉換電路(7)、電壓A/D轉換電路(8)和數字信號處理和運算模塊DSP(9)，分流器(1)的采樣電阻Ri兩端引出線為分流器(1)的電壓信號輸出端，所述分流器(1)的電壓信號輸出端與電流運算放大和線性光耦隔離模塊(3)的輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔離模塊(3)的輸出端與電流A/D轉換電路(7)的輸入端相連，電流A/D轉換電路(7)的輸出端與數字信號處理和運算模塊DSP(9)的電流采樣輸入端相連，電流運算放大和線性光耦隔離模塊(3)的電流極性信號輸出端與電流極性判斷電路(5)的輸入端相連，電流極性判斷電路(5)的輸出端與數字信號處理和運算模塊DSP(9)的電流極性控制端相連，分壓器(2)的分壓電阻Rv兩端引出線為分壓器(2)的電壓信號輸出端，所述分壓器(2)的電壓信號輸出端與電壓運算放大和線性光耦隔離模塊(4)的輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊(4)的輸出端與電壓A/D轉換電路(8)的輸入端相連，電壓A/D轉換電路(8)的輸出端與數字信號處理和運算模塊DSP(9)的電壓采樣輸入端相連，電壓運算放大和線性光耦隔離模塊(4)的電壓極性信號輸出端與電壓極性判斷電路(6)的輸入端相連，電壓極性判斷電路(6)的輸出端與數字信號處理和運算模塊DSP(9)的電壓極性控制端相連，數字信號處理和運算模塊DSP(9)的同步采樣控制端同時與電流A/D轉換電路(7)的電流采樣控制端和電壓A/D轉換電路(8)的電壓采樣控制端相連。
2.根據權利要求l所述的采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量 裝置，其特征在于，它還包括光纖通訊發送模塊OTS (10)、光纖通訊接收模塊OTR (11)和 光纖通訊接口電路(12)，數字信號處理和運算模塊DSP (9)的輸出端通過BUS總線與光纖 通訊發送模塊OTS (10)的輸入端相連，光纖通訊發送模塊OTS (10)的輸出端和光纖通訊接收模塊0TR (11)的輸入端之間光信號耦合連接，光纖通訊接收模塊OTR (11)的輸出端通過 BUS總線與光纖通訊接口電路(12)相連。
3.根據權利要求2所述的采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量 裝置，其特征在于，BUS總線采用RS485總線，光纖通訊接口電路(12)采用RS485接口電路
4.根據權利要求2所述的采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量 裝置，其特征在于，BUS總線采用CAN總線，光纖通訊接口電路(12)采用CAN接口電路。
全文摘要
采用線性光耦實現基于電阻采樣的功率測量裝置，屬于電氣測量領域，目的是為解決現有分流器/分壓器的測量結果經過長距離傳輸導致測量精度低的問題。本發明包括電流信號測量和電壓信號測量，由分流器采集的模擬量電流信號經電流運算放大和線性光耦隔離模塊轉換成數字量信號，由分壓器采集的模擬量電壓信號經電壓運算放大和線性光耦隔離模塊轉換成數字量信號，所述獲取的兩種信號數字量信號由數字信號處理和運算模塊DSP進行處理，電流信號的極性由電流極性判斷電路進行判斷并將標識量傳給DSP，電壓信號的極性由電壓極性判斷電路進行判斷并將標識量傳給DSP，DSP控制同步采集電壓和電流信號。本發明用于現場精確測量功率。
文檔編號G01R21/00GK101661057SQ20091030780
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月27日 優先權日2009年9月27日
發明者衛愛平, 康爾良 申請人:哈爾濱理工大學