用于測量負載上電能消耗的系統的制作方法

專利名稱:用于測量負載上電能消耗的系統的制作方法
本發明涉及一種用于測量消耗在負載上的電能的測量系統，更詳細地說是涉及一種在電能測量中采用霍爾效應元件的系統，例如家庭或商用的測量電力消費的電度表。這種裝置可以替代常用的以千瓦一小時方式記錄電能消耗的家用電度表。
采用霍爾效應元件的電能測量裝置是基于，這樣一種原理，即霍爾效應元件能夠產生一個與流過元件的偏流分量和加在該元件上的磁場成正比的霍爾輸出電壓。偏流值和磁場強度分別與負載上的電壓和負載電流成正比。在這種裝置中，有一種問題是偏流本身會產生一個磁場，該磁場在霍爾輸出電壓中產生一個誤差分量，稱作自場效應誤差項。這個誤差項可導致在功率測量中出現不能接受的誤差。自場效應誤差項還與溫度成非線性關系。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是自場效應誤差項，E表示與負載電流和負載電壓之間的相位角無關的其它誤差，例如熱-電效應引起的誤差。
有功功率W＝KR×VL×lL×COSP其中Kn是一個增益常數VL是負載電壓lL是負載電流P是VL和lL之間的相位角。
本發明的第一個目的是給出一個能夠清除自場效應誤差項Ksf和其它的誤差E的測量系統，以便使得霍爾輸出電壓V0指示的是有功功率。
在一段時間T內消耗的實際能量等于WXT，本發明給出一種用于測量這個實際能的系統，并且該系統可以裝在一個例如電能表或瓦特表那樣的電能測量裝置中。
按照本發明給出的用于測量負載上所消耗電能的系統，包括一個霍爾效應元件，以及霍爾元件的供電電路，該電路響應于負載電壓和負載電流，并包括一個對霍爾元件提供磁場的磁路，和一個偏流供給電路，該系統的特征在于供給電路包括可操作的轉換裝置，以便在預定的時間間隔中，在偏置電流和磁場之間產生一個相對相移，從而改變霍爾元件的霍爾輸出電壓自場效應誤差分量KSf的相位，一個處理電路連接到霍爾效應元件的輸出，以便在不同的時間周期內產生自消除誤差信號，該信號來自于自場效應誤差分量KSf的兩個不同的轉換相位，并且一個測量電路用來接收經過處理的信號并存儲與有功功率W和負載所消耗的能量成正比的測量值。
在一個最佳實施方案中，偏流供給電路用來為霍爾效應元件提供一個正比于負載電壓的偏流，而轉換裝置是一個連接到能控制第一個運算放大器輸入的相移開關，從而該運算放大器能夠將偏流相對于磁場的相位移相180°。
和負載電壓成正比的輸入電壓最好加在第一個運算放大器的反相輸入端，而開關連接到運算放大器的正向輸入端。當開關閉合時，可將電壓輸入轉到正向輸入端，因此，該放大器的輸出相位倒相180°，一個電壓-電流轉換器連接在放大器的輸出和霍爾效應元件的偏流輸入之間。
在最佳實施方案中，處理電路包括一個連接到霍爾效應元件的輸出端的放大電路，并且它的輸出端通過一個零點開關連接到第二個運算放大器，這個運算放大器的反相輸入端加有被放大的霍爾輸出電壓，而轉換裝置包括一個相移開關，當開關閉合的同時，它開始工作，從而將被放大了的霍爾輸出電壓轉接到該放大器的正相輸入端，由第二個運算放大器輸出一電壓，該電壓具有與有用功率W和與轉換狀態無關的信號成正比的分量，以及由霍爾效應元件、轉換器、放大電路和其信號取決于轉換狀態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低通濾波器。
為了測量與多相電源相連的一個負載所消耗的電能，對每個相位本系統都可以包括，一個帶有供電線路的霍爾效應元件和一個連到該霍爾效應元件輸出端的差分放大器，代表各個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，通過一個零置開關加到第二個運算放大器的反向端，加到該反相端的電壓為放大的霍爾電壓之和。開關裝置包括一個相移開關，當開關在每一相閉合時，該相移開關開始動作以便將相加后的霍爾輸出電壓轉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和與轉換狀態無關的信號成正比的分量以及由霍爾效應元件，差分放大器和其信號取決于轉換狀態的放大器所引起的誤差分量。
另外，本發明的處理電路可包括一個電壓-頻率轉換器，該轉換器連接到第二個運算放大器的輸出端，并在工作時產生代表放大器輸出電壓的數字脈沖序列。
按照本發明，測量電路包括一個連接到雙位開關輸出端的加法計數器，而雙位開關的輸入端與電壓頻率轉換器的輸出端和時鐘脈沖定時電路相連接。邏輯元件由定時電路控制，并在預定的時間工作以控制相移開關，零置開關和計數器，因此，計數器接收表示有功負載功率W和表示場效應誤差分量KSf的兩個不同的轉換位相，自場效應誤差分量KSf在計教器中自動消除。
在最佳實施方案中，測量電路包括一個誤差計數器，該計數器連接到雙位開關的輸出端，并在置零開關閉合的第一個時間間隔內工作，而且為了累計對應于電壓一一頻率轉換器和第二個運算放大器的零點漂移誤差數字，通過邏輯電路封閉加法計數器，而在另一時間間隔，為了接收來自于定時電路的定時脈沖，誤差計數器通過開關工作。
在加法計數器接到主時鐘脈沖并從計數器中減去一個表示第二個運算放大器和轉換器的零點漂移誤差的數字時，上述定時電路將計數器置零。
本系統可以包括一個與加法計數器相連接的指示器，以指示加法計數器所累計的能量消耗值。
本發明還給出按照本發明設計的家用功率消耗計量表系統，其中指示器直觀給出能量消耗的累計讀數。
本發明的其它實施方案將結合例子和附圖在下面加以描述，其中附圖1是本發明能量測量系統的一種實施方案的模擬電路圖。
附圖2是附圖1中的能量測量系統的數字電路圖。
附圖3是一個時域圖，表示在工作狀態時，圖1和圖2中所示能量測量系統的各種參數的相對狀態。
附圖4是本發明能量測量系統的第二個實施方案的電路圖。
附圖5是本發明的能量測量系統的第三個實施方案的電路圖。
附圖6是本發明的能量測量系統的第四個實施方案的電路圖。
附圖7是本發明的能量測量系統的第五個實施方案的電路圖。
在附圖1中，用于測量負載上電能消耗的系統包括一個由兩個電阻1和2組成的分壓器，在工作時，它們跨接在加到負載的電壓VL上，該負載正是將要進行能量消耗測量的負載。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之間的導線4上的電壓減少到大約1伏左右，這個降低了的電壓用于驅動運算放大器5。運算放大器5的反相輸入端和正相輸入端分別通過電阻8和相移開關9與導線4相連。開關9是一個固體器件，在附圖中所表示其處在開路狀態，它的閉合開啟狀態由導線10上傳輸來的相移信號控制，該信號也用來控制第二個固體器件相移開關。運算放大器5的正相輸入端7通過一個電阻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，當開關9閉合時，在輸出端14的電壓與輸入電壓同相，這是一個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，而不受開關9的狀態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換器18的正相輸入端17，電壓-電流轉換器，也有一個反相輸入端19，它通過電阻20連接到公共線3上。放大器5輸出信號的任何直流電壓分量均被電容15所阻隔。
轉換器18的輸出接到霍爾效應元件23的偏流輸入端22，該元件的另一個偏流輸入端22接到轉換器18的反相輸入端19。一個正比于負載電壓VL的交流偏流被加到霍爾效應元件23上。
當開關9閉合時，這個交流偏流和負載電壓同相，當開關9斷開時，交流偏流相對于負載電壓VL產生180°相移。
霍爾元件23的霍爾輸出電壓V0出現在輸出端24的兩端。
在需要測量能量消耗的負載中流過的負載電流IL，或一個正比于該負載電流IL的電流流過含有霍爾效應元件23的磁路線圈25，加到元件23上的磁場強度和負載電流IL成正比。兩個輸出端24之間的霍爾輸出電壓V0有一直流分量，該分量正比于負載上所消耗的功率W。因為加到兩個輸出端22上的偏流是交流電流，所以，自場效應誤差項KRf在輸出電壓中表現為一個電壓的交流分量，該分量相對于負載電壓VL的相位取決于開關9的位置。
霍爾輸出電壓V0被兩個接成差動形式的運算放大器26和27所放大。一個輸出端24通過由電阻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，另一個輸出端24通過由電阻30和電容31組成的第二個低通濾波器偶合到放大器27的正相輸入端。一個反饋電阻串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效應誤差項。
運算放大器27的輸出端36的輸出信號是一個DC信號，該信號具有與有效負載功率W成正比的分量，且該分量的符號取決于開關9的位置。36端的DC輸出信號的附加分量正比于在霍爾效應元件23中產生的誤差項(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取決于開關9的情況。
放大器27的輸出端36通過零點開關37接到下一級運算放大器38上，該放大器38為來自放大器27的輸出信號提供第一處理階段。開關37也是一個固態器件，并圖示為開狀態。開關37通過電阻39接到放大器38的反相輸入端40上，并通過相移開關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，來自放大器38的輸出43經過反饋電阻44接反相輸入端40。
來自放大器27的輸出信號，僅當零點開關37閉合時，才傳輸給放大器38。開關37，由控制線45上的電平控制。線45上的低電平維持開關37斷開，這將切斷測量信號到放大器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。當零點開關37閉合，并且開關11與開關9同步動作時，放大器38中信號分量(它正比于有功功率W)的符號變化補償了由放大器5產生的任何符號變化。從而線43上有功功率信號分量W的符號不取決于相移開關9和11的狀態。輸出端36上的信號的附加誤差分量的符號，在相移開關11改變狀態時由放大器38變換之，因此，線43上的信號的誤差信號分量的符號取決于相移開關11的狀態。
當開關9改變狀態時，濾波器28，29和30，31的時間常數產生一定的延遲，就好象放大器27的輸出沒有同時變化。在此時間延遲期間，零點開關37維持斷開狀態，直到放大器27的輸出穩定為止。
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的輸出信號轉變為數字脈沖序列，供進一步處理。從電壓-頻率轉換器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)依次作為由霍爾效應器件所測得的瓦特的瞬時值。為了達到測量在負載上所消耗的能量之效率的目的，可以通過用求和計數器在一個測量周期內對轉換器47輸出的脈沖序列進行計數，使放大器38的輸出信號對于時間積分。該計數器將瓦數累計達到這樣一個值，它可以直接以千瓦一小時數在相關的顯示器上顯示值，或是作為任一其他要求規格中的總能量損耗值。這將參照圖2和圖3予以說明。
如圖3所示，測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有影響累計測量的零誤差，在期間t1內，任一個等效于放大器38和轉換器47中這種零誤差的數均由誤差計數器來累計。這是由斷開零點開關37來完成的。
全部時序均取自主時鐘振蕩器48，振蕩器48的輸出分別由除法器49，50和51的因數200，500和100來除。振蕩器48和除法器49，50和51用來使圖2的邏輯電路工作，以提供圖1中相移開關9和11，以及零位開關37所要求的動作次序。
控制線45上對于零位開關37的電平，在期間t1取自雙穩53的52端，52端的輸出此時是(即“0”)低電平。這一低電平加在線45上，以維持圖1的零位開關37在斷開狀態;示于圖3中。
在t1期間，相移開關9和11是斷開的，因為零位開關37也是斷開的，所以放大器38便沒有輸入信號。同樣在t1期間，雙穩53的55端輸出是高電平(即為“1”)，而且這一高電平輸出通過線56，57和58饋送給NAND門59，60和61的每一輸入端，以及雙穩63的輸入端62。雙穩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“0”輸出到反相器67。反相器67沿線68送出一個“1”到OR門69，OR門69之輸出70接加法計數器72的抑制輸入71。計數器72的作用是一個寄存器，在這測量期間結束時，表示該期間平均瓦數的計數。OR門69產生一個“1”輸出，來封閉求和計數器72。
一個“1”的輸出從NAND門61沿線73和74傳輸給模擬開關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傳送由變換器產生的數字脈沖序列。該脈沖序列有選擇地進行送入，下面將要解釋，求和計數器和誤差計數器。NAND61的輸出信號也沿線73和78傳輸給雙穩80的輸入端79，以分別在端81和82上發出“1”和“0”輸出信號。
如圖3所示，在t1期間，線66上的NAND門59的“0”輸出沿線83饋送給誤差計數器85的輸入84，以便在誤差計數器85中產生一遞減式計數。當有NAND門60的“0”輸出時，誤差計數85不被封閉，并由電壓一頻率變換器47的輸出控制遞減計數。該輸出是通過線77，模擬開關76和連在誤差計數器85的輸入87上的線86饋送到計數器85去的。因為零位開關37在t1期間是斷開的，變換器47的輸出只是由于自身的零點誤差和放大器38(圖1)中任一零點誤差引起。在t1期間，典型的變換器47之輸出信號的頻率大約為100Hz。在t1期間末，誤差計數器已由放大器38和變換器47的零誤差表示數進行了遞減計數。
雙穩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90的輸入89。雙穩90的輸出信號是一個移相信號，該信號沿線10饋送以便對相移開關9和11的狀態進行同步控制。
在t1期間末，分配器50的輸出“0”由一個反相器91變換為“1”輸入信號加在雙穩53的輸出92上。該信號觸發了雙穩53，致使在t2期間在雙穩53的52端輸一個“1”，這使線45上的零位開關37維持其關閉狀態。相移開關9和11仍為斷開，在偏流和霍爾元件24上的磁場之間的相位差為P。同樣，在t2期間，在雙穩53的55端有一“0”輸出，該輸出經線56，57和58饋送到每-NAND門59，60和61的一個輸入端。NAND門59現在產生在線66上產的生一個“1”輸出信號，它由反相器67變為線68上的“0”輸出，該“0”輸出又被加在OR門69的一個輸入端中，在線92上的來自雙穩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”且求和計數器72不再被封閉。
雙穩80的81端之輸出仍為“1”，并被傳輸到NAND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沿著與誤差計數器85的封閉輸入端連接的線93傳輸一個“1”輸出，使誤差計數器85被封閉。NAND門61的輸出仍為“1”，該輸出沿線73和94饋送給求和計數器72的輸入端95，使求和計數器72為遞增計數模式。從而電壓一頻率變換器47的輸出經過線77，模擬開關76以及由線96饋送到求和計數器72的輸入97上。并由求和計數器72遞增計數。在t2期間，典型的變換器47的輸出信號的頻率為100Hz到25KHz之間，因為零位開關37閉合，所以，在t3期間末，寄存在求和計數器72中的計數正比于有效負載功率加上一個相位的誤差項(Ksf+E)和放大器26和27的零點誤差，以及放大器38和電壓一頻率變換器47的任一誤差項。
在t2期間末，雙穩53再一次被觸發，使得雙穩53的輸出52在t3期間回復“0”位，并打開零位開關37，在t2期間末，除法器51沿線88產生一個脈沖，該脈沖觸發雙穩90，使產生的脈沖沿線10傳送以使開關9和11處于閉合狀態，因此，霍爾效應元件23中的偏流相對磁場移相了180°。
此時，雙穩53的55端之輸出為“1”，它經線56，57和58饋送給每一NAND門59，60和61的一個輸入端。雙穩63的64端輸出被線58上的輸入“1”觸發翻轉為“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80的輸出81仍為“0”，所以OR門69的輸出是“0”，求和計數器保持封閉。
線66上的輸出“1”，經線83饋送，將誤差計數器85置于遞增計數模式。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饋送給模擬開關76，以產生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80復位，沿線94將求和計數器72置于遞減模式。
示于圖3中，在t3期間，由除法器49中主時鐘速率被200除所得脈沖，使誤差計數器85遞增計數到零，這些脈沖由線101傳輸給開關76的端子100，爾后在線86上，傳輸給誤差計數器85的輸入端87。求和計數器72由連接在開關76的99端上的線102上的主時鐘脈沖，以主時鐘脈沖率作遞減計數。線102上的脈沖轉接到與計數器72的時鐘脈沖輸入端97連接的線96上。在誤差計數器85已遞增計數到零時的t3期間末之前的某一時刻，在線103上傳輸一個輸出信號給雙穩80，雙穩80翻轉其輸出端81為“0”，及其輸出端82為“1”。線92上的輸出“1”，導致OR門69輸出，以封閉求和計數器92。
求和計數器12的封閉維持一段時間，緊接著t4期間就開始了。當誤差計數器遞增數到零時，開始的封閉期間取決于誤差計數器計數到零所花的時間。一般這一時間可以少于一秒，則封閉期間常多于3秒。但少于4秒。當封閉期間開始時，求和計數器72將遞減計數，所計數等于t1期間乘以200測得的零點誤差量，即在t1期內測得的累計零點誤差會在測量期間t3至t4中產生。
在t4期間開始時，開關9和11仍為閉合。而且偏置電流和霍爾元件24的磁場之間相位差維持在(P+180°)。雙穩53的輸出端52翻回“1”，以閉合零位開關37，則雙穩53的輸出端55是“0”。
因此在t4期間偏值電流對于磁場的相移是180°，而且求和計數器72再次對變換器47的輸出進行遞增計數，但這次計數速率正比于有效負載功率W加上放大器38和變換器47來的零誤差，該零誤差又去掉了其它相位的誤差項(Ksf+E)，以及放大器26和27的零誤差。
在t4期間末，求和計數器72中的計數正比于t2+t4期間內有效平均能量的測量值。這是因為在t2和t4加在一起的期間內，由放大器38和變換器47產生的零誤差已經由計數器72在t3期間內得到補償。誤差項(Ksf+E)和放大器26和27產生的零點誤差在t2和t4期間內具有相等的絕對值，但是相位和符號相反，并因此而自行補償。
因此，裝置作為一個瓦特計工作，每一測量期中的期間t2+t4內能量消耗的有效平均效率顯示在一顯示器104上。顯示器104通過線105接在OR門69的輸出端70上;和/或用于稅收計算。期間t3+t4內的平均功率可以通過t2+t4時間內求和計數器72中分別測量的值進行計算。然后以以上工作順序再重復。
如果平均數要由若干測量期間取得，求和計數器中的累計是有效的，(接著進行除法)時序控制電路可用來觸發適當的電路來進行那些功能。因此，這個系統可以用作為商業功率裝置，這一裝置中，瞬時瓦特數和累計的功耗的讀數都要求以千瓦一小時計。
在本實施方案中，剛才描述的對霍爾輸出電壓的時間的積分是由數字處理過程進行累計的，由模擬處理技術進行積分也是可行的。
參照圖1和圖2所描述的電路可用于多相功率和能量測量。此外，圖1的電路重復用于每一相。用于測量三相負載L1，L2，L3所消耗的能量的典型線路結構示于圖4中。
三個驅動電路106，107和108分別接霍爾元件109，110和111。每個驅動電路都包括一個運算放大器5和電壓一電流變換器18，相應的電路如圖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112，113和114，這些便是表示圖1中霍爾元件23和開關37之間的電路。每一放大級112，113和114的輸出是一個直流信號，該信號正比于消耗在各相中的視在負載功率。這三個輸出饋送到求和放大器115的輸入端。該放大器在線116上的輸出信號便為三相消耗的視在負載功率。線116上的輸出信號照上述圖1和2所描述的相同的方式進行處理。
另一個單相能量測量系統的電路結構示于圖5中。此電路與圖1中零位開關37之的部分相同。放大器27的輸出饋送給一個微處理機117，它通過圖2電路實現定時轉換，計數和其它邏輯功能。在圖5中加給圖2的頻率轉換器的電壓，由一雙向模一數轉換器118代替，并配置一個外部接口119來傳輸控制開關11和37的信號，并將測量值送往顯示器104。
此外，微處理機117可以進行邏輯功能，以提供瞬時瓦數和累計功率消耗的讀數。
剛剛描述過的實施方案中的開關9，11和37是固定態模擬開關類型;它們可以是機電開關。
圖6表示了圖1電路的改進模型電路，其中偏置電流和磁場之間180°的相移是通過保持偏置電流的相位恒定，而改變磁場的相位來實現的。
在圖6中，負載電流IL饋送給跨接線圈25的橋式電路中的四個繼電器開關120，121，122和123。一對繼電器120和121響應螺線管的激勵同時閉合，一對繼電器122和123響應螺線管125的激勵同時閉合。螺線管124和125的激勵順序由線10上經過一對反相器126和127的控制信號控制。當螺線管124受激勵時負載電流按箭頭指示的方向流經繼電器120，線圈25和繼電器121。在圖3的時序圖中，螺線管124的激勵出現在t1和t2期間內。
在t3和t4期間內，螺線管125受激勵，而螺線管124釋放，使得電流流經繼電器122，線圈25和繼電器123。當電流是以反方向流過線圈25時，磁場的相位轉變180°，導致偏置電流和磁場的相位變化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形式。
值得一提的是偏置電流和磁場的相位可以不同程度同時變化，從而產生相對的180°相移。
圖7表示了一個具有與圖5的實施方案的特征相類似的另一個實施方案。線4上減少的電壓直接饋送給相移電路129的一個輸入端128和相位測量電路131的輸入端130。相移電路129由微處理機和117中的時序電路控制，在第一期間內給隨后的減少電壓信號一個零相移，在此期間，來自運算放大器26的輸出由一個DC信號(其幅值正比于霍爾輸出電壓的幅值)和一個AC信號(其相位是負載電壓和負載電流間相位的函數)組成。
來自放大器26的AC和DC信號傳輸給運算放大器27，該放大器將DC信號放大，AC信號由電阻35和電容31組成的低通濾波器衰減。然后，放大器3的DC信號傳送給雙向模一數變換器118，其輸出由微處理機控制，對第一期間內負載所消耗的視在能量進行測量。
來自放大器26的AC信號也傳送給相位測量電路131的第二輸入端132，在此確定了負載電壓和負載電流之間的相位角。相位測量電路131通過外部接口119將此信息傳輸給微處理機117，處理機117計算出使負載電壓和負載電流間的相位角等于90°的必要相移。在一適當時刻，微處理機通知相移電路129把計算出的相移加給線4上的新到的減少了的電壓，因此，導致了偏置電流和霍爾效應元件23的磁場之間產生90°相位角。這時，因為COSP是零。所以測得的負載功率有效值為零。因此微處理機117只測出了電路的誤差和由誤差項(KSf+E)供給的霍爾電壓的誤差。微處理機117在第二期間測出這些誤差，計算出第一期間內的累計誤差，然后從第一期間內消耗的視在能量測量值中減去第一期間內計算的累計誤差測量值，便得出在第一期間內消耗的有功功率測量值。這一過程在后面適當的間隔中再重復。
上述任一系統都可以作為用來測量負載消耗的電能的功率表的一部分結合使用。此外，任一系統也可以和瓦特計結合，以及為在一預定的期間內分別對負載所耗的能量進行測量而配置的裝置結合使用。在這一期間，可望得到該期間內負載的平均功耗的測量值。
在上述實施方案中，偏置電流取決于負載電壓。磁場強度取決于負載電流。按照本發明有可能用分流器或變壓器來配置系統，從而取得由負載電流決定的偏置電流和由負載電壓決定的磁場強度。
權利要求
1.用于測量負載消耗的電能的系統，包括一個霍爾效應元件(23)，和對負載電壓和電流敏感的霍爾效應元件的電源電路，電源電路中包括給元件(23)施加磁場的一條磁路(25)和一個偏置電流源電路(5，18)，其特征在于電源電路包括開關裝置(9)，此開關裝置可以在預定的時間間隔在偏置電流和磁場間產生一相對相移，進而改變元件(23)的霍爾輸出電壓的自場效應誤差分量(Ksf)的相位；與霍爾效應元件(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間周期內產生誤差自動清除信號，這些信號是從場效應誤差分量(Ksf)的兩不同的變換相位而來的；以及一個測量電路(48～51，72，85)它能接收處理過的信號，并寄存與負載的能量消耗和有功功率(W)成正比的測量值。
2.如權項1所要求的系統，其中偏置電流源電路可以向霍爾效應元件(23)提供一偏置電流，此電流與負載電壓成正比，開關裝置是一個相移開關(9)，它用于控制第一運算放大器(5)的輸入，此運算放大器進而使偏置電流相對于磁場相位移相180°。
3.如權項2所要求的系統，其中的第一運算放大器(5)的反相輸入端(6)接收一與負載電壓成比例的電壓輸入信號，開關(9)與放大器的正相輸入端相連，當開關閉合時，電壓輸入正相輸入端，這樣，放大器的輸出就產生180°相移，電壓-電流轉換器(18)接在放大器(5)的輸出端和霍爾效應元件(23)的偏置電流輸入端(22)之間。
4.如權項3所要求的系統，其中處理電路包括一與霍爾效應元件(23)的輸出端相連的放大電路(26、27)，且其輸出(36)通過零位開關(37)與第二運算放大器(38)相連，第二運算放大器的反向輸入端接收放大了的霍爾輸出電壓，而且，開關裝置包括一相移開關(11)，它與開關(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，第二運算放大器(38)的輸出是這樣一個電壓，它有和有功功率(W)成正比的分量，而且由于霍爾效應元件(23)，轉換器(18)，放大電路(26、27)以及其符號取決于開關(11)的狀態的放大器(38)，分量的符號與開關(9、11)和誤差分量無關。
5.如權項4所要求的系統，其中放大電路(26)、(27)包括一低通濾波器(28，29，30，31)來減少霍爾輸出電壓的交流分量。
6.如權項3所要求的系統，此系統是用來測量與一多相電源相連的負載消耗的電能，其中每一項都有一個霍爾元件(109，110，111)及其電源電路，系統中還包括一與霍爾效應元件的輸出相連的差動放大器(112，113，114)，其中代表各相上負載消耗的視在功率的差動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置零開關(37)與第二運算放大器(38)相連，第二運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，系統中還有一開關裝置，此開關裝置包括一相移開關(11)，它在每一相位處與開關(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，進而放大器(38)的輸出就是這樣一個電壓，它包括與有效多相功率成正比的分量，由于霍爾效應元件(109，110，111)，差分放大器(112，113，114)和其符號取決于開關(11)狀態的放大器(38)，此分量的符號與開關(9，11)的狀態以及誤差分量無關。
7.如權項4～6中任何一個所要求的系統，其中處理電路包括一電壓-頻率轉換器(47)，它與第二運算放大器(38)的輸出相連，并且可以產生代表放大器(38)輸出電壓的數字脈沖序列。
8.如權項7所要求的系統，其中測量電路包括一加法計數器(72)，此加法計數器與一雙擲開關的輸出端相連，雙擲開關的輸入與電壓-頻率轉換器的輸出和時鐘脈沖定時電路相連，(48～51)測量電路還包括由定時電路控制并且能在預定時間控制相移開關(9，11)置零開關(38)和計數器(72)的邏輯元件(53，63，80，90)，這樣計數器(72)接收表示負載有功功率(W)和自場效應誤差分量(KSf)的兩不同變換相位的數字信號，而自場效應誤差分量在計數器(72)中自行消除。
9.如權項8所要求的系統，其中測量電路包括一誤差計數器(85)，它與雙擲開關(76)的輸出相連，且在第一個時間間隔內(t1)置零開關(37)閉合，加法計數器(72)被邏輯電路(63)封閉時，累加一代表第二運算放大器(38)和電壓-頻率轉換器(47)的零誤差數值，在另一時間間隔(t3)通過開關(76)接收來自定時電路(48-51)的定時脈沖，當加法計數器(72)接收到主時鐘脈沖時，定時電路將計數器(85)計至零，以便從計數器(72)里減去代表第二個運算放大器(38)和轉換器(47)的零誤差的數值。
10.如權項8或9所要求的系統，包括與加法計數器(72)相連的顯示器(104)，此顯示器顯示由加法計數器(72)累加的能量消耗量。
11.如權項6或7要求的系統，在一家用功耗表中，其中顯示器(104)給出一直現的能量消耗的累加讀數。
專利摘要
本發明涉及用于測量負載消耗電能的系統。此系統可用于瓦特計中的能量表。此系統應用了帶有電源電路(5，18，25)的一個霍爾效應元件(23)和開關裝置(9，11)，此開關裝置控制偏置電流和與霍爾效應元件相關的磁場之間的相對相位變化，從而引起霍爾輸出電壓的變化。此輸出電壓被饋送到信號處理電路(26，27，38，47)和測量電路(48-51，72，85)來測量消耗的電能，測量結果與由霍爾效應元件(23)中的偏置電流的自場效應產生的誤差無關。
文檔編號G01R21/00GK85104789SQ85104789
公開日1986年12月24日 申請日期1985年6月21日
發明者喬弗雷·克芬斯, 康耐思·詹姆斯·巴特勒 申請人:皮爾金頓兄弟有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan