利用光计量装置的光电式 用电量计量表 本发明涉及一种利用光计量装置的光电式用电量计量表(以下称为″DM)。本发明特别涉及采用光电流变换器(以下称为″CT″)和光电位变换器(以下称为″PT″)的光电式用电量计量表，该CT和PT形成一个具有无分离隔离器件和不受噪声和其它电浪涌的影响的接收的光计量装置，借此可以容易地以可靠的方式进行算术乘法运算和其它运算。
通常为了测量电流和电压传统上采用的计量装置根据系统电压的幅值需要一种独立的隔离，而独立的隔离费用很高。另外，其重量增加，在干扰和其它电浪涌从外部引入的情况下，该计量装置没有抗干扰的功能。
另外在传统的测量装置的情况下，由于采用铁芯，而因磁饱合致使波形畸变。此外，由于谐波共振现象可能引起测量误差。
本发明力图克服上述传统技术中的各种缺点。
因此，本发明的目的是提供一种光电式用电量计量表，在该用电量计量表中使用了初、次级完全互相隔离的光电流和光电位变换器，以便不再需要使用单独的隔离器件，从而可免受干扰和各种电浪涌的影响。
为达到上述目的，本发明特征在于：把采用了已经开发出的光CT和光PT通过光纤与本发明的光电DM相连接。另外，从光发射装置中发出的光束通过光纤射入光学计量装置(下文称为″MOF″)。该光束经光MOF调制后，被一光接收装置通过光纤接收。接着，由一个光接收电路将调制过地光束转换成电信号，然后，对转换的电压、电流信号进行调零，接着将电压、电流信号相乘得到功率信号。使功率信号中的有功功率信号分量和无功功率信号分量彼此分离。分别完成该有功分量和无功分量的相加，这样便得到了使用功率的最终的有功功率值和无功功率值。把计算出的有功功率值和无功功率值分别按白天，晚上和午夜分类，以便显示按这些分类时段相加的数值。
为使在电源出现故障时也能安全地保持上述数据，在电源电路中提供了一个备用电池，以便在电源发生故障时可以确保有15秒左右的时间完成存储数据的工作。
另外，在电源故障期间，把各种功率数据存入一个EEPROM中，当电源恢复工作后，自动地加入这些存储的数据，以便恢复乘法运算。
因此，按照本发明的技术方案，可以方便地进行算术计算、积分和其它运算和显示，并且不受干扰和其他电浪涌的影响。
通过结合附图对本发明的实施例加以详细描述，上述目的和其它的优点将变得更加清楚。
图1示出了本发明的光电式用电量计量表的结构的方框图；
图2示出了光发射器驱动电路；
图3示出了光接收器驱动电路；
图4示出了自动调零电路；
图5示出了电压、电流乘法电路；
图6示出了使有功功率和无功功率彼此分离的电路；
图7示出了将相应各相的有功功率和无功功率相加的电路；
图8示出了将绝对值转换成有效值的电路；
图9示出了将电压转换成频率的电路；
图10示出了电源电路。
图1是关于本发明光电式用电量计量表的结构框图。
根据本发明的光电式用电量计量表包括：一用于驱动光发射器的光发射器驱动电路10，该光发射器通过光纤将光束输送到已研制出的光计量装置200；用于通过光纤从MOF 200接收作为调制过的光电压、电流信号以便将它们转换成电信号的光接收器和光接收电路；用于校准光接收电路20的转换过的电压和电流信号以使波的中点处于零电位点的调零电路30；将调零电路30的输出电压和电流信号相乘以便得到功率信号的乘法电路40；用来分离乘法电路40的功率信号以便得到有功和无功功率信号的有功/无功功率分离电路50；将有功/无功功率分离电路50的有功和无功功率按相应的相求和的功率求和电路60；将功率求和电路60的有功和无功功率的绝对值转换成有效值的有效值转换电路70，用于产生相应于有效值转换电路70输出的频率的脉冲的电压/频率转换电路80；用于计算和积分电压/频率转换电路80的脉冲信号以及储存和显示积分数据的积分和显示电路90；用来供给上述电路电功率的电源电路100；还包括用来在电源发生故障时能确保一段用于储存数据的时间的电池备用电路。
光MOF200包括初、次级彼此隔离的光CT和光PT。在光MOF200和光电DM中间有四根光纤与每一套光MOF200相联。从DM的光源发出的光束分别到达光MOF的光CT和光PT。然后，光束经过被电流和电压的光CT和光PT的调制过程，调制过的光束通过相应的光纤传到DM的光接收器。
由于电源系统是三相的，所以光发射器及其驱动电路10共包括六个光源和光驱动电路，其中三个用于电压，另外三个用于电流。光接收器及其驱动电路20也共包括六个光接收器和驱动电路，其中三个用于电压，另外三个用于电流。
这样，光发射器驱动电路10设计成可发射出一定强度量的光线，同样的电路需提供6个。
其中，当调制后的光线从光MOF200通过光纤到达光接收器时，光接收器驱动电路20根据入射光的强度用功率强度进行再调制。为了提高输入电阻，达到低噪声差分放大，并减少温度变化的干扰，而使用包括两个场效应管Q21，Q22的双场效应管的FET20。此外，运算放大器(OP AMP)U20进行差分放大，以便可以输出与光束量成正比的电信号。该光接收器驱动电路20也包括六个同样的电路。
通过DM进行调零的含义如下：即交流正弦波交替地变化到相交在零点的正负两侧，但由于光缆的弯曲，正弦波将要偏向正半周或负半周。为了防止发生这种现象。而将信号波的中心点自动地调到零点。
自动调零电路30包括：一个用于放大光接收电路20的输出信号的前置放大级31；一个用于稳定放大信号，并且用来消除谐波噪声的滤波器；一个用于积分滤波器32的信号和检测直流分量的直流信号检测级33；一个用于微分滤波器32的信号，以便去掉直流分量和只检测交流分量的交流信号检测级34；一个用于将交流信号部分除以直流信号部分的零点计算ICU32，以便在不管直流部分幅值如何的情况下，获得始终交替通过零电位的交流信号；一个用于在输出这些放大信号之前，放大和过滤零点运算ICU32的输出信号的放大和输出级36。
同时，(电压)×(电流)运算电路40包括一个仅运算ICU40。在电压和电流的正弦波中，信号波被进行一种算术运算，输出得到信号波的形式是电压和电流的乘积。
当电压和电流在信号波状态下经过算术运算的情况时，获得的算术运算结果是以信号波的形式，而不是一个直流电流，由于电压和电流间的相角不同而使信号波零点偏向正或负半周。如果电压电流间相角差为0，即它们有相同的相角，则形成的信号波仅在正半周。如果电流相角超前或滞后电压，则信号波将与相角差成比例地偏向负半周。
基于这个原因，偏向于正半周的过零点的部分对应于有功功率，而偏向于负半周的过零点的部分对应于无功功率。所以，有效/无功功率分离电路50在三套中提供，每一套包括有功功率分离组件51和无功功率分离组件52，这样可分离信号波以便输出交替过零电位的信号波。
另外，有功功率和无功功率是按相应的相获得的。因此，求和电路60包括；用来对有功功率和无功功率的R，S和T状态求和的求和级61A和61R，以及第一放大级和第二放大级62A，63A，62R和63R。
有效值转换电路70将相应的有功功率和无功功率的信号波转换成与波的有效值相同的交流信号。
用于有功功率和无功功率的有效值转换电路70的结构是彼此相同的，因此，提供了两个电路70。
电压/频率转换电路80将已转换过的直流信号(已转换成有效值)转换成对应于直流电压的脉冲系列以便对它们进行积分。首先，对高频进行变换，然后再进行分频以便获得一个适合数量的脉冲。
在电路中，传送脉冲时，要形成一种隔离。为了这个目的，将一光电偶合器用于光隔离脉冲传输过程。另外，为了处理有功功率和无功功率；提供了两套电路80。
在电源电路中，使用变压器降低电源电压，然后进行整流和稳定，这样得到一个正的直流电源。另外，恒压源IC用来获得恒定电压。电源通过dc/dc变换器供给，以便使相应运算电路(它们包括一个积分数字部分和一个模拟部分)所用的电源独立，并且使电源的隔离性能更高。为了在电源发生故障时，能提供一个用于暂时存储数据的工作电源，而提供了一个小电池和充电/放电电路。
积分和显示是由四套LCD和一个CPU控制的。采用专用的CPU，以使脉冲的数量，积分值和各个时间设定可以通过键输入。
至于数据的储存，录入EEPROM的数据即使在没有提供一个单独电源的情况下也能永久地保存住。
图2示出了根据本发明的光电DM的一个光发射器的驱动电路，该电路用于将光束传送到光MOF。
+12V的电源Vcc通过电阻R12供给，如果由齐纳二极管ZD11产生一个稳定的参考电压，则把这个电压供给至OP放大器U10的同相端。
OP放大器U10的输出供给光源驱动晶体管Q11的基极，一个+12V的电位通过电阻R11和可变电阻器VR11，以便通过晶体管Q11的发射极供给到光源LD10的阳极上。光源LD10的阴极接零电位，因此光源LD10发射出光束。
在这种情况下，与在晶体管Q12的发射极检测的电流成正比的电压信号供给OP放大器U10的同相端，以便形成校正电路。从而使从光源LD流出的电流恒定。这样，从光源LD10发射出的光强度也是恒定的。
在这种情况下，如果调整该可变电阻VR11的阻值，可使从光源LD10流出的电流改变，因此可以设定光强度。另外，电容C11和C12连接到电源端，这样，消除了电源的干扰，并且稳定了电流。
图3示出了本发明的光电DM的光接收器的驱动电路，该电路接收来自光MOF的调制光束。
+12V电源供给光接收器PD20的阳极，形成从光接收器PD20的阴极通过电阻R21，R22，VR21和R23到地的连接。电流流过光接收器PD20，该电流正比于入射到光接收器PD20上的光束强度，从+12V电源流出并顺序通过光接收器PD20及电阻R21，R22，VR21和R23。
通过调节可变电阻VR21，可以改变电流，这与电路中的偏置调整类似。
正比于通过光接收器PD20的电流的电压值在电阻R21和R22的连接点上产生。这个电位供给作为双极型场效应管FET20组成部分的晶体管Q21的栅极。
晶体管Q21的漏极与+12V的电源连接，而源极通过电阻R24接地。
在这种情况下，按照供给晶体管Q21的栅极电平，电流从晶体管Q21的漏极经源极和电阻R24流至地。在电阻R24与漏极间存在一个与该流过的电流相对应的电位。
这个电位供给OP放大器U20的反相输入端。晶体管Q22的漏极接电源+12V，源极经电阻R25接地。
但是，因为晶体管Q22的栅极接地，所以，这时在晶体管Q22的漏极和源极间没有电流流过，但由于受到温度变化的影响，漏极和源极间还是流过极微弱的电流。
正比于这个电流的电位也出现在电阻R25和晶体管Q22的源极间的连接点上。该电位加在OP放大器U20的同相输入端上。
OP放大器U20进行差分放大，以便按射入到光接收器上的光强度输出电压。
作为OP放大器U20和光接收器PD 20的电流路径的电阻R23和可变电阻VR21的接点连接到电阻R26，以便把输出的一部分反馈，将输出信号的一小部分供给至输入端。
在电阻R21和R22的连接点和电阻VR21和R23的连接点之间连接一个电容C21，信号分量流过这个电容C21，也是为了降低噪声。
电容C22和C23与OP放大器U20的电源端相连接，以便吸收噪声和稳定电源电压。
图4示出了本发明的光电DM中用于防止信号电平偏移到正侧或负侧的自动零点校准电路。
信号通过电阻R31供给到OP放大器U31的反相输入端(-)，从OP放大器U31的输出端通过电阻R32到反相输入端(-)形成一个连接，OP放大器U31的同相输入端(+)与地相连接。这样，OP放大器U31起到一个放大器的作用，其放大倍数由电阻R31与R32的比值确定。电容C31和C32与OP放大器U31的电源端相连，以便可以吸收噪声，并且可使电源电压稳定，前置放大就是这样完成的。
经OP放大器U31放大后的信号通过电阻R33输出，电阻R33与电容C33一起完成信号稳定器和消除谐波噪声的滤波器的功能。
滤波后的信号通过电阻R34和电容C34的组合，以便使信号源接通地，只留下直流分量。通过另一路径，信号通过电容C35和电阻R35的组合，使得直流分量流入地，只留下信号分量。
这样就使直流信号分量与交流信号分量彼此分离，以便供给运算ICU32的输入端。
算术运算的结果从进行计算的运算IC U32的输出端获得，该计算依据下列公式：
Vout＝Z2(交流分量)1×1(直流分量)
这样所得的结果是一个不管直流分量的大小如何而总是在零电位点交变的交流信号波形。
电容C36和C37接算术运算IC U32的电源端Vcc。以消除噪声和稳定电源。
经算术运算过的信号供给OP放大器U33的同向输入端(+)。该OP放大器U33的反相输入端(-)通过电阻R36接地。该OP放大器U33的输出侧经电阻R37和VR31接反向端(-)，实现一个反馈。该OP放大器U33作为一个同相放大器使用。其放大率由R36和R37+VR31确定。
在此情况下，电阻R37是固定的，通过改变可调电阻VR31调节放大器的放大率。输出信号通过电阻R38输出，再经电容C40滤波，这样可实现稳定和滤去谐波。电容C38和C39接OP放大器U33的电源端；以便吸收噪声和稳定电源。
图5示出一个根据本发明的光电DM的电压-电流乘法电路，该电路可以计算功率值。
从自动调零电路30输出的电压信号通过电阻R42供给运算IC U40。该电流信号被连接电阻R41和VR41后接地的电路分压。这样，通过改变可变电阻VR41调节分压比后的信号供给算术IC U40。该算术运算IC U40输出电平等价于(X电压)X(Y电流)。
运算IC U40与可变电阻VR 42和VR43相接，以便使供给电压输入端和电流输入端的信号可以调节和得到稳定。在无信号期间，可以借助可变电阻VR44调节零电位。
此外，电容C41和C42与算术运算IC U40的电源端相接，以便吸收电源噪声和稳定电源。
算述运算IC U40直接对电压信号正弦波进行算术运算，其输出也为正弦波。因此，如果在到来的这两个信号间无相位差，则得到的信号偏置到正侧，而如果相位差增加则会有更多的信号偏置到负侧。
图6示出了本发明光电DM的有功和无功功率分离电路，该电路将总的功率中的有功功率和无功功率彼此分离。
有功/无功功率分离电路50用于将有功功率和无功功率彼此分离开。该电路50包括：一个用来分离通过零点偏置向正半周的信号的有功功率分离部分51；及一个用来分离通过零点偏置的负半周的信号的无功功率分离部分52。这样，就使偏置正侧的信号与偏置负侧的信号彼此分离。
首先，对用来获得有功功率的有功功率分离部分的OP放大器U51的操作情况进行描述。
二极管D51连接在OP放大器U51的反馈回路中，借助反馈使非线性得到改善。交流特性取决于OP放大器U51回路增益的频率特性。
前提是OP放大器U51的反相输入端(-)和同相输入端(+)的电位必须永远相等。这样，当输入电压为零时，反向输入端电压也为零。因此，OP放大器U51的输出为二极管D51提供一个正向偏置电压，最终可达到总的平衡。
如果+1V输入到同相端(+)，则反向输入端(-)也必须为+1V，因此，通过二极管D51的输出变为+1V。
这样，当一个正电压输入时，输出电压与输入电压相同。
但是，如果输入电压为负，二极管D51将反向偏置，通过二极管的输出电位为零。进一步讲，OP放大器U51的输出端将降至负供给电压。
这样，对于一个正的输入输出一个相同电压，为一个负输入提供一个切换，于是只有偏向正半周的有功功率分量被输出。
这里，为了改善交流特性而使用一个电容C53和为了稳定输入信号而装一个电阻R51。另外，为了吸收电源噪声和稳定电源而将电容C51和电容C52相连接。
同时，将对无功功率分离部分52的OP放大器U52的操作情况进行描述。即，输入信号通过电阻R52供给OP放大器U52的反相输入端，而其同相输入端接地。因此，OP放大器U52起一个从输出侧到反相输入端进行反馈的放大器的作用。
这里，二极管D53的作用是进行整流，而二极管D52用于将电压箝位在0.6V左右，以使OP放大器U52不能反向饱合。这样，使OP放大器U52不进入饱合区，使其响应速度变快。
由于上述结构，使负输入在输出前反相为正相输入，但正输入不能反相为负输入而只能不予考虑。
通过这样的操作，可以分离出偏置负侧的无功功率。
图7示出了本发明的光电式DM的功率求和电路，该电路对相应的相的有功功率和无功功率进行求和。
三组有功信号R，S，T通过R611，R612和R613供给算术运算的IC U61的同相输入端，算术运算IC U61的输出端经电阻R615与算术运算IC U61的反相输入端相连，以便使算术运算IC U61可以作为一个加法器。
算术运算IC U61的同相输入端经电阻R614接地，以便稳定电路。
这样，通过电阻R611，R612和R613输入到算术运算IC U61的三相有功功率经相加，反相并通过其输出端输出。
这些输出的信号通过电阻R616供给OP放大器U62的同相端，OP放大器U62的同相输入端通过R617接地，这样电路将得到稳定。从OP放大器U62的输出端通过电阻V611和R618到OP放大器U62的反相端形成一反馈回路，以便使U62起到放大器的作用。另外，放大电平可通过改变VR611调节。OP放大器U62的输出信号经电阻R619和R620进行分压，使该信号过电容C615，最后留下纯交流信号。
这些信号是通过对R，S，T相的有功功率求和后形成的那些信号。并且它们通过反相放大端两次，即通过运算IC U61和OP放大器U62，结果其相位与输入信号的相位相同。
三组R，S和T无功信号通过电阻R621，R622和R623供给算术运算IC U63的反相输入端(-)。此外，在算术运算IC U63的输出端和反相输入端(-)之间连接有电阻R625，使算术运算IC U63的同相输入端(+)经电阻R624到地之间连接，从而使IC U63起到加法器的作用。
这样，算术运算IC U63的输出信号通过电阻R626供给OP放大器U64的反相输入端(-)。另外，为稳定电路，OP放大器U64的同相输入端(+)通过电阻R628接地。此外，从OP放大器U64的输出端经电阻VR621和R628到OP放大器U64的反相输入端(-)形成一反馈回路，这样，OP放大器U64将作为放大器使用。放大电平随R626与R628+VR621的比率变化，放大电平通过改变VR621来调节。
OP放大器U64的输出信号经电阻R629和R630的分压后，经过电容C625，最终输出信号的纯交流分量。
这些信号为R，S，T相的无功功率相加后的信号，这些信号通过反相端两次，即算述运算IC U63和OP放大器U64，这样它们的相位与输入信号同相。
图8示出了根据本发明的光电式DM的有效值转换电路，该电路将具有绝对值的信号中绝对值转换成有效值。
该电路用以获得输入电压的有功和无功功率的正弦波的有效值。
信号供给算术运算IC(AD536)U71的一端Vin，电容分别与+12V电源端和Cav端相连接。
电压供给RL端，将此电压经电阻R73，VR71，R74，R71和R72分压，用可变电阻VR71调节。进行这样的调节，以便使输出在无信号时电位为零。
供给上述的各连接的电压经过下述处理。即，绝对值取自算术运算ICU71，然后，进行乘方和被一个反馈输出除。其后，用滤波器对这些结果取平均，便得到有效值。
图9示出根据本发明的光电式DM和电压/频率转换电路，该电路产生相应于该电压频率的脉冲。
按照本发明的电压/频率转换电路包括：一个用于对输入信号进行积分和将积分结果与参考值进行电压比较以便将它们变换成相应频率的信号的电压-频率变换器80；一个用来使电压-频率变换器U80的输出信号经多级分频以便使分频后的频率信号具有确定频率的分频单元；以及一个用来电隔离分频单元的输出脉冲信号，以便将它们送到积分部分单元和显示电路的脉冲传输部分。
首先，输入信号被电阻R81和电容C81积分后，供给电压-频率变换器(LM331)U80的Vin端。+12V电源经电阻R82，VR81，R83，R84和R85分压，并经电容C82，C83和C84加以稳定，其次，被可变电阻VR81校准以便供给Vb端作为参考电压。
这样，电压-频率变换器U80把Vin端的正电压与Vb端的参考电压进行比较，从而可使输出的信号频率与Vin端的输入电压成正比。
这样获得的频率信号脉冲的高度通过电阻R88和齐纳二极管ZD81而成为5V，再经U91，U92，U93，U94分频，借此给出最后的脉冲输出。
为了使这些脉冲与积分值电隔离，将这些脉冲分压后，供给晶体管Q91的基极。同时，+5V的电位通过电阻R93和光偶合器U95的LED正极，负极，以及晶体管Q91的集电极和它的发射极接地。这样，光偶合器U95的LED按照脉冲发出闪烁光。
这样，作为一个光偶合器U95的光接收器的光电晶体管被激发，于是产生隔离的脉冲输出。
图10示出根据本发明光电式DM的电源电路，该电路给各个电路供电。
如图10所示，电源电路100给各个组件供电，它包括：一个用于在电源故障时提供数秒钟电源的储电池；和一个用来控制储电池的充电/放电备用电路。
当电源供给输入端时，谐波被接地的电容C1和C2滤掉。另外，尖峰噪声和过电压被电容C3削减，而各种电源噪声被噪声滤波器101滤去。
经噪声滤波器101滤波后的电源降至全波13V和6V。
降低后的电源经二极管D1-D4和D5-D8的全波整流，并且经过电容C6，C7，C8和C9加以稳定之后成为类似直流电流的脉动电流。
而后，使它们经调节器U1，U2和U3后成为稳定的+12V，-12V和+5V的直流电源。该直流电源再经电容C10，C11和C12稳定，并防止调节器U1，U2和U3产生寄生振荡。
这些+12V，-12V和+5V的电源分别供给需稳定电源的各个内部电路。
+5V的电源经二极管D11供给dc/dc转换器105，以便进一步对其进行稳定，而后，供给积分和显示电路90。
同时，备用电池部分104接收稳定后的+5V电源来监视故障，并在电源故障期间将储电池BAT的电能供给dc/dc转换器105。
在稳定的+5V电源经过二极管D10后，备用电池部分104由电阻R1和电容C13来充电。充电后的电源供给晶体管Q1的基极。继电器REL1由晶体管Q1控制，通过继电器REL1的闭合，电池BAT的电能通过二极管D13供给dc/dc转换器105。
这样，已充入电容C13的电平接通晶体管Q1以便接通继电器REL1。通过继电器的闭合，电池BAT的电能供给dc/dc转换器105。在平时，电池BAT靠通过电阻R2的有限电流充电。
这样，晶体管Q1被通过电阻R1流入电容C13的电流充电电平而使接通，因此，继电器REL1在电源故障时能保持接通，以便使电池BAT的电能可以供给dc/dc转换器105。结果，使供给积分电路100的电源维持数秒时间。这样，积分和显示电路90可在电源故障期间存储计算数据到当前时刻。
根据上面所描述的本发明，该光MOF检测电流和电压，并与DM相连接。因此，不需单独的隔离器件，就可免受线路噪声的影响，于是可实现可靠的算术运算和积分运算。