電度表的數(shù)字化改進(jìn)?

徐少俊 陳焰 劉美琦 雷金輝

（昆明理工大學(xué)信息工程及自動(dòng)化學(xué)院昆明650500）

電度表的數(shù)字化改進(jìn)?

徐少俊 陳焰 劉美琦 雷金輝

（昆明理工大學(xué)信息工程及自動(dòng)化學(xué)院昆明650500）

數(shù)字化電度表簡(jiǎn)化信息傳遞、方便數(shù)據(jù)管理。機(jī)械電表的傳動(dòng)裝置有間隙、摩擦等降低儀器靈敏度，引起誤差，AD式數(shù)字電表增加了電流、電壓測(cè)量和模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)多，誤差累計(jì)大。采用脈沖計(jì)數(shù)及幾何作圖法數(shù)字化電表，減少環(huán)節(jié)誤差，提高測(cè)量精度。仿真結(jié)果表明：軸距從0.2cm變化到2.8cm，脈沖數(shù)恒為30000；且6孔、12孔，產(chǎn)生脈沖間隔0.2s、0.1s，可減少甚至消除等分誤差；機(jī)械加工、裝配簡(jiǎn)單，復(fù)現(xiàn)性好，方便批量化生產(chǎn)。對(duì)比AD式數(shù)字電表，倍增孔數(shù)，即可提高分辨率、減小分度誤差、提高精度。

電度表；誤差分析；數(shù)字化；脈沖

Class NumberTM933.4

1 引言

數(shù)字化電度表簡(jiǎn)化了信息傳遞，方便用戶在線繳費(fèi)和供電部門數(shù)據(jù)管理、合理調(diào)配資源等。機(jī)械電表用齒輪等機(jī)械傳動(dòng)裝置撥動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)度電量。機(jī)械傳動(dòng)裝置有間隙、摩擦等，降低儀器靈敏度、精度，引起誤差。AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電表，增加了電流、電壓測(cè)量及A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)誤差累計(jì)也會(huì)降低儀器靈敏度、精度，環(huán)節(jié)越多累計(jì)誤差越大，且A/D轉(zhuǎn)換采樣保持期間，不計(jì)度電量。文獻(xiàn)［1］重點(diǎn)敘述了脈沖式數(shù)字化電度表原理方法［1］。數(shù)字化電度表各環(huán)節(jié)的誤差分析、減小或消除誤差的方法、提高儀器整體計(jì)量精度等鮮見刊載。在分析電度表誤差基礎(chǔ)上，基于脈沖式數(shù)字化電度表原理，探討了各環(huán)節(jié)誤差及減小方法，機(jī)械加工方法。降低機(jī)械加工難度，方便批量化生產(chǎn)，提高脈沖式數(shù)字化電度表計(jì)量精度，維護(hù)供電和用電雙方的權(quán)益。

2 電度表誤差的分析

2.1 機(jī)械電表的誤差分析

機(jī)械電表是利用電磁感應(yīng)原理，通過傳動(dòng)齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)計(jì)度器計(jì)量電能，環(huán)節(jié)較多，且機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之間存在摩擦、間隙、毛刺等，以及工件的加工和裝配質(zhì)量的參差不齊，如固定的螺釘松動(dòng)，傳動(dòng)蝸桿的毛刺和刀痕，還有內(nèi)部一些震動(dòng)等，導(dǎo)致計(jì)度器計(jì)數(shù)呆滯，甚至卡死不走字等現(xiàn)象［2］，降低靈敏度，增大儀表誤差。

2.2 AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電表的誤差分析

AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電表，需測(cè)量電流、電壓，通過AD轉(zhuǎn)換等多個(gè)環(huán)節(jié)來計(jì)量電能。許多文獻(xiàn)采用高精度AD轉(zhuǎn)換器來提高數(shù)字電表精度。如基于PWM技術(shù)及逐次逼近試探算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量A/D變換［3～4］；基于過采樣定理，提高采樣頻率，降低輸出頻帶量化噪聲功率，提高AD轉(zhuǎn)換器精度［5～6］；雙積分AD轉(zhuǎn)換器等［7～8］。未涉及提高電流、電壓測(cè)量傳感器精度問題。只提高AD轉(zhuǎn)換器性能，儀器整體性能難以提高；運(yùn)算環(huán)節(jié)多，累計(jì)誤差大，且AD器件內(nèi)部存在失配誤差，產(chǎn)生非線性問題［9］；模數(shù)轉(zhuǎn)化過程中串、共模干擾所帶來的誤差；在采樣保持期間，不計(jì)度電量等。降低儀器靈敏度，增大儀表誤差。

3 電度表的數(shù)字化改進(jìn)

3.1 數(shù)字化方法

采用脈沖計(jì)數(shù)法數(shù)字化，如圖1所示。在轉(zhuǎn)盤上任打一小孔，在轉(zhuǎn)盤的上/下方放置發(fā)光源及感光器件，產(chǎn)生脈沖。

圖1電度表轉(zhuǎn)盤

以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，孔的線速度V與到軸心距離r成正比，如式（1）。

孔轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次脈沖。轉(zhuǎn)動(dòng)的距離為2π×r。脈沖周期T如式（2）。

T與r無關(guān)，只與ω有關(guān)，方便機(jī)械打孔，降低機(jī)械加工要求。電耗越大，ω越大，T越小，同一時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)越多。電能消耗與脈沖數(shù)關(guān)系，如式（3）。

a為每個(gè)脈沖所代表的電耗，即分辨率。

3.2 脈沖法數(shù)字化電表誤差分析

該方法消除了機(jī)械傳動(dòng)間隙、摩擦等因素影響；去除了信號(hào)測(cè)量及AD轉(zhuǎn)換等多個(gè)環(huán)節(jié)，減少環(huán)節(jié)誤差，提高靈敏度。

3.2.1 分度誤差

以3000r/（kw.h）電表為例。新表或儀表檢修后初裝投運(yùn)時(shí)，若轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，光源投影點(diǎn)處于孔的右方，如圖2（a）中1點(diǎn)。點(diǎn)到孔距離極短，一有電耗，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)即產(chǎn)生脈沖，轉(zhuǎn)一圈，計(jì)電耗2a。

圖2轉(zhuǎn)盤俯視圖

當(dāng)處于孔的左方時(shí)，如圖2（a）中2點(diǎn)。有電耗，轉(zhuǎn)一圈后，才產(chǎn)生脈沖，計(jì)電耗a。兩種情況計(jì)度誤差為a，即1/3000kw.h。若在轉(zhuǎn)盤上等分打兩孔，初裝光源投影點(diǎn)處于圖2（b）中1、2點(diǎn)。兩種情況下，計(jì)度誤差為a/2。4孔誤差為a/4分度值，8孔誤差為a/8分度值。得式（4）。

n為轉(zhuǎn)盤的孔數(shù)，n越大誤差越小。增加孔數(shù)n，降低最小分度值，減小分度誤差。

3.2.2 機(jī)械加工誤差

孔數(shù)增多，引入等分誤差，增大加工難度。采用幾何作圖法消除等分誤差。如圖3。

以2，3，5孔為基礎(chǔ)，以2倍的關(guān)系打孔。在轉(zhuǎn)盤上作任一意同心圓，并在同心圓上等分多孔。如圖3（a）所示，過圓心做直徑交同心圓于兩點(diǎn)便是2孔位置；圖3（b），過圓心畫直徑，交同心圓兩個(gè)端點(diǎn)，以一點(diǎn)為圓心，以同心圓半徑畫圓弧交于兩點(diǎn)，該兩點(diǎn)與直徑另一端點(diǎn)便是3孔位置；圖3（c），過圓心作兩條互相垂直的直徑AZ和XY；以O(shè)Y的中點(diǎn)M為圓心，MA為半徑作圓，交OX于點(diǎn)N；以點(diǎn)A為圓心，AN為半徑，在圓上連續(xù)截取等弧長，交同心圓5點(diǎn)便是5孔位置。過圓心，作各點(diǎn)連線的垂線，與圓相交，便是4孔、6孔、10孔…。理論上幾何作圖，可消除等分誤差。降低機(jī)械加工難度，方便批量化生產(chǎn)。

圖3幾何作圖

如圖3（a）中q所示，將孔改為條形槽，有效解決光源裝配位置與孔不在同心圓上，帶來脈沖計(jì)數(shù)缺失問題。若在轉(zhuǎn)盤上打12孔，脈沖數(shù)12×3000即12/a代表消耗了1kw.h。設(shè)單片機(jī)所記下的脈沖數(shù)為P，消耗電能與脈沖數(shù)的關(guān)系如式（5）

采用單片機(jī)完成計(jì)數(shù)、數(shù)字計(jì)算、顯示、通訊等功能進(jìn)行數(shù)據(jù)管理［10～11］。此類方法已有許多文獻(xiàn)刊載，本文不再敘述。

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)

在任一批規(guī)格為3000r/（kw.h）的表盤上打1孔。孔到軸心的距離r：從0.2cm到2.8cm以0.2cm間隔變化。相同負(fù)載下，若耗電10kw.h，脈沖計(jì)數(shù)仿真，如圖4（a）。脈沖數(shù)始終為30000，r變化不影響脈沖計(jì)數(shù)。批量生產(chǎn)時(shí)，孔到軸心距離無嚴(yán)格要求，機(jī)械加工難度降低。

在轉(zhuǎn)盤上打6孔、12孔。恒負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間，脈沖與時(shí)間關(guān)系，如圖4（b）、（c）。脈沖周期T恒為0.2s、0.1s。采用幾何作圖法倍增孔，未引起等分誤差；定位設(shè)計(jì)精度高；降低機(jī)械加工難度，易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

4 精度對(duì)比

以3000r/kw.h，12孔為例：一個(gè)脈沖代表最小分辨率a為1/36000。AD轉(zhuǎn)換器的分辨率表達(dá)式如式（6）。

圖4仿真圖

N是代表AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。假設(shè)參考電壓為5V，根據(jù)式（6）可知需要18位AD轉(zhuǎn)換器才能達(dá)到上述精度要求。現(xiàn)有技術(shù)在轉(zhuǎn)盤上已能打孔達(dá)到成百上千，產(chǎn)生的機(jī)械打孔的等分誤差可忽略不計(jì)，而AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量模式則難以達(dá)到該效果。當(dāng)增加孔數(shù)和提高每度電所需轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)便可達(dá)到高精度AD轉(zhuǎn)換器的效果甚至超過所現(xiàn)有的器件精度。如電表為30000r/（kw.h）孔數(shù)48時(shí)根據(jù)式（6）計(jì)算得AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少24位。同時(shí)AD轉(zhuǎn)換器精度提高對(duì)電路處理和傳感器精度等要求隨之提高，導(dǎo)致配套器件成本上升。因此在提高精度上，該改進(jìn)方案成本低廉。且AD轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)并不采樣，不能真實(shí)反映電能消耗情況。

5 結(jié)語

采用脈沖法數(shù)字化電能表，消除齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)影響和無電流電壓變化，AD采樣等多個(gè)環(huán)節(jié)誤差，減少環(huán)節(jié)誤差，提高整體儀器計(jì)量精度。在同規(guī)格3000r/kw.h的電表盤上打1孔，到軸心距離從0.2cm以0.2cm為間隔變化到2.8cm，并在相同負(fù)載消耗相同10kw.h等條件下進(jìn)行仿真，脈沖數(shù)恒為30000，表明脈沖計(jì)數(shù)不受距離的影響；6孔、12孔各自產(chǎn)生脈沖間隔時(shí)間相等分別為0.2s、0.1s，則相鄰兩孔間距相等，幾何作圖法在理論上消除等分誤差別且成倍增加孔數(shù)。降低機(jī)械打孔要求和加工難度，方便批量化生產(chǎn)。而數(shù)字電表采用高精度AD轉(zhuǎn)換器來提高計(jì)量精度，以24位AD轉(zhuǎn)換器為例，其對(duì)信號(hào)處理電路和傳感器精度等要求較高，導(dǎo)致配套器件成本上升。同時(shí)還有電流電壓的轉(zhuǎn)換，單純提高AD轉(zhuǎn)換器精度不能提高儀器整體精度。脈沖法數(shù)字化電表通過增加孔數(shù)和提高每度電所需轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到高精度AD轉(zhuǎn)換器效果。因此在提高精度上，該改進(jìn)方案成本低廉。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高。

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Digital Improvement of Watt-hour Meter

XU ShaojunCHEN YanLIU MeiqiLEI Jinhui
（Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500）

Digital Watt-hour meter is apt to data management for its simplified information transmission process.Whereas me?chanical Watt-hour meter is hard to avoid errors for its low sensitivity caused by the gap and friction between transmission devices. AD-type digital Watt-hour meter is also hard to avoid errors for its complex links，including current measuring，voltage measuring and analog-to-digital converting.Digital Watt-hour meter，by using the method of pulse counting and geometric drawing，can re?duce errors which are caused by links and increase measurement precision.The simulation shows that，when wheelbase varies from 0.2cm to 2.8cm，the pulse number is 30000 constantly，and 6 holes and 12 holes generates 0.2s and 0.1s pulse interval separately. So it can reduce，even remove equal errors，with the performance of easy mechanical processing and assembly and good reproduc?ibility，it is good for mass production.Compared with AD-type digital Watt-hour meter，digital Watt-hour meter，by multiplying hole-number，can enhance resolution，reduce division errors and improve accuracy.

Watt-hour meter，error analysis，digitization，pulse

TM933.4

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.044

2017年1月9日，

2017年2月27日

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（編號(hào)：KKSA201331004）資助。

徐少俊，男，碩士，研究方向：檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化。陳焰，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用，嵌入式技術(shù)應(yīng)用。劉美琦，女，碩士，研究方向：檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化。雷金輝，男，碩士，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)。