資訊熱線：紅外線在智能電表中的應(yīng)用
機(jī)電式電能表主要由感應(yīng)式測量機(jī)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換器和分頻器、計(jì)數(shù)器三大部分組成，工作原理框圖如圖1所示。
圖1 機(jī)電式電能表的工作原理框圖
感應(yīng)式測量機(jī)構(gòu)的主要作用是將電能信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，具體的結(jié)構(gòu)及工作原理已在第一章介紹。
光電轉(zhuǎn)換器的作用是將正比于電能的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖，此脈沖數(shù)也正比于被測電能，即應(yīng)滿足如下關(guān)系
式中 W——為被測電能，kW·h；
m——為轉(zhuǎn)換后輸出的總脈沖數(shù)，imp；
n1——代表每輸出一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)盤應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r／imp；
C——電能表常數(shù)，r／（kW·h）。
例如，某種機(jī)電式電能表的轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出2個(gè)脈沖，即 n1＝0.5r／imp, 電能表常數(shù)C＝1500r／（kW·h），則每輸出一個(gè)脈沖代表的電能數(shù)為
（kW·h）即這種機(jī)電式電能表每輸出一個(gè)電脈沖代表負(fù)載耗電0.00033kW·h。
經(jīng)過簡單的光電轉(zhuǎn)換得到的初始電能脈沖信號，由于波形不理想不能直接送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)或微處理器處理，還必須先經(jīng)過整形放大、限幅限寬等一系列處理，如圖2所示。
圖2 光電轉(zhuǎn)換器的工作原理圖
分頻器和計(jì)數(shù)器的主要作用是對經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的脈沖信號進(jìn)行分頻、計(jì)數(shù)，從而得到所測量的電能。
由以上分析可以看出，光電轉(zhuǎn)換器是機(jī)電式電能表的關(guān)鍵部分。因此，下面將著重介紹光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理。
根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器的不同，機(jī)電式電能表可分為單向脈沖式和雙向脈沖式兩種類型。
一、單向脈沖式電能表
單向脈沖式電能表的光電轉(zhuǎn)換器主要包括光電頭和光電轉(zhuǎn)換電路兩部分。
1．光電頭
光電頭由發(fā)光器件和光敏器件組成。機(jī)電式電能表的光電頭多采用紅外發(fā)光二極管（簡稱“發(fā)光管”）和光敏三極管（簡稱“光敏管”）或者是用發(fā)射管與接收管組成的光電開關(guān)。用紅外器件時(shí)外界的電磁波、可見光等干擾都不會(huì)影響信號的檢測。具體的方法是通過在感應(yīng)式測量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行分度并做標(biāo)記，如打孔、銑槽或印上黑色分度線條等，用穿透式或反射式光電頭發(fā)射光束，采集轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的標(biāo)記得到初始脈沖。
兩種典型光電頭的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。
穿透式光電頭，在轉(zhuǎn)盤上鉆有透光孔，發(fā)光管和光敏管分別安裝在轉(zhuǎn)盤的上、下兩側(cè)，光敏管通過接收透射光產(chǎn)生脈沖輸出。
反射式光電頭，在轉(zhuǎn)盤邊緣均勻地印有黑色或是白色分度線，發(fā)光管和光敏管安裝在轉(zhuǎn)盤的同一側(cè)，光敏管通過接受反射光，產(chǎn)生脈沖輸出。
(α) (b)
圖3 光電頭安裝結(jié)構(gòu)示意圖
(α)穿透式；(b)反射式
發(fā)光管和光敏管都是光電轉(zhuǎn)換器的主要器件，正確的選擇和使用它們是決定光電轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量及其實(shí)用性的關(guān)鍵。
2．光電轉(zhuǎn)換電路
一種最基本的光電轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。當(dāng)光敏管接收到較強(qiáng)的光照時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電流增加，V1導(dǎo)通，作用到V2和V3組成的射極耦合放大器上，使輸出電壓呈高電平；反之，當(dāng)光敏管接收到的光照較弱時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的輸出電壓呈低電平。
圖4 基本的光電轉(zhuǎn)換電路
實(shí)用的光電轉(zhuǎn)換電路還應(yīng)具有誤動(dòng)作判斷功能，以及將輸出初始脈沖整形、放大、限幅限寬等功能。圖5所示是一種常用光電轉(zhuǎn)換電路，JEC2是一個(gè)高輸入阻抗的低功耗射極耦合觸發(fā)器，按圖中的連接，即為施密特觸發(fā)電路。電路中除了加有積分電路外，R4、C1和R6還組成一限幅、微分電路，把寬度隨機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)化為大小、寬度相等的窄脈沖，以便送給分頻器、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)或給微機(jī)進(jìn)行多功能化處理。
圖5 常用光電轉(zhuǎn)換電路
光電轉(zhuǎn)換器就其結(jié)構(gòu)來說，一般分成兩部分，即光電頭和光電轉(zhuǎn)換電路。為調(diào)配好發(fā)光管與光敏管的機(jī)械位置，通常設(shè)計(jì)有固定式臺(tái)座，并整體地安裝在與轉(zhuǎn)動(dòng)部件配合的支架上。一種最常用的穿透式光電頭的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，1為轉(zhuǎn)盤；2為透光小孔，在轉(zhuǎn)盤上可有一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)小孔，透光小孔的直徑應(yīng)與發(fā)光管外徑相當(dāng)，不宜過大；支架5的作用是固定發(fā)光管3和光敏管4的相對位置。安裝時(shí)，要特別注意發(fā)光管、光敏管與透光小孔的配合。
圖6 光電頭機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)圖
1-轉(zhuǎn)盤；2-透光小孔；3-發(fā)光管；4-光敏管；5-支架
二、雙向脈沖式電能表
雙向脈沖式電能表具有雙向計(jì)度的功能，既能測量正向消耗電能，又能測量反向消耗電能。當(dāng)負(fù)載呈感性時(shí)正轉(zhuǎn)，對應(yīng)感性負(fù)載的耗能計(jì)量；負(fù)載呈容性時(shí)則反轉(zhuǎn)，用另一計(jì)數(shù)器對容性負(fù)載的耗能計(jì)量。另外，一些并網(wǎng)運(yùn)行變電站使用的有功電能表也有反轉(zhuǎn)的可能，對此，過去一般都采用兩只有功電能表分別進(jìn)行正、反向計(jì)量，現(xiàn)在僅用一只雙向脈沖式有功電能表即可實(shí)現(xiàn)有功電能的正、反轉(zhuǎn)計(jì)量。
在電路設(shè)計(jì)和制造上，雙向脈沖電能表比單向脈沖電能表復(fù)雜，它有兩套光電頭和轉(zhuǎn)換電路，分別輸出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電能脈沖。
雙向脈沖式電能表轉(zhuǎn)盤和光電頭安裝位置俯視圖如圖7所示。光電頭1、2的軸線不通過轉(zhuǎn)盤中心。當(dāng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（稱為正轉(zhuǎn)）時(shí)，光電頭1每次先接觸黑印，光電頭2遲后一些；若轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（稱為反轉(zhuǎn)），則光電頭2先接觸黑印，而光電頭1遲后。
圖7 光電頭安裝位置俯視圖
雙向脈沖式電能表光電轉(zhuǎn)換及雙向脈沖輸出控制電路如圖8所示。圖中，與非門a、c（簡稱a、c）完成兩路光電轉(zhuǎn)換，雙向脈沖輸出則由雙D觸發(fā)器Ⅰ、Ⅱ和與非門b、d（簡稱b、d）控制。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)兩光電頭檢測，與非門a、c輸出兩路脈沖在時(shí)間上有差異，使與非門b、d只有一路有輸出脈沖。下面結(jié)合脈沖時(shí)序圖說明其工作過程：若a的輸出超前c的輸出，則各與非門輸出時(shí)序如圖3-9所示。 a的第一個(gè)脈沖前沿觸發(fā)觸發(fā)器Ⅰ，此時(shí)因c遲后a，故D1端為低電平，
輸出高電平，a和同時(shí)施加于與非門 b，使其輸出一低電平。而在c的第一個(gè)脈沖前沿觸發(fā)觸發(fā)器Ⅱ時(shí)，因a超前c，故D2為高電平，.png)
輸出低電平，將 d封鎖，因此 d沒有輸出，一直保持高電平。反之，若c超前a，則d有脈沖輸出，而b沒有。
輸出高電平，a和同時(shí)施加于與非門 b，使其輸出一低電平。而在c的第一個(gè)脈沖前沿觸發(fā)觸發(fā)器Ⅱ時(shí)，因a超前c，故D2為高電平，輸出低電平，將 d封鎖，因此 d沒有輸出，一直保持高電平。反之，若c超前a，則d有脈沖輸出，而b沒有。 由以上工作原理可知，光電轉(zhuǎn)換器是機(jī)電式電能表的重要組成部分，成為連接電能計(jì)量功能單元與數(shù)據(jù)處理單元的紐帶。光電轉(zhuǎn)換器是機(jī)電式電能表的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響整個(gè)表計(jì)的運(yùn)行質(zhì)量。進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力和準(zhǔn)確度，延長其使用壽命，降低功耗，并使其便于調(diào)整，是機(jī)電式電能表的發(fā)展方向。
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圖8 雙向脈沖輸出控制電路
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