专利名称：一种宽频电功率测量方法及测量装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种宽频率范围的电功率测量方法及测量装置。
背景技术：
电功率瞬时值的定义为p＝ui，对这一公式进行推导，可得到其它电功率的表达式，如交流电一个周期内的平均功率表达式
当此交流电为正弦交流电时有
根据这些公式，可采用不同的测量方法对电功率进行测量，综合起来可分为以下几种(1)模拟乘法器法；(2)时分割乘法器法；(3)霍尔乘法器法；(4)四分之一和差平方法；(5)功率比较仪法；(6)平方率乘法器法；(7)乘法器配合频谱分析法；(8)随机取样法；(9)热电偶乘法器法等。这些测量方法广泛地使用在各种工业计量场合，但这些测量方法大部分只适用于45Hz～1KHz范围；中华人民共和国国家知识产权局网站于2006年8月9日公开了“一种电功率测量方法及测量装置”(申请号200610011474.1)的专利申请，它采用的将视在功率S与电压相量U和电流相量I的关系分解为S＝U·I＝(U/I)·I·I＝|Z|ejφ·|I |2＝|Z|(cosφ+sinφ)|I|2或S＝U·I＝(I/U)·U·U＝|Z|ejφ·|U|2＝|Y|(cosφ-sinφ)|U|2，然后测量电压的有效值U或电流的有效值I，并计算其平方，即U2或I2；采用正交分解比例法，测量电流相量与电压相量的复相量比值|Y|(cosφ-sinφ)，或测量电压相量与电流相量的复相量比值|Z|(cosφ+sinφ)；最后，计算有效值平方与复相量比值的乘积，得到有功功率P＝U2|Y|cosφ或P＝I2|Z|cosφ、无功功率Q＝U2|Y|sinφ或Q＝I2|Z|cosφ。此种测量方法可以测量很高的频率，但其结构复杂，对硬件要求高，适用于实验室，却不便于在嵌入式系统中使用。
发明内容
为了解决现有测量方法复杂，对硬件要求高，不便于在嵌入式系统中使用，本发明提出一种宽频电功率测量方法及测量装置。
本发明的技术方案为一种宽频电功率测量方法，其测量原理如下 (1)设被测负载两端电压及流过负载的电流分别为u1和i1
i1＝Imcosωt 瞬时功率
(2)对u1和i1分别移相π/2，得到u2和i2，则
瞬时功率
(3)对瞬时功率p1、p2进行如下运算，得到有功功率P
(4)为实现(2)所述的将u1和i1分别移相π/2，可采用比u1和i1采样时间延时1/4周期采样得到的u2和i2的方法实现π/2移相，对信号进行π/2移相，实际上相当于对信号进行1/4周期的延时，若设被测信号的周期为T，则其数学表达式如下
根据以上原理，可采用以单片机为核心的测量装置按下述步骤来实现功率测量 (1)测量流过负载的正弦交流电的周期T，并计算出T/4时间。
(2)相隔T/4时间间隔对负载两端正弦交流电压和流过负载的电流进行采样， 然后对其进行A/D转换，得到相隔T/4时间间隔的两组电压和电流的数字值u1、i1和u2、i2。
(3)由u1，i1和u2，i2分别计算出瞬时功率p1、p2，然后利用原理(3)中的公式P＝(p1+p2)/2计算出有功功率P。
(4)单片机将有功功率P送入显示系统显示；或对有功功率P进行累加，得到电能值。
根据以上方案构成的一种宽频电功率测量装置包括电压变换器、电流变换器、A/D转换器、单片机、LCD(或LED)显示器、标准时钟源、可逆计数器、分频控制器、加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、置数控制器以及由运放构成的信号整形电路，其特征在于信号整形电路分别与电压变换器(或电流变换器)和加计数控制逻辑连接；可逆计数器与单片机通过数据总线与单片机连接；加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、分频控制器，置数控制器通过控制总线与单片机连接；标准时钟源与分频控制器连接，分频控制器通过加计数控制逻辑和减计数控制逻辑与可逆计数器连接；两组A/D转换器通过总线与单片机连接，电压变换器、电流变换器分别与两组A/D转换器连接；LCD(或LED)显示器通过总线与单片机连接。
上述步骤(1)中正弦交流电测量周期装置由信号整形电路，可逆计数器、加计数控制逻辑、标准时钟源、分频控制器、单片机组成。
所述周期测量步骤为 (a)利用运放电路将被测信号整形成占空比为50％的方波脉冲信号以备测量。
(b)单片机通过分频控制器将标准时钟源频率分频到最低基准时钟频率(250kHz)，然后发出测量脉冲信号，该信号同时对可逆计数器清零； 可逆计数器加计数控制逻辑在接到测量脉冲信号后，在被测方波脉冲的上升沿开启可逆计数器，对基准时钟脉冲进行加计数；在被测信号的下降沿关闭可逆计数器，完成被测信号周期的粗测。
(c)单片机将可逆计数器中的计数值调入，根据计数值对分频控制器的分频比进行调整，使标准时钟源的频率被分频到大于被测信号频率2×103倍上，从而得到新的基准时钟频率。然后重复(b)的测量过程，完成被测正弦交流电周期的精测。
(d)单片机将可逆计数器中的计数值调入，然后对其除以2，再进行误差调整，得到的计数值重新置入可逆计数器。完成T/4周期计数值的计算及误差校正。
上述步骤(2)中T/4周期时间间隔控制及正弦交流电A/D转换装置由A/D转换器、可逆计数器、减计数控制逻辑、标准时钟源，分频控制器、单片机组成。
所述采样、A/D转换及T/4周期时间间隔控制的步骤为 (a)单片机发出第一组A/D转换器启动信号，第一组A/D转换器启动；同时该信号输入到减计数控制逻辑。
(b)减计数控制逻辑接收到第一组A/D转换器启动信号后，开启可逆计数器进行减计数。
(c)可逆计数器完成T/4周期计数值的减计数后，输出借位信号。
(d)借位信号输入减计数控制逻辑，减计数控制逻辑关闭可逆计数器。同时借位信号触发单片机中断。
(e)单片机中断服务程序启动，发出第二组A/D转换器启动信号，第二组A/D转换器启动。
(f)两组A/D转换器完成A/D转换后发出中断请求信号，单片机中断服务程序启动，将两组A/D转换器中的数字值u1、i1和u2、i2调入单片机存储器。
上述步骤(3)中正弦交流电功率计算装置由单片机完成。
所述功率计算步骤为 (a)由单片机中乘法运算子程序对u1、i1和u2、i2分别进行乘法运算，得到瞬时功率值p1和p2并重新存入存储器。
(b)由单片机中加法运算子程序和除法运算子程序根据P＝(p1+p2)/2对数字值p1和p2进行处理，得到有功功率P。
上述步骤(4)中电功率显示装置由LCD(或LED)显示器、单片机构成。
所述功率显示步骤为 (a)单片机根据LCD(或LED)显示器的要求，将有功功率P的数字值转换成适合LCD(或LED)显示器显示的格式。
(b)单片机通过总线将有功功率P的数字值传送到LCD(或LED)显示器显示。
本测量方法为一种宽频率的交流正弦波功率测量方法，克服了以前的测量方法中对正弦交流电频率的限制，应用目前CPLD16位可逆计数器，其上限频率可达100kHz、下限频率可达1Hz，最佳测量不确定度可达10-4级。采用本测量方法所构成的测量装置，其结构简单，对硬件要求不高，体积小巧，适合在嵌入式系统中构成功率表或电能表使用。
图1为本发明所述方法的信号流程示意图； 图2为本发明测量电功率装置的原理框图； 图3为本发明测量电功率装置中周期测量路原理框图； 图4为本发明测量电功率装置中T/4间隔采样控制电路原理图； 图5为本发明测量电功率装置中主控程序流程图； 图6为本发明的一种简化的测量电功率装置的原理图。
具体实施例方式 下面结合附图描述本发明的实施例。
图1所示为采用本发明所述方法的信号流程示意图。被测电压、电流分成三路，分别加到第一、第二组A/D转换器和周期测量电路上。周期测量电路完成被测信号的周期T的测量；得到周期计数值T经单片机处理得到T/4延时计数值，该值用来控制第二组A/D转换器比第一组A/D转换延迟T/4周期启动。两组A/D转换器转换完成的电压、电流数字值u1、i1和u2、i2分别送入存储器保存；然后数字值u1、i1和u2、i2分别相乘，得到的瞬时功率值p1和p2重新送回存储器。接下来再将p1和p2相加，得到p1+p2；p1+p2除以2，得到有功功率数字值P送显示器显示。以上数字值的乘法运算、除法运算和加法运算可采用硬件构成的乘法器电路、除法器(或移位器)电路和加法器电路完成；也可采用计算机程序来实现。
图2为本发明测量电功率装置的原理框图。该装置由电压变换器、电流变换器、A/D转换器、单片机、LCD(或LED)显示器、标准时钟源以及由可编程逻辑器件CPLD构成的可逆计数器、分频控制器、加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、置数控制器；由运放构成的信号整形电路组成。所述的电压变换器将被测电压u按比例降压到uv＝ku(其中k为电压变换器的分压系数)；所述的电流变换器将被测电流i按比例转换成电压ui＝iR(其中R为电流变换器的电阻值)，以满足A/D转换器对输入电压幅度的要求。uv及ui经相隔T/4周期时间间隔启动的两组A/D转换器转换成数字值u1、i1和u2、i2。u1、i1和u2、i2被单片机读入内存储器；后续的处理采用程序来实现。所述的uv(或ui)经信号整形电路整形成占空比为50％、电压为5V的方波信号供周期测量电路测量周期使用。由标准时钟源配合可编程逻辑器件CPLD构成周期测量电路及T/4时间间隔控制电路，其工作原理由图3和图4加以说明。
图3所示为周期测量电路，该电路主要由单片机控制部分、标准时钟源、CPLD中的分频控制器、加计数控制逻辑和可逆计数器等部分组成。各关键点的波形如图中A、B、C、D、E、F所示，下面简要介绍其工作原理。
(1)周期粗测 被测交流电压被电压变换器变换、整形电路整形后，得到峰值为5V、占空比为50％的方波信号A。开始测量前，在单片机程序控制下，分频控制器被复位，标准时钟源的频率被分频到最低基准时钟频率(250kHz)，得到波形D；然后单片机输出周期测量开始信号B，可逆计数器被信号B复位、加计数控制逻辑在接到信号B后，在B信号之后到达的A信号脉冲的上升沿输出高电平；在A信号的下降沿输出低电平，形成测量允许信号C(该信号只在B信号之后出现一次)。在C信号的上升沿，控制门打开，D信号通过控制门形成计数时钟脉冲信号E，该信号加到可逆计数器加计数输入端，可逆计数器开始加计数；在C信号的下降沿，控制门关闭，可逆计数器停止计数。同时加计数控制逻辑产生中断请求信号F，单片机在接收到中断请求信号F后将可逆计数器中的值调入单片机作进一步处理。
(2)周期精测 单片机对调入的计数值进行判断，根据不同计数值对分频控制器的分频比进行重新设置(要求E信号的频率是A的2×103倍以上；其目的是减小计数误差)，得到新的基准计数脉冲D，然后单片机输出周期测量开始信号B，重复前面的测量过程。计数结束后单片机将新的计数值读入作进一步处理。
图4所示为T/4时间间隔控制电路，由单片机、可逆计数器、置数控制器、分频控制器、减计数控制逻辑、标准时钟源等几部分组成，各关键点的波形如图中A、B、C、D、E、F所示。四分之一周期延时控制的方法有多种，下面对其中两种方法加以说明。
(1)T/4计数值置数法 单片机将读入的周期精测计数值(半个周期)除以2，然后作误差调整，从而得到T/4精确计数值并将该值重新置入可逆计数器。完成以上操作后单片机发出A/D转换控制信号A，第一组A/D转换器开始对u、i采样及A/D转换；同时减计数控制逻辑输出控制脉冲B，打开控制门，标准计数脉冲C通过控制门形成计数时钟脉冲D，该信号加到可逆计数器减计数输入端作减计数。
当可逆计数器减计数到零时，可逆计数器输出借位脉冲E，该脉冲输入减计数控制逻辑，形成控制脉冲B的后沿，控制门被关闭，计数终止；同时E信号触发单片机中断，单片机输出控制信号F，开启第二组A/D转换器对u、i采样及A/D转换，从而完成两组A/D转换器间隔T/4周期时间间隔开启的控制目的。
(2)倍频法 单片机将读入的周期精测计数值(半个周期)作误差调整，完成后将得到的值重新置入可逆计数器；然后单片机改变分频控制器的分频比，将基准计数脉冲的频率增加1倍，再作减计数计时，同样可得到T/4周期脉冲时间。其他控制过程同(1)。
以上两种方法各有特点方法(1)作T/4时间间隔控制时的标准时钟脉冲频率与周期精测时的频率一致；方法(2)作T/4时间间隔控制时的标准时钟脉冲频率比周期精测时的频率高1倍，因此仪器的工作频率范围要低于方法(1)，但经实测，方法(2)的测量精度略高于方法(1)。
图5所示为宽频电功率测量装置的主控制程序流程图 图6所示为一种简化的宽频电功率测量装置的原理框图。该装置由电压变换器、电流变换器、A/D转换器、单片机、LCD(或LED)显示器、标准时钟源以及由运放构成的信号整形电路组成。其周期测量电路及T/4时间间隔控制电路由标准时钟源配合单片机内部的T0计数器完成。其工作原理与图2所示的电功率测量装置的工作原理相同，但其周期测量与T/4时间间隔控制都由程序完成。这种方式简化了测量装置的硬件电路，被测信号频率在1Hz～1kHz的频率范围内其最高测量精度仍可达5×10-3。适合在精度及频率范围要求不高的场合使用。
权利要求
1.一种宽频电功率测量方法，其特征在于
(1)测量负载两端正弦电压瞬时值u和流过负载的正弦电流瞬时值i，得到
i1＝Im cosωt
(2)对正弦电压瞬时值u1和正弦电流瞬时值i1进行π/2移相，得到
(3)对u1、i1和u2、i2进行下述运算，得到有功功率P
2.根据权利要求1所述的一种宽频电功率测量方法，其特征在于通过下述步骤得到不受被测正弦功率信号频率限制的π/2移相信号u2和i2
(1)对被测正弦电压信号进行周期测量，得到周期值T。
(2)对周期值T进行运算，得到T/4值。
(3)测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到u1和i1；同时开始T/4延时计时。
(4)T/4延时计时完成时，再次测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到相对于u1和i1移相π/2的信号u2和i2。
3.根据权利要求2所述的一种宽频电功率测量方法，其特征在于通过下述步骤得到高精度的周期值
(1)利用运放电路将被测电压信号整形成占空比为50％的方波脉冲信号以备测量。
(2)单片机通过分频控制器将标准时钟源频率分频到最低基准时钟频率(250kHz)。
(3)在被测方波脉冲的上升沿开启可逆计数器，对最低基准时钟脉冲进行加计数；在被测信号的下降沿关闭可逆计数器，完成被测信号T/2周期的粗测。
(4)单片机根据计数值对分频控制器的分频比进行调整，使标准时钟源的频率被分频到大于被测信号频率2×103倍以上，从而得到新的基准时钟频率。
(5)重复(3)的测量过程，完成被测正弦交流电T/2周期的精测。
4.根据权利要求2所述的一种宽频电功率测量方法，其特征在于通过下述步骤得到高精度的T/4周期时间间隔控制
(1)单片机将可逆计数器中的T/2计数值调入内存储器，然后对其除以2，得到T/4计数值。
(2)单片机对T/4计数值进行误差补偿，得到T/4精确计数值。
(3)单片机将T/4精确计数值重新置入可逆计数器，作T/4延时控制用。
(4)测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到u1和i1；同时开启可逆计数器作减计数。
(5)可逆计数器减计数到零，输出借位信号时，再次测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到u2和i2，则u2和i2的测量时刻比u1和i1延迟T/4周期时间间隔。
5.根据权利要求2所述的一种宽频电功率测量方法，其特征在于通过另一种方法也可以得到高精度的T/4周期时间间隔控制
(1)单片机将可逆计数器中的T/2计数值调入内存储器，然后对其进行误差补偿，得到精确计数值。
(2)单片机将精确计数值重新置入可逆计数器，作T/4延时控制用。
(3)单片机改变分频控制器的分频比，将基准计数脉冲的频率增加1倍。
(4)测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到u1和i1；同时开启可逆计数器作减计数。
(5)可逆计数器减计数到零，输出借位信号时，再次测量负载两端电压u和流过负载的电流i，得到u2和i2，则u2和i2的测量时刻比u1和i1延迟T/4周期时间间隔。
6.一种宽频电功率测量装置，其特征在于一种宽频电功率测量装置包括电压变换器、电流变换流器、A/D转换器、单片机、LCD(或LED)显示器、标准时钟源、可逆计数器、分频控制器、加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、置数控制器以及由运放构成的信号整形电路，其特征在于整形电路分别与电压变换器(或电流变换器)和加计数控制逻辑连接；可逆计数器与单片机通过数据总线与单片机连接；加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、分频控制器，置数控制器通过控制总线与单片机连接；标准时钟源与分频控制器连接，分频控制器通过加计数控制逻辑和减计数控制逻辑与可逆计数器连接；两组A/D转换器通过总线与单片机连接，电压变换器、电流变换器分别与两组A/D转换器连接；LCD(或LED)显示器通过总线与单片机连接。
全文摘要
一种宽频电功率测量方法，对被测负载的电压u、电流i间隔四分之一周期(T/4)进行采样，分别得到两组值i1＝Imcosωt和然后根据公式得到被测负载所消耗的有功功率值。测量电功率的装置包括完成数据采集任务的电压变换器、电流变换器、A/D转换器、单片机；完成显示任务的LCD(或LED)显示器以及完成周期测量及四分之一周期时间间隔控制任务的由标准时钟源、可编程逻辑器件CPLD构成的可逆计数器、分频控制器、加计数控制逻辑、减计数控制逻辑、置数控制器；由运放构成的信号整形电路组成。本发明在1Hz～100kHz频率范围内对负载消耗有功功率最佳测量不确定度可达10-4级。
文档编号G01R21/00GK101762744SQ20091027290
公开日2010年6月30日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者陈劲松 申请人:湖北汽车工业学院