电度表的数字化改进∗

徐少俊 陈焰 刘美琦 雷金辉

（昆明理工大学信息工程及自动化学院昆明650500）

电度表的数字化改进∗

徐少俊 陈焰 刘美琦 雷金辉

（昆明理工大学信息工程及自动化学院昆明650500）

数字化电度表简化信息传递、方便数据管理。机械电表的传动装置有间隙、摩擦等降低仪器灵敏度，引起误差，AD式数字电表增加了电流、电压测量和模/数转换环节，环节多，误差累计大。采用脉冲计数及几何作图法数字化电表，减少环节误差，提高测量精度。仿真结果表明：轴距从0.2cm变化到2.8cm，脉冲数恒为30000；且6孔、12孔，产生脉冲间隔0.2s、0.1s，可减少甚至消除等分误差；机械加工、装配简单，复现性好，方便批量化生产。对比AD式数字电表，倍增孔数，即可提高分辨率、减小分度误差、提高精度。

电度表；误差分析；数字化；脉冲

Class NumberTM933.4

1 引言

数字化电度表简化了信息传递，方便用户在线缴费和供电部门数据管理、合理调配资源等。机械电表用齿轮等机械传动装置拨动计数器计度电量。机械传动装置有间隙、摩擦等，降低仪器灵敏度、精度，引起误差。AD转换数字电表，增加了电流、电压测量及A/D转换环节，各环节误差累计也会降低仪器灵敏度、精度，环节越多累计误差越大，且A/D转换采样保持期间，不计度电量。文献［1］重点叙述了脉冲式数字化电度表原理方法［1］。数字化电度表各环节的误差分析、减小或消除误差的方法、提高仪器整体计量精度等鲜见刊载。在分析电度表误差基础上，基于脉冲式数字化电度表原理，探讨了各环节误差及减小方法，机械加工方法。降低机械加工难度，方便批量化生产，提高脉冲式数字化电度表计量精度，维护供电和用电双方的权益。

2 电度表误差的分析

2.1 机械电表的误差分析

机械电表是利用电磁感应原理，通过传动齿轮等机械结构带动计度器计量电能，环节较多，且机械传动结构之间存在摩擦、间隙、毛刺等，以及工件的加工和装配质量的参差不齐，如固定的螺钉松动，传动蜗杆的毛刺和刀痕，还有内部一些震动等，导致计度器计数呆滞，甚至卡死不走字等现象［2］，降低灵敏度，增大仪表误差。

2.2 AD转换数字电表的误差分析

AD转换数字电表，需测量电流、电压，通过AD转换等多个环节来计量电能。许多文献采用高精度AD转换器来提高数字电表精度。如基于PWM技术及逐次逼近试探算法，实现对被测量A/D变换［3～4］；基于过采样定理，提高采样频率，降低输出频带量化噪声功率，提高AD转换器精度［5～6］；双积分AD转换器等［7～8］。未涉及提高电流、电压测量传感器精度问题。只提高AD转换器性能，仪器整体性能难以提高；运算环节多，累计误差大，且AD器件内部存在失配误差，产生非线性问题［9］；模数转化过程中串、共模干扰所带来的误差；在采样保持期间，不计度电量等。降低仪器灵敏度，增大仪表误差。

3 电度表的数字化改进

3.1 数字化方法

采用脉冲计数法数字化，如图1所示。在转盘上任打一小孔，在转盘的上/下方放置发光源及感光器件，产生脉冲。

图1电度表转盘

以角速度ω转动转盘，孔的线速度V与到轴心距离r成正比，如式（1）。

孔转一圈产生一次脉冲。转动的距离为2π×r。脉冲周期T如式（2）。

T与r无关，只与ω有关，方便机械打孔，降低机械加工要求。电耗越大，ω越大，T越小，同一时间内脉冲数越多。电能消耗与脉冲数关系，如式（3）。

a为每个脉冲所代表的电耗，即分辨率。

3.2 脉冲法数字化电表误差分析

该方法消除了机械传动间隙、摩擦等因素影响；去除了信号测量及AD转换等多个环节，减少环节误差，提高灵敏度。

3.2.1 分度误差

以3000r/（kw.h）电表为例。新表或仪表检修后初装投运时，若转盘逆时针转动，光源投影点处于孔的右方，如图2（a）中1点。点到孔距离极短，一有电耗，转盘转动即产生脉冲，转一圈，计电耗2a。

图2转盘俯视图

当处于孔的左方时，如图2（a）中2点。有电耗，转一圈后，才产生脉冲，计电耗a。两种情况计度误差为a，即1/3000kw.h。若在转盘上等分打两孔，初装光源投影点处于图2（b）中1、2点。两种情况下，计度误差为a/2。4孔误差为a/4分度值，8孔误差为a/8分度值。得式（4）。

n为转盘的孔数，n越大误差越小。增加孔数n，降低最小分度值，减小分度误差。

3.2.2 机械加工误差

孔数增多，引入等分误差，增大加工难度。采用几何作图法消除等分误差。如图3。

以2，3，5孔为基础，以2倍的关系打孔。在转盘上作任一意同心圆，并在同心圆上等分多孔。如图3（a）所示，过圆心做直径交同心圆于两点便是2孔位置；图3（b），过圆心画直径，交同心圆两个端点，以一点为圆心，以同心圆半径画圆弧交于两点，该两点与直径另一端点便是3孔位置；图3（c），过圆心作两条互相垂直的直径AZ和XY；以OY的中点M为圆心，MA为半径作圆，交OX于点N；以点A为圆心，AN为半径，在圆上连续截取等弧长，交同心圆5点便是5孔位置。过圆心，作各点连线的垂线，与圆相交，便是4孔、6孔、10孔…。理论上几何作图，可消除等分误差。降低机械加工难度，方便批量化生产。

图3几何作图

如图3（a）中q所示，将孔改为条形槽，有效解决光源装配位置与孔不在同心圆上，带来脉冲计数缺失问题。若在转盘上打12孔，脉冲数12×3000即12/a代表消耗了1kw.h。设单片机所记下的脉冲数为P，消耗电能与脉冲数的关系如式（5）

采用单片机完成计数、数字计算、显示、通讯等功能进行数据管理［10～11］。此类方法已有许多文献刊载，本文不再叙述。

3.3 仿真实验

在任一批规格为3000r/（kw.h）的表盘上打1孔。孔到轴心的距离r：从0.2cm到2.8cm以0.2cm间隔变化。相同负载下，若耗电10kw.h，脉冲计数仿真，如图4（a）。脉冲数始终为30000，r变化不影响脉冲计数。批量生产时，孔到轴心距离无严格要求，机械加工难度降低。

在转盘上打6孔、12孔。恒负载运行一段时间，脉冲与时间关系，如图4（b）、（c）。脉冲周期T恒为0.2s、0.1s。采用几何作图法倍增孔，未引起等分误差；定位设计精度高；降低机械加工难度，易实现批量化生产。

4 精度对比

以3000r/kw.h，12孔为例：一个脉冲代表最小分辨率a为1/36000。AD转换器的分辨率表达式如式（6）。

图4仿真图

N是代表AD转换器的位数。假设参考电压为5V，根据式（6）可知需要18位AD转换器才能达到上述精度要求。现有技术在转盘上已能打孔达到成百上千，产生的机械打孔的等分误差可忽略不计，而AD转换器测量模式则难以达到该效果。当增加孔数和提高每度电所需转盘转数便可达到高精度AD转换器的效果甚至超过所现有的器件精度。如电表为30000r/（kw.h）孔数48时根据式（6）计算得AD转换器位数至少24位。同时AD转换器精度提高对电路处理和传感器精度等要求随之提高，导致配套器件成本上升。因此在提高精度上，该改进方案成本低廉。且AD转换器在数据转换时并不采样，不能真实反映电能消耗情况。

5 结语

采用脉冲法数字化电能表，消除齿轮传动环节影响和无电流电压变化，AD采样等多个环节误差，减少环节误差，提高整体仪器计量精度。在同规格3000r/kw.h的电表盘上打1孔，到轴心距离从0.2cm以0.2cm为间隔变化到2.8cm，并在相同负载消耗相同10kw.h等条件下进行仿真，脉冲数恒为30000，表明脉冲计数不受距离的影响；6孔、12孔各自产生脉冲间隔时间相等分别为0.2s、0.1s，则相邻两孔间距相等，几何作图法在理论上消除等分误差别且成倍增加孔数。降低机械打孔要求和加工难度，方便批量化生产。而数字电表采用高精度AD转换器来提高计量精度，以24位AD转换器为例，其对信号处理电路和传感器精度等要求较高，导致配套器件成本上升。同时还有电流电压的转换，单纯提高AD转换器精度不能提高仪器整体精度。脉冲法数字化电表通过增加孔数和提高每度电所需转盘转数达到高精度AD转换器效果。因此在提高精度上，该改进方案成本低廉。结构简单，测量精度较高。

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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

云南省应用基础研究项目（编号：KKSA201331004）资助。

徐少俊，男，硕士，研究方向：检测技术及其自动化。陈焰，男，硕士，高级工程师，研究方向：检测技术及自动化系统应用，嵌入式技术应用。刘美琦，女，硕士，研究方向：检测技术及其自动化。雷金辉，男，硕士，教授，研究方向：计算机应用、自动控制、嵌入式系统。