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1、红外在电子式电能表中的应用机电式电能表主要由感应式测量机构、光电转换器和分频器、计数器三大部分组成， 工作原理框图如图 1 所示。本文由红外线供应网提供电电能能感感应应系系 测测量量机机构构分分频频器器、计计数数器器光光电电 转转换换器器显显示示器器转转盘盘转转数数图 1 机电式电能表的工作原理框图感应式测量机构的主要作用是将电能信号转变为转盘的转数，具体的结构及工作原理 已在第一章介绍。光电转换器的作用是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲，此脉冲数也正比于被 测电能，即应满足如下关系111mnCNCW式中 W为被测电能，kWh； m为转换后输出的总脉冲数，imp； n1代表每输出一个脉冲转盘
2、应转动的圈数，rimp； C电能表常数，r（kWh） 。例如，某种机电式电能表的转盘每转一圈发出 2 个脉冲，即 n10.5rimp, 电能表 常数 C1500r（kWh） ，则每输出一个脉冲代表的电能数为（kWh）00033. 0300015 . 0115001W即这种机电式电能表每输出一个电脉冲代表负载耗电 0.00033kWh。经过简单的光电转换得到的初始电能脉冲信号，由于波形不理想不能直接送至计数器 计数或微处理器处理，还必须先经过整形放大、限幅限宽等一系列处理，如图 2 所示。转盘转数初始电能脉冲光电转换整形放大限幅限宽脉冲信号图 2 光电转换器的工作原理图分频器和计数器的主要作用是
3、对经光电转换器转换成的脉冲信号进行分频、计数，从 而得到所测量的电能。由以上分析可以看出，光电转换器是机电式电能表的关键部分。因此，下面将着重介 绍光电转换器的结构和工作原理。根据光电转换器的不同，机电式电能表可分为单向脉冲式和双向脉冲式两种类型。一、单向脉冲式电能表一、单向脉冲式电能表单向脉冲式电能表的光电转换器主要包括光电头和光电转换电路两部分。1光电头光电头由发光器件和光敏器件组成。机电式电能表的光电头多采用红外发光二极管 （简称“发光管” ）和光敏三极管（简称“光敏管” ）或者是用发射管与接收管组成的光电 开关。用红外器件时外界的电磁波、可见光等干扰都不会影响信号的检测。具体的方法是
4、通过在感应式测量机构的转盘上进行分度并做标记，如打孔、铣槽或印上黑色分度线条等， 用穿透式或反射式光电头发射光束，采集转盘旋转时的标记得到初始脉冲。两种典型光电头的安装结构如图 3 所示。穿透式光电头，在转盘上钻有透光孔，发光管和光敏管分别安装在转盘的上、下两 侧，光敏管通过接收透射光产生脉冲输出。反射式光电头，在转盘边缘均匀地印有黑色或是白色分度线，发光管和光敏管安装 在转盘的同一侧，光敏管通过接受反射光，产生脉冲输出。发光管和光敏管都是光电转换器的主要器件，正确的选择和使用它们是决定光电转 换器的质量及其实用性的关键。2光电转换电路一种最基本的光电转换电路如图 4 所示。当光敏管接收到较强
5、的光照时，处于导通状 态，光电流增加，V1 导通，作用到 V2 和 V3 组成的射极耦合放大器上，使输出电压呈高 电平；反之，当光敏管接收到的光照较弱时，处于截止状态，相应的输出电压呈低电平。图 4 基本的光电转换电路实用的光电转换电路还应具有误动作判断功能，以及将输出初始脉冲整形、放大、限 幅限宽等功能。图 5 所示是一种常用光电转换电路，JEC2 是一个高输入阻抗的低功耗射极 耦合触发器，按图中的连接，即为施密特触发电路。电路中除了加有积分电路外，R4、C1 和 R6 还组成一限幅、微分电路，把宽度随机的脉冲转化为大小、宽度相等的窄脉冲，以 便送给分频器、计数器计数或给微机进行多功能化处理
6、。图 5 常用光电转换电路光电转换器就其结构来说，一般分成两部分，即光电头和光电转换电路。为调配好 发光管与光敏管的机械位置，通常设计有固定式台座，并整体地安装在与转动部件配合的 支架上。一种最常用的穿透式光电头的机械安装结构如图 6 所示。图中，1 为转盘；2 为透 光小孔，在转盘上可有一个、两个或多个小孔，透光小孔的直径应与发光管外径相当，不 宜过大；支架 5 的作用是固定发光管 3 和光敏管 4 的相对位置。安装时，要特别注意发光 管、光敏管与透光小孔的配合。图 6 光电头机械安装结构图 1-转盘；2-透光小孔；3-发光管；4-光敏管；5-支架二、双向脉冲式电能表双向脉冲式电能表具有双向
7、计度的功能，既能测量正向消耗电能，又能测量反向消耗 电能。当负载呈感性时正转，对应感性负载的耗能计量；负载呈容性时则反转，用另一计 数器对容性负载的耗能计量。另外，一些并网运行变电站使用的有功电能表也有反转的可 能，对此，过去一般都采用两只有功电能表分别进行正、反向计量，现在仅用一只双向脉 冲式有功电能表即可实现有功电能的正、反转计量。在电路设计和制造上，双向脉冲电能表比单向脉冲电能表复杂，它有两套光电头和转 换电路，分别输出正转和反转电能脉冲。双向脉冲式电能表转盘和光电头安装位置俯视图如图 7 所示。光电头 1、2 的轴线不通 过转盘中心。当转盘逆时针转动（称为正转）时，光电头 1 每次先接
8、触黑印，光电头 2 迟 后一些；若转盘顺时针转动（称为反转） ，则光电头 2 先接触黑印，而光电头 1 迟后。图 7 光电头安装位置俯视图双向脉冲式电能表光电转换及双向脉冲输出控制电路如图 8 所示。图中，与非门 a、c（简称 a、c）完成两路光电转换，双向脉冲输出则由双 D 触发器、和与非门 b、d（简称 b、d）控制。转盘转动时，经两光电头检测，与非门 a、c 输出两路脉冲在时间上有差异，使与非门 b、d 只有一路有输出脉冲。下面结合脉冲时序图说明其工作过程： 若 a 的输出超前 c 的输出，则各与非门输出时序如图 3-9 所示。 a 的第一个脉冲前沿触发 触发器，此时因 c 迟后 a，故
9、 D1 端为低电平，输出高电平，a 和同时施加于与非门 b， 使其输出一低电平。而在 c 的第一个脉冲前沿触发触发器时，因 a 超前 c，故 D2 为高电 平，输出低电平，将 d 封锁，因此 d 没有输出，一直保持高电平。反之，若 c 超前 a，则 d 有脉冲输出，而 b 没有。由以上工作原理可知，光电转换器是机电式电能表的重要组成部分，成为连接电能计 量功能单元与数据处理单元的纽带。光电转换器是机电式电能表的关键部件，其性能好坏 直接影响整个表计的运行质量。进一步提高光电转换器的抗干扰能力和准确度，延长其使 用寿命，降低功耗，并使其便于调整，是机电式电能表的发展方向。图 8 双向脉冲输出控制电路图 9 双向脉冲输出控制电路波形图
