專利名稱：多用戶預付費式電能表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及對電能的使用進行收費控制的裝置，特別是一種對多個用戶的電能使用情況進行計量，收費的控制裝置。
目前傳統的電動式電度表正呈現被電子式的預付費式電能表取代的趨勢。各種各樣的預付費式電能表的設計方案已經有很多，這些技術方案分為兩大類，一類為單表方案，這類方案在技術上能夠實現預付費式電能表的計量、預付費功能，但成本均很高，目前還不能被供電部門接受；另一類為多用戶方案，這類方案是將每個用戶電能表的計量、控制部分集中到一個控制單元，通過采樣開關對每個用戶的用電量進行采樣，然后由單片機進行電量計算。由于單片機控制的采樣開關是分時工作，所以采樣信號是不連續的，而用戶的用電量是一個幅值變化的連續值，因此這類方案雖然使單表成本有所下降(仍然達不到商品化程度)，但計量精度卻受到很大影響，仍然沒有被供電部門接受。
另外，現有技術方案也缺乏裝置出現自身故障或人為故障時的自保護功能，在電源反相時只能識別，不能正常工作。
本實用新型的目的在于提供一種成本低廉、精度高的多用戶預付費式電能表。它采用集散控制的結構和一種新結構，成本低廉的帶積分性質的電能信號轉換器，以及信號檢測器和專用的斷電器，使得本實用新型的綜合性能達到了商品化的實用程度，同時還具有功能齊全、空載損耗小的特點。
本實用新型的構成包括工作電源(1)、單片機(2)，與單片機相連的數據存貯模塊(3)、顯示報警模塊(4)、預定參數輸入模塊(5)，其特征在于還包括多個由電卡(5)、帶積分性質的電能信號轉換器(7)、信號檢測器(8)，斷電器(9)組成的用戶單元。
所述的電能信號轉換器(7)包括電流采樣器(10)、電壓采樣器(11)、icosφ單元(12)、電壓信號整形放大器(13)、電源正反相識別控制單元(14)、乘法器(15)、帶積分性質的頻率變換器(16)；電流采樣器(10)的輸出端與icosφ單元(12)的一個輸入端相連，icosφ單元(12)的另一個輸入端與電壓采樣器(11)的輸出端相連，icosφ單元(12)的輸出端接至電源正反相識別控制單元(14)的輸入端；電源正反相識別控制單元(14)的輸出端與乘法器(15)的一個輸入端相連；電壓采樣器(11)的輸出端還接至電壓信號整形放大器(13)，整形放大器(13)的輸出接至乘法器(15)的另一個輸入端；乘法器(15)的輸出與帶積分性質的頻率變換器(15)的輸入相連。
所述的帶積分性質的頻率變換器(16)，包括運放器IC10、三極管BG3；IC10的負輸入端經一電阻與乘法器(6)的輸出端相連；同時還經一電容接地，經二極管和一電阻與IC10的輸出端相連；IC10的正輸入端經一電阻接，同時還與輸出端間接有一反饋電阻；IC10的輸出端接至集電極輸出的三極管BG3的基極。
所述的電源正反相識別控制單元(14)包括有兩個運算放大器和一個三極管；一個運放器作為比例放大器串接在icosφ單元(12)和乘法器(15)之間；另一個運放器作為反相器，其負輸入端與icosφ單元(12)的輸出端相連，其輸出端接至三極管的基極；三極管集電極接至所述比例放大器的正輸入端，發射極接地。
所述的icosφ單元(12)包括運放器IC12、IC4、IC5，三極管BG4；IC12的正輸入端作為icosφ單元(12)的電壓信號輸入端，負輸入端接地，輸出經一電阻與BG4基極相連；BG4發射極接地，集電極接至IC4的正輸入端；IC4的負輸入端與輸出端間接有一反饋電阻，IC4的正、負輸入端還分別經一電阻后連接在一起作為電流信號輸入端，IC4的輸出接至整形放大器IC5的輸入。
所述的信號檢測器(8)包括一個三極管和一個光敏耦合器件；三極管的基極經一電阻接至電能信號變換器(7)的輸出端，基極與電源正極間接有偏置一電阻，發射極接地，集電極與電源正極間串接有一電阻和光敏耦合器件中的發光二極管；光敏耦合器件中的光敏三極管的集電極接至單片機(2)的輸入端口，集電極同時還經一電阻與電源正極相連，發射極接地。
所述的斷電器(9)包括整流器、可以機械自鎖的開關、用以解除自鎖的脫扣線圈，脫扣線圈接在整流器的交流側，自鎖開關接在電源上，整流器的直流輸出端接有可以根據輸入信號來控制脫扣線圈通斷電的控制單元。
所述斷電器(9)的控制脫扣線圈通斷電的控制單元包括可控硅和光電耦合器件，可控硅陽極接整流器輸出正極，其陰極接整流器輸出負極，其控制極和陰極間接有光電耦合器件；可控硅控制極與陰極間還并聯接有一電阻、一穩壓二極管、一個電容，可控硅陽極和控制極間接有一電阻。
與現有技術比較，本實用新型由于采用了一種新結構的、成本低廉的帶積分性質的電能信號轉換器，以及信號檢測器和專用的斷電器，使得本實用新型具有成本低、精度高、功能齊全、空載損耗小的優點，不但能在電源正反相狀態下均正常工作，而且在裝置出現自身故障或人為故障的情況下能夠可靠地切斷用戶電源。可以用來替代現有的各種電能表，實現預付費用電。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。
附
圖1是本實用新型的結構原理附圖2是本實用新型的單片機系統電氣原理圖；附圖3是本實用新型的電能信號變換器的結構原理圖；附圖4是本實用新型電能信號變換器的電氣原理圖；附圖5是本實用新型信號檢測器的電氣原理圖；附圖6是本實用新型的斷電器電氣原理圖；實施例包括工作電源(1)、單片機(2)，與單片機相連的數據存貯模塊(3)、顯示報警模塊(4)、預定參數輸入模塊(5)，其特征在于還包括多個由電卡(5)、帶積分性質的電能信號轉換器(7)、信號檢測器(8)，斷電器(9)組成的用戶單元。
所述的電能信號轉換器(7)包括電流采樣器(10)、電壓采樣器(11)、icosφ單元(12)、電壓信號整形放大器(13)、電源正反相識別控制單元(14)、乘法器(15)、帶積分性質的頻率變換器(16)；電流采樣器(10)的輸出端與icosφ單元(12)的一個輸入端相連，icosφ單元(12)的另一個輸入端與電壓采樣器(11)的輸出端相連，icosφ單元(12)的輸出端接至電源正反相識別控制單元(14)的輸入端；電源正反相識別控制單元(14)的輸出端與乘法器(15)的一個輸入端相連；電壓采樣器(11)的輸出端還接至電壓信號整形放大器(13)，整形放大器(13)的輸出接至乘法器(15)的另一個輸入端；乘法器(15)的輸出與帶積分性質的頻率變換器(16)的輸入相連。
所述的帶積分性質的頻率變換器(16)，包括運放器IC10、三極管BG3；IC10的負輸入端經一電阻與乘法器(5)的輸出端相連；同時還經一電容接地，經二極管和一電阻與IC10的輸出端相連；IC10的正輸入端經一電阻接，同時還與輸出端間接有一反饋電阻；IC13的輸出端接至集電極輸出的三極管BG3的基極。
所述的電源正反相識別控制單元(14)包括有兩個運算放大器和一個三極管；一個運放器作為比例放大器串接在icosφ單元(12)和乘法器(15)之間；另一個運放器作為反相器，其負輸入端與icosφ單元(12)的輸出端相連，其輸出端接至三極管的基極；三極管集電極接至所述比例放大器的正輸入端，發射極接地。
所述的icosφ單元(12)包括運放器IC12、IC4、IC5，三極管BG4；IC12的正輸入端作為icosφ單元(12)的電壓信號輸入端，負輸入端接地，輸出經一電阻與BG4基極相連；BG4發射極接地，集電極接至IC4的正輸入端；IC4的負輸入端與輸出端間接有一反饋電阻，IC4的正、負輸入端還分別經一電阻后連接在一起作為電流信號輸入端，IC4的輸出接至整形放大器IC5的輸入。
所述的信號檢測器(8)包括一個三極管和一個光敏耦合器件；三極管的基極經一電阻接至電能信號變換器(7)的輸出端，基極與電源正極間接有偏置一電阻，發射極接地，集電極與電源正極間串接有一電阻和光敏耦合器件中的發光二極管；光敏耦合器件中的光敏三極管的集電極接至單片機(2)的輸入端口，集電極同時還經一電阻與電源正極相連，發射極接地。
所述的斷電器(9)包括整流器、可以機械自鎖的開關、用以解除自鎖的脫扣線圈，脫扣線圈接在整流器的交流側，自鎖開關接在電源上，整流器的直流輸出端接有可以根據輸入信號來控制脫扣線圈通斷電的控制單元。
所述斷電器(9)的控制脫扣線圈通斷電的控制單元包括可控硅和光電耦合器件，可控硅陽極接整流器輸出正極，其陰極接整流器輸出負極，其控制極和陰極間接有光電耦合器件；可控硅控制極與陰極間還并聯接有一電阻、一穩壓二極管、一個電容，可控硅陽極和控制極間接有一電阻。
使用時，用戶將記有交費信息的加密電卡(6)(由EPROM構成)插入預定參數輸入模塊(5)的槽內，預定參數輸入模塊(5)將信息輸入單片機(2)由單片機(2)將信息讀入后進行判斷，確定相應用戶，并向對應的斷電器(9)發出低電平信號，使其脫扣器線圈斷電。用戶可以合上開關，并由開關的自鎖機構鎖定。
由RI和運放器IC1、IC2、IC3組成的電流采樣器(10)得到i信號；由分壓電阻Ru1和Ru2以及IC11組成的電壓采樣器(11)得到u信號；u信號和i信號經過由IC12、BG4、IC4、IC5組成的icosφ單元(12)得到icosφ信號；icosφ信號輸入由IC6、IC7、BG1組成的電源正反相識別控制單元(14)，當電源正相時，IC7輸出低電平，BG1不導通，IC6作為比例放大器正相輸出，當電源反相時，即火線、零線調換，IC7輸出高電平，BG1導通，IC6正輸入端接地，IC6反相輸出，保持了信號的正常輸出。正反相識別控制單元(14)處理過的icosφ信號和經過由IC13、IC14、IC15、BG2組成的放大整形電路(13)放大整形得到的u信號送入乘法器(15)，經過由IC8、IC9組成的乘法器(15)的運算處理，得到正比于功率P＝iucosφ的輸出信號，此輸出信號經IC10構成的帶積分性質的頻率變換器(7)的積分運算后，得到E＝∫iucosφdt信號脈沖，此處輸出的每個脈沖代表的是一定時間t內的電能量，是多個p脈沖的積分。
各用戶的電能信號變換器(7)的高電平脈沖信號經信號檢測器(8)的光耦作用后，采用中斷方式輸入單片機(2)，單片機(2)將用戶的用電量迭加運算后，與輸入的交費電量進行比較，當用戶用電量等于或大于交費電量時，單片機(2)向對應用戶的斷電器(9)發出高電平信號，光耦器件U2斷電，可控硅導通，脫扣線圈通電并解除開關的鎖定，使用戶電源斷電。
當信號檢測器(8)的輸入信號線被斷開或短接，光耦器件的輸出都是恒為高電平，單片機(2)收到這樣的恒高電平發出斷電指令給斷電器(9)，切斷用戶電源；當電能信號轉換器(7)的輸入線被切斷或其自身發生故障形成一種用戶長期不用電的假象時，單片機(2)可能收到是恒定的低電平或恒高電平，對于恒定的低電平單片機(2)采用定時處理，一但超過時間將自動對用戶電源斷電。當單片機(2)自身出現故障或單片機(2)到斷電器(9)的控制信號線出現短路、斷線時，光耦器件U2都將輸出高電平，致使可控硅導通，脫扣線圈通電，斷開用戶電源。因此具有各種裝置故障或人為故障狀態下能夠可靠地實施對用戶電源的斷電功能，而且還可以在用戶出門在外，長期不需用電的情況下，自動代用戶切斷電源。
權利要求1.多用戶預付費式電能表，包括工作電源(1)、單片機(2)，與單片機相連的數據存貯模塊(3)、顯示報警模塊(4)、預定參數輸入模塊(5)，其特征在于還包括多個由電卡(6)、帶積分性質的電能信號轉換器(7)、信號檢測器(8)，斷電器(9)組成的用戶單元。
2.根據權利要求1所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的電能信號轉換器(7)包括電流采樣器(10)、電壓采樣器(11)、icosφ單元(12)、電壓信號整形放大器(13)、電源正反相識別控制單元(14)、乘法器(15)、帶積分性質的頻率變換器(16)；電流采樣器(10)的輸出端與icosφ單元(12)的一個輸入端相連，icosφ單元(12)的另一個輸入端與電壓采樣器(11)的輸出端相連，icosφ單元(12)的輸出端接至電源正反相識別控制單元(14)的輸入端；電源正反相識別控制單元(14)的輸出端與乘法器(15)的一個輸入端相連；電壓采樣器(11)的輸出端還接至電壓信號整形放大器(13)，整形放大器(13)的輸出接至乘法器(15)的另一個輸入端；乘法器(15)的輸出與帶積分性質的頻率變換器(5)的輸入相連。
3.根據權利要求2所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的帶積分性質的頻率變換器(16)，包括運放器IC10、三極管BG3；IC10的負輸入端經一電阻與乘法器(6)的輸出端相連；同時還經一電容接地，經二極管和一電阻與IC10的輸出端相連；IC10的正輸入端經一電阻接，同時還與輸出端間接有一反饋電阻；IC10的輸出端接至集電極輸出的三極管BG3的基極。
4.根據權利要求2或3所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的電源正反相識別控制單元(14)包括有兩個運算放大器和一個三極管；一個運放器作為比例放大器串接在icosφ單元(12)和乘法器(15)之間；另一個運放器作為反相器，其負輸入端與icosφ單元(12)的輸出端相連，其輸出端接至三極管的基極；三極管集電極接至所述比例放大器的正輸入端，發射極接地。
5.根據權利要求2或3所述多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的icosφ單元(12)包括運放器IC12、IC4、IC5，三極管BG4；IC12的正輸入端作為icosφ單元(12)的電壓信號輸入端，負輸入端接地，輸出經一電阻與BG4基極相連；BG4發射極接地，集電極接至IC4的正輸入端；IC4的負輸入端與輸出端間接有一反饋電阻，IC4的正、負輸入端還分別經一電阻后連接在一起作為電流信號輸入端，IC4的輸出接至整形放大器IC5的輸入。
5.根據權利要求1或2所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的信號檢測器(8)包括一個三極管和一個光敏耦合器件；三極管的基極經一電阻接至電能信號變換器(7)的輸出端，基極與電源正極間接有偏置一電阻，發射極接地，集電極與電源正極間串接有一電阻和光敏耦合器件中的發光二極管；光敏耦合器件中的光敏三極管的集電極接至單片機(2)的輸入端口，集電極同時還經一電阻與電源正極相連，發射極接地。
7.根據權利要求1或2所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述的斷電器(9)包括整流器、可以機械自鎖的開關、用以解除自鎖的脫扣線圈，脫扣線圈接在整流器的交流側，自鎖開關接在電源上，整流器的直流輸出端接有可以根據輸入信號來控制脫扣線圈通斷電的控制單元。
8.根據權利要求7所述的多用戶預付費式電能表，其特征在于所述斷電器(9)的控制脫扣線圈通斷電的控制單元包括可控硅和光電耦合器件，可控硅陽極接整流器輸出正極，其陰極接整流器輸出負極，其控制極和陰極間接有光電耦合器件；可控硅控制極與陰極間還并聯接有一電阻、一穩壓二極管、一個電容，可控硅陽極和控制極間接有一電阻。
專利摘要本實用新型公開了一種多用戶預付費式電能表，它包括工作電源(1)、單片機(2)、數據存貯模塊(3)、顯示報警模塊(4)、預定參數輸入模塊(5)和多個由電卡(6)，帶積分性質的電能信號轉換器(7)、號檢測器(8)、斷電器(9)組成的用戶單元。本實用新型與現有的預付費式電能表比較，具有成本低廉，功能齊全，精度高，空載損耗小的特點。不但能在電源正反相狀態下均正常工作，而且在裝置出現自身故障或人為故障的情況能夠可靠地切斷用戶電源，可以用來替代現有的各種電能表實現預付費用電。
文檔編號G01R22/00GK2219501SQ9521060
公開日1996年2月7日 申請日期1995年4月28日 優先權日1995年4月28日
發明者阮毅 申請人:阮毅