СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электронно-измерительной технике, в частности к устройствам учета, контроля потребления электрической энергии и защитой от хищений в одно- и многофазных цепях переменного тока, преимущественно в бытовом секторе.
Известно устройство для измерения электрической энергии с защитой от хищений по патенту RU №2234707, G01R 11/24, 2004, выполненное в виде двух отдельных блоков: дистанционного датчика мощности (ДДМ) и базового блока (ББ) со связью между ними по силовой сети, что позволяет разместить ДДМ вне зоны досягаемости потребителя, например, на опоре, подводящей электроэнергию сети.
Для повышения достоверности измерений потребляемой энергии и расширения диапазона значений учитываемой мощности потребителя, а также повышения надежности работы счетчика за счет упрощения конструкции, предложена другая схема счетчика электрической энергии с защитой от хищений по заявке на изобретение RU №2005122692, G01R 11/00, 2005. Такая схема счетчика также состоит из отдельных блоков ДДМ и ББ, соединенных каналом связи. Блок ДДМ включает датчик тока фазного провода, датчик напряжения и перемножитель, ко входу которого подключены выходы датчиков напряжения и тока, блок математической обработки сигналов и передатчик по силовой сети. При этом ББ включает
приемник по силовой сети, ко входу которого подключен основной блок математической обработки сигналов, с выходом которого соединены блок индикации результатов измерений и блок дистанционной передачи, выполненный в виде радиопередатчика и/или проводного интерфейса. Счетчик содержит один или несколько ДДМ по количеству фаз в сети.
Недостатком таких устройств является наличие передатчика и приемника по силовой сети, что усложняет его схему, снижает надежность и функциональные возможности счетчика электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности является счетчик электрической энергии с защитой от хищений по заявке на изобретение RU №2005122692.
Технической задачей предлагаемого решения является создание простой, технологичной в производстве и надежной в эксплуатации конструкции счетчика электрической энергии с защитой от хищений, в которую для передачи информации по радиоканалу встроена компактная по структуре приемопередающая антенна с улучшенной излучающей способностью.
Указанная задача решается тем, что в счетчике электрической энергии, содержащем один или несколько ДДМ по количеству фаз в сети и ББ, связанные между собой, при этом каждый ДДМ включает датчик тока фазного провода, датчик напряжения, устройство связи и микроконтроллер, соединенный своими входами-выходами с устройством связи и выходами соответственно датчика тока фазного провода и датчика напряжения, ББ
включает устройство связи, индикатор результатов измерений и микроконтроллер, соединенный своими входами-выходами с устройством связи и индикатором результатов измерений, ДДМ и ББ связаны между собой радиоканалом, а устройство связи ДДМ и ББ выполнено в виде приемопередающего устройства с приемопередающей антенной.
Конструктивно приемопередающее устройство и микроконтроллер ДДМ (или нескольких ДДМ) и ББ выполнены на соответствующих печатных платах.
В варианте выполнения счетчика приемопередающая антенна приемопередающих устройств датчика мощности и базового блока выполнена печатной.
Каждая печатная приемопередающая антенна выполнена на соответствующей печатной плате в виде изолированной от земли дипольной структуры, состоящей из двух металлизированных монополей, соединенных через согласующее устройство с входными-выходными цепями соответствующего приемопередающего устройства, причем на печатной плате ДДМ в зоне одного из монополей расположены приемопередающее устройство, микроконтроллер и другие электрические схемы, обеспечивающие функционирование приемопередающего устройства ДДМ, второй монополь выполнен в виде сплошного печатного проводника, на печатной плате ББ в зоне одного из монополей расположены приемопередающее устройство, микроконтроллер и другие электрические
схемы (обеспечивающие функционирование приемопередающего устройства ББ), а второй монополь выполнен в виде сплошного печатного проводника.
Монополи выполнены в виде прямоугольников или набора гальванически соединенных прямоугольников, согласующее устройство выполнено в виде набора отрезков печатных проводников.
На фиг.1 представлена структурная схема однофазного счетчика электрической энергии, на фиг.2 - схема многофазного счетчика, на фиг.3 - вариант выполнения на печатной плате приемопередающего устройства с антенной, микроконтроллером и другими вспомогательными электрическими схемами ДДМ, на фиг.4 - вариант выполнения на печатной плате приемопередающего устройства с антенной, микроконтроллером и другими вспомогательными электрическими схемами ББ.
Счетчик включает (фиг.1) ДДМ 1, устанавливаемый на внешних проводах сети за пределами здания (в месте, практически недоступном для потребителя), и ББ 2, связанные между собой радиоканалом. В состав ДДМ 1 входят датчик тока фазного провода 3, датчик напряжения 4, микроконтроллер 5 и приемопередающее устройств 6 с антенной. Выходы соответственно датчика тока фазного провода и датчика напряжения подключены к микроконтроллеру 5, соединенный своими входами-выходами с приемопередающим устройством 6. ББ 2 включает приемопередающее устройств 7 с антенной, микроконтроллер 8 и индикатор результатов измерений 9. Микроконтроллер 8 соединен своими входами-
выходами с приемопередающим устройством 7 и индикатором результатов измерений 9.
Счетчик электрической энергии может включать в себя несколько идентичных дистанционных ДДМ 1 по числу фазных проводов в питающей сети.
Конструктивно один или несколько ДДМ выполнены в отдельных пластмассовых герметичных корпусах. Внутри основания корпуса, через всю его длину проходит цилиндрический выступ с внутренним отверстием. Продолжением этого выступа является кабельный ввод, снабженный цанговым зажимом. При установке счетчика на объект через отверстие и кабельный ввод пропускается фазный провод сети и зажимается зажимом ввода, тем самым фиксируя положение ДДМ на проводе.
ББ собран в пластмассовом корпусе, состоящем из основания, верхней крышки, клеммной колодки. В углублении верхней крышки устанавливается радиомодуль коммуникационный, закрытый прозрачной крышкой, которая защелками крепится к верхней крышке.
Практическая реализация блоков счетчика электрической энергии. Датчик тока 3 выполнен в виде тороидального токового трансформатора, через центральное отверстие тороида которого пропущен фазный провод сети, являющийся первичной обмоткой трансформатора. Датчиком напряжения 4 является прецизионный резистивный делитель, включаемый между фазным и нулевым проводом сети. Микроконтроллеры 5
и 8 выполнены на микросхеме типа MSP430, производства США. В качестве приемопередающих устройств 6 и 7 использована микросхема типа СС2500. Индикатор результатов измерений 9 представляет собой жидкокристаллический индикатор.
Основным недостатком устройств с печатной антенной является малый радиус действия приема - передачи информации (до 50 метров) в связи с ее низкой излучающей способностью. Поэтому в варианте выполнения приемопередающих устройств 6 и 7 ДДМ и ББ на двух печатных платах (фиг.2-3), каждая из печатных плат разделена на два металлизированных участка (два монополя) 10 и 11. Монополь 10 выполнен в виде сплошного прямоугольного печатного проводника, монополь 11 выполнен в виде соединенных гальванически двух прямоугольников. На печатной плате приемопередающего устройства ДДМ (фиг.2) в зоне монополя 11 на металлизированной площадке размещены приемопередающее устройство 6, микроконтроллер 5 и другие электрические схемы, обеспечивающие функционирование приемопередающего устройства 6. На печатной плате приемопередающего устройства ББ (фиг.3) в зоне монополя 11 на металлизированной площадке размещены приемопередающее устройство 7, микроконтроллер 8 и другие электрические схемы, обеспечивающие функционирование приемопередающего устройства. На каждой из печатных плат оба монополя 10 и 11 соединены согласующим устройством 12 с входными-выходными цепями приемопередающего устройства 6 или 7.
При выборе несущей частоты радиоканала 2.4-2.5 ГГц габариты таких печатных плат счетчика не превышают 30×65 мм (ДДМ) и 45×70 мм (ББ). Для исключения влияния цепей питания на формирование диаграммы направленности дипольной структуры антенны питание активных элементов устройства, расположенных на плате, осуществляется через устройство развязки, например через опторазвязку. Площадь, занимаемая монополем 11 выбирается из условия оптимальной разводки печатной платы. Площадь, занимаемая монополем 10, свободная от элементов схем устройства, выбирается из условия оптимального согласования антенны с входным-выходным сопротивлением приемопередающего устройства. В зависимости от места расположения входных-выходных цепей приемопередатчика для согласования могут быть использованы согласующие отрезки металлизированных печатных проводников 12. Согласование антенны выбирается из конструктивно-технологических требований: степень адгезии печатных проводников (площадок) к подложке, стабильность реализации размеров монополей по их периметру.
Счетчик работает следующим образом.
Микроконтроллер 5 датчика мощности 1 производит обработку аналоговых сигналов напряжения и тока, поступающих с датчиков 4 и 3. Он производит дискретизацию этих сигналов с достаточно высокой частотой, преобразует выборки в цифровые коды и рассчитывает по ним потребляемую нагрузкой мощность по заданному алгоритму в соответствии
с заложенной в него программой. Кроме того, микроконтроллер 5 управляет всеми узлами датчика мощности 1, ведет учет потребляемой энергии, формирует импульсы телеметрии, управляет радиомодулем (приемопередающее устройство 6), обрабатывает поступившие команды по радиоканалу от ББ или от переносного пульта сбора данных (на чертеже не показан) и формирует ответ на них.
ББ 2 счетчика предназначен для считывания из ДДМ по радиоканалу и контроля значений потребленной энергии, для управления режимами счетчика. Он устанавливается на вводе сети, обычно в помещении, в месте, удобном для наблюдения.
Функционирование антенн приемопередающих устройств 6 и 7 ДЦМ и ББ происходит следующим образом. При работе антенны на прием падающая электромагнитная волна возбуждает изолированную от земли дипольную структуру (монополи 10 и 11), сигнал с которой через согласующие цепи 12 поступает на входные цепи приемника соответствующего приемопередающего устройства. При работе антенны на передачу сигнал от передатчика соответствующего приемопередающего устройства через согласующие цепи 12 поступает на дипольную структуру (монополи 10 и 11), которая возбуждает в пространстве электромагнитную волну. При таком формировании изолированной от земли дипольной структуры печатной приемопередающей антенны практически полностью (до 80 процентов) используется для излучения - приема металлизированная площадь печатной
платы устройства, что позволило увеличить зону действия излучения устройства для беспроводного приема-передачи информации до 500 метров и более. При этом обеспечивается формирование симметричной ненаправленной диаграммы направленности близкой к диаграмме направленности полуволнового диполя при небольшом наклоне ее максимума в вертикальной плоскости в направлении к монополю 11 с большей площадью. Если электрическая схема устройства позволяет размещение элементов при равной площади монополей 10 и 11, то данное конструктивное исполнение является оптимальным для формирования симметричной диаграммы направленности. В случае, когда электрическая схема требует большей площади монополя 11 (как в ББ счетчика фиг.3) и необходимости приемо-передачи вертикально поляризованного сигнала относительно широкой стенки монополя 11, ось симметрии диаграммы направленности незначительно отклоняется от вертикали, что практически не влияет на эффективность работы устройства.
Монополи 10 и 11 могут быть расположены на разных сторонах одной печатной платы, то есть монополь 11 (с электрической схемой) антенны выполнен на лицевой поверхности подложки, а монополь 10 антенны на обратной поверхности подложки. Толщина диэлектрической подложки, являющейся несущей деталью, не влияет существенно на диаграмму направленности антенны. Подложка выполнена из фольгированного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 2-6 и толщиной до 3,0 мм.
Расположение печатной платы с антенной и электрической схемой в корпусе позволяет обеспечить защиту счетчика от механических воздействий и повреждений от климатических воздействий. Выполнение монополей (площадок) дипольной антенны в печатном исполнении на диэлектрической подложке увеличивает надежность, обеспечивает высокую технологическую воспроизводимость, уменьшает металлоемкость и вес, повышает механическую прочность.
Передача сигналов от ДДМ 1 (измерительное устройство) на ББ 2 по цифровому каналу радиосвязи дает следующие преимущества: цифровые сигналы менее чувствительны к электромагнитным помехам, появляется возможность применения математических методов восстановления сильно искаженной информации и шифрования передаваемой информации, уменьшается возможность постороннего влияния на измерительный канал, отсутствуют расходы на прокладку вторичных аналоговых цепей и защиты их от электромагнитных помех и физического воздействия. В настоящее время счетчик прошел опытные и сертификационные испытания, которые подтвердили эффективность технического решения.