盛泉根
（华立集团股份有限公司 杭州 310005）
cnnp
摘要：以机械计数器为显示元件的累积式计量仪表，用脉冲信号进行传输时，只能提供所测试对象即时的状态，以累积式计量仪表机械计数器数字轮的物理位置为数据源，用传感器将数字轮的物理位置进行识别并进行数字化处理，输出与机械计数器显示值一致的二进制数字电信号。使得用脉冲信号进行传输时必须连续工作的方式变为只在需要传输和远距离读取时的瞬间工作方式。 关键词：机械计数值，模数转换
1．引言
目前广泛应用于电能计量的感应式电能表一般只具有机械计度器的数字轮显示累计电能计量信息的功能，对于电能表记录的电能量数字的读取，必须在电能表工作的当地进行。大多数应用在自动抄表系统中作为电能计量现场的工作仪表一般都采用感应式电能表增加了脉冲输出接口方式，配以不间断工作的数据采集器进行远距离的读取，借此来传输电量数据，但这种远距离的读取和传输电量数据的方式是依靠脉冲输出的形式来实现，脉冲输出实际上只表现为即时的用电状态，它需要远地的读表器进行全天候
（365天24小时）不间断的接收脉冲和累计接收的脉冲，由于脉冲输出信号的方式易受环境条件的干扰和电能表与远程读表器工作状态不一致导致两边计量数据的不统一，已成为目前国内自动抄表系统的致命缺陷之一。
2. 机械计数值的模数转换的意义
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能否将上述电能表机械计数器的显
示数据直接转换为等值的二进制电信号
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(如图1所示)，仅仅在需要的时候进行传输或远程读取？如能实现上述目的就可以改变目前自动抄表系统中由于脉冲传输形式易导致现场工作仪表和远程读表器两边计量数据的不一致现象。本文章介绍的技术其特点是在机械计数器显示基本稳定时（指数字论显示基本完整），其输出电信号二进制码与该显示数值一一对应；在机械计数器工作于二个相邻显示值交界处时，输出的电信号二进制码也要保证在机械计数器所显示的两个相邻交界值最低一位字轮的正负1个数字的范围之内；即使机械计数器后几位数字轮在连续转动时，输出的电信号二进制码也能保证与相应的机械计数器示值一致，仅在最低一位上不超过1个字的转换误差。
上述设想的实现是在现有的感应式电能表的计数器上，设计一种附加的电子传感器和电子处理执行单元，用电子传感器将机械计数器数字轮的物理位置进行电子识别，后续电路进行模数转换和数字化处理，即将机械计度器数字轮显示的十进位数字，以计算机及通用数字电路识别的电子信号形式输出。
上述设计可以广泛地应用到各种使用机械计数器作为显示机构的仪器仪表（例如电能表、水表、煤气表和热能表等）的机械显示值转换为二进制电信号，进行远传或由电子计算机及数字电路进行识别和处理。此类仪表目前通常采用脉冲传输方式由接受脉冲装置记录累计脉冲数，采用上述设计就能使因脉冲信号传输时易受干扰导致机械显示值与接受装置所记录的累计脉冲数据不一致的缺陷得到了避免。
上述设计可以使固定安装使用的以机械计数器显示的各种家用计量仪表，其机械计数器显示值可以被准确的传输或被远程读取，实现计量仪表检测数据的遥控、遥测和自动集中抄表。长链二元酸
3.总体方案及工作流程
由普通的感应式电能表或不带电子存储器的电子式电能表的电能测量机构、附加能进行模数转换输出数字信号的机械计数器及电子执行单元、信号输出端钮等结构组成了一台能输出数字信号的以机械计数器显示的电能表，其工作流程见图2所示。
图2中的单点划线框以内是采用了上述技术电能表的工作范围，双点划线框以
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内是本文章所介绍的核心部分工作范围，它实际上是一个能进行模数转换输出数字信号的机械结构的计度器及电子执行单元，其工作流程见图3所示。
4.计数器字轮物理位置的识别
4.1 通常的光电传感器只能识别“0”、“1”两种信号，当采用3个传感器时，可以识别的信号为23＝8个，当采用4个传感器时，可以识别的信号为24＝16个，因为十进位计数器数字轮有10个数字，因此要识别1位数字轮10个数字的物理位置，传感器的数量至少需要4个以上。图4是将普
通的计数器数字轮加宽，在数字轮表面制
DEWARP作了4条感光标识带，4个反射式光电传感器(G1、G2、G3和G4)并排安装。图4这种结构的优点是传感器可以安装在同一块刚性的印刷线路板上，其缺点是破坏了传统的机械计数器的数字轮的观测界面，实际应用时用户难以接受。
4.2 通过对图4所示结构的感光标识带的适当调整，使4条标识带的变化规律一致，就可以将4条标识带合并为1条，此时数字轮就可以按图5那样设计。图5所示的结构中4个反射式光电传感器(G1、G2、G3和G4)必须按数字轮圆弧方向安装，这种结构的优点是数字轮的宽度方向只增加了一条标识带，观
建筑隔墙
测界面稍有变化，实际应用时用户容易接受，它的缺点是4个反射式光电传感器(G1、G2、G3和G4)不在同一个安装平面上，
需要采用柔性的印刷线路板和相应的辅助机构定位，相应的成本也比较高。
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4.3 图6所示结构是一种完全不改变传统机械计数器的数字轮的观测界面的设计。这种结构的特点是在传统的机械计数器上，增加了与数字轮(1)可以同步转动的同步轮(3)，同步轮上按编码标识带原理制成可以透光的环状的扇形孔。这种结构的优点是光电传感器采用遮透光形式，数字轮物理位置的信息通过光电转换传感灵敏度高、抗干扰性强，模数转换信号处理部分的电路简单；这种结构的另一个优点
是它的全部电子元器件可以装在同一块刚性的印刷线路板(5)上，线路板的结构和走线比较简单。
4.4 图7所示的是按图6原理所设计的具有数字信号输出功能的机械计数器的整体结构，它被成功地应用在华立牌DD58型单相电能表上，是解决当前自动集抄系统现场工作仪表和数据采集器之间计量数据不一致的有效手段之一。图5和图6所示的设计创意已申请国家专利，详细说明可访问国家知识产权局网站 www.sipo. gov 进行进一步查询。该结构已成功应用在华立牌DD58型单相电能表上，是解决当前民用电能计量自动集抄系统现场工作仪表和数据采集器之间计量数据不一致的有效手段之一。
5. 模数转换中的编码技术
在数字轮的圆周上或与数字论同步转动的同步轮上标定可用传感器识别的标识
带，以用传感器来确定该数字轮圆周所处
的位置，可因传感器性质不同，相应使用
吸光/反光、透光/遮光、导电/绝缘、磁性/非磁性材料作识别带，这是模数转换的通常技术。问题的关键是当附有标识带的圆周转动时，如何防止出现误码，否则所设计的转换方法便没有实用价值。
当圆周转动范围小于360°时，在介绍模数转换技术的书籍上都可以到一种防误码的方法——引入中介码，而最常用的中介码称为格雷码[1]，即将角位移通过在圆周上标定标识带的方法用传感器读取中介码，然而再将该中介码由电路译为通常的二进制码。致所以要引入中介码的原因是，当直接将信号识别带标为通常的二进制码时，在转动到二个数码交界处要出现错误的识别，将这种错误的读数传送到接受装置将出现不被允许的转换误差。所被引入的中介码尽管不被电子计算机或数字电路所直接接受，但它们均可避免在转动到二个数码交界处出现误码。格雷码相邻二个识别码只有一处差异，当用传感器识别时，要么读取即将过去的数值，要么读取即将到来的数值，不可能出现其他状态，因而保证输出的电信号二进制码与机械显示值的误差不超过计数器在末位数字轮上的一个数字。
[1]
格雷码是一种公开的编码技术，其特征是相邻两个码之间只有一处发生“0”和“1”字符的变化。传感器无论将该相邻的二个不同的字符识别为哪一个都能被判为该二个相邻码之一，因此格雷码在用于角位移模数信号转换时，至多只有一个分度单位的转换误差。6. 产品应用前景
以机械计数器数字轮为电子数字信号的数据源，实现了机械读数和电子读数的数据同源，保证计量仪表机械读数和电子读数的完全一致性；由于以机械计数器数字轮为数据源，便可省却了电子存储器，因此采用上述技术的数字化产品不需要电子存储器元件，同时也省却了为在断电时保存电子存储器内
数据的后备电源，电子执行单元的工作电源可以是由远程读表器提供的，因此计量仪表本身就不配工作电源。由于类似的能源计量仪表的抄表一般都有一个较长的周期，仅仅在需要的时候进行数据的传输或远程读取，有效工作的频率非常低，一般占空比小于1‰，由于产品电子元器件极大部分时间不需工作，因此电子执行单元的工作寿命成百倍延长，可以做成很高的可靠性。这种技术特别适用于测量非电能源介质的水表、煤气表和热能表等各种能源计量仪表的数据远传和自动集中抄表。
参考文献
[1] U.S.A《Analog-to-Digital / Digital -to- Analog Conversion Techniques》by David F. Hoeschele,Jr. 1972.
作者简介
盛泉根（1954），男，华立集团股份有限公司副总工程师，全国电工仪器仪表标准化技术委员会委员，从事电能表产品设计制造技术研究27年。
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