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機電式電能表主要由感應式測量機構、光電轉換器和分頻器、計數器三大部分組成，工作原理框圖如圖1所示。
圖1 機電式電能表的工作原理框圖
感應式測量機構的主要作用是將電能信號轉變為轉盤的轉數，具體的結構及工作原理已在第一章介紹。
光電轉換器的作用是將正比于電能的轉盤轉數轉換為電脈沖，此脈沖數也正比于被測電能，即應滿足如下關系
式中 W——為被測電能，kW·h；
m——為轉換后輸出的總脈沖數，imp；
n1——代表每輸出一個脈沖轉盤應轉動的圈數，r／imp；
C——電能表常數，r／（kW·h）。
例如，某種機電式電能表的轉盤每轉一圈發出2個脈沖，即 n1＝0.5r／imp, 電能表常數C＝1500r／（kW·h），則每輸出一個脈沖代表的電能數為
（kW·h）即這種機電式電能表每輸出一個電脈沖代表負載耗電0.00033kW·h。
經過簡單的光電轉換得到的初始電能脈沖信號，由于波形不理想不能直接送至計數器計數或微處理器處理，還必須先經過整形放大、限幅限寬等一系列處理，如圖2所示。
圖2 光電轉換器的工作原理圖
分頻器和計數器的主要作用是對經光電轉換器轉換成的脈沖信號進行分頻、計數，從而得到所測量的電能。
由以上分析可以看出，光電轉換器是機電式電能表的關鍵部分。因此，下面將著重介紹光電轉換器的結構和工作原理。
根據光電轉換器的不同，機電式電能表可分為單向脈沖式和雙向脈沖式兩種類型。
一、單向脈沖式電能表
單向脈沖式電能表的光電轉換器主要包括光電頭和光電轉換電路兩部分。
1．光電頭
光電頭由發光器件和光敏器件組成。機電式電能表的光電頭多采用紅外發光二極管（簡稱“發光管”）和光敏三極管（簡稱“光敏管”）或者是用發射管與接收管組成的光電開關。用紅外器件時外界的電磁波、可見光等干擾都不會影響信號的檢測。具體的方法是通過在感應式測量機構的轉盤上進行分度并做標記，如打孔、銑槽或印上黑色分度線條等，用穿透式或反射式光電頭發射光束，采集轉盤旋轉時的標記得到初始脈沖。
兩種典型光電頭的安裝結構如圖3所示。
穿透式光電頭，在轉盤上鉆有透光孔，發光管和光敏管分別安裝在轉盤的上、下兩側，光敏管通過接收透射光產生脈沖輸出。
反射式光電頭，在轉盤邊緣均勻地印有黑色或是白色分度線，發光管和光敏管安裝在轉盤的同一側，光敏管通過接受反射光，產生脈沖輸出。
(α) (b)
圖3 光電頭安裝結構示意圖
(α)穿透式；(b)反射式
發光管和光敏管都是光電轉換器的主要器件，正確的選擇和使用它們是決定光電轉換器的質量及其實用性的關鍵。
2．光電轉換電路
一種最基本的光電轉換電路如圖4所示。當光敏管接收到較強的光照時，處于導通狀態，光電流增加，V1導通，作用到V2和V3組成的射極耦合放大器上，使輸出電壓呈高電平；反之，當光敏管接收到的光照較弱時，處于截止狀態，相應的輸出電壓呈低電平。
圖4 基本的光電轉換電路
實用的光電轉換電路還應具有誤動作判斷功能，以及將輸出初始脈沖整形、放大、限幅限寬等功能。圖5所示是一種常用光電轉換電路，JEC2是一個高輸入阻抗的低功耗射極耦合觸發器，按圖中的連接，即為施密特觸發電路。電路中除了加有積分電路外，R4、C1和R6還組成一限幅、微分電路，把寬度隨機的脈沖轉化為大小、寬度相等的窄脈沖，以便送給分頻器、計數器計數或給微機進行多功能化處理。
圖5 常用光電轉換電路
光電轉換器就其結構來說，一般分成兩部分，即光電頭和光電轉換電路。為調配好發光管與光敏管的機械位置，通常設計有固定式臺座，并整體地安裝在與轉動部件配合的支架上。一種最常用的穿透式光電頭的機械安裝結構如圖6所示。圖中，1為轉盤；2為透光小孔，在轉盤上可有一個、兩個或多個小孔，透光小孔的直徑應與發光管外徑相當，不宜過大；支架5的作用是固定發光管3和光敏管4的相對位置。安裝時，要特別注意發光管、光敏管與透光小孔的配合。
圖6 光電頭機械安裝結構圖
1-轉盤；2-透光小孔；3-發光管；4-光敏管；5-支架
二、雙向脈沖式電能表
雙向脈沖式電能表具有雙向計度的功能，既能測量正向消耗電能，又能測量反向消耗電能。當負載呈感性時正轉，對應感性負載的耗能計量；負載呈容性時則反轉，用另一計數器對容性負載的耗能計量。另外，一些并網運行變電站使用的有功電能表也有反轉的可能，對此，過去一般都采用兩只有功電能表分別進行正、反向計量，現在僅用一只雙向脈沖式有功電能表即可實現有功電能的正、反轉計量。
在電路設計和制造上，雙向脈沖電能表比單向脈沖電能表復雜，它有兩套光電頭和轉換電路，分別輸出正轉和反轉電能脈沖。
雙向脈沖式電能表轉盤和光電頭安裝位置俯視圖如圖7所示。光電頭1、2的軸線不通過轉盤中心。當轉盤逆時針轉動（稱為正轉）時，光電頭1每次先接觸黑印，光電頭2遲后一些；若轉盤順時針轉動（稱為反轉），則光電頭2先接觸黑印，而光電頭1遲后。
圖7 光電頭安裝位置俯視圖
雙向脈沖式電能表光電轉換及雙向脈沖輸出控制電路如圖8所示。圖中，與非門a、c（簡稱a、c）完成兩路光電轉換，雙向脈沖輸出則由雙D觸發器Ⅰ、Ⅱ和與非門b、d（簡稱b、d）控制。轉盤轉動時，經兩光電頭檢測，與非門a、c輸出兩路脈沖在時間上有差異，使與非門b、d只有一路有輸出脈沖。下面結合脈沖時序圖說明其工作過程：若a的輸出超前c的輸出，則各與非門輸出時序如圖3-9所示。 a的第一個脈沖前沿觸發觸發器Ⅰ，此時因c遲后a，故D1端為低電平，
輸出高電平，a和同時施加于與非門 b，使其輸出一低電平。而在c的第一個脈沖前沿觸發觸發器Ⅱ時，因a超前c，故D2為高電平，.png)
輸出低電平，將 d封鎖，因此 d沒有輸出，一直保持高電平。反之，若c超前a，則d有脈沖輸出，而b沒有。
輸出高電平，a和同時施加于與非門 b，使其輸出一低電平。而在c的第一個脈沖前沿觸發觸發器Ⅱ時，因a超前c，故D2為高電平，輸出低電平，將 d封鎖，因此 d沒有輸出，一直保持高電平。反之，若c超前a，則d有脈沖輸出，而b沒有。 由以上工作原理可知，光電轉換器是機電式電能表的重要組成部分，成為連接電能計量功能單元與數據處理單元的紐帶。光電轉換器是機電式電能表的關鍵部件，其性能好壞直接影響整個表計的運行質量。進一步提高光電轉換器的抗干擾能力和準確度，延長其使用壽命，降低功耗，并使其便于調整，是機電式電能表的發展方向。
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圖8 雙向脈沖輸出控制電路
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