DE1807581A1 - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie

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Description

17.10.1968
LANDIS & QYR AG., ZUG (Schweiz)
Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie, mit einem von der Spannung gesteuerten Impulsdauer-Pausendauer-Modulator, der über einen Umschalter die Polarität eines mittels eines Stromwandlers gebildeten, dem Strom proportionalen Signals steuert, so dass der zeitliche Mittelwert dieses Signals dem Produkt aus Spannung und Strom proportional ist, und mit einem Strom-Frequenz-Wandler, welcher einen Operationsverstärker aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt proportionaler Impulsfolgefrequenz zur nachfolgenden Impulszählung abgibt.
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Multiplikatoren der hier in Rede stehenden Art arbeiten nach dem unter dem Namen "Time-Division-Multiplication" bekanntgewordenen Verfahren. Ein von der einen Messgrösse, beispielsweise von der Spannung modulierter Impulsgenerator erzeugt eine Impulsfolge mit einem von dieser Messgrösse abhängigen Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer. Andererseits wird eiu Signal gebildet, dessen Amplitude der zweiten Messgrösse, beispielsweise dam Strom proportional 1st und dessen Polarität in Abhängigkeit von der vom Impulsdauer-Pausendauer-Modulator abgegebenen Impulsfolge ständig wechselt.
Der zeitliche Mittelwert dieses Signals ist dem Produkt aus Spannung und Strom, also der Leistung proportional. Zur Messung der verbrauchten elektrischen Energie muss das Zeitintegral dieses Mittelwertes gebildet werden. Dazu ist es bekannt, mittels eines Strom-Frequenz-Wandlers eine Impulsfolge mit einer dem Produkt proportionalen Impulsfolgefrequenz zu erzeugen und diese Impulse zu zählen.
Ein Strom-Frequenz-Wandler besteht in der Regel aus einem Operationsverstärker, zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsklemme ein Kondensator geschaltet ist. Ein Schwellenschalter über- · wacht die Spannung am Kondensator und leitet dessen Entladung ein, sobald diese Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
009820/1228
Die Genauigkeit eines derartigen Strom-Frequenz-Wandlers hängt u.a. von den Drifteinflüssen, beispielsweise von der Temperaturabhängigkeit der Offsetspannung und des Offsetstromes des verwendeten Operationsverstärkers ab. Diese Drifteinflüsse wir-. ken sich umso weniger aus, je grosser der dem Strom-Frequenz-Wandler zugeführte Eingangsstrom ist.
Zur Erzeugung des Eingangsstromes des Strom-Frequenz-Wandlers, also des der zweiten Messgrösse proportionalen Signales mit | ständig wechselnder Polarität, ist es bekannt, zwei in Reihe geschaltete Widerstände an eine der zweiten Messgrösse.proportionale Spannung zu legen und dann mittels eines elektronischen Umschalters die Spannung am einen oder am anderen Widerstand abzugreifen. Das derart gewonnene Signal wird nun über einen Widerstand, dessen Ohmwert gross sein muss gersnüber demjenigen der beiden In Reihe geschalteten Widerstände, dem Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers zugeführt. Nachteilig 1st, dass auf die-
se Welse nur ein kleiner Teil des insgesamt zur Verfügung stehen- ( den Stromes ausgenützt werden kann, so dass sich die Drifteinflüsse des Operationsverstärkers in hohem Masse auswirken können. Wird beispielsweise ein Stromwandler verwendet, der sekundärsei tig mit den beiden in Reihe geschalteten Widerständen belastet ist, so gelangt nur ein kleiner Teil des Sekundärstromes an den Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers.
Elektronische Schalter besitzen bekanntlich im leitenden Zustand
009820/1228 ./.
einen nicht unbedeutenden Restwiderstand. Da bei der oben geschilderten Methode das dem Strom-Frequenz-Wandler zugeführte Signal aus einer verhältnismässig niederohmigen Quelle stammt, wirkt sich der temperatur- und alterungsabhängige Restwiderstand des elektronischen Schalters auf die Messgenauigkeit ungünstig aus.
Die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen werden er- ^ findungsgemäss dadurch behoben, dass die Sekundärwicklung des Stromwandlers über den Umschalter unmittelbar an den Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Pig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schal-
fe tungsanordnung zur Messung elektri
scher Energie,
Fig. 2 und 3 Schaltvarianten eines Schaltungsdetails und
Fig. 4 ein Schaltschema dieses Schaltungsdetails.
In der Fig. 1 ist ein Energieverteilnetz 1 dargestellt, dessen Spannung U einem Spannungswandler 2 und dessen Strom I einem
009820/1228 ·/·
Stromwandler 3 zugeführt ist. Die Sekundärwicklung des Spannungswandlers 2 ist an einen Impulsdauer-Pausendauer-Modulator 4 angeschlossen, der eine Impulsfolge mit einem von der Spannung U abhängigen Verhältnis von Impulsdauer T^ zu Pausendauer T2 erzeugt und einen zweipoligen, in der Zeichnung schematisoh dargestellten elektronischen Umschalter 5 derart steuert, dass dieser während der Impulsdauer T« die eine und während der Pausendauer T2 die andere Schaltetellung einnimmt.
Der Umschalter 5 ist derart an Wicklungsenden 6, 7 der Sekundärwicklung 8 und an lingangsklemmen 9, 10 eines Strom-Frequenz- " Wandlers 11 angeschlossen, dass in der einen Sehaltstellung des Umschalters 5 die Teile 6 und 9 sowie 7 und 10 und in der anderen Schaltstellung die Teile 6 und 10 sowie 7 und 9 miteinander verbunden sind.
Der zeitliche Mittelwert des dem Strom-Frequenz-Wandlers 11 zugeführten Singangsströmes I, ist der verbrauchten Leistung U*I proportional.
Der Strom-Frequenz-Wandler 11 besteht im wesentlichen aus einem symbolisch gezeichneten Operationsverstärker 12 mit einem Eingang 13> einem dem Eingang und dem Ausgang gemeinsamen Anschluss 14 und einem Ausgang 15» Die Eingänge 13, I^ sind an die Eingangsklemmen 9,10 angeschlossen und der Ausgang ist über einen Kondensator 16 an den Eingang 13 geführt. Ein Schwellenschalter 17 überwacht die Spannung am Kondensator 16 und leitet dessen Entladung ein, sobald diese Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Am Aus-
■oöH'io/mi
gang 15 entsteht eine Impulsfolge mit der Leistung U·! proportionaler Impulsfolgefrequenz. Ein Impulszähler l8 zählt diese Impulse, so dass dessen Zählerstand ein Mass ist für die verbrauchte Energie.
Da der gesamte Sekundärstrom des Stromwahdlers/an den Eingang
11
des Strom-Frequenz-Wandlers/gelangt, können sich Drifteinflüsse des Operationsverstärkers 12 kaum mehr auswirken* Ebenso bringen Aenderungen des Restwiderstandes des Umschalters 5 kaum noch Messfehler mit sich, da dieser Restwiderstand sehr klein ist gegenüber der Ausgangsimpedanz des Stromwandlers 3* Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Sekundärwicklung 8 des Stromwandlers 3 sehr niederohmig abgeschlossen ist, so dass die Phasenverschiebung zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom desselben minimal ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist in der Pig· 2 dargestellt. Gleiche Teile wie in der Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Anstelle eines zweipoligen Umschalters findet hier ein einpoliger Umschalter 19 Ver- ! wendung. Die Wicklungsenden 6, 7 des Stromwandlers 3 sind an $e einen Kontakt des Umschalters 19 angeschlossen» Der Schaltarm i des Umschalters 19 und ein Mittelabgriff 20 der Sekundärwicklung . 8 des Stromwandlers 3 sind an den Eingang 13, 14· des Operationsverstärkers geführt.
Eine weitere vorteilhafte Lösung besteht gemäss der Fig. 3 darin,
009820/1228 ,·
das Wicklungsende 6 des Stromwandlers 3 am Schaltarm und das Wicklungsende 7 am einen Kontakt des Umschalters 19 anzuschliessen und die beiden Kontakte des Umschalters 19 an den Eingang 13* 14· des Operationsverstärkers 12 zu führen.
Da der Sekundärstrom des Stromwandlers 5 beispielsweise während der Impulsdauer T, an den Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers gelangt und während der Pausendauer T2 über den Schaltarm des Umschalters 19 kurzgeschlossen wird, ist das Eingangssignal des Strom-Frequenz-Wandlers im Mittel nur halb so gross wie bei den Anordnungen gemäss den Fig. 1 und 2. Zudem enthält· dieses Eingangssignal eine Wechselstromkoraponente mit der Frequenz der Messgrössen, die jedoch keinen Beitrag zum Resultat der Integration liefert.
Bei den Anordnungen'gemäss den Fig. 2 und 3 ist nur ein einpoliger Umschalter erforderlich, der vorteilhaft durch zwei Feldeffekttransistoren gebildet wird. Feldeffekttransistoren weisen bekanntlich gegenüber bipolaren Transistoren den Vorteil auf, dass sie im Schalterbetrieb eine nahezu lineare Strom-Spannungskennlinie ohne Restspannung besitzen.
Bei sehr genauen Messungen kann bereits eine unbedeutende Asymmetrie in der Strom-Spannungskennlinie einen Messfehler verursachen. Wenn beispielsweise die Steigungen der Kennlinien fur normalen und inversen Betrieb nicht genau gleich gross sind, ent-
009820/12 28 ./.
steht ein Gleichrichtereffekt und damit ein Messfehler. Die Lösung dieses Problems liegt darin, dass zwei Feldeffekttransistoren mit entgegengesetztem Richtungssinn in Reihe geschaltet werden, wodurch eine Symmetrierung erreicht wird. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der Fig. 4 dargestellt.
In der Fig. 4 ist die.Sekundärwicklung 8 des Stromwandlers 3 über einen aus Feldeffekttransistoren 21 bis 24 gebildeten, ^ zweipoligen Umschalter an den Eingang 13, 14 des Operationsverstärkers 12 geschaltet. Die D-Elektroden der Transistoren 21 und 22 bzw. 23 und 24 sind mit dem Wicklungsende 6 bzw. 7 der Sekundärwicklung 8 verbunden. Die S-Elektroden der Transistoren 22 und 24 bzw. 21 und 23 sind am Eingang 13 bzw. 14
des Operationsverstärkers 12 angeschlossen. Der Eingang 14 liegt ferner an Nullpotential. Die G-Elektroden der Transistoren 21 und 24 sind über je einen Kondensator 25 bzw. 26 mit dem Emitter eines bipolaren Transistors 27 und die G-Elektroden fe der Transistoren 22 und 23 über je einen Kondensator 28 bzw. mit dem Kollektor desselben verbunden. Vom Kollektor des Transistors 27 führt ein Widerstand 30 zu einer positiven Speisespannung +U., während der Emitter über einen Widerstand 31 an eine negative Speisespannung -U13 gelegt ist. Zwischen die G-
Elektroden der Transistoren 21 bis 24 und Nullpotential ist Jeweils eine Germaniumdiode 32 bis 35 geschaltet.
Wenn die Basis des Transistors 27 an den Ausgang eines in der Fig. 4 nicht dargestellten Impulsdauer-Pausendauer-Modulators
009820/1228
angeschlossen wird, entstehen am Kollektor und am Emitter dieses Transistors Gegentaktimpulse, die über die entsprechenden Kondensatoren an die G-Elektrodeη der Feldeffekttransistoren
21 bis 24 gelangen. Während der Impulsdauer T1 sind beispielsweise die Transistoren 21 und 24 leitend und die Transistoren
22 und 23 gesperrt. Das Wicklungsende 6 der Sekundärwicklung ist dann an den Eingang 14 und das Wicklungsende J an den Eingang 13 des Operationsverstärkers 12 geschaltet. Stromflussmässig sind die Transistoren 21 und 24 mit entgegengesetztem Richtungssinn in Reihe geschaltet, so dass jeweils der eine " dieser Transistoren im normalen Betrieb und der andere im' inversen Betrieb arbeitet. Dadurch heben sich Unterschiede in der Steigung der Kennlinie für normalen und inversen Betrieb gegenseitig auf, und es kann kein Gleichrichtereffekt entstehen.
Die beschriebene gegenseitige Kompensation des Gleichrichtereffektes kommt insbesondere dann voll zur Wirkung, wenn die Feldeffekttransistoren gleichen Kanaltyps sind. Dies setzt voraus, dass sie durch Gegentaktimpulse gesteuert werden.
Die Germaniumdioden 32 bis 35* die eine kleinere Durchlassspannung besitzen als die G-S-Dioden der Feldeffekttransistoren 21 bis 24, verhindern einen Strom in den G-Elektroden. Zudem können sich die Kondensatoren 25, 26, 28 und 29 über diese Dioden, die einen verhältnismässig grossen Sperrstrom aufweisen, entladen, so dass dazu keine besonderen Massnahmen erforderlich sind.
009820/1228 ./.
Die beschriebenen Schaltungsanordnungen können auf einfache Weise zur Energiemessung in einem Mehrphasennetz abgewandelt werden, indem jeder Phase ein Stromwandler zugeordnet ist, dessen Sekundärwicklung jeweils über einen von einem Impulsdauer-Pausendauer-Modulator gesteuerten Umschalter unmittelbar an den Eingang eines allen Phasen gemeinsamen Operationsverstärkers geschaltet ist.
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Claims (10)

PATENTANSPRUECHE
1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie, mit einem von der Spannung gesteuerten Impulsdauer-Pausendauer-Modulator, der über einen Umschalter die Polarität eines mittels eines Stromwandlers gebildeten, dem Strom proportionalen Signals steuert, so dass der zeitliche Mittelwert dieses Signals dem Produkt aus Spannung und Strom proportional ist, und mit einem Strom-Frequenz-Wandler, welcher einen Operationsverstärker aufweist und eine Impulsfolge mit dem " Produkt proportionaler Irr.pulüfolgefrequenz zur nachfolgenden Impulszählung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (8) des Stromwandlers (3) über den Umschalter (5; 19; 21 bis 24) unmittelbar an den Eingang (13, 14) des Operationsverstärkers (12) geschaltet ist.
,i
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (5; 21 bis 24) zweipolig ausgebildet
009820/1228 ./.
BAD
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsenden (6; 7) der Sekundärwicklung (8) des Stromwandlers (3) an je einen Kontakt des Umschalters (19) angeschlossen sind, und dass der Schaltarm des Umschalters (19) und ein Mittelabgriff (20) der Sekundärwicklung (8) an den Eingang (13, 14) des Operationsverstärkers (12) geführt sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Wicklungsende (6) der Sekundärwicklung (8) des Stromwandlers (3) am Schaltarm und das andere Wicklungsende (7) am einen Kontakt des Umschalters (19) angeschlossen ist, und dass die beiden Kontakte des Umschalters (19) an den Eingang (13, 14) des Operationsverstärkers (12) geführt sind.
5· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalter (5; 19; 21 bis 24) durch Feldeffekttransistoren gebildet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Feldeffekttransistoren (21, 24; 22, 23) mit entgegengesetztem Richtungssinn in Reihe geschaltet sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffektransistoren gleichen Kanaltyps sind und durch Gegentaktimpulse gesteuert v/erden.
009820/1228 ./.
- 8AD ORIGINAL
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegentaktimpulse am Kollektor und am Emitter eines Transistors (27) abgegriffen und über Kondensatoren (25; 26; 28; 29) den α-Elektroden der Feldeffekttransistoren (21 bis 24) zugeführt sind.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die G-Elektroden der Feldeffekttransistoren (21 bis 24) und dem Nullpotential der Schaltungsanordnung jeweils eine Germaniumdiode {J>2 bis 35) geschaltet 1st.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energiemessung in einem Mehrphasennetz jeder . Phase ein Stromwandler zugeordnet ist, dessen Sekundärwicklung jeweils über einen von einem Impulsdauer-Pausendauer-Modulator gesteuerten Umschalter unmittelbar an den Eingang eines allen Phasen gemeinsamen Operationsverstärkers geschaltet ist.
HN/mts
009820/1228
, SAD ORIGINAL
Atf-
Leerseite
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