DE1807581C3 - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Arbeit - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Arbeit

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DE1807581C3 DE19681807581 DE1807581A DE1807581C3 DE 1807581 C3 DE1807581 C3 DE 1807581C3 DE 19681807581 DE19681807581 DE 19681807581 DE 1807581 A DE1807581 A DE 1807581A DE 1807581 C3 DE1807581 C3 DE 1807581C3
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Description

ι 2
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung Elektronische Schalter besitzen bekanntlich im leizur Messung elektrischer Energie, mit einem von der tenden Zustand einen nicht unbedeutenden Rest-Spannung gesteuerten Impulsdauer-Pausendauer-Mo- widerstand. Da bei der oben geschilderten Methode dulator, der über einen Umschalter die Polarität eines das dem Strom-Frequenz-Wandler zugeführte Signal mittels eines Stromwandlers gebildeten, dem Strom 5 aus einer verhältnismäßig niederohmigen Quelle proportionalen Signals steuert, so daß der zeitliche stammt, wirkt sich der temperatur- und alterungsab-Mittelwert dieses Signals dem Produkt aus Spannung hängige festwiderstand des elektronischen Schalters und Strom proportional ist, und mit einem Strom- auf die Meßgenauigkeit ungünstig aus.
Frequenz-Wandler, welcher einen Operationsverstär- Die Nachteile der bekannten Schaltungsanordmmker aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt 10 gen werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß proportionaler Impulsfolgefrequenz zur nachfolgen- die Sekundärwicklung des Stromwandlers über den den Impulszählung abgibt. Umschalter unmittelbar an den Eingang des Ope-
Multiplikatoren der hier in Rede stehenden Art rationsverstärkers geschaltet ist.
arbeiten nach dem unter dem Namen »Time-Division- Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele
Multiplication« bekanntgewordenen Verfahren. Ein 15 der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher er-
von der einen Meßgröße, beispielsweise von der läutert. Es zeigt
Spannung modulierter Impulsgenerator erzeugt eine Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungs-
Impulsfoige mit einem von dieser Meßgröße abhang!- anordnung zur Messung elektrischer Energie,
gen Verhältnis von Impulsdauer zu Paasendauer. An- Fig. 2 und 3 Schaltvarianten eines Schaltungs-
dcrcr*iits wird ein Signal gebildet, dessen Amplitude ao details und
der zweiten Meßgröße, beispielsweise dem Strom pro- F i g. 4 ein Schaltschema dieses Schaltungsdetails,
portional ist und dessen Polarität in Abhängigkeit In der Fig. 1 ist ein Energieverteilnetz 1 darge-
vun der vom Impulsdauer-Pausendauer-Modulator stellt, dessen Spannung U einem Spannungswandler 2
abgegebenen Impulsfolge ständig wechselt. und dessen Strom I einem Stromwandler 3 zugeführt
Der zeitliche Mittelwert dieses Signals ist dem Pro- 35 ist. D:e Sekundärwicklung des Spannungswandlers 2 dukt aus Spannung unc3 Strom, also der Leistung pro- ist an einen ImpulsdaiKr-Pausendauer-Modulator 4 portional. Zur Messung der verbrauchten elektrischen angeschlossen, der eine Impulsfolge mit einem von Eneigie muß das Zeitintegral dieses Mittelwertes ge- der Spannung U abhängigen Verhältnis von Impulsbildet werden. Dazu ist es bekannt, mittels eines dauer T1 zu Pausendauer T2 erzeugt und einen zwei-Stroiii-Frequenz-Wandlers eine Inipulsfolge mit einci 30 poligzn, in der Zeichnung schematisch dargestellte., dem Produkt proportionalen Impulsfolgefrequenz zu elektronischen Umschalter 5 derart steuert, daß dieerzeugen und diese in.pulse zu zählen. ser während der Impulsdauer T1 die eine und wäh-
Ein Strom-Frequ2i i-Wandler besteht in der Regel rend der Pausendauer T2 die andere Sciialtstellung
aus einem Operationsverstärker, zwischen dessen einnimmt.
Eingangs- und Ausgangsklemme ein Kondensator ge- 35 Der Umschalter 5 ist derart an Wicklungsenden 6,7
schaltet ist. Ein Schwellenschalter überwacht die der Sekundärwicklung 8 und an Eingangsklemmen
Spannung am Kondensator und leitet dessen Ent- 9 10 eines Strom-Frequenz-Wandlers 11 angeschlos-
ladung ein, sobald diese Spannung einen bestimmt η sen, daß in der einer Schaltsteliung des Umschalters 5
Schwellenwert überschreitet. die Teile 6 und 9 sowie 7 und 10 und in der anderen
Die Genauigkeit eines derartigen S'rom-Frequenz- 40 Schaltstellung die Teile 6 und 10 sowie 7 und 9 mit-
Wandlers hängt unter anderem von den Drifteinflüs- einander verbunden sind.
sen. beispielsweise von der Temperaturabhängigkeit _ Der zeitliche Mittelwert jdes dem Strom-Frequenz-
der Offsetspannung und des Offsetstromes des verwen- Wandler ii zugeführten Eingangsstroins /, ist der
deten Operationsverstärker., ib. Diese Drifleinflüsse verbrauchten Leistung U ·/ proportional,
wirken sich um so weniger aus, je größer der dem 45 Der Strom-Frequenz-Wandler 11 besteht im wesent-
Strom-Frequenz-Wandler zugefühtte Eingangsstrom liehen aus einem symbolisch gezeichneten Ope-
ist. ratiorssverstärker 12 mit einem Eingang 13, einem
Zur Erzeugung des F.ingangsstromes di.s 3trom- dem Eingang und dem Ausgang gemeinsamen AnFrequenz-Wandlers, also des der zweiten Meßgröße Schluß 14 und einem Ausgang IS. Die Eingänge 13, proportionalen Signals mit ständig wechselnder Po- so 14 sind an die Eingangsklemmen 9, 10 angeschloslarität, ist es bekannt, zwei in Reihe geschaltete sen, und der Ausgang IS ist über einen Kondensator Widerstände an einer der zweiten Meßgröße pro- 16 an den Eingang 13 geführt. Ein Schwellenschalter portionaie Spannung zu iegen und dann mitieis eines 11 üuciwacm ulc Spoiuiüog an Kondensator 16 und elektronischen Umschalters die Spannung am einen leitef dessen Entladung ein, sobald diese Spannung oder am anderen Widerstand abzugreifen. Das derart 55 einen bestimmten Schwellenwert überschreitet Am gewonnene Signal wird nun über einen Widerstand, Ausgang 15 entsteht eine Impulsfolge mit der Leidessen Ohmwert groß st in muß gegenüber demjeni- stung U · I proportionaler JmpuJsfolgefrequenz. Ein gen der beiden in Reihe geschalteten Widerstände, Impulszähler 18 zählt diese Impulse, so daß dessen dem Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers züge- Zählerstand ein Maß ist für die verbrauchte Energie, führt. Nachteilig ist, daß auf diese Weise nur ein klei- 60 Da der gesamte Sekundärstrom des Stromwandner Teil des insgesamt zur Verfügung stehenden Stro- lers 3 an den Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers mes ausgenutzt werden kann, so daß rich die Drift- 11 gelangt, können sich Drifteinflüsse des Operationseinflüsse des Operationsverstärkers in hohem Maße Verstärkers 12 kaum mehr auswirken. Ebenso bringen auswirken können. Wird beispielsweise ein Strom- Änderungen des Rest Widerstandes des Umschalters S wandler verwendet, Jer sekundärseitig mit den bsi- 65 kaum noch Meßfehler mit sich, da dieser Restwiderden in Reihe geschalteten Widerständen belastet ist, stand sehr klein ist gegenüber der Ausgangsimpedanz so gelangt nur ein kleiner Teil des Sekundärstromes des Stromwandlers 3. Ein we:'.jrer Vorteil besteht an den Eingang des Strom-Frequenz-Wand'.ers. darin, daß die Sekundärwicklung 8 des Stromwand-
lers 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 Fig. 2 dargestellt. Gleiche Teile wie in der F i g. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. An Stelle eines zweipoligen Umschalters findet hier ein einpoliger Umschalter 19 Verwendung. Die Wicklungsenden 6, 7 des Stromwandlers 3 sind an je einen Kontakt des Umschalters 19 angeschlossen. Der Schaltarm des Umschalters 19 und ein Mittelabgriff 2& der Sekundärwicklung 8 des Stromwandlers 3 sind an den Eingang 13, 14 des Operationsverstärkers jführt.
Eine weitere vorter^ifte Lösung besteht gemäß der Fig. 3 darin, os- Wicklungsende 6 des Stromwandlers 3 arn ."'-'^tarm und das Wicklungsende 7 am einen Kt ...akt des Umschalters 19 anzuschließen und 'ie beiden Kontakte des Umschalters 19 an den Einga^ a 13, 14 des Operationsverstärkers 12 zu führen.
Da der Sekundärstrom des Stromwandlers 3 beispielsweise während der impulsdauer T1 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 Stiom-Frequenz-Wandlers im Mittel nur halb so groß wie bei den Anordnungen gemäß den F i g. 1 und 2. Zudem enthält dieses Eingangssignal eine Wechselstromkomponente mit der Frequenz Jer Meßgrößen, die jedoch keinen Beitrag zum Resultat der Integration liefert.
Bei den Anordnungen gemäß den F i g. 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 SchaJterbetrieb eine nahezu lineare Strom-Spunnungs-Kenniinie ohne Restspannupg besitzen.
Bei sehr genauen Messungen kann bereits eine unbedeutende Asymmetrie in der Strom-Spai Jngs-Kennlinie einen Meßfehler verursachen. Wenn beispielsweise die Steigungen der Kennlinien für normalen und inversen Betrieb nicht genau gleich groß sind, entsteht ein Gleicnrichi°reffekt und damit ein Meßfehler. Die Lösung dieses Problems liegt darin, daß zwei Feldeffekttransistoren rit entgegengesetztem Richtungssinn in Reihe gesr .:a!tet werden, wodurch ein.: Symmetrierung erreicht wird. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der F i g. 4 dargestellt.
In der Fig. 4 ist die Sekundärwicklung 8 des Stromwandiers 3 über einen aus Feldeffekttransistoren 21 b:s 24 gebildetes, Zncipcinjcii Umschalter an den Eingang 13, 14 des Operationsverstärkers 12 geschaltet. Die D-Elektroders der Transistoren 21 und
22 bzw. 23 und 24 sind mit dem Wicklungsende 6 bzw. 7 der Sekundärwicklung 8 verbunden. Die λ'-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 NuIIpotcntial. 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 der Transistoren 22 und 23 über je einen Kondensator 28 bzw. 29 mit dem KoI-lekto. desselben verbunden. Vom Kollektor des Transistors 27 führt ein Widerstand 30 zu einer positiven Speisespannung +UA, während der Emitter über einen Widerstand 31 an eine negative Speisespannung — Vp gelegt ist. Zwischen die G-Elektroden der Transistoren 21 bis 24 und Nullpotential ist jeweils eine GermaniumdiGde 32 bis 35 geschaltet.
Wenn die Basis des Transistors 27 an den Ausgang eines in der Fig. 4 nicht dargestellten Lxpulsdauer-Pausendauer-Modulators angeschlossen wird, entstehen im Kollektor und am Emitter dieses Transistors Gegentaktimpulse, die über die entsprechenden Kondensatoren an die G-Elektroden der Feldeffekttransistoren 21 bis 24 gelangen. Während der Impulsdauer T1 sind beispielsweise die Transistoren 21 urld 24 leitend und die Transistoren 22 und 23 gesperrt. Das Wicklungsende 6 der Sekundäi wicklung 8 ist dann an den Eingang 14 und das Wicklungsende 7 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 au?, 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 setzi voraus, daß sie '' irc'i Gegentaktiinpulsa 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 dii.se Dioden, die einen verhältnismäßig großen Sperrrirom aufweisen, entladen, so daß dazu keine besonderen Maßnahmen erforderiieh sind
Die beschriebenen SchaKungsanordnungen 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 ImpuIsdauer-Pausendauer-ModuIator gesteuerten Umschalter unmittelbar an den Eingang eines allen Phasen gemeinsamen Operationsverstärkers geschaltet ist.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Messuru? cL .irischer Arbeit, mit einem von der Spannung gesteuerten Impulsdauer-Pausendauer-Modulator, der über einen Umschalter die Polarität eines mitleic eines stromwandler gebildeten, dem Strom proportionalen Signals steuert, so daß der zeitliche Mittelwert dieses Signals dem Produkt aus Spannimg und Strom proportional ist, und mit einem Strorn-Frequenz-Wandfer, welcher einen Operationsverstärker aufweist und eine Impulsfolge mit dem Protiukt proportionaler Impulsfolgefrequenz 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.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (5; 21 bis 24) zweipolig ausgebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsenden (6, 7) der Sekundärwicklung (8) des Stromwandlcrs (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.
ji'
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch! 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Wicklürigs- ende (6) der Sekundärwicklung (8) des Stromwandlers (3) am Schaltarm und das andere Wirklungsende (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. zo
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 Feldeffekttransistoren gleichen Kanaltyps sind und durch Gegcn- -taktimpulse gesteuert werden.
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 G-Elcklrodcn der Fcldeffekttransisto-' rcn (21 bis 24) zugeführt shd.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die G-Elektroden der Feldeffekttransistoren (21 bis 24) and dem Nullpolential der Schaltungsanordnung jeweils eine Germaniumdiode (32 bis 35) gescfiaJ-tet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch I4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Energiemessung in einem Mehrphasennetz; jeder Phase ein Stromwandler zugeordnet isl, dessen Sekundärwicklung jeweils über einen von einem Irnpulsdaüef-Pauscndauer-Moduiafor gesteuerten Umschalter unmittelbar an den Eingang eines allen Phasen gemeinsamen Ojptfrationsversisrkers geschaltet ist
Hierzu 1 Biail Zeichnungen
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