DE2233622B1 - Schaltungsanordnung zur messung elektrischer energie - Google Patents
Schaltungsanordnung zur messung elektrischer energieInfo
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Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eneigie durch
Produktbildung aus Spannung und Strom, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler mit
zwei Modulatoren zur Bildung je einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis von Düferenz zu Summe von
Impulsdauer und Pausendauer der Spannung bzw. dem Strom proportional ist, mit einer Koinzidenzschaltung
zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Vorwärls-Rückwärts-Zähler,
der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
der Koinzidenzschaltung zählt.
Bei einer aus der USA.-Patentschrift 3 470 471 bekannten Schaltungsanordnung dieser Art besteht die
Koinzidenzschaltung aus einem Exklusiv-Oder-Tor, dessen Eingänge an die beiden Modulatoren angeschlossen
sind. Das Exklusiv-Oder-Tor spricht je- 5S
weils dann an, wenn zwei Impulse oder zwei Impulslücken der beiden von den Modulatoren abgegebenen
Impulsfolgen miteinander koinzidieren, und steuert den Impulszähler derart, daß die vom Impulsgenerator
erzeugten Referenzimpulse vom Impulszähler sum- ^0
miert oder aus diesem herausgezählt werden, je nachdem, ob das Exklusiv-Oder-Tor eine Koinzidenz
anzeigt oder nicht. Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers entspricht dann der bezogenen elektrischen
Energie, während seine mittlere Ausgangsfrequenz ein Maß für die elektrische Leistung darstellt.
In der deutschen Auslegeschrift 2 160 064 v/urde
bereits eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie durch Produktbildung aus Spannung
und Strom mittels einer statistischen Koinzidenzmethode vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch
zwei Modulatoren zur Bildung je einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis von Differenz zu Summe von
Impulsdauer und Pausendauer der Spannung bzw. dem Strom proportional ist, durch eine Koinzidenzschaltung
zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen, durch einen Abtastgenerator und eine
Abtastschaltung zur Abtastung des Ausgangssignals der Koinzidenzschaltung und durch einen Impulszähler,
dessen Vorwärtszähleingang an den Ausgang der Abtastschaltung und dessen Rückwärtszähleingang
über einen Untersetzer an den Abtastgenerator gekoppelt ist. Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers
entspricht wiederum der elektrischen Energie.
Wenn bei den beechriebenen Schaltungsanordnungen
der Strom oder die Spannung den Wert Null annimmt, muß der entsprechende Modulator eine
genau symmetrische Impulsfolge erzeugen; diese Bedingung kann in der Praxis nur schwer mit genügender
Genauigkeit erfüllt werden. Eine Unsymmetrie, die z. B. durch Temperatur- oder Alterungseinflüsse der
Bauelemente der Modulatoren auftreten kann, bewirkt einen Meßfehler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bei den beiden erwähnten Schaltungsanordnungen anwendbare
Methode zu schaffen, die es ermöglicht, die durch Unsymmetrien der Modulatoren bedingten
Meßfehler vollständig zu kompensieren.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein dem einen der beiden Modulatoren
vorgeschalteter Umpolschalter und der Vorwärts-Rückwärts-Zähler von einem symmetrischen
Rechteckgenerator derart gesteuert werden, daß das Eingangssignal des Modulators periodisch umgepolt
und gleichzeitig die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärty-Zählers umgekehrt wird.
bs hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, daß der Rechteckgenerator durch einen frei schwingenden
Oszillator und einen diesem nachgeschalteten Impulsuntersetzer gebilaet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand zweier Ausrührungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie und
F i g. 2 eine Variante.
In der F i g. 1 bedeuten 1 und 2 Modulatoren, die je eine Impulsfolge/, bzw./, erzeugen. Hierbei ist das
Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Wechselspannung u bzw. dem
Wechselstrom i proportional. Modulatoren dieser Art sind bekannt und brauchen daher hier nicht
näher erläutert zu werden. Die Modulatoren 1 und 2 sind an Eingänge 3 und 4 einer Koinzidenzschaltung 5
angeschlossen, die hier ein UND-Tor ist. Ein Ausgang 6 der Koinzidenzschaltung 5 führt zu einem ersten
Eingang 7 einer als UND-Tor ausgebildeten Abtastschaltung 8, deren zweiter Eingang 9 an einen Impulsgenerator
10 angeschlossen ist. Dieser erzeugt schmale Referenzimpulse mit der Impulsfolgefrequenz/r. Ein
Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 ist mit einem Zähleingang
12 eines Impulszählers 13 verbunden.
Dem einen der beiden Modulatoren — im dargestellten Beispiel dem Modulator 2 — ist ein Umpolschalter
14 vorgeschaltet. Ein Rechteckgenerator 15, welcher eine genau symrnetrische Rechteckimpuls-
folge erzeugt, ist an einen Steuereingang 16 des Umpolschalters 14 und an einen Steuereingang 17 des
Impulszählers 13 angeschlossen.
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Der Rechteckgenerator 15. dessen Periodendauer sehr groß ist gegenüber derjenigen der Modulatoren
1 und 2, steuert den Umpolschalter 14 und den Impulszähler 13 derart, daß der Eingangsstrom i des Modulators
2 periodisch umgepolt und gleichzeitig die Zählrichtung des Impulszählers 13 umgekehrt wird.
Während der einen Halbperiode liegt am Eingang des Modulators 2 der Strom + f. Für die Impulsdauer
und O2 der Modulatoren 1 und 2 gilt dann
wobei T1 und T2 die Periodendauern der beiden
Modulatoren und fc, und fc- Konstanten bedeuten.
Die Wahrscheinlichkeit p, daß in einem beliebigen1 Betrachtungsmoment sowohl ein Impuls der Impulsfolge/,,
als auch ein Impuls der Impulsfolge/· vorliegt, ist
T1 J\2
Das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung 5 wird mit der Frequenz /r abgetastet. Für die mittlere Impulshäufigkeit
/m der am Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 auftretenden Impulse gilt
f
f il
= frP = /r (^
Wechselkomponenten darstellenden Glieder k ■ i
fallen bei Mittelung über eine volle
und
Periode der Frequenz von u und i heraus.
Die mittlere Zählfrequenz fal des Impulszählers 13
während der betrachteten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 beträgt somit
Während der nachfolgenden Halbperiode des Rechteckgenerators 15 wird der Strom i vom Umpolschalter
14 umgepolt, d. h., am Eingang des Modulators 2 erscheint der Eingangsstrom - /. Für die mittlere
Zählfrequenz /^ des Impulszählers 13 während dieser Halbperiode gilt dann
45
- f (I -
W" ■ 'Λ
oI-Jr^4 T.T2 J-
Rechteckgenerators 15 ist somit
f _ fal — SaI _ fr' K '^2 .
Ja
j
T-T
'
Die Ausgangsfrequenz/„ stellt also ein Maß dar für
die elektrische Leistung P = u · i, während die im Impulszähler 13 gespeicherte Impulszahl der verbrauchten
Energie W = J u · i dt entspricht.
Ideale Modulatoren erzeugen bei u = 0 und ί = 0
genau symmetrische Impulsfolgen, d. h., es gilt
O1 = -j- lind d2 = -j-. Im allgemeinen sind jedoch
die von den Modulatoren 1 und 2 abgegebenen Impulsfolgen infolge von Temperatur- und Alterungseinnüssen
mit einem Symmetriefehler behaftet. Im folgenden wird gezeigt, daß bei der beschriebenen
Schaltungsanordnung solche Symmetriefehler keinen Einfluß auf das Meßresultat ausüben.
Wird der Symmetriefehler der Impulsfolge/, mit F1
und derjenige der Impulsfolge / mit E2 bezeichnet,
so gilt für die erste Halbperiode des Rechteckgenerators 15
Der Impulszähler 13 zählt, wie bereits erwähnt, die am Ausgang der Abtastschaltung 8 während der
ersten Halbperiode des Rechteckgenerator 15 auftretenden Impulse in Vorwärtsrichtung und die während
der zweiten Halbperiode auftretenden Impulse in Rückwärtsrichtung. Die mittlere Ausgangsfrequenz
/„ des Impulszählers 13 über eine volle Periode des
ö2 = y + f2 + «2 ■ ' ·
Für die mittlere Zählfrequenz /eJ des Impulszählers
13 ergibt sich dann
,-u-i
T1 T2
2T1
IT,
Während der zweiten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 gilt e! ' F2 \
T1 ■ T2)
Sa
-Zr (4
Zc1 · k2 ■
u ■ i
2T1
2 T2 T1 T2
Somit ist die Ausgangsfrequenz
r fal - SΛ _ fr ' fei ' K ■
Ja 2 T1 T2
von den Symmetriefehlern E1 und F2 unabhängig.
Da die Impulsfrequenz des Rechteckgenerators 15 auf das Meßresultat keinen Einfluß ausübt, kann
hierzu ein frei schwingender Oszillator verwendet werden. Hingegen muß die erzeugte Rechteckimpulsfolge
genau symmetrisch sein. Diese Bedingung kann leicht erfüllt werden, wenn dem Rechteckgenerator
ein Impulsuntersetzer nachgeschaltet wird.
Beim Umpolschalter 14 kann es sich um einen einpoligen elektronischen Umschalter handeln, wenn
die umzupolende Eingangsgröße — wie in der F i g. 1 angedeutet — mit positivem und negativem Vorzeichen
vorliegt. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Strom i mit Hilfe eines Stromwandlers, der eine
Mittelanzapfung aufweist, aus dem zu messenden Stromkreis ausgekoppelt wird. Natürlich kann auch
ein zweipoliger elektronischer Umschalter eingesetzt werden. Die sich hier anbietenden Möglichkeiten sind
in der elektronischen Meßtechnik geläufig und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.
In der F i g. 2 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Als Koinzidenzschaltung
5 ist ein Exklusiv-Oder-Tor vorgesehen, dessen Ausgang 6 an einen ersten Eingang 18 eines
weiteren Exklusiv-Oder-Tores 19 angeschlossen ist. Ein zweiter Eingang 20 des Exklusiv-Oder-Tores 19
ist mit dem Rechteckgenerator 15 und ein Ausgang 21 mit dem Steuereingang 17 des Impulszählers 13 verbunden.
Der Impulsgenerator 10 ist unmittelbar an den Zähleingang 12 des Impulszählers 13 geschaltet.
Die Koinzidenzschaltung 5 spricht an, wenn zwei
Impulse oder zwei Impulslücken der Impulsfolgen /u, /j miteinander koinzidieren. Während der ersten
Halbperiode des Rechteckgenerators 15 werden die Impulse des Impulsgenerators 10 in den Impulszähler
13 hineingezählt, wenn Koinzidenz vorliegt, und aus diesem herausgezählt, wenn keine Koinzidenz
ίο vorliegt. Die mittlere Zählfrequenz fa des Impulszählers
13 während dieser Halbperiode ist
20 T1 · Γ,
u-i +
Tr T1
)■
Während der zweiten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 wird durch die Wirkung des Exklusiv-Oder-Tores
19 die Zählrichtung des Impulszählers 13 gegenüber der ersten Halbperiode umgekehrt. Die
vom Impulsgenerator 10 angegebenen Impulse werden jetzt bei Koinzidenz aus dem Impulszähler 13 herausgezählt
und bei Nicht-Koinzidenz in diesen hineingezählt. Es gilt dann
Li = 4/r(-
T1 T2
u-i +
T1-T1
und
fa —
U- I .
Das Meßergebnis ist also auch hier von Symmetriefehlern der Modulatoren 1 und 2 unabhängig.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Λ Λ Λ
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie durch Produktbildung aus Spannung
und Strom, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler mit zwei Modulatoren
zur Bildung je einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer
und Pausendauer der Spannung bzw. dem Strom proportional ist, mit einer Koinzidenzschaltung
zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler,
der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung
zählt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem einen der beiden Modulatoren (I; 2)
vorgeschalteter Umpolschalter (14) und der Vorwärts-Rückwärts-Zähler
(13) von einem symmetrischen Rechteckgenerator (15) derart gesteuert werden, daß das Eingangssignal des Modulators
(1; 2) periodisch umgepolt und gleichzeitig die Zählrichtung des Vorwärts-Rück wärts-Zählers (13)
umgekehrt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckgenerator
(15) durch einen frei schwingenden Oszillator und einen diesem nachgeschalteten Impulsuntersetzer
gebildet ist.
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