DE2416330C2 - Mit Gleichstrom eichbares statisches Meßgerät - Google Patents

Description

a) Durch Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) wird die erste Schalterstellung des Schalters (19) erzwungen und der Strom (/,) der Stromquelle (15) im ersten Strompfad bei Steuersignal (U_e,) Null derart eingestellt, daß die Spannung (U_m) am Ausgang des Filters (25) Null ist;

b) durch Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandiers (13) wird die zweite Schalterstellung des Schalters (19) erzwungen und der Strom (/.,) der Stromquelle (18) im zweiten Strompfad bei Steuersignal (U _e„) Null derart eingestellt, daß die Spannung (U_m) am Ausgang des Filters (25) Null ist;

c) die Verstärkung des Invertierverstärkers (16) wird bei vorgegebener Meßspannung (U_e „) derart eingestellt, daß die Spannung (Ul_n) am Ausgang des Filters (25) in der ersten erzwungenen Schalterstellung gleich groß ist wie in der zweiten erzwungenen Schalterstellung.

9. Verfahren nach Anspruch 8 zum Abgleich eines Meßgerätes nach An.„>ruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungspotential des Schwellenschalters (30) derart eingestellt wird, daß bei Meßspannung (U_f ,) Null am Eingang des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) die Spannung (U_n,) am Ausgang des Filters (25) Null ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Gleichstrom cichbares statisches Meßgerät zur Messung von Wechselstromleistung oder Wechselstromarbeit, mit einem Spannungsmeßkreis und einem Strommeßkreis zur Bildung einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Meßspannung, mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Pulsspannung, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der einen der beiden Meßspannungen proportional ist, und mit einem vom Spannungs-Impuls-Wandler gesteuerten Schalter, der die andere der beiden Meßspannungen in der ersten Schalterstellung über einen ersten Strompfad und in der zweiten Schalterstellung über einen zweiten, einen Invertierverstärker einschließenden Strompfad auf einen Filter schaltet.

Meßgeräte dieser Art werden z. B. zur Eichung von Höchstpräzisionsclektrizitätszählern eingesetzt Zur eigenen Eichung dieser Meßgeräte werden derer Meßeingänge an eine Gleichspannung und einer Gleichstrom angeschlossen, und das Mcßrcsullat de; Gerätes wird mit dem errechneten Produkt aus Span nung und Strom bzw. dem Zeilinlcgral des Produkte: verglichen. Beim eigentlichen Einsatz des Meßgeräte· wird jedoch nicht eine Glcichstromleistung oder eim Gleichst rcmarbeit, sondern eine Wechsel stromleistunj

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bzw. Wechselstromarbeit geraessen. Der Aufbau aller Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel an

das Meßresultat beeinflussenden Baugruppen des Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Meßgerätes muß daher derart konzipiert werden, daß Γϊ« I em B!o^ksch=>!tbH^ "ine= Meß<">"tes zur

bei der Messung von Wechselstrorr.größen mit hoher Messung elektrischer Leistung und "

Sicherheit die gleiche Meßgenauigkeit erwartet wer- 5 Fig. 2 ein Detailschaltbild des Meßgerätes nach

den kann wie bei der Messung von Gleichstrom- der F ig.!.

größen. Das den Meßgeräten der eingangs beschrie- I_n der F i g. 1 bedeutet U die zu messende Span-

benen Art zugrunde liegende sogenannte Time- nung und / den zu messenden Strom. Bei der Eichung

Division-Multiphkationsverfahren ist zur Erfüllung des Meßgerätes handelt es sich hierbei um eine

dieser Voraussetzung besonders geeignet. i₀ Gleichspannung und einen Gleichstrom, beim Betrieb

Beim 1 lme-Divisions-Verfahren wird eine Puls- des Gerätes dagegen in der Regel um eine Wechselspannung gebildet, bei der das Verhältnis der Diffe- spannung und einen Wechselstrom,
renz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer Die Spannung U ist an einen Spannungsmeßkreis 1 der einen der zu multiplizierenden Größen propor- gelegt. Dieser besteht aus einem Operationsverstärtional ist. Ein der zweiten zu multiplizierenden 15 ker2 mit einem eingangsseitigen Widerstand 3 und Größe proportionales Signal wird im Takt dieser einem Rückkopplungswiderstand 4. Dem Wider-Pulsspannung umgepolt. Der zeitliche Mittelwert der stand 3 oder dem Widerstand 4 kann zur Kompensaso erhaltenen Wechselgröße entspricht dann dem tion von Phasenfehlern des Spannungsmeßkreises 1 Produkt. Im Gegensatz zu Meßgeräten, die aus- ein Kondensator parallel geschaltet sein,
schließlich für Wechselstrom bestimmt sind, stellt 20 Der Strom / fließt in einen Strommeßkreis 5, der diese Umpolung bei hochpräzisen Meßgeräten für einganesseitig einen Nebenschlußwiderstand 6 auf-Gleich- und Wechselstrom, die ohne Meßwandler weist. Die Spannungsabgriffe des Nebenschlußwiderauskommen müssen, einige Probleme. Standes 6 sind über Widerstände 7, 8 an die beiden

Bei einem bekannten Meßgerät der hier in Rede Eingänge eines über einen Widerstand 9 rückgekopstehenden Art (IEEE Transactions on Instrumenta- 25 pelten, als Differenzverstärker geschalteten Operation and Measurements, Vol. IM-17, Nr. 4, Dezem- tionsverstärkers 10 angeschlossen. Der nichtinvertieber 1968, S. 245 bis 251) wird mit einem Neben- rende Eingang des Operationsverstärkers 10 ist über schlußwiderstand aus dem Strom und mit einem einen Widerstand 11 an das Nullpotential geschaltet. Spannungsteiler aus der Spannung je eine Meßspan- Durch die Verwendung eines Differenzverstärkers nung abgeleitet. Die eine dieser beiden Meßspannun- 30 wird vermieden, daß ein allfälliger Spannungsabfall gen steuert einen Spannungs-Impuls-Wandler, die zwischen dem unteren Stromanschluß und dem unandere Meßspannung ist einerseits über einen Wider- teren Spannungsanschluß des Nebenscnlußwiderstanstand und andererseits über einen Invertierverstärker, des 6 einen Meßfehler verursachen kann. Auch hier einen Widerstand und einen Feldeffekttransistor- kann zur Kompensation von Phasenfehlern einer Schalter an den Eingang eines Filters gelegt. Die 35 oder mehrere der Widerstände 7, 8, 9 und 11 mit Stellung des vom Spannungs-Impuls-Wandler ge- Kondensatoren überbrückt werden,
steueren Feldeffekttransistor-Schalters bestimmt die Der Spannungsmeßkreis 1 gibt eine der Span-Polarität des Signals am Filtereingang. Nachteilig bei nung U proportionale Meßspannung U_cl und der dieser Lösung ist die direkte Abhängigkeit des Meß- Strommeßkreis 5 eine dem Strom / proportionale resultaies vom nichtlinearen, temperaturabhängigen 40 Meßspannung U_c2 ab. Die Meßspannung U_e , ist im Innenwiderstand des Feldeffekttransistor-Schalters. dargestellten Beispiel an einen Steuereingang 12 eines Es sind daher Maßnahmen erforderlich, um den Ein- Spannungs-Impuls-Wandlers 13 und die Meßspanfluß dieses Innenwiderstandes zu kompensieren. nung i/,.„ einerseits an einen Steuereingang 14 einer Solche Kompenfationsmaßnahmen sind jedoch heikel steuerbaren Stromquelle 15 und andererseits über und unkontrollierbaren Langzeitdrifteinflüssen unter- 45 einen Invertierverstärker 16 an einen Steuereingang vvorfcn. 17 einer steuerbaren Stromquelle 18 angeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Der Spannungsmeßkreis 1 und der Strommeßkreis 5

Meßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, sind derart dimensioniert, daß beispielsweise bei

bei dem der Innenwiderstand des Schalters ohne be- Nennspannung und Nennstrom U_el = U_f2 ist. Dies

sondere Kompensationsmaßnahrnen auch bei Höchst- 50 gestattet, nach einer Messung die beiden Meßkreisel

Präzisionsmessungen keinen merkbaren Einfluß auf und 5 gegeneinander zu vertauschen, die Messung zu

das Meßresultat ausübt. wiederholen und den Mittelwert der beiden so erhal-

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- tenen Meßresultate auszuwerten.

löst, daß die andere der beiden Meßspannungen an Der Spannungs-Impuls-Wandler 13 erzeugt eine

den Steuercingang einer ersten Stromquelle und 55 Pulsspannung, für welche die Beziehung
über einen Invertierverstärker an den Stcuereingang

einer zweiten Stromquelle angeschlossen ist, daß die T_a — Tj>._- u . y
Ausgänge der beiden Stromquellen mit dem Schalter T + T_b ' ^fl
verbunden sind und daß der Ausgangsstrom der beiden Stromquellen aus einem konstanten Teil und aus 60 gilt, wobei T_n die Impulsdauer, T_b die Pausendauer einem der Stcucrspannung der Stromquelle propor- und A₁ eine Konstante bedeutet. Diese Pulsspannung tionalcn Anteil besteht. steuert einen Schalter 19, der in der einen Stellung

Unter dem BcgrilT »steuerbare Stromquelle« wird den Ausgang 20 der Stromquelle 15 und in der an-

hicr eine aus einer Spannungsquelle gespeiste elek- deren Stellung den Ausgang 21 der Stromquelle 18

tronische Schaltung verstanden, die an ihrem Aus- 65 an ein Glättungsglied 22 legt, das aus einem Konden-

gang einen durch ein Steuersignal veränderbaren sator 23 und einem ohmschcn oder induktiven Wi-

SliOm abgibt und deren Ausgangsimpedanz extrem derstand 24 besteht,

hoch ist. Die Stromquellen 15 und 18 sind identisch aufge-

baut. Sie liefern einen Strom, der sich aus einem konstanten Anteil /₀ und einem dem Steuersignal U₁,₂ bzw. — U_C2 proportionalen Anteil zusammensetzt. Der Strom Z₁ der Stromquelle 15 ist somit

/j ⁼

und der Strom Z₂ der Stromquelle 18 ist
I₂- I₀ — k₂- U_r2 ,

wobei k₂ eine Konstante bedeutet. Der konstante Anteil Z_n ist größer gewählt als der Maximalwert des variablen Anteils Jr₂- U_r2. Für den Mittelwert 7,„ des Stromes Z_m an der Ausgangsseite des Schalters 19 gilt dann:

^7m r. + τ,,

u_e

Dem Glättungsglied 22, das für eine erste grobe Glättung des Stromes I_m sorgt, ist ein Filter 25 nachgeschaltet. Vod Eingang des Filters 25 fließt ein konstanter Strom I₀ zu einer Konstantstromquelle 26.

Für die Ausgangsspannung U_n, am Filter 25 gilt:

wobei k_a wiederum eine Konstante bedeutet. Die Ausgangsspannung U_n, ist also dem Produkt U_cxU_e„ und somit der elektrischen Leistung P=U-I proportional.

Zur Messung der elektrischen Arbeit kann die Ausgangsspannung U_m in eine proportionale Pulsfrequenz umgeformt und diese auf einen Impulszähler gegeben werden.

Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Subtraktion des Stroms /₀ vom Strom I_n, zwischen dem Glältungsgiied 22 und dem Filter 25. Die erforderliche Subtraktion einer konstanten Größe vom Multiplikationsergebnis kann natürlich auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mit einer Konstantspannungsquelle am Ausgang des Filters 25 odei bei einem Meßgerät für elektrische Arbeit mit einer konstanten Pulsfrequenz, welche auf einen Rückwärtszähleingang des obenerwähnten Impulszählers gegeben wird.

Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes können nun leicht erkannt werden. Da die Stromquellen 15 und 20 ohne weiteres derart ausgebildet werden können, daß ihre Ausgangsimpedanz extrem groß ist, kann der verhältnismäßig kleine Innenwiderstand des Schalters 19 das Meßresultat nicht merkbar beeinflussen. Außerdem fließen die Ströme I₁ und I₂ jederzeit in der gleichen Richtung, so daß der Schalter 19 als einfacher Diodenschalter ausgebildet werden kann, wie später noch gezeigt wird.

Jn der F i g. 2 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Der Steuereingang 12 des Spannungs-Impuls-Wandlers 13 führt über einen Widerstand 27 zu einem sogenannten Miller-Integrator, der aus einem Operationsverstärker 28 und einem zu diesem parallelen Kondensator 29 besteht. Der Ausgang des Miller-Integrators 28, 29 ist miit dem Eingang eines Schwellenschalters 30 verbunden, welcher einen Schalter 31 steuert. Dieser Schalter legt in der einen Stellung eine Konsiantstromquelle +1, und in der anderen Stellung eine Konstantstromquelle —/, an den Eingang des Miller-Integrators 28, 29.

Mit diesem an sich bekannten Spannungs-Impuls-Wandler kann eine besonders gute Meßgenauigkeit erzielt werden, die im wesentlichen nur von der Bandbreite des Operationsverstärkers 28 und der relativen Konstanz der beiden Konstantstromquellen I /_r und — Z_r abhängig ist.

Der Steuereingang 14 der steuerbaren Stromquelle 15 führt zum nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 32, dessen Ausgang mit derG-Elektrode eines n-Kanal-Sperrschicht-FeldefTekttransistors

ίο 33 verbunden ist. Die D-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist über einen Widerstand 34 an eine Speisespannung + U₀ und die 5-Elektrode einerseits über einen Widerstand 35 an eine Speisespannung — U_B und andererseits an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 angeschlossen. Die D-Elektrode des Feldeffekttransistors 33 ist ferner mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 36 verbunden, dessen Ausgang an die G-Elektrode eines p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffektlransistors 37 geschaltet ist. Die S-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 sowie über einen Widerstand 38 an die Speisespannung + U_B angeschlossen. Die D-Elektrode des FeldeffekUransistors 37 schließlich ist mit dem Ausgang 20 der steuerbaren Stromquelle 15 verbunden.

Die Stromquelle 18 ist mit der Stromquelle 15 identisch; in der Fig. 2 ist daher nur die Schaltung der Stromquelle 15 gezeichnet. Diese Stromquelle arbeitet wie folgt:

Infolge der Rückwirkung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 über den Feldeffekttransistor 33 auf den invertierenden Eingang stellt sich die Spannung U₃₅ am Widerstand 35 derart ein,

daß die Beziehung

U_3S=U_c2-{-U_B)
gilt. Der Strom Z₃₅ im Widerstand 35 ist somit

_U_tt+U_B
'35 "-„

wobei /?₃₅ den Widerstandswert des Widerstandes 35 bedeutet. Der volle Strom Z₃₅ fließt auch im Widerstand 34. An diesem Widerstand ergibt sich ein Spannungsabfall

TJ = J .R = (TJ 4- TJJi !»*_
^U34 '35 ⁿM \^UC2 ^ ^UB) -—

^Ä35

wobei R_3i den Widerstandswert des Widerstandes 34 bedeutet. Analog gilt für den Strom im Feldeffekttransistor 37, d. h. für den Ausgangsstrom Z₁ dei Stromquelle 15 die Beziehung

_ £>34 _

= (U,₂+U_B)

34

wobei R_ss den Widerstandswert des Widerstandes 3f bedeutet. Der Strom I₁ setzt sich also aus einem kon stanten Anteil und einem der Meßspannung U_ez pro portionalen Anteil zusammen. Die Ausgangsimpe

danz der Stromquelle ist sehr hoch; die Stabilität de Ausgangsstromes I₁ ist nur von derjenigen der Wider

stände 34, 35 und 38 sowie der Speisespannunj

- U_B abhängig.

Der Schalter 19 besteht in der Fig. 2 aus vie

Dioden 39 bis 42. Die Diode 39 ist zwischen einei Ausgang 43 des Schwellenschalters 30 sowie dei Ausgang 20 der Stromquelle 15 und die Diode 41 zwischen einen zum Ausgang 43 invertierten Aus

gang 44 des Schwellenschalters 30 und dem Ausgang 21 der Stromquelle 18 geschaltet. Die Diode 41 bzw. 42 liegt zwischen dem Ausgang 20 bzw. 21 und dem Eingang des Glätlungsgliedcs 22. Entsprechend dem Zustand des Schwellenschalters 30 ist entweder die Diode 39 oder die Diode 40 leitend und damit entweder die Diode 41 oder die Diode 42 gesperrt. Eine saubere Arbeitsweise des Schalters 19 setzt voraus, daß die rcchtcckförmigcn Pulsspannunger. an den Ausgängen 43, 44 des Schwellenschalters 30 spiegelsymmetrisch zum Potential am Verbindungspunkt 46 der Dioden 41, 42 verlaufen. Dies kann am einfachsten dadurch erreicht werden, daß der Bezugsspannungsanschluß (d. h. der dem Eingang und den Ausgängen gemeinsame Anschluß) des Schwellenschalters 30 nicht auf Nullpolential, sondern auf ein entsprechend-gewähltes Spannungspotential gelegt wird. Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß dieses Spannungspotcnlial feineinstcllbar ist. Beim Abgleich des Meßgerätes kann dann das Spannungspotential derart eingestellt werden, daß bei einer Meßspannung V₁., = 0 die Ausgangsspannung V_n, — 0 ist. Durch diesen Abgleich kann vermieden werden, daß sich durch die endlichen und auch unterschiedlichen Anstiegs- und Abfallzciten der Pulsspannungen an den Ausgängen 43, 44 eine fehlerhafte Kommutierung der Dioden des Schalters 19 und ein daraus resultierender Meßfehler ergibt.

Die Konstantstromquelle 26 besteht lediglich aus einem Widerstand 45, der an den ausgangsseitigen Strompfad des Schalters 19 — vorzugsweise an den Eingang des Filters 25 — und an die Speisespannung V_n angeschlossen ist. Der Widerstand 45 und die Stromquellen 15, 18 werden also aus der gleichen Spannungsquellc gespeist. Es ist leicht ersichtlich, daß durch diese Maßnahme die Spannung der Spannungsquellc — V„ das Meßresultat nicht beeinflußt und daher nicht konstant sein muß, denn bei einer Änderung der Spannung V_n variieren der konstante Anteil /₀ der Stromquellen 15 und 18 und der Strom /_(l der Konstantstromquelle 26 in gleichem Maße.

Höchste Meßpräzision verlangt einen sauberen Abgleich des Meßgerätes. Im folgenden wird gezeigt, wie das erfindungsgemäße Meßgerät auf einfachste Weise abgeglichen werden kann.

Zuerst wird durch entsprechende äußere Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandlersl3 die erste Schalterstellung des Schalters 19 erzwungen und der Strom Z₁ der Stromquelle 15 bei V₁₂-O durch Variation z.B. des Widerstandes35 derart eingestellt, daß V_n, = 0 ist. Danach wird die zweite Schalterstellung erzwungen und in analoger Weise der Strom dei Stromquelle 18 so eingestellt, daß V_m = 0 ist. An· schließend wird bei einer vorgegebenen Meßspan· ming V_e„ die Verstärkung des Invertierverstärker! 16 eingestellt, und zwar derart, daß die Spannung V_n in der ersten erzwungenen Schalterstellung gleicl groß ist wie in der zweiten erzwungenen Schalter stellung. Schließlich wird auf die bereits beschrie bene Weise das Spanr.ungspotential des Schwellen schalters 30 eingestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mit Gleichstrom eichbares statisches Meßgerät zur Messung von Wechselstromleistung oder Wcchselstromarbeit, mit einem Spannungsmeßkreis und einem Strommeßkreis zur Bildung einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Meßspannung, mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Pulsspannung, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der einen der beiden Meßspannungen proportional ist, und mit einem vom Spannungs - Impuls - Wandler gesteuerten Schalter, der die anders der beiden Meßspannungen in der ersten Schalterstellung über einen ersten Strompfad und in der zweiten Schalterstellung über einen zweiten, einen Invertierverstärker einschließenden Strompfad auf ein Filter schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der beiden Meßspannungen [U _e2) an den Steuereingang (14) einer ersten Stromquelle (15) und über den Invertierverstärker (16) an den Steuereingang (17) einer zweiten Stromquelle (18) angeschlossen ist, daß die Ausgänge (20; 21) der beiden Stromquellen mit dem Schalter (19) verbunden sind und daß der Ausgangsstrom (/,; L₂) der beiden Stromquellen (15; 18) aus einem konstanten Teil und aus einem der Steuerspannung (U_e2; —U_f2) der Stromquelle proportionalen Anteil besteht.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromquellen (15; 18) zwei über jeweils einen Feldeffekttransistor (33; ;J7) rückgekoppelte, in Reihe geschaltete Operationsverstärker (32; 36) aufweisen, daß ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (32) den Siteuereingang (14; 17) der Stromquelle (15; 18) und die Ausgangselektrode (D) des zweiten Feldeffekttransistors (37) den Ausgang (20; 21) der Stromquelle bildet.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitige Strompfad des Schalters (19) über einen Widerstand (45) an eine Spannungsquelle (—U_B) angeschlossen i«>t, die zugleich die beiden Stromquellen (15; 18) speist.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßkreis (5) aus einem Nebenschlußwiderstand (6) und einem an diesen angeschlossenen Differentialverstärker (7 bis 11) besteht.

5. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Impuls-Wandler (13) aus einem Miller-Integrator (28; 29) und einem diesem nachgeschalteten Schwellenschalter (30) besteht, welcher über einen Schalter (31) die Polarität einer an den Eingang des Miller-Integrators angeschlossenen Stromquelle (/_r) steuert.

6. Meßgerät nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) aus zwei an die Ausgänge (20; 21) der Stromquellen (15; 18) und an zueinander invertierte Ausgänge (43; 44) des Spannungs-Iinpuls-Wandlers (13) angeschlossenen Dioden (39; 40) und aus zwei an die Ausgänge (20; 21) der Stromquellen (15; 18) und an den Eingang des Filters (25) oder eines

diesem vorgeschalteten Glättungsgliedes (22) angeschlossenen Dioden (41; 42) besteht.

7. Meßgerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungspotentiai des Schwellenschalters (30) einstellbar ist.

8. Verfahren zum Abgleich eines Meßgerätes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: