-
"Elektronische Meßeinrichtung für einen Elektrizitätszähler" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung einer elektronischen Meßeinrichtung,vorzugsweise
für einen Elektrizitätszähler, mit von den beiden Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom
abgeleiteten Größen, die in einen Multiplizierer eingegeben sind, dessen Ausgang
über einen Inverter und/oder einen Schalter auf einen Integrator zur Bildung des
Mittelwertes geführt ist, dessen obere bzw. untere Grenze ein nachgeschalteter Komparator
feststellt, der über eine Rückleitung auf den Schalter einwirkt.
-
An die Meßeinrichtungen für Elektrizitätszähler werden hinsichtlich
der Genauigkeit, der Zuverlässigkeit und der Größe des Meßbereiches extreme Anforderungen
gestellt. Für hochbelastbare Zähler ist es nicht ungewöhnlich, wenn die Meßgröße
Strom einen Bereich im Verhältnis 1 : 120 überstreicht, wobei über dem gesamten
Bereich die Klassengenauigkeit eingehalten werden muß. Bei elektronischen Meßeinrichtungen
haben
die in den Schaltkreisen verwendeten Bauelemente nicht die
dafür erforderliche Linearität, außerdem wird mit kleiner werdenden Meßgrößen der
Einfluß der Offsetgrößen und ihr Driftverhalten immer stärker, wodurch der Meßbereich
begrenzt wird. Dadurch sind Kompensationsschaltungen und aufwendige Abgleichmaßnahmen
erforderlich. Außerdem müssen extreme Anforderungen an den Arbeitsbereich und die
Präzision verschiedener Bauelemente gestellt werden.
-
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die vorerwähnten Nachteile
bekannter elektronischer MeBeinrichtungen zu vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die beiden
von den Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom abgeleiteten Größen äe eine
konstante Referenzgröße an zwei Summationspunkten additiv hinzugefügt wird und die
so gebildeten Summengrößen erst danach dem Multiplizierer und dem weiteren, linearen
Meßteil zugeführt werden und daß in einer nachfolgenden digital arbeitenden Vergleichsschaltung
mit Hilfe eines Festfrequenzoszillators die aus der Referenzgröße im linearen Meßteil
vorliegende Grundfrequenz fO wieder abgezogen wird bzw. deren Impulse ausgeblendet
werden.
-
Die Impulse des Festfrequenzoszillators werden dabei über ein Differenzierglied
geführt und auf die R-Eingänge zweier Flip-Flops gegeben, deren Takteingänge am
Ausgang des linearen Meßteil anliegen. Der Ausgang des ersten Flip-Flops bereitet
dabei den Eingang des zweiten Flip-Flops vor, so daß es mit dem nächsten Taktimpuls
kippt, sofern nicht zuvor ein Rückstellimpuls am R-Eingang des ersten Flip-Flops
anliegt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die aus dem linearen
Meßteil vorliegenden Impulse auf
einen ersten Zähler und die Impulse
des Festfrequenzoszillators auf einen zweiten Zähler geführt. Die Impulssummen der
beiden Zähler werden in einem anschließenden Subtrahierer voneinander abgezogen,
wobei die Subtraktion über einen parallel zum zweiten Zahler geschalteten Teiler
in wählbaren Intervallen vorgenommen wird.
-
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an
Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Meßeinrichtung
für Elektrizitätszähler und Fig. 2 eine Variante zu der Ausführung nach Fig. 1.
-
In der Fig. 1 handelt es sich bei den beiden Größen Uu und U1 bereits
um Spannungen, die aus den beiden Meßgrößen Netzspannung U und Verbraucherstrom
I über entsprechende Wandler bzw. Teiler oder Shunts abgeleitet werden. An zwei
Summationspunkten A und B werden die Spannungen Uu und U1 additiv mit äe einer konstanten
Referenzspannung, vorzugsweise mit der gleichen Spannung URef, verknüpft. Die an
den Summationspunkten anliegende jeweilige Summenspannung wird auf einen Multiplizierer
1 gegeben, dessen Ausgang direkt bzw. invertiert über einen Inverter 2 und einen
Schalter 3 auf einen Integrator 4 geführt wird. Erreicht der Ausgang des Integrators
einen oberen bzw. unteren Grenzwert, was durch den nachgeschalteten Komparator 5
festgestellt wird, dann legt dieser den Schalter 3 um und gibt gleichzeitig einen
Impuls'auf die parallel anliegenden Takteingänge der Elip-Flops 6 und 7. Der Ausgang
Q1 des Flip-Flop 6 bereitet
bei jedem aus dem linearen Meßteil -
Baugruppen 1 bis 5 -ankommenden Impuls den Eingang J2 des Flip-Flop 7 vor, so daß
das Flip-Flop 7 mit dem nächsten ankommenden Taktimpuls kippt, falls nicht zuvor
ein Rückstellimpuls am Eingang R1 des Flip-Flop 6 auftritt. Die Rückstellimpulse
an den R-Eingängen der Flip-Flops 6 und 7 erzeugt ein Festfrequenzoszillator 8,
der in der Fig. als symmetrischer Rechteckgenerator dargestellt ist, der jedoch
auch bereits ein geeigneter Nadelimpulsgenerator sein kann. Die Rechteckimpulse
differenziert ein nachgeschaltetes Differenzierglied 9, das im einfachsten Fall
aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht. Ein nachgeschalteter Inverter
10 invertiert die positiven Nadeln und führt sie dann parallel auf die R-Eingänge
der beiden Flip-Flops 6 und 7. Am Ausgang Q2 des Flip-Flop 7 werden die dort auftretenden
Impulse unterschiedlicher Dauer durch eine nachgeschaltete monostabile Kippstufe
11 oder einen anderen Impulsformer aufbereitet und anschließend auf ein Zählwerk
12 mit einer Anzeige der gemessenen elektrischen Arbeit gegeben.
-
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, die eine Variante der digital
arbeitenden Vergleichsschaltung nach Fig. 1 darstellt, folgt auf den Komparator
5 ein Impulszähler 20. Der Festfrequenzoszillator 8, der Impulse mit der Frequenz
f0 erzeugt, gibt diese auf einen Zähler 21, dem ein Teiler 24 nachgeschaltet ist.
Die Ausgänge der Impulszähler 20 und 21 werden auf einen Subtrahierer 22 geführt,
der die Differenz zwischen den Impulssummen in über den Teiler 24 wählbaren Intervallen
bildet. Die Differenz der Impulssummen wird in einen Speicher mit Anzeige 23 übernommen,
die dann die Arbeit der Meßgrößen U und I anzeigt. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Schaltung nach Fig. 1 ist folgendermaßen:
Zunächst soll davon ausgegangen
werden, daß eine der Größen Uu oder UI oder beide zugleich Null seien. An den Eingängen
des Multiplizierers 1 treten in diesem Fall nur die Größen URef 1 und URef 2 auf,
so daß der Multiplizierer 1 als Ergebnis k1 = URef 1 URef 2 bzw. für URef 1 = URef
2 U URef das Ergebnis k2 = URef URef . URef liefert. Da es sich hierbei um einen
konstanten Wert handelt, erscheint am Ausgang des Komparators 5 eine Impulsfolge
mit konstanter Frequenz fO. Die Größe URef wird in Bezug auf die Größen Uu und U1
so gewählt, daß sich die Ausgangsfrequenz f am Komparator 5 bei Aussteuerung mit
den maximal auftretenden Werten der von den Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom
abgeleiteten Größen Uu und U1 lediglich um einen gewünschten Prozentsatz erhöht,
so daß z. B. eine Frequenzerhöhung von maximal 10 * gegenüber der Grundfrequenz
fo auftritt. Der lineare Meßteil der Schaltung arbeitet somit stets mit einer Grundfrequenz
fO, die sich beim Auftreten der von den maximalen Meßgrößen abgeleiteten Größen
Uu und UI maximal um einen Betrag d fmax auf die Frequenz fmax = = fO + afmax ändert.
Dazif wesentlich kleiner als f0 gewählt werden kann, erreicht man, daß sich die
die Meßgenauigkeit beeinflussenden Bauelemente Multiplizierer 1, Inverter 2, Schalter
3, Integrator 4 und Komparator 5 bei fast konstanten Arbeitspunkten betreiben lassen.
An die Linearität der Kennlinie der Bauelemente werden daher nur geringe Anforderungen
gestellt und Kompensationsmaßnahmen lassen sich sehr gut durchführen.
-
Am Ausgang des Komparators 5 treten also Impulse mit der Frequenz
f = fo + a f auf, wobei f proportional der Beistung der beiden Meßgrößen Netzspannung
und Verbraucherstrom ist. In den auf den Komparator 5 folgenden Schaltungsteilen
müssen
daher die Impulse mit der Grundfrequenz fO, die proportional U2Ref ist, in geeigneter
Weise ausgeblendet werden. Dies geschieht bei der Schaltungsanordnung nach Fig.
1, indem aus der vom Komparator kommenden Impulsfolge Impulse derart ausgeblendet
werden, daß die Frequenz der verbleibenden Impulse gleich af ist, während die Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 von der Gesamtsumme der Impulse am Ausgang des Komparators die Summe
der Impulse mit der Frequenz fO abzieht, so daß die Restsumme der Impulse proportional
der gemessenen elektrischen Arbeit ist.
-
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 werden die Rechteckimpulse
des Festfrequenzoszillators 8 über das Differenzierglied 9 und den Inverter 10 parallel
auf die R-Eingänge der beiden Flip-Flops 6 und 7 gegeben. Wenn jetzt beispielsweise
am Ausgang des Flip-Flop 7 ein Impuls durch einen Rückstellimpuls am R-Eingang beendet
worden ist, so kippt die Flanke des nächsten Taktimpulses am Ausgang des Komparators
5 das Flip-Flop 6, wodurch dessen Ausgang Q1 von L (Low) nach H (High) geht und
den Eingang J2 des Flip-Flop 7 mit H-Potential vorbereitet. Bevor jedoch eine weitere
Impulsflanke auf die Takteingänge der Flip-Flops 6 und 7 gelangt, trifft ein Rückstellimpuls
als Nadelimpuls an den R-Eingängen R1, R2 ein, der die Flip-Flops 6 und 7 wieder
in die Ausgangslage kippt. Dieser Vorgang erzeugt keinen Impuls am Ausgang Q2 des
Flip-Flop 7 und wiederholt sich so oft, bis eine zweite schaltende Impulsflanke
eher auf die Takteingänge der Flip-Flops als ein Rückstellnadelimpuls an den R-Eingängen
eintrifft. Nach dem wievielten Taktimpuls der vorbeschriebene Fall eintritt, gibt
der Quotient f0/fan. Wenn z. B. f0 = 100 * und 1 f = 5 % ist, so ist f,/d f = 20;
d. h. auf jeden 20. Taktimpuls trifft
kein Rückstellimpuls ein,
so daß dieser Taktimpuls aufgrund des noch anstehenden H-Potentials am J2-Eingang
das Flip-Flop 7 kippt, wodurch der Ausgang Q2 von L nach H geht. Der nachfolgende
Rückstellimpuls stellt die Flip-Flops zurück und die Ausgangslage ist erreicht.
Dabei geht Q2 von H- auf L-Potential zurück und es wird ein Impuls am Ausgang Q2
abgeschlossen. Oder anders gesagt, entspricht der Frequenz f am Ausgang des Komparators
5 die Impulszahl F und der Frequenz f0 des Festfrequenzoszillators 8 die Impulsanzahl
Fo, so treffen auf F-Taktimpulse FO-Rückstellimpulse und am Ausgang Q2 des Flip-Flop
7 erhält man F - Fo = A Impulse. Die An zahl b F der Impulse ist proportional der
elektrischen Arbeit der beiden Meßgrößen, die mittlere Frequenz a f ist proportional
der elektrischen Leistung.
-
Die am Ausgang Q2 des Flip-Flop 7 entstehenden Impulse unterschiedlicher
Impulsbreite können durch eine monostabile Kippstufe 11 oder einen anderen Impulsformer
aufbereitet und anschließend in ein Zählwerk 12 zur Anzeige der elektrischen Arbeit
gegeben werden.
-
Bei der digital arbeitenden Vergleichsschaltung nach Fig. 2 wird die
elektrische Arbeit der beiden Meßgrößen aus der Impulsfrequenz f = fO + ii f am
Ausgang des Komparators 5 gewonnen, indem die Impulse mit der Frequenz f des Komparators
5 auf den Zähler 20 und die Impulse mit der Frequenz fO des Festfrequenzoszillators
8 auf den Zähler 21 gegeben werden. Die Impulssummen der Zähler 20 und 21 werden
anschließend in dem Subtrahierer 22 voneinander abgezogen, so daß als Differenz
am Ausgang des Subtrahierers die Summe von'Impulsen einer Frequenz a f entsteht.
Die
Differenz aus den beiden Impulssummen ist somit proportional
der elektrischen Arbeit aus den beiden Meßgrößen und wird durch einen Speicher mit
Anzeige 23 ausgewiesen. Die Subtraktion wird zweckmäßigerweise über einen Teiler
24 in wählbaren Intervallen vorgenommen.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, daß der lineare Meßteil, bestehend
aus den Bauelementen 1 bis 5, durch die zusätzlich eingegebene konstante Referenzgröße
URef, die ein Mehrfaches der maximalen Werte der Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom
betragen kann, in seinem optimalen Bereich arbeitet. Die Meßeinrichtung überstreicht
einen großen Meßbereich und hat eine hohe Meßgenauigkeit, was sich besonders im
Kleinlastbereich des Zählers, d. h. bei kleinen Meßgrößen vorteilhaft auswirkt.
Kompensationsmaßnahmen sind auf ein Minimum beschränkt und man kann einfache und
damit billigere Bauelemente verwenden. Die Erfindung verwendet vorzugsweise eine
Schaltungsanordnung der Bauelemente 1 bis 5 gemäß Fig. 1, wie sie aus der amerikanischen
Patentschrift 3 256 426 bekannt ist. Eine grundsätzliche Anwendung ist jedoch für
beliebige Multiplizierer mit nachgeschalteten Einrichtungen möglich, die eine Umsetzung
des Produktes in eine leistungsproportionale Frequenz gestatten.
-
8 Seiten Beschreibung 3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit 2 Fig.