DE2854282A1

DE2854282A1 - Einrichtung zum ueberwachen des verbrauchs elektrischer energie

Info

Publication number: DE2854282A1
Application number: DE19782854282
Authority: DE
Inventors: John R Hicks
Original assignee: DuPont Energy Management Corp
Current assignee: DuPont Energy Management Corp
Priority date: 1977-12-19
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1979-06-28
Also published as: US4147978A; CA1126822A; MX145850A; FR2412077A1; JPS5494377A; GB2010498B; FR2412077B3; GB2010498A

Description

A.

H. KINKELDEY

DR-KS.

W. STOCKMAIR

K. SCHUMANN

OR HER NftT· OPL-PHYS

P. H. JAKOB

P 13 405

^1:7 ^ G. BEZOLD

8 MÜNCHEN

WAXIMILtAlMSTRASSE

Einrichtung zum Überwachen des Verbrauchs elektrischer Energie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Überwachen des Verbrauchs elektrischer Energie, insbesondere auf eine elektronische Schaltung zum Messen der durch eine Anlage verbrauchten Energie, zum Anzeigen der entsprechenden Kosten für die Energie und zum Steuern und Überwachen der sich ergebenden Kosten unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Bezugswertes.

In den letzten Jahren führte ein scharfes Ansteigen der Kosten für Erdgas und Öl zu einem drastischen Anstieg der Preise für elektrische Energie. In verschiedenen Ländern wurden von Seiten der Regierung sowie von anderen Institutionen Initiativen und Programme entwickelt mit dem Zweck, der Energieverschwendung entgegenzuwirken und effizientere Energiequellen zu erschlfe ßen. Die Öffentlichkeit,insbesondere Bausbesitzer und Stromabnehmer in der Industrie wurden sich in zunehmendem Maße der !Tatsache bewußt, daß Energie gespart werden muß.

Trotz der genannten Entwicklungen ist es für den Abnehmer elektrischer Energie schwierig, wenn nicht unmöglich geblieben, auf einfache Weise kontinuierlich den Energieverbrauch

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(OBB) aaaaea telex os-assao telecifjamme monapat telekopierer

zu überwachen. Die sich durch den Verbrauch ergebenden Kosten präsentieren sich, dem Abnehmer normalerweise erst bei dem beispielsweise monatlichen Smpfang der Abrechnung, also einige Zeit, nachdem die Energie verbraucht wurde und die Kosten entstanden sind. Diese Verzögerung kann sich besonders dann nachteilig auswirken, wenn Zeiträume hohen Verbrauchs vorliegen, oder auch, in Situationen, in denen Einrichtungen oder Geräte, die elektrische Energie verbrauchen, unachtsam über längere Zeiträume laufengelassen werden.

Der Abnehmer elektrischer Energie hat die Möglichlceit, seinen Verbrauch an elektrischer Energie durch periodisches Ablesen seines ElektroZählers "von Hand" zu überwachen und die Belastung zu errechnen, jedoch ist dieses Vorgehen schwierig und mühsam und in der Eraxis kaum durchführbar. Weiterhin sind die bestehenden Anlagen nicht dazu ausgelegt, eine Eückkoppelsteuerung zu bewirken, um den Eingang elektrischer Leistung zu reduzieren, zu mäßigen oder abzustellen, wenn der maximal gewünschte Energieverbrauch, einreicht ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung, van. dem Abnehmer die Kosten der verbrauchten elektrischen Energie zu errechnen und anzuzeigen und um die in einem vorgegebenen Zeitintervall verbrauchte Energie zu überwachen und zu steuern. Die hierzu vorgesehene Schaltung erfaßt die in die Anlage einfließende elektrische Energie und erzeugt ein digitales Signal, welches repräsentativ ist für die aufgenommene elektrische Leistung. Eine Akkumulatoreinrichtung zählt die digitalen Signalimpulse während eines vorbestimmten Zeitintervalls. Wenn die Zählung ein festgelegtes Maximum überschreitet, wird ein Ausgangs-

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signal erzeugt, welches dazu verwendet werden kann, einen Alarm auszulösen oder eine Steuer schaltung zu aktivieren.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine elektronische Schaltungsanordnung vorgesehen zum Überwachen der von einer Anlage in einem vorgegebenen Zeitintervall über eine Ein gangs Stroms chiene empfangenen elektrischen Energie. Eine elektromagnetische Schaltung erfaßt die Stärke des Eingangsstroms und erzeugt eine Gleichspannung mit einer Amplitude, die repräsentativ ist für die Stärke des Eingangsstroms. Ein spannungsgesteuerter Oszillator wird durch die Gleichspannung betrieben, um ein Wechselsignal mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Amplitude der Gleichspannung entspricht. Das Wechselsignal wird einem Multivibrator zugeführt, welcher einen Impulszug mit einer Frequenz erzeugt, die der Frequenz des Wechselsignals entspricht. Der Oszillator und der Multivibrator werden vor ein ge st eilt, so daß der sich ergebende Impulszug einer Kosteneinheit für die elektrische Energie entspricht.

Der Impuls zug wird einer Eeihe digitaler Zahler zugeführt, die die Anzahl der erzeugten Impulse zählen. Die Zähler sind über eine Decoderschaltung an eine Anzeigeeinrichtung angeschlossen. Letztere gibt kontinuierlich, die Kosten der verbrauchten elektrischen Energie an. Die Zähler werden abgefragt, um ein Ausgangssignal in Abhängigkeit davon zu erzeugen, ob der Zähl erstand einen vorgegebenen Wert erreicht. Eine Alarmschaltung spricht auf das Ausgangssignal an, um anzuzeigen, daß die maximal gewünschte elektrische Energie über ein gegebenes Zeitintervall hin verbraucht wurde.

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Die oben angesprochene Erfindung besitzt eine Reihe von Vorteilen, die dem Abnehmer elektrischer Energie zugutekommen. Die "online"-Überwachung verschafft dem Abnehmer eine stets aktuelle Information über seinen Energieverbrauch. Daten, die die aufsummierten Energiekosten betreffen, werden erzeugt und kontinuierlich angezeigt. Die Warn schaltung gibt eine Warnung ab, wenn die gewünschte Kostengrenze überschritten wirdi die Steuerschaltung kann dann automatisch die Versorgung mit elektrischer Energie verändern oder abschalten. Die Einrichtung wird einfach durch eine elektromagnetische Anordnung an die Eingangs-Versorgungsklemmen angeschaltet, sie besitzt einen kompakten Aufbau und ist mühelos tragbar, so daß sich viele Anwendungsmöglichkeiten erschließen.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt darin, eine elektronische Überwachungsschaltung zu schaffen, die die von einer Anlage aufgenommene elektrische Energie mißt und die entsprechenden Kosten für die Energie anzeigt. Eine Alarm- oder Warnschaltung wird ausgelöst, wenn die Kosten innerhalb einer gegebenen Periode einen bestimmten Betrag überschreiten« Die Überwachungsschaltung enthält eine elektromagnetische Spule, die die Stärke des Eingangsstroms erfaßt oder abfühlt, und sie erzeugt eine Gleichspannung, deren Amplitude der Stromstärke entspricht. Die Gleichspannung treibt einen spannungsgesteuerten Oszillator, um ein Wechselsignal mit einer frequenz zu erzeugen, die der GIeichspannungsamplitude entspricht. Der Oszillator wurde derart voreingestellt, daß das erzeugte Wechselsignal eine Frequenz besitzt, die eine Kosteneinheit der elektrischen Ileistung entsprechend der erfaßten Stromstärke entspricht. Ein Multivibrator erzeugt ein impulsförmiges digitales Signal entsprechend der Frequenz des Wechselsignals, wobei jeder Impuls eine Kosten-

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einheit für die verbrauchte elektrische Leistung anzeigt. Die Impulse werden in einer Reihe dekadischer Zähler akkumuliert. Letztere sind über einen Decoder mit einer 7-Segment-Anzeigeeinheit verbunden, die die aufgelaufenen Kosten für die Energie anzeigt. Die Zähler werden durch eine Waraschaltung überwacht, und die Warnschaltung wird in Abhängigkeit davon ausgelöst, daß der Zählerstand innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls einen bestimmten Wert überschreitet. Bei der Rücksetzschaltung stellt die Zähler- und die Warnschaltung periodisch zu Beginn einer neuen Überwachungsperiode auf SuIl zurück.

folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen überwachungseinrichtung für elektrische Energie,

S¹Xg. 2 ein Schaltungsdiagramm der Sensor- oder Erfassungsschaltung der in 3¹Xg. 1 gezeigten Einrichtung,

3 ein Schaltungsdiagramm der Zählschaltung und der Anzeigeeinheit der in I¹Xg. 1 gezeigten Einrichtung und

4 ein Schaltungsdiagramm der Warneinheit und Rucksetzschaltung der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung.

Pig. 1 zeigt eine Überwachungsschaltung 10 für den "Verbrauch elektrischer Energie gemäß der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise ist die Schaltung 10 an die beiden sekundärseitigen Schenkel eines Eingangs-Leistungs-Transformators 12 geschaltet. Eingangsleitungen 14 und 16 führen

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zu einer Sensor- oder Erfassungsschaltung 18, die die Stärke des durch, den Transformator 12 fließenden Stroms erfaßt und einen digitalen Impulszug auf der Leitung 20 erzeugt. Der Impulszug besitzt eine Frequenz, die der Amplitude des Eingangsstroms entspricht. Eine Zählschaltung 22 zählt die auf der Leitung 20 in einem gegebenen Zeitintervall ankommenden Impulse und erzeugt Signale, die die Kosten der verbrauchten elektrischen Leistung darstellen . Die Signale werden kontinuierlich über eine Leitung 24-.eine? Anzeigeeinheit 26 zugeführt, welche die Signale decodiert und sie beispielsweise in DM und Pfennig-Beträgen anzeigt.

Über eine Leitung 28 werden dL e Impulse weiterhin an Zähler mit einer Varneinheit 30 geleitet. Überschreiten die gezählten Impulse innerhalb eines vorgegebenen Zeit— Intervalls einen gewünschten Viert, so wird ein Warn- oder Alarmsignal durch die Alarmzähler erzeugt, um den Abnehmer davon in Kenntnis zu setzen, daß die Kosten überschritten werden. Gleichzeitig wird über eine Leitung ein Steuersignal an eine Steuerschaltung 32 auf der Sekundärseite des Eingangstransformators 12 gegeben; diese Steuerschaltung 32 kann die in die Anlage einfließende Leistung unterbrechen oder modifizieren. Bei der Schaltung 32 kann es sich um irgendeine herkömmliche Steuerschaltung handelt, darunter beispielsweise eine einfache Schalteranordnung. Daher wird auf eine eingehende Diskussion der Bauteile der Schaltung 32 an dieser Stelle verzichtet. Am Ende des gewünschten Zeitintervalls setzt; eine Eücksetzschaltung 34- die Zähler der Varneinheit 30 auf Null zurück, um eine neue Periode zu beginnen. Die Zähler der Zählschaltung 22 können gleichzeitig zurückgesetzt werden.

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Fig. 2 zeigt die Sensorschaltung 18 im einzelnen. Die Leitungen 14 und 16 sind vorzugsweise mit den sekun— därseitigen Anschlüssen des Transformators 12 mittels elektromagnetischer Sensoren 40 und 42 verbunden , die um die Transformatorschenkel geklammert sind. Da die Leistung über jeden Schenkel des zweiphasigen Transformators gelangt, werden für beide Phasen identische Sensorschaltungen verwendet, um die volle Stärke der in die Anlage einfließenden Leistung zu bestimmen.

Sei zuerst die an den Sensor 40 angeschlossene Schaltungsanordnung betrachtet. Ein gangs leitungen 14a und 14b sind an einen in Serie, bzw. parallelliegenden Widerstand 44 bzw. Kondensator 46 geschaltet, um für die Spule in dem Sensor 40 eine gewünschte Impedanz zu bilden. An den 'Verbindungspunkt des Widerstandes 44 und des Kondensators ist ein Gleichrichter 48 geschaltet, um das induzierte Wechselsignal in eine Gleichspannung umzuwandeln, deren Amplitude der Stärke des Ein gangs Stroms entspricht. Zwischen den anderen Anschluß des Gleichrichters 48 und Masse ist ein Kondensator 50 geschaltet. Das Eingangssignal wird auf der Leitung 14a über einen Eingangswiderstand 52 auf einen Eingangs ans chluß eines Verstärkers 54 geleitet. Der andere Eingang steht über einen Torspannungs widerstand 56 mit einer 12-Volt-Spannungsversorgung und über einen veränderbaren Widerstand 58 mit Masse in Verbindung. Die Vorspannung des Verstärkers 54 liegt über eine Leitung 64 an der 12-Volt-Spannungsversorgung und über eine Leitung 66 auf Masse. Der Ausgang des Verstärkers 54 besitzt eine Rückführschlafe 68, die über einen Widerstand 70 an die Eingangsleitung 14a fuhrt.

Die Ausgangsleitung 72 des Verstärkers 54 fuhrt zu dem Anschlußstift 5 eines spannungsgesteuerten Oszillators (VGO) 74. Die Vorspannungsstifte 6 und 8 des Oszillators 74 lie-

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gen parallel zu einem Widerstandsselektor 78· Selektor 78 enthält Widerstände R1 bis R12 mit unterschiedlichen Widerstandswerten. Diese können ausgewählt werden, um eine Korrelation zu schaffen bezüglich der Kosten der verbrauchten elektrischen Leistung. Dem Oszillator 74 wird über den Stift 8 von der 12-VoIt-Spannungsversorgung über Dioden 60 und 62 Leistung zugeführt. Der Oszillator ist über den Stift 1 geerdet. Der Oszillator 74 liegt mit dem Stift 7 über einen Kondensator 8o auf Masse. Der ausgewählte Widerstand zwischen den Stiften 6 und 8, sowie der Kondensator 80 am Stift 7 bilden eine RC-Zeitkonstante für den Oszillator 74. '

Der Ausgang des Oszillators 74 wird von dem Stift 3 auf einer Leitung 82 zu dem Eingangsstift 2 eines Multivibrators (IiV) 84 über eine Zenerdiode 86 geführt. Der Eingangsstift 2 liegt über einen Vorspannungswiderstand 88 auf Masse. Der Multivibrator 84 wird über des Stift 8 durch eine gemeinsame 5-Volt-Spannungsversorgung versorgt; letztere liegt auch über einen Widerstand 90 an den Stiften 6 und 7. Die Stifte 6 nad ? sind weiterhin über einen Kondensator 92 auf Masse gelegt» Der Widerstand 90 und der Kondensator 92 bilden die RG-Zeitkonstante für den Multivibrator 84. Der Stift 5 des Multivibrators 84 ist über einen Ableitkoadensator 94 geerdet.

Der Ausgang des Multivibrators 84 ist über den Stift 3 auf einer Leitung 96 an einen Eingang eines HOR-Gliedes 98 geführt. Die andere Eingangsleitung 99 des NOB-Gliedes steht in Verbindung mit einer identisch ausgebildeten Gleichstromschaltung, die an die Leitungen 16a und 16b auf den anderen Schenkel des Transformators 12 angeschlossen ist. Da diese Schaltung genauso ausgebildet ist wie die soeben erläuterte Schaltung, erübrigt sich.

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eine nochmalige Beschreibung. Der Ausgang des HOR-Gliedes 98 gelangt über die Ausgangsleitung 20 zu der in 5¹Xg. 3 dargestellten Zählschaltung 22.

Fig. 3 zeigt die Zählerschaltung 22 und die Anzeigeeinheit 26 im einzelnen. Die Eingangsleitung 20 führt zu dem Eingangsstift 14 eines DekadenZählers 100. Der Ausgang des Zählers 100 führt über eine Leitung 102 an den Singangsstift 14 eines Dekadenzählers 104. Die Stifte 1 und 12 des Zählers 100 sind miteinander verknüpft, um mittels der Zählerschaltung eine teilung durch 10 zu erhalt^" , Stift 3 steht mit dem Stift 6 in Verbindung und Stift 7 ist mit 10 verbunden. Die Stifte des Zählers 104 sind in gleicher Weise verschaltet. Die Stifte 5 der Zähler 100 und 104 sind ebenso miteinander verbunden wie die Stiftpaare 3 und 6 sowie 7 und 10 beider Zähler.

Von dem Zähler 104 wird das Siga al einer Reihe von fünf weiteren, in Serie geschalteten Dekadenzähler 108, 110, 112,114,116 zugeführt. Diese Zähler besitzen dieselben Stiftverbindungen wie die Zähler 100 und 104. Der Ausgang des Zählers 104 gelangt über die leitung 106 zum Eingangsstift 14 des Dekadenzählers 108. Die anderen Zähler 110, 112, 114 und 116 sind mit dem Zähler 108 in Serie geschaltet, wobei jeder eine Verbindung aufweist zwischen dem Ausgan gsstift 11 des vorhergehenden Zählers und dem Eingangsstift 14 des betreffenden Zählers. Die Stiftpaare 3 und 6 sämtlicher sieben Zähler in Pig. 3 sind aneinandergeschaltet, um auf ein auf einer leitung 103 übertragenes gemeinsames Rücksetzsignal anzusprechen, das von einem Hand-Rücksetzknopf 107 kommt, der zwischen der leitung 103 und Erde liegt.

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Die Stiftpaare 7 und 10 sind mit den entsprechen!en Paaren aller sieben Zähler verbunden und geerdet. Schließlich, ist der Stift 5 jedes der sieben Zähler mit den anderen Stif ten 5 verbunden, um den Zählern von einer 5-Volt-^spannungsversorgung auf der Leitung 31 Leistung zuzuführen- Ableit— kondensatoren 33 und 35 liegen zwischen der Leitung 31 und Erde.

Die Ausgänge der fünf Zähler 108 bis 116 treiben fünf Dekodereinheiten 120, 122, 124, 126 und 128. Der Zähler 108 steht mit dem Dekoder 120 in Verbindung, wobei die Ausgangsstifte 9, 8, 11 und 12 des Zählers 108 entsprechend mit den Eingangsstiften 1,2,6, und 7 des Dekoders 120 verschaltet sind. Die Erdklemme 8 des Dekoders 120 ist gemeinsam mit den Stiften 7 und 10 sämtlicher sieben Zähler verbunden, wie es oben erläutert wurde.

Die übrigen Dekoder sind an ihre zugehörigen. Zähler in entsprechender Weise geschaltet. Der Dekoder 122 ist an den Zähler 110 geschaltet, der Dekoder 124 an den Zähler 105, der Dekoder 126 an den Zähler 114 und der Dekoder 128 ist an den Zähler 116 geschaltet.

Jeder der Dekoder 120 bis 128 ist vorzugsweise ein BCD— Sieben-Segment-Dekoder, der alle binärcodierten Dezimal-Datensignale in sieben digitale Signale umwandelt, von de nen jedes eines von sieben Segmenten eines Anzeigeelements oder einerAnzeigeeinheit 26 ab- oder anschaltet. Ein Anzei geelement 130 steht durch sieben Leitungen über identische Widerstände 129 mit dem Decoder 120 in Verbindung und identisch ausgebildete Anzeigeelemente 132,134-,136 und 138 sind in entsprechender Weise an die Decoder 122, 124-, Έ6 und 128 geschaltet. Jedes der Anzeigeelemente wird durch die gemeinsame 5-Volt-Versorgung betrieben.

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Fig. 4 zeigt die Warneinheit 30 und die Rücksetzschaltung 34-im einzelnen. Die Eingangsleitung 28 ist (siehe Fig. 3) an die Leitung 106 zwischen den Zählern 104 und 108 geschaltet, um die Eingangssignale der Warneinheit 30 zuzuführen. Die Leitung 28 führt zu drei Zählern 140, 142 und 144, die in Serie geschaltet sind. Die Zähler 140 und 142 sind Dekadenzahler, bei dem Zähler 144 handelt es sich, um einen Teiler-12-Zähler. Die Leitung 28 gelangt an den Zähler 140 über den Stift 14, der Ausgangsstift 11 des Zählers 140 führt zum Eingangsstift 14 des Zählers 142 über die Leitung 146. Der Ausgangsstift 11 des Zählers 142 liegt über eine Leitung 148 am Eingangsstift 14 des Zählers 144. Wie bei den in Fig. 3 gezeigten Zählern sind auch hier die Stifte 1 und 12 jedes der Zähler 140, 142 und 144 miteinander verbunden. Bücksetzstifte 3 und 6 des Zählers 140 sind miteinander verbunden und an eine Leitung 141 geschaltet, die zu den Stiften 4 und 3 des Zählers 142 und zu Rücksetzstiften 6 und 7 des Zählers 144 führt. Die Erdungs— stifte 7 und 10 des Zählers 140 sind miteinander verschaltet und führen über eine Leitung 143 zu den Stiften 7 und 10 des Zählers 142. Die Zähler 140, 142 und 144 werden jeweils durch die gemeinsame Spannungsversorgung über die Stifte 5 versorgt.

Der Zähler 144 der Warneinheit 30 besitzt vier Ausgangsleitungen, die von den Stiften 8, 9» 12 und 14 zu den Eingangsstiften 12,13,14· und 15 eines Decoders 152 führen. Die 5-Volt-Spannungsversorgung führt zu dem Stift 16 des Decoders 152. Der Stift 11 des Zählers 144 sowie der Stift 8 des Decoders 52 sind geerdet. Der Decoder 152 wandelt ankommende binärcodierte Dezimaldaten um in herkömmliche De— zimaldaten, die an einen Auswahlschalter 154- über zwölf unterschiedliche Ausgangsstifte abgegeben werden.

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Der Ausgang des Auswahlschalters 154 führt zu einer Warn-Eelaisschaltung, die aus zwei in Serie geschalteten Transistoren 156 und 158 mit geerdetem Emitter besteht. Der Transistor 156 ist an die gemeinsame Spannungsversorgung über einen Widerstand 160 angeschlossen und das ankommende Signal gelangt über einen weiteren Widerstand 162 zu der Basis des Transistors 156. Ein dritter Widerstand spannt die Steuerelektrode des Transistors 156 gegen Masse vor. Der Kollektorausgang des Transistors 156 wird über eine Leitung 166 an die Steuerelektrode des Transistors 158 gegeben. Der Kollektor des Transistors 158 ist über eine Relaisspule 170 an die 5-Volt-Spannungsversorgung geschaltet. Die Steuerleitung 29 (siehe I?ig. 1) ist an den Kollektor des Transistors 158 geschaltet.

Wie aus 3?ig. 4 hervorgeht, besteht die Rücksetzschaltung vorzugsweise aus einer herkömmlichen Zeitgeberschaltung 172, die an einen Multivibrator 174- angeschlossen ist. Die Zeitgeberschaltung 172 kann einen Multivibrator 176 als Grund-Taktgeber enthalten. Der Multivibrator 176 wird über den Stift 8 von der 5-Volt-Spannungsversorgung gespeist und ist über den Stift 1 geerdet. Der Taktgeber besteht aus zwei Widerständen 178 und 180, die zwischen die Stifte 8 und 6 geschaltet sind. Ein dritter Widerstand 182 liegt zwischen dem Stift 8 und 7· Der Stift 7 ist ferner an einen Knoten 184 zwischen den Widerständen 178 und 180 geschaltet. Die Stifte 4 und 8 sind kurzgeschlossen, wie auch, die Stifte 2 und 6. Der Stift 6 liegt über einen Kondensator 184 auf Masse, Stift 5 liegt über einen Kondensator 186 auf Masse.

Der Ausgangsstift 3 des Multivibrators 176 ist an den Eingangsstift 14 eines Zählers 188 angeschlossen. Der Ausgangsstift 11 des Zählers 188 liegt am Eingangsstift 14

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eines zweiten Zählers 190. Der Ausgangsstift 11 des Zählers 190 ist an den Eingangsstift 14 eines dritten Zählers geschaltet. Der Ausgangsstift 11 des Zählers 192 liegt am Eingangsstift 2 des Multivibrators 174. Wie auch bei den obenerläuterten Zählern sind jeweils die Stifte 1 und 12 der Zähler 188 bis 192 miteinander verknüpft. Rücksetzs t if te 3 und 6 jedes der drei Zähler sind miteinander verbunden und stehen weiterhin mit den Stiften 3 und 6 der anderen beiden Zähler in Verbindung. Die Zähler 188, 190 und 192 werden über den Stift 5 von der 5-^olt-Spannungsversor— gung gespeist und sind über eine gemeinsame "Verbindung mit jedem Stiftpaar 7 und 10 geerdet.

Der Multivibrator 174 wird von der 5-Volt-Speisespannung über den Stift 8 gespeist und ist mittels des Stiftes 1 geerdet. Die Stifte 6 und 7 sind miteinander verbunden und liegen über einem Kondensator 194 auf Erde und weiterhin über einen Widerstand 196 an dem Stift 8. Der Stift 5 liegt ferner über einen Kondensator 198 auf Masse.

Der Ausgang des Multivibrators 174 führt von dem Stift 3 über eine Leitung 199 zu einem Alarm- oder Warnrücksetzschalter 200, dessen Ausgang über eine Rücksetzleitung an die Rücksetzstifte 3 und 6 der Zähler 140 und 142 und die Rücksetzstifte 6 und 7 des Zählers 144 führt. Im folgenden soll die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Überwachungssystems 10 erläutert werden. Hierzu soll zuerst Fig. 2 betrachtet werden. Durch jede der elektromagnetischen Wicklungen 40 und 42 wird.ein Wechselsignal erzeugt-Das Wechselsignal wird durch den Gleichrichter 48 in ein Gleichsignal umgewandelt, dessen Amplitude repräsentativ ist für die Amplitude des abgetasteten Eingangsstroms. Das

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Gleichsignal wird daraufhin durch den Verstärker 54· an den Oszillator 74- geführt, um ein rechteckförmiges Wechselsignal mit einer Frequenz zu erzeugen, die repräsentativ ist für die Amplitude des Gleichsignals.

Die Frequenz des Rechteck-Ausgangssignals hängt auch davon ab, welcher der Widerstände R 1 bis R12 durch den Auswahlschalter 78 ausgewählt ist. Die Werte der Widerstände R1 bis R12 sind so gewählt, daß sie unterschiedliche Verbrauchsgebühren darstellen. Vorzugsweise tragen die Widerstände unterschiedlichen Gebührensätzen zwischen einer Unter- und einer Obergrenze Rechnung (beispielsweise zwischen 10 und 4-3 Pfennig/kW/h).

Das Rechtecksignal vom Oszillator 74· wird an den Multivibrator 84- geleitet. Dieser erzeugt ein digitales Impulssignal mit einer wesentlich höheren Frequenz auf der Leitung 96. Dieses wird dann auf das NOR-Glied 98 gegeben, zusammen mit einem identischen Signal af der Leitung 99» welches von der anderen Hälfte der Sensorschaltung kommt. Die Frequenz des vom Multivibrator 84- kommenden gepulsten Signals ist konstant, jedoch variiert die Anzahl der Impulse nach Maßgabe der Frequenz des Rechtecksignals. Die sich ergebende Ausgangsgröße am Verknüpfungsglied 98 liefert eine Vielzahl von Impulsen, von denen jeder eine Kosteneinheit für den Verbrauch elektrischer Energie darstellt. In der vorliegenden Schaltung sind die Werte des Widerstandes 90 und des Kondensators 92 derart gewählt, daß das gepulste Ausgangssignal eine Frequenz von 10 ms' gesitzt und jeder Impuls 0,01 Cent an Energieverbrauch darstellt.

Es sei nun Fig. 3 betrachtet. Das gepulste Signal wird durch die Dekadenzähler 100 und 104- geführt, um die Impulsfrequenz durch 100 zu teilen. Somit stellt das Ausgangs-

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signal auf der leitung 106 in der vorliegenden Schaltung vorzugsweise einen Impuls für jeden Cent verbrauchter elektrischer Energie dar. Die Zähler 108 bis 116 teilen dann die Impulsfrequenz weiter herunter, um eine Ablesemöglichkeit über die Dekoder 120 bis 128 in Dollar und Cent (oder Mark und Pfennig) zu erhalten, bis hinauf zu einem Wert von 999,99. Der Impulszug auf der Leitung 106 stelLt 1-Cent-Einheiten für verbrauchte Energie dar und wird der Warnschaltung 30 über die Leitung 28 zugeleitet.

Es sei nun I¹Xg. 4- betrachtet. Der Eingangsimpuls wird unter "Verwendung der Zähler 14-0 und 14-2 durch 100 geteilt, so daß das Ausgangssignal auf der Leitung 14-8 jeweils ein Impuls ist für jeden Dollar (oder Mark) "Verbrauch. Der Zähler 144-liefert vier BCD-Ausgangssignale an den Decoder 152, um das Impulssignal in dezimale Form umzuwandeln. Der Auswahlschalter 154- kann auf irgendeinen von zwölf unterschiedlichen Werten eingestellt werden, um den maximalen Betrag festzulegen, der vor dem Auslösen der Warnschaltung zugelassen wird. Beim vorliegenden Beispiel schafft der Schalter eine Auswahl zwischen einem und 12 Dollar (Mark) für verbrauchte Energie während des Ablaufs eines Tages. Ist einmal der maximale Wert erreicht, triggert der Decoder 152 die ausgewählte Ausgangsleitung und betätigt dadurch die Transistoren 156 und 158 und das Warnrelais 170.

Bei dem Zeitgeber 172 handelt es sich um eine herkömmliche Zeitgebereinheit, die ein Aus gangs sign al an den Multivibrator 174- immer dann abgibt, wenn ein Rucksetzsignal für die Warnschaltung gewünscht wird. Der Multivibrator 174-wiederum liefert ein Impulssignal auf der Leitung 199 durch, den Alarm-Bücksetzschalter 200, um die Decadenzähler 140 und 14-2 und den Teiler-12-Zähler 14-4- zu Beginn jedes neuen ZeitIntervalls zurückzusetzen.

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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zeitgeber 172 um eine 24-Stunden-Einheit, so daß die Zähler 140, 142 und 144 automatisch jeden Tag zurückgesetzt werden. Wenn die auf dem Auswahlschalter 154 ausgewählten Energiekosten vor dem Ablauf eines Tages erreicht werden, wird das Alarmrelais I70 aktiviert und die Rücksetzschalter 200 müssen von Hand zurückgesetzt werden , um die Zähler 140, 142 und 144 zurückzustellen. Die Zähler der Zählschaltung 22 und die Anzeigeelemente der Anzeigeeinheit 26 in Fig. 3 werden von Hand zurückgesetzt, indem der Rücksetzknopf 107 nach Wunsch, vorzugsweise einmal im Monat, betätigt wird.

Bei sämtlichen Bauteilen der Schaltung 10 handelt es sich vorzugsweise um herkömmliche Bauteile, die von den Halbleiterherstellern, beispielsweise von der Firma National Semiconductor Company in San Francisco, bezogen v/erden können. Beim soeben geschilderten bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Oszillatoren 74- und 75 in der Sensorschaltung 18 jeweils um IC vom Typ 556 der genannten Firma. Die Multivibratoren 84 und 85 der Sensorschaltung 18 und die Multivibratoren 174 und 176 der Rücksetzschaltung 34 sind integrierte Zeitgeberschaltungen vom ^yp 555. Die Verstärker 54- und 55 der Sensorschaltung 18 sind vorzugsweise Vierfach-Operationsverstärker vom Typ 524-, die ebenfalls auf integrierten Schaltkreischips ausgebildet sind. Die Dekaden 100,104,108,110,112,114 und 116 der Zählschaltung 22, die Dekadenzähler 140 und 142 der Alarmschaltung 30 und de Dekadenzähler 188, 190 und 192 der Rücksetzschaltung 34 sind ausnahmslos integrierte Schaltungen vom Typ 74-90.

Vorzugsweise sind die BCD-7-Segmentdecoder 120,122,124,126 und 128 der Anzeigeeinheit 26 integrierte Schaltungen vom

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Typ 7V±7. Der Teiler-12-Zähler 144 der Alarm- oder Warneinheit 30 ist ein IG vom Typ 7492, der Decoder 152 der Warn schaltung 30 ist ein IC vom Typ 74145.

Die in der Sensorschaltung verwendeten elektromagnetisclien Spulen 40 und 42 sind RS-3-Sensoren, hergestellt von der Firma Amprobe. Die Widerstände 44, 45, 56, 37, 88 und 89 der Sensorschaltung besitzen sämtlich einen Wert von 1 Kilo-Ohm. Die Widerstände 52 und 53 haben 22 Kilo-Ohm, die Widerstände 70 und 71 2,2 Kilo-Ohm, die veränderbaren Widerstände 58 und 59 jeweils 10 Kilo-Ohm.

Die Kondensatoren 46 nd 47 in der Sensorschaltung besitzen eine Kapazität von jeweils einem IMikrofarad, die Kondensatoren 50 und 51 haben eine Kapazität von 100 Mikrofarad-Die Kondensatoren 80 und 81 besitzen jexieils eine Kapazität von 75 Mikrofarad, die Kondensatoren 92 und 93 von jeweils 0,1 Mikrofarad und die Kondensatoren 94 und 95 jeweils von 0,01 Mikrofarad.

In der Warnschaltung 30 besitzen die Widerstände 160, 162 und 164 jeweils einen Widerstandswert von einem Kiloohm.

In der Rücksetzschaltung sind die Widerstände 178 und 180 jeweils 500 Kilo-Ohm, der Widerstand 182 hat einen Wert von 200 Kilo-Ohm, der Wert des Widerstands 196 beträgt 10 Kilo-Ohm. Der Kondensator 184 hat 100 Mikrofarad, der Kondensator 194 hat 1 Mikrofarad , die Kondensatoren 186 und 198 jeweils 0,01 Mikrofarad.

Es ist klar, daß die obenstehenden Bauteilewerte in erster Linie von den jeweiligen Bedürfnissen und den Entwurfszie— len abhängen. Andere Werte und andere Bauteile können verwendet werden, ohne daß vom Gedanken der Erfindung abgewichen wird.

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Leerseite

Claims

A. GRÜNECKER

CHPL-ING:

H. KINKELDEY

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K. SCHUMANN

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P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

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15- Dez. 1978

Dupont Energy Management Corporation 3301 Conflans, Suite 102, Irving, Delias County, Texas 75061,

Paten tan sprüche

Elektrische Schaltung zum Überwachen der von einer Anlage verbrauchten elektrischen Energie, gekennz e ichnet durch eine Einrichtung (18) zum Erfassen der in die Anlage über eine Eingangsstromschiene fließenden elektrischen Leistung, eine auf diese Einrichtung ansprechende Generatoranordnung (74-»78,98) zum Erzeugen eines digitalen Signals, das repräsentativ ist für die Stärke der elektrischen Leistung, eine mit der Generatoranordnung (74-ΐ78,98) in Übermittlungsverbindung stehende Akkumulatoreinrichtung (100 bis 116), die das digitale Signal über ein vorgegebenes Zeitintervall hin überwacht, um ein Summensignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für die von der Anlage in dem Zeitintervall verbrauchten Energie, und eine Ausgabevorrichtung (28), die an die Akkumulatoreinrichtung (100 bis 116) angeschlossen ist und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit davon erzeugt, ob das Summensignal eine vorbestimmte Größe überschreitet-

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telefon (oae) aaaaea telex os-asseo teleqramme monapat telekopierer
2. Schaltung nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Akkumulatoreinriclrfning (100 bis 116) ansprechende Anzeigeeinrichtung (26; 130 bis 138) vorgesehen ist zum Anzeigen des Wertes des Summensignals.
3- Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß an die Akkumulator einrichtung eine Warneinrichtung (30) angeschlossen ist, um ein Warngeräi; in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal zu betätigen.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (32) vorgesehen ist, um den Betrag der auf die Eingangsstromschiene gelangenden elektrischen Leistung in Abhängigkeit von dem Ausgangs signal zu verändern.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rücksetzeinrichtung (3*0 vorgesehen ist, um das Summensignal nach dem vorgegebenen Zeitintervall auf MuIl zu setzen.
6. Elektrische Schaltung zum Überwachen der von einer Anlage verbrauchten elektrischen Energie, gekennzeich net durch eine Einrichtung (18; 40,4-2) zram Erfassen des über eine Eingangs stromschiene in die Anlage fließenden Stroms und zum Erzeugen eines Gleichsignals, dessen Amplitude repräsentativ ist für die Eingang sstromstärke, eine Oszillatoranordnung (74-), die auf das Gleichsignal anspricht, um ein Wechselsignal mit einer !Frequenz zu erzeugen, die repräsentativ ist für die Amplitude der Gleichspannung, eine Schalteranordnung (84,98), die auf das Wechselsignal anspricht und ein gepulstes digitales Signal mit einer Frequenz erzeugt, die repräsentativ ist für die Frequenz des Wechselsignals, eine Zähleinrichtung (22), die mit der Schalterein-

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richtung in Übermittlungsverbindung steht, um die Anzahl der Impulse des digitalen Signals während eines gegebenen Zeitintervalls zu zählen, eine Vergleichereinrichtung (14-0 bis 144-, 154-) zum Vergleichen der Anzahl der durch die Akkumulatoreinrichtung gezählten Anzahl von Impulsen des digitalen Signals mit einer vorgegebenen Zahl während des Zeitintervalls, und eine Ausgangseinrichtung (156,158,170) zum Erzeugen eines Ausgangs signals in Abhängigkeit davon , daß die Anzahl der Impulse gleich oder größer ist als der Vorgabewert.
7- Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoreinrichtung eine elektromagnetische Spulenanordnung (4-0,4-2) erfaßt, um die Änderungen des elektromagnetischen Feldes umdie Eingangsstrom — · schiene zu erfassen, daß eine Einrichtung (12,4-4-,4-6) vorgesehen ist zum Erzeugen eines induzierten Signals mit einsr Amplitude, die repräsentativ ist für die Stärke des Stroms in der Eingangs stromschiene und eine Gleichrichte ranordnung zum Umwandeln des induzierten Signals in ein Gleichsignal.
8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichsignal eine Gleichspannung ist und daß die Oszillatoreinrichtung einen spannungsgesteuerten Oszillator (74) aufweist, der eine einstellbare Impedanz besitzt, um ein Wechselsignal mit einer Frequenz zu liefern, die einer Kosteneinheit pro Kilowattstunde des Eingangsstroms entspricht.
9- Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalteranordnung einen Multivibrator (84-) mit einer eingestellten Vibratorfrequenz aufweist, der eine Kette von Impulsen mit einer Frequenz erzeugt, die von der Frequenz des Wechselsignals abhängt.

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10. Schaltung nach. Anspruch 6, dadurch. gekennzeichnet , daß die Zähleinrichtung mehrere Dekadenzählschaltungen (100 bis 116) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, um die Frequenz des gepulsten digitalen Signals zu teilen.
11. Schaltung nach Anspruch'10, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichereinrichtung eine an die Dekadenzähler (100 bis 116) geschaltete Zählschaltung (140 bis 144) aufweist, um die Frequenz des gepulsten digitalen Signals weiter zu teilen, und daß sie weiterhin einen Auswahlschalter (154) aufweist, um das Ausgangs-' signal zu erzeugen, wenn durch die Zählschaltung ein gegebener Zählerstand erreicht ist.
12. Elektrische Schaltung zum Überwachen der von einer Anlage verbrauchten elektrischen Energie, die während eines gegebenen Zeitintervalls über eine Eingangsstromschiene zufließt, gekennzeichnet durch, eine elektromagnetische Anordnung (40,42) zum Abfühlen der Eingangsstromstärke der Eingangsstromschiene, eine Gleichrichteranordnung (48,54), die an die elektromagnetische Anordnung (40,42) geschaltet ist, um eine Gleichspannung mit einer Amplitude zu erzeugen, die repräsentativ ist für die Stärke des Eingangsstroms, einen spannungsgesteuerten Oszillator (74), der an die Gleichrichteranordnung (48,54) geschaltet ist, um ein Wechselsignal mit einer !Frequenz zu liefern, die der Amplitude der Gleichspannung entspricht, einen mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (74) in Üb ermitt lungs verbindung stehenden Multivibrator (84) zum Erzeugen eines Impulszuges mit einer Frequenz, die der Frequenz des Weöhselsignals entspricht, einer Reihe von digitalen Zählern (100 bis Ü6), die mit

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dem Multivibrator (84) in Übermittlungsverbindung stehen, um die Anzahl der Impulse in dem Impulszug über ein gegebenes Zeitintervall hinzuzählen, eine Anzeigeeinrichtung (26) zum Umwandeln des digitalen Zählerstandes der Zähler in alphanumerische Daten und zum Anzeigen dieser alphanumerischen Daten, eine Einrichtung (140 bis 144-, 154) zum Abtasten der Reihe von Zählern und zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem bestimmten Zählerstand der Zähler, und einer Warneinrichtung (30), die mit der Zähler-Abtasteinrichtung in 'Übermittlungsverbindung steht und auf das Ausgangssignal anspricht, um eine Warnung oder einen Alarm auszulösen, die bzw· der anzeigt, daß eine gegebene Menge elektrischer Energie in dem Zeitintervall verbraucht wurde.

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