DE3611680A1 - Verfahren zur messumformung - Google Patents

Description

Zur Anpassung elektrischer Meßsignale an die normierten Eingänge von anzeigenden oder verarbeitenden Meßgeräten verwendet man Meßumformer. Diese dienen im allgemeinen dazu, eine bestimmte Eingangsgröße z. B. einen Strom in eine dem Meßbereich des nachgeschalteten Gerätes ange­ paßte Ausgangsgröße, z. B. einen kleineren Strom oder eine Spannung, umzuformen. Bei einer Leistungsmessung verwendet man darüberhinaus Meßumformer, die mehrere Eingangsgrößen zu einer entsprechend angepaßten Aus­ gangsgröße, nämlich der Leistung, miteinander verknüp­ fen. Bei herkömmlichen Meßverfahren erfolgt diese Ver­ knüpfung durch analoge Bausteine, z. B. nach dem Time- Division-Prinzip.

Inzwischen haben sich auch digitale Verfahren zur Meßum­ formung durchgesetzt, wie sie z. B. aus DE-AS 22 45 426 bekannt sind. Da sich eine digitale Verknüpfung mehrerer Eingangssignale relativ einfach verwirklichen läßt, sind auf digitalen Verfahren beruhende Meßumformer in der Lage, in Zwei-, Drei- und Vierleiternetzen Spannungen, Ströme, Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung und den Leistungsfaktor zu messen. Die bekannten Meßumformer sind so aufgebaut, daß die zur Lösung der jeweiligen Meßaufgabe erforderlichen Verknüpfungsbefehle in einen Datenspeicher eingegeben und von einer Ablaufsteuerung berücksichtigt werden. Durch die Verknüpfung erfolgt unter anderem die Zuordnung eines oder mehrerer bestimm­ ter Eingänge zu einem bestimmten Ausgang. Da häufig alle drei Ströme und Spannungen zur Anzeige gebracht werden, daneben aber auch eine Verknüpfung zur Messung der Wirk-, Blind- und Scheinleistung erfolgt, werden in der Regel mehr Ausgänge als Eingänge benötigt.

Eine einmal festgelegte Zuordnung bestimmter Eingänge zu bestimmten Ausgängen kann nach der Auslieferung eines Meßumformers nicht mehr geändert werden. Zwar wäre es im Prinzip möglich, den Datenspeicher, in dem die Verknüp­ fungsbefehle abgelegt sind, neu zu programmieren oder auszutauschen, doch würden dann bei neuen Verknüpfungen erheblich größere Meßfehler entstehen. Um nämlich eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, muß der in der gesamten Meßkette sowohl auf der Eingangsseite wie auch auf der Ausgangsseite durch analoge Bausteine verursachte Fehler in einem Abgleichvorgang korrigiert werden. Der Abgleich kann hardwaremäßig, z. B. durch Widerstandsänderungen oder softwaremäßig, z. B. durch Vorgabe von Korrektur­ werten in einem Korrekturspeicher, vorgenommen werden. Trennt man nun einen Ausgangskanal von seinen Eingängen, um diese zu neuen Signalen mit einem neuen Ausgang zu verknüpfen, so muß ein neuer Abgleich erfolgen, oder ein größerer Fehler in Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, mit dem es gelingt nach erfolgtem Abgleich einen belie­ bigen Austausch der Verknüpfung von Eingängen und ihre Zuordnung zu den Ausgängen ohne größeren Meßfehler vor­ zunehmen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Durch einen getrennten Abgleich einerseits der Eingangs­ kanäle und andererseites der Ausgangskanäle, bei dem jeweils der Nullpunkt- und Endwertfehler ermittelt und korrigiert wird, erfolgt beidseitig eine Normierung, die ein fehlerfreies Zusammenschalten ermöglicht. Dadurch kann der Meßumformer allein durch Änderung seiner Ver­ knüpfungsdaten an verschiedene Meßaufgaben angepaßt wer­ den.

Die Fehlerkorrektur der Ein- und Ausgangskanäle kann in bekannter Weise hardwaremäßig durch einen Abgleich von Widerständen oder auch softwaremäßig über einen Korrek­ turspeicher erfolgen. Gegebenenfalls werden beide Ver­ fahren gemeinsam angewendet, wobei ein Grobabgleich durch Widerstände und ein Feinabgleich durch digitale Korrekturwerte vorgenommen wird. Ein Grobabgleich durch Gegenkopplungswiderstände empfiehlt sich insbesondere dann, wenn der Meßumformer in einem großen Bereich ar­ beiten muß und eine Übersteuerung der Verstärker verhin­ dert werden soll.

Um den Meßumformer an wechselnde Meßaufgaben anzupassen, bieten sich im wesentlichen zwei Lösungsmöglichkeiten an. Entweder läßt sich der Datenspeicher austauschen oder er ist frei programmierbar, wobei die Grenzen die­ ser freien Programmierbarkeit gegebenenfalls festzulegen sind.

Eine Meßanordnung zur Anwendung der Meßverfahren besitzt sechs Eingangskanäle zur Aufgabe von drei Strömen und drei Spannungen eines Drei- oder Vierleiterdrehstromnet­ zes. Die Zahl ihrer Ausgangskanäle ist größer als die Zahl ihrer Eingangskanäle. Damit nicht trotz Einzelab­ gleich der Kanäle zusätzliche Fehler entstehen, dürfen die Phasenfehler der Wandler in den Eingangskanälen nicht so groß werden, daß sie die Meßgenauigkeit bei einer Verknüpfung der Eingangssignale beeinträchtigen.

Dem Strom- oder Spannungswandler jedes Eingangskanals ist ein Anpassungsverstärker und eine Sample/Hold-Schal­ tung zugeordnet. Damit alle Eingangskanäle mit einem A/D-Wandler auskommen ist diesem ein Multiplexer vorge­ schaltet. Dem A/D-Wandler folgt ein Momentanwertspei­ cher, in dem die digitalisierten Signale abgelegt wer­ den. Eine Ablaufsteuerung erhält ihre Befehle zu der durch die jeweilige Meßaufgabe vorgegebenen Verknüpfung der im Momentanwertspeicher abgelegten Momentanwerte, aus einem Datenspeicher oder über eine Schnittstelle. Jedem Ausgangskanal ist ein Trennverstärker und ein nachgeschalteter Anpassungsverstärker zugeordnet. Ein Digitalanalogwandler wandelt die ihm aus dem Momentan­ wertspeicher von der Ablaufsteuerung zugeführten korri­ gierten und gegebenenfalls verknüpften Momemtanwerte in analoge Werte um. Über ein Steuerwerk werden die Meßsig­ nale entsprechend den Befehlen der Ablaufsteuerung den verschiedenen Ausgängen zugeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe einer Zeich­ nung erläutert.

Wie die Zeichnung zeigt, besitzt der Meßumformer, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, sechs Eingangskanäle E 1 bis E 6 und eine relativ große Zahl von Ausgangskanälen A 1 bis An. Jedem Eingangskanal ist ein Strom- oder Spannungswandler W zugeordnet, dem zunächst ein Eingangsanpaßverstärker 1 und dann eine Sample/Hold-Schaltung 2 folgt. Alle Sample/Hold-Shaltun­ gen 2 sind auf einen Multiplexer 3 geführt, dessen Aus­ gangssignal von einem A/D-Wandler 4 einem Momentanwert­ speicher 5 zugeführt wird. Vor dem nun folgenden D/A- Wandler 9 liegt die Trennungslinie X, die die Eingangs­ kanäle von den Ausgangskanälen trennt. Das Ausgangssig­ nal des A/D-Wandlers 9 wird von einem Steuerwerk 10 an die verschiedenen Ausgangskanäle A 1 bis An weitergege­ ben. Jeder dieser Ausgangskanäle enthält einen Trennver­ stärker 11 und einen Ausgangsanpaßverstärker 12. Die Koordinierung des Meßablaufs, die Verknüpfung der Ein­ gangssignale und ihre Zuordnung zu den einzelnen Aus­ gangskanälen übernimmt eine Ablaufsteuerung 6, der auch ein Korrekturwertspeicher 6 a zugeordnet ist. Ihre Befeh­ le für die verschiedenen Meßaufgaben erhält die Ablauf­ steuerung 6 aus einem Datenspeicher 8. Eine Stützstelle 7 dient zur Übernahme externer Befehle.

Die Wandler W in den Eingangskanälen E 1 bis E 6 decken einen sehr breiten Eingangsbereich ab. Eine grobstufige Anpassung wird deshalb zunächst mit den Eingangsanpaß­ verstärkern 1 vorgenommen. Die Sample/Hold-Schaltung 2 tastet auf Befehl der Ablaufsteuerung 6 synchron Momen­ tanwerte von allen Eingangssignalen ab. Durch den Multi­ plexer 3 werden die Momentanwerte zeitmultiplex dem A/ D-Wandler 4 zugeführt, der die Momentanwerte digitali­ siert und dem Momentanwertspeicher 5 zuführt. Das Steu­ erwerk 10 sorgt dafür, daß die vom D/A-Wandler in Ana­ logsignale rückgeführten Meßsingale entsprechend ihrer Zuordnung parallel an den verschiedenen Ausgängen zur Verfügung stehen. Die Trennverstärker 11 entkoppeln den Meßumformer vom jeweilige Ausgang und die Ausgangsanpaß­ verstärker 12 dienen zur groben Anpassung an das gefor­ derte Ausgangssignal.

Um den Abgleichaufwand möglichst gering zu halten, wäre es zweckmäßig die Meßketten, die sich durch die im Da­ tenspeicher festgelegten Verknüfungen der Eingangskanäle mit den entsprechenden Ausgangskanälen ergeben, bezüg­ lich ihrer Meßfehler in einem Abgleichvorgang zu korri­ gieren. Die durch den Datenspeicher 8 vorgegebene Pro­ grammierung darf dann aber nicht mehr geändert werden. Erfindungsgemäß erfolgt deshalb ein getrennter Korrektu­ rabgleich für die Eingangs- und Ausgangskanäle.

Für jeden Eingangskanal E 1 bis E 6 werden getrennte Meß­ größen vorgegeben und jeweils der Nullpunkt und Endwert­ fehler ermittelt. Aus den Fehlern lassen sich Korrektur­ werte berechnen, mit denen die digital abgetasteten Au­ genblickswerte normiert werden können und so im Momen­ tanwertspeicher für die gewünschte Verknüpfung zur Ver­ fügung stehen.

Unabhängig von den abgetasteten Momentanwerten des Ein­ gangs erfolgt der Abgleich der Ausgangskanäle. Ähnlich dem Abgleichablauf der Eingangsseite sind auch hier die Nullpunkt- und Endwertfehler der einzelnen Ausgangskanä­ le zu ermitteln, die sich aus der D/A-Wandlung der Sam­ ple/Hold-Schaltung, des Steuerwerkes und dem jeweiligen Trennverstärker mit dem zugehörigen Ausgangsanpaßver­ stärker ergeben.

Um die Korrekturwerte zu berechnen wird entkoppelt vom Eingang eine digital normierte Nullpunkt- und Endwert­ größe dem D/A-Wandler zugeführt. Das Steuerwerk wählt nacheinander die Ausgangskanäle an, so daß für jeden Kanal ein eigener Soll-Istwertvergleich durchgeführt werden kann.

Der jeweilige gewünschte Meßbereich der Eingangsgröße bzw. der Ausgangsbereich des Ausgangssignals wird durch eine grob gestaffelte Hardwarebestückung der Anpassungs­ verstärker erreicht. Die endgültige Normierung des ge­ wünschten Wertes innerhalb eines Bereiches erfolgt durch Berechnung von Korrekturwerten, die im Korrekturwert­ speicher abgelegt und von der Ablaufsteuerung digital berücksichtigt werden. Hierdurch wird eine wesentliche Einsparung in der Fertigung durch Wegfall sonst üblicher Auskurbelwiderstände erzielt.

Über eine Schnittstelle bzw. durch Austausch eines Spei­ cherbausteins, erlaubt das Verfahren eine leichte Änder­ ung der Meßaufgabe (z. B. kann statt Wechselstrom für den gleichen Kanal der Wirkfaktor des Netzes gewählt werden), da der einmal erfolgte Abgleich nicht mehr be­ rücksichtigt werden muß. Außerdem lassen sich Kennlinie­ nänderungen wie Knickpunkt oder Spreizung der Kennlinie mathematisch einfach durchführen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Meßumformung, bei dem ein Meßum­ former mit mehreren Eingangs- und Ausgangskanälen mehre­ re analoge Eingangssignale sychron abtastet, die ermit­ telten Momentanwerte digitalisiert und durch eine Ab­ laufsteuerung entsprechend der gestellten Meßaufgabe verarbeitet und den jeweiligen Ausgangskanälen zuordnet, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Eingangskanal (E 1 bis E 6) unabhängig von seiner jeweiligen Verknüpfung mit den Ausgangskanälen (A 1 bis An) eine Korrektur seines Meßfehlers erfolgt, die alle Glieder der Eingangsmeßket­ te (W, 1 bis 5) bis einschließlich zum A/D-Wandler (5) erfaßt und ebenso bei jedem Ausgangskanal (A 1 bis An) unabhängig von den Eingangskanälen (E 1 bis E 6) eine Kor­ rektur der durch die Glieder der Ausgangsmeßkette (9 bis 12) verursachten Meßfehler erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Korrektur der Eingangs- und Ausgangskanäle durch Korrektur der Hardware vorzugsweise durch Ab­ gleichwiderstände und/oder durch softwaremäßige Berück­ sichtigung von Korrekturwerten bei der digitalen Verar­ beitung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehend Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur digitalen Korrektur der Eingangskanäle (E 1 bis E 6) und Ausgangskanäle (A 1 bis An) erforderlichen Korrekturwerte jeweils in einem Korrekturwertspeicher (6 a) abgelegt sind und von der Ablaufsteuerung (6) bei der Meßsignalverarbeitung be­ rücksichtigt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die der jeweiligen Meß­ aufgabe entsprechenden Verknüpfungsdaten in einem aus­ tauschbaren Datenspeicher (8) abgelegt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die der jeweilige Meß­ aufgabe entsprechenden Verknüpfungsdaten frei program­ mierbar sind, wobei gegebenenfalls durch eine Logik be­ stimmte Programmiergrenzen festgelegt sind.

6. Meßanordnung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Eingangskanäle (E 1 bis E 6) zur Aufnahme von drei Strömen (I 1, I 2, I 3) und drei Spannungen (U 1, U 2, U 3) eines Drei- oder Vierleiterdrehstromnetzes dienen und die Zahl der Ausgangskanäle (A 1 bis An) größer als die Zahl seiner Eingangskanäle (E 1 bis E 6) ist und die Strö­ me (I) und Spannungen (U) über Wandler erfaßt werden, die einen so kleinen Phasenfehler aufweisen, daß dieser die Meßgenauigkeit bei einer Verknüpfung der Eingangs­ signale nicht wesentlich beeinträchtigt.

7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Eingangskanal (E 1 bis E 6) ein Strom­ oder Spannungswandler (W) zugeordnet ist, dem ein Ein­ gangsanpaßverstärker (1) und eine Sample/Hold-Schaltung (2) folgen und zu einem Multiplexer (3) führen, der die Eingangssignale zeitmultiplex an einen A/D-Wandler (4) weitergibt und dieser die Signale in einem Momentanwert­ speicher (5) ablegt.

8. Meßanorndung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine, vorzugsweise durch einen Pro zessor geführte, Ablaufsteuerung (6) die Befehle zu der durch die jeweilige Meßaufgabe vorgegebenen Verknüpfung der im Momentanwertspeicher (5) abgelegten Momentanwer­ te, aus einem Datenspeicher (8) entnimmt oder über eine Schnittstelle (7) erhält.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ausgangskanal (A 1 bis An) ein Trennverstärker (11) und ein nachgeschalteter Anpassungsverstärker (12) zugeordnet ist, und ein D/A- Wandler (9) die ihm aus dem Momentanwertspeicher (5) von der Ablaufsteuerung (6) zugeführten, korrigierten und gegebenenfalls verknüpften Momentanwerte in analoge Wer­ te umwandelt und über ein Steuerwerk (10) entsprechend den Befehlen der Ablaufsteuerung (6) den verschiedenen Ausgängen (A 1 bis An) zuordnet.