DE4117133C1

DE4117133C1 - Thermoelectric power measuring converter - has resistance electronically controllable by instantaneous value of input signal and temp. sensor on common support heat-insulated from surroundings

Info

Publication number: DE4117133C1
Application number: DE19914117133
Authority: DE
Inventors: Ladislav Dr. Grno; Julis Dipl.-Ing. Groch; Mikulas Dr. Pressburg/Bratislava Cs Bobik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-25
Filing date: 1991-05-25
Publication date: 1992-11-12
Anticipated expiration: 2011-05-26

Abstract

A power measurement converter has a resistance as well as a thermometer probe, which are designed as independent elements, and arranged on an underlay thermally insulated from the surroundings. An input signal is supplied to the resistance. The resistance (1) consists of an element, the value of which is electronically controlled by the instantaneous value of the input signal. The resistance (1) consists of a transistor. The resistance channel of the transistor is connected to the inverting input of anoperation amplifier (4), and its control electrode is connected to the output of the operation amplifier. A further controllable resistance (6) is arranged on the underlay (3). ADVANTAGE - Current corresp. to input current can be maintained constant through resistance.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsmeßkonverter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a power measurement converter the preamble of claim 1.

Herkömmliche Leistungsmeßkonverter beruhen auf dem Prinzip der elektromechanischen Umsetzung des Mittelwertes der Leistung, das heißt des Produkts der momentanen Spannung und des Stromes, in mechanisches Drehmoment. Als Nachteil dieser Art von Umsetzung wird die geringe erreichbare Genauigkeit sowie die Empfindlichkeit auf äußere Einflüsse empfunden. Bekannte Leistungsmeßkonverter bestehen in der Regel aus elektronischen Schaltkreisen, deren Ausgangsgröße ist der Mittelwert des Produkts von Größen, die proportional der elektrischen Spannung und des Stromes sind. Multipliziergeräte mit nichtlinearen Schaltkreisen oder solche, die auf dem Halleffekt beruhen, sind konstruktiv einfach im Aufbau, durch sie ist jedoch eine hohe Meßgenauigkeit nicht möglich. Deutlich bessere Eigenschaften aus der Sicht der erreichbaren Meßgenauigkeit haben Multipliziergeräte, z. B. Impuls- oder digitale Multiplizierschaltungen, die den momentanen Wert der multiplizierten Größen verarbeiten. Als Nachteil dieser Geräte wird deren hoher Anschaffungspreis sowie die Tatsache empfunden, daß bei den herkömmlichen Halbleiterelementen die maximale Frequenz des Eingangssignals in Abhängigkeit auf die verlangte Genauigkeit auf 10³ bis 10⁵ Hz beschränkt ist. Der hierbei erreichte Übersetzungsfehler beträgt etwa 10^-4 (H. Seppä u. a., A Digital Three-Phase Watthour Meter, Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Ottawa, June 1990). Die genauesten Meßmethoden zum Messen der elektrischen Leistung beruhen auf thermischen Effekten. Es werden hierbei thermo-elektrische Wandler eingesetzt. Die Leistung ist indirekt durch die Effektivwerte der Linearkombinationen der Eingangssignale gemessen. Hierbei beträgt der Meßfehler etwa 10^-5. Wandler dieser Art sind jedoch auf einen schmalen Frequenzbereich optimiert und zudem kostenintensiv (K. Takahashi, S. Kusui, A Precision Thermal Wattmeter Having a Sampling Control System and an Analogue Feedback Loop, Conference on Precision Electromagnetic Measurement, Conference Digest, Ottawa, June 1990). In der US-PS 35 76 492 ist ein thermoelektrischer Leistungsmeßkonverter offenbart, dessen Widerstand nicht gesteuert ist und einen konstanten Wert aufweist. Ferner ist in der US 35 01 696 ein thermo-elektrischer Leistungsmeßkonverter offenbart, dessen wärmeisolierter Widerstand und dessen Temperaturfühler durch ein einziges Element gebildet sind, nämlich durch einen Transistor.Conventional power measurement converters are based on the principle of electromechanical conversion of the mean value of the power, that is to say the product of the instantaneous voltage and the current, into mechanical torque. The disadvantage of this type of implementation is the low accuracy that can be achieved and the sensitivity to external influences. Known power measurement converters generally consist of electronic circuits, the output of which is the mean value of the product of quantities which are proportional to the electrical voltage and the current. Multipliers with non-linear circuits or those based on the Hall effect are structurally simple in construction, but they do not allow a high measuring accuracy. From the point of view of the achievable measurement accuracy, multipliers, e.g. B. pulse or digital multiplier circuits that process the current value of the multiplied quantities. The disadvantage of these devices is their high purchase price and the fact that the maximum frequency of the input signal is limited to 10 ³ to 10 ⁵ Hz depending on the required accuracy in conventional semiconductor elements. The translation error achieved here is approximately 10 ^-4 (H. Seppä et al., A Digital Three-Phase Watthour Meter, Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Ottawa, June 1990). The most accurate measurement methods for measuring electrical power are based on thermal effects. Thermo-electrical converters are used here. The power is measured indirectly through the rms values of the linear combinations of the input signals. The measurement error is about 10 ^-5 . However, transducers of this type are optimized for a narrow frequency range and are also cost-intensive (K. Takahashi, S. Kusui, A Precision Thermal Wattmeter Having a Sampling Control System and an Analogue Feedback Loop, Conference on Precision Electromagnetic Measurement, Conference Digest, Ottawa, June 1990 ). In US-PS 35 76 492 a thermoelectric power measurement converter is disclosed, the resistance of which is not controlled and has a constant value. Furthermore, a thermo-electrical power measurement converter is disclosed in US 35 01 696, whose heat-insulated resistor and its temperature sensor are formed by a single element, namely by a transistor.

Schließlich ist im Aufsatz H.L. Stott: "A Multirange Standard for AC/DC Difference Measurements". In: "IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT"; Vol. IM-35, No. 4, December 1986, Seiten 387 ff. (vgl. insbesondere Seite 388, Fig. 2 und 3) ein gattungsgemäßer thermo-elektrischer Leistungsmeßkonverter mit Widerständen und Temperaturfühlern offenbart, die von der Umgebung wärmeisoliert und gegenseitig wärmegekoppelt sind. Der Widerstand dieses Leistungsmeßkonverters wird jedoch nicht gesteuert und ist daher konstant.Finally, H.L. Stott: "A Multirange Standard for AC / DC Difference Measurements". In: "IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT"; Vol. IM-35, No. 4, December 1986, pages 387 ff. (Cf. in particular page 388, Fig. 2 and 3) a generic thermo-electrical power measurement converter with resistors and temperature sensors revealed by the environment are thermally insulated and mutually thermally coupled. The However, resistance of this power measurement converter will not controlled and is therefore constant.

Ausgehend von dem obigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Leistungsmeßkonverter so weiterzubilden, daß der dem Eingangsstrom entsprechende Strom durch den Widerstand aufrecht erhalten werden kann.Based on the above prior art, the Invention based on the task, the generic Power converter convert so that the input current appropriate current can be maintained through the resistor.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Particular embodiments of the invention are in the subclaims specified.

Durch die Steuerung des Widerstandes können somit Messungen durchgeführt werden, die bislang nicht möglich waren.By controlling the resistance, measurements can be made that were previously not possible.

Das Wesen des erfindungsgemäßen thermo-elektrischen Leistungsmeßkonverters, der aus einem Widerstand sowie einem Temperaturfühler besteht, die auf einer gemeinsamen von der Umgebung wärmeisolierten Unterlage angeordnet sind, besteht darin, daß der Widerstand aus einem Element besteht, dessen Widerstand mit dem Momentanwert des Eingangssignals elektronisch steuerbar ist. An den steuerbaren Widerstand ist die Eingangsspannung angeschlossen, und durch Steuerung des Widerstandwerts des gesteuerten Widerstands wird der elektrische Strom durch den Widerstand aufrechterhalten, der dem Eingangsstrom entspricht. Dem gesteuerten Widerstand dissipierte Leistung, die hier der gemessenen Leistung entspricht, führt zu einer Temperaturänderung, die durch den Temperaturfühler festgestellt wird. Es ist vorteilhaft, wenn der gesteuerte Widerstand durch einen Transistor gebildet ist. In diesem Fall ist eine Steuerung mit Hilfe eines Operationsverstärkers möglich, indem der Widerstandskanal des Transistors an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und seine Steuerelektrode an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Eine Substitutionsmethode wird ermöglicht durch einen weiteren, auf einer gemeinsamen Unterlage angeordneten gesteuerten Widerstand, mit dem es unter Beibehaltung konstanter Temperatur möglich ist, die gemessene Leistung mit einer Substitutionsgleichstromleistung zu kompensieren. Der Vorteil dieser Art der Erreichung der Substitutionsleistung besteht darin, daß die Gleichspannung am gesteuerten Widerstand linear abhängig ist von der gemessenen Leistung, wenn der Wert des Gleichstromes auf einem konstanten Wert aufrechterhalten wird.The essence of the thermo-electrical according to the invention Power measurement converter consisting of a resistor and a Temperature sensor, which is based on a common of heat-insulated underlay is arranged in the surroundings, is that the resistance is one element, its resistance with the instantaneous value of the input signal is electronically controllable. The controllable resistor the input voltage is connected, and by control the resistance value of the controlled resistance becomes the maintain electrical current through the resistance which corresponds to the input current. The controlled resistance dissipated power, here the measured power corresponds to a change in temperature caused by the temperature sensor is detected. It is beneficial if the controlled resistor by a transistor is formed. In this case, control is with the help of an operational amplifier possible by the Resistance channel of the transistor to the inverting Input of the operational amplifier and its control electrode is connected to the output of the operational amplifier. A substitution method is made possible by a further, arranged on a common pad controlled resistance with which it is maintaining constant temperature is possible, the measured power to compensate with a substitution DC power. The Advantage of this way of achieving substitution performance is that the DC voltage is controlled Resistance is linearly dependent on the measured power, if the value of the direct current is at a constant value is maintained.

Im Hinblick auf die Minimierung des Einflusses der Umgebungstemperatur auf den Meßprozeß ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der in einem gemeinsamen Behälter zwei separate und mit Bezug auf den Umgebungswärmefluß symmetrisch angeordnete Unterlagen mit gesteuerten Widerständen und Wärmefühlern vorgesehen sind. Das auf der einen Unterlage angeordnete System stellt ein Meßsystem dar, während das auf der anderen Unterlage angeordnete System ein Referenzsystem darstellt.With a view to minimizing the influence of Ambient temperature on the measuring process is an arrangement advantageous when two in a common container separate and symmetrical with respect to the ambient heat flow arranged documents with controlled resistors and Heat sensors are provided. That on the one pad arranged system represents a measuring system, while the system arranged on the other pad Represents reference system.

Im Hinblick auf die Minimierung des Konverterfehlers, der sich auf Grund der Leistung ergibt, die zur Steuerung des Transistors als veränderbaren Widerstandes ergibt, ist es vorteilhaft, wenn dieser Transistor durch ein elektrisches Feld steuerbar ist.With a view to minimizing the converter error, the arises on the basis of the power required to control the Transistor as a variable resistor, it is advantageous if this transistor by an electrical Field is controllable.

Der erfindungsgemäße thermo-elektrische Konverter ermöglicht direkte Messungen der elektrischen Leistung im breiten Frequenzbereich mit geringem Aufwand und einer Genauigkeit, die mit den klassischen thermo-elektrischen Komparatoren sowie Konvertern des effektiven Wertes der Spannung bzw. des Stromes vergleichbar ist.The thermo-electrical converter according to the invention enables direct measurements of electrical power in a wide range Frequency range with little effort and accuracy, the one with the classic thermo-electric comparators and converters of the effective value of the voltage or of the current is comparable.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden erläutert. An embodiment of the invention is in the drawing is shown schematically and is explained below.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 einen Schaltplan eines Leistungsmeßkonverters und Fig. 1 is a circuit diagram of a power converter and

Fig. 2 einen Schaltplan eines anderen Leistungsmeßkonverters. Fig. 2 is a circuit diagram of another power measurement converter.

In Fig. 1 sind der Transistor als Widerstand 1 und der Temperaturfühler 2 durch eine Diode gebildet, die auf einem gemeinsamen Träger bzw. Unterlage 3 angeordnet sind, wobei der Emitter des Transistors 1 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 4 verbunden ist, während die Steuerelektrode des Transistors 1 an den Ausgang des Operationsverstärkers 4 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 1 bildet den Eingang für die Spannung des Konverters. Die Verbindung des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 4 mit dem Emitter des Transistors 1 bildet den Stromeingang des Konverters. Eine Information über die gemessene Leistung wird in Form eines Spannungsabfalls an der Diode 2 wiedergegeben. Fig. 2 zeigt, daß auf der gemeinsamen Unterlage ein weiterer, durch einen Transistor gebildeter Widerstand 6 angeordnet ist, der durch einen weiteren Operationsverstärker 8 gesteuert ist. Der durch den Transistor gebildete Widerstand 6 kann somit zur Überführung der Substitutionsleistung auf die Unterlage 3 genutzt werden, indem ihre Temperatur, das heißt konstanter Spannungsabfall auf der Diode, konstant gehalten wird. Die Substitutionsleistung kann vorteilhaft erbracht werden entweder durch die Spannung auf dem Kollektor des Transistors 6 bei konstantem Strom des Emitters desselben Transistors, oder durch den Strom des Emitters desselben Transistors bei konstanter Spannung jenes Kollektors. Der Leistungskonverter, gemäß der Erfindung, kann auf dem Gebiet der genauesten Messungen der elektrischen Leistung und Energie sowie zu ihrer Charakteristik sowie im Bereich der Massenerzeugung entsprechender Meßgeräte genutzt werden.In Fig. 1, the transistor as a resistor 1 and the temperature sensor 2 are formed by a diode which are arranged on a common carrier or base 3 , the emitter of the transistor 1 being connected to the inverting input of the operational amplifier 4 , while the control electrode of transistor 1 is connected to the output of operational amplifier 4 . The collector of transistor 1 forms the input for the voltage of the converter. The connection of the inverting input of the operational amplifier 4 to the emitter of the transistor 1 forms the current input of the converter. Information about the measured power is shown in the form of a voltage drop across the diode 2 . FIG. 2 shows that a further resistor 6, which is formed by a transistor and is controlled by a further operational amplifier 8, is arranged on the common base. The resistor 6 formed by the transistor can thus be used to transfer the substitution power to the base 3 by keeping its temperature, that is to say constant voltage drop across the diode, constant. The substitution performance can advantageously be provided either by the voltage on the collector of transistor 6 with a constant current of the emitter of the same transistor, or by the current of the emitter of the same transistor at a constant voltage of that collector. The power converter according to the invention can be used in the field of the most accurate measurements of electrical power and energy, as well as on their characteristics and in the field of mass production of corresponding measuring devices.

Der Leistungskonverter, gemäß der Erfindung kann auch bei der Signalverarbeitung als hochpräziser Multiplizierer benutzt werden.The power converter according to the invention can also be used signal processing as a high-precision multiplier to be used.

Claims

1. Leistungsmeßkonverter mit einem Widerstand sowie einem Temperaturfühler, die als selbständige Elemente ausgebildet und auf einer gemeinsamen und von der Umgebung wärmeisolierten Unterlage angeordnet sind, bei dem dem Widerstand ein Eingangssignal zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (1) aus einem Element besteht, dessen Widerstand mit dem Momentanwert des Eingangssignals elektronisch steuerbar ist. 1. Power measurement converter with a resistor and a temperature sensor, which are designed as independent elements and are arranged on a common and thermally insulated surface from which the resistor is supplied with an input signal, characterized in that the resistor ( 1 ) consists of one element whose resistance can be electronically controlled with the instantaneous value of the input signal.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (1) aus einem Transistor besteht.2. Converter according to claim 1, characterized in that the resistor ( 1 ) consists of a transistor.

3. Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskanal des Transistors (1) an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (4) und seine Steuerelektrode an den Ausgang des Operationsverstärkers (4) angeschlossen ist.3. Converter according to claim 2, characterized in that the resistance channel of the transistor ( 1 ) to the inverting input of an operational amplifier ( 4 ) and its control electrode is connected to the output of the operational amplifier ( 4 ).

4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterlage (3) ein weiterer steuerbarer Widerstand (6) angeordnet ist. 4. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that a further controllable resistor ( 6 ) is arranged on the base ( 3 ).

5. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gemeinsamen Gehäuse zwei separate und mit Bezug auf den Umgebungswärmefluß symmetrisch positionierte Unterlagen (3) mit steuerbaren Widerständen angeordnet sind.5. Converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that two separate and symmetrically positioned with respect to the ambient heat flow documents ( 3 ) are arranged with controllable resistors in a common housing.

6. Konverter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor durch ein elektrisches Feld steuerbar ist.6. Converter according to one of claims 2 to 5, characterized, that the transistor is controllable by an electric field is.