CH651935A5 - Circuit de mesure electronique pour un wattmetre ou un wattheuremetre. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un circuit de mesure électronique destiné à la mesure de l'énergie électrique à courant alternatif, en particulier pour un wattmètre et/ou un watt-heuremètre.
L'invention porte plus particulièrement sur un tel circuit de mesure électronique qui peut être réalisé en majeure partie sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et qui utilise un capteur de courant perfectionné ayant une taille, un poids et un coût réduits.
Les wattmètres et les watts-heuremètres électroniques, destinés à mesurer l'énergie électrjque fournie par une source d'énergie électrique à courant alternatif, et qui peuvent être réalisés, au moins en partie, sous forme dë circuit intégré monolithique à semi-conducteur, à l'état solide, sont bien connus et ont été décrits dans un certain nombre de brevets et de publications appartenant à l'art antérieur. On pourra eónsulter par exemple à ce titre les brevets des EUA suivants: Nos 3875508, 3947763, 3955138, 4056775 et 4217546. Bien que les circuits de mesure électroniques qui sont décrits dans chacun des brevets précités soient satisfaisants à de nombreux 'égards, une amélioration demeure nécessaire, en particulier en ce qui concerne le coût, la taille et la complexité des composants employés dans les circuits.
Un problème important qu'on rencontre dans tous les circuits de mesure du type précité, y compris ceux dont la liste figure ci-dessus, concerne les capteurs employés avec les circuits et les connexions d'interface nécessaires pour le couplage des capteurs aux circuits. L'un des éléments employés dans les circuits de mesure électroniques du type précité est un transformateur d'intensité d'instrumentation de type classique, qui comporte des enroulements primaire et secondaire de façon à produire une tension de signal de sortie proportionnelle au courant qui circule dans l'enroulement primaire, et à appliquer cette tension au circuit de mesure, en vue de son traitement. Ces transformateurs d'intensité classiques sont relativement grands et encombrants, lourds et coûteux et augmentent notablement le coût, la taille et le poids d'ensemble des circuits de mesure électroniques qui utilisent de tels transformateurs dans un but de détection de courant.
L'invention fait disparaître les inconvénients des capteurs à transformateur d'intensité classiques qui sont envisagés ci-dessus, en employant à leur place un circuit de mesure électronique selon la combinaison d'éléments indiquée dans la revendication 1. Des modes de réalisations préférés sont indiqués dans les revendications dépendantes. Un tel circuit de mesure électronique peut être du type employant des éléments de commutation électroniques CMOS, et peut être fabriqué en majeure partie sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur, à l'état solide.
La mise en œuvre de l'invention conduit par exemple à la réalisation d'un circuit de mesure électronique pour mesurer de l'énergie électrique à courant alternatif avec les caractéristiques qui suivent. Ce circuit de mesure électronique comporte un transformateur d'intensité d'entrée à charge active, associé à une terminaison consistant en une charge active qui se présente sous la forme d'un amplificateur opérationnel à transrésistance connecté de façon à constituer la charge de l'enroulement secondaire d'un transformateur d'entrée consistant en un transformateur d'intensité d'instrumentation de type modifié. L'amplificateur opérationnel à transrésistance fournit une tension de sortie proportionnelle au courant qui circule dans l'enroulement primaire du transformateur d'intensité d'entrée modifié et il apparaît comme un court-circuit virtuel aux bornes de l'enroulement secondaire. Du fait que le transformateur d'intensité modifié est virtuellement court-circuité, la puissance transformée qui est transmise à son enroulement secondaire est fortement réduite, ce qui entraîne une réduction considérable de la puissance apparente nominale du transformateur, et permet ainsi de réduire considérablement la taille et le coût du transformateur d'intensité modifié, du fait que la seule puissance exigée est celle qui est nécessaire pour compenser les pertes dans le fer et dans le cuivre qui se produisent lorsqu'on fait fonctionner le transformateur d'intensité modifié avec une charge active. Le circuit de mesure comprend en outre un transformateur de potentiel destiné à produire un signal d'entrée représentatif de la tension fournie par la source d'énergie électrique qui est contrôlée. Un circuit multiplicateur électronique multiplie ensemble le signal représentatif du courant fourni par le transformateur d'intensité d'entrée à charge active et le signal fourni par le transformateur de potentiel, et il génère un signal de sortie représentatif de leur produit. Le circuit multiplicateur électronique comprend des éléments de commutation électroniques du type CMOS ayant des première et seconde entrées et une sortie. Un circuit comparateur reçoit un signal d'entrée de référence ayant une fréquence d'échantillonnage fs qui est très supérieure à la fréquence de fonctionnement de la source d'énergie électrique à courant alternatif qui est contrôlée, et il reçoit en tant que second signal d'entrée l'un ou l'autre des signaux représentatifs du courant ou de la tension. La sortie du comparateur produit un signal en modulation d'impulsions en largeur qui est représentatif du signal de courant ou de tension et qui est appliqué à la première entrée du circuit multiplicateur. L'autre signal de courant ou de tension est appliqué à la seconde borne d'entrée du circuit multiplicateur, et il existe des moyens destinés à produire à la sortie du circuit multiplicateur un signal de sortie de produit modulé en amplitude et modulé en largeur d'impulsions, qui est représentatif du produit du courant et de la tension fournies par la source d'énergie électrique tandis que toute erreur de décalage continu produite par le transformateur d'intensité d'entrée à charge active est automatiquement annulée par les éléments de commutation électroniques du type CMOS qui sont employés dans le circuit multiplicateur.
Dans un autre exemple, le circuit de mesure électronique comprend en outre un circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage, interconnecté entre la sortie du circuit de mesure et l'entrée du circuit multiplicateur, pour annuler automatiquement par un calcul de moyenne toute tension d'erreur de décalage continu qui est produite dans le circuit de mesure, au niveau du système d'ensemble. Ce circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage comprend de préférence des moyens de conversion analogique-numérique qui sont connectés à la sortie du circuit multiplicateur de façon à produire un signal de sortie sous forme d'impulsions, dont chaque impulsion représente une quantité unitaire fixe d'énergie électrique, et il comprend en outre des moyens pour transmettre en réaction le signal sous forme d'impulsions vers une entrée du circuit multiplicateur, afin d'inverser la polarité de l'un des signaux d'entrée du circuit multiplicateur sous l'effet de chaque impulsion de sortie unitaire produite par les moyens de conversion analogique-numérique, pour annuler ainsi en moyenne tout potentiel d'erreur de décalage continu dans le circuit de mesure, au niveau du système d'ensemble. On décrit différentes formes particulières du circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage qui est ainsi constitué.
Dans un autre exemple, un circuit de filtre intégrateur est branché à la sortie du circuit multiplicateur et est fabriqué sous forme de circuit intégré monolithique avec le circuit multiplicateur, et des
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moyens d'indication des watts sont branchés à la sortie du circuit de filtre intégrateur pour produire une indication de sortie concernant les watts instantanés fournis par une source d'énergie électrique à contrôler.
Dans un autre exemple, des moyens d'indication des kilowatts-heures sont branchés à la sortie des moyens de conversion analogique-numérique pour produire une indication de sortie des kilowatts-heures d'énergie électrique que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
Dans une autre exemple encore, il existe à la fois des moyens d'indication des watts et des moyens d'indication des kilowatts-heures, pour fournir à la fois une indication des watts instantanés et des kilowatts-heures d'énergie électrique qui sont fournis par une source d'énergie électrique à courant alternatif à contrôler.
La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels les éléments analogues sont désignés par les mêmes caractères de référence sur les différentes figures, et qui représentent respectivement:
la fig. 1 : un schéma du circuit d'une forme simplifiée de l'invention, destinée à donner une indication de sortie des watts instantanés d'énergie électrique que fournit une source à courant alternatif;
la fig. 2: un schéma du circuit d'une forme modifiée de l'invention, destinée à l'obtention d'une mesure des kilowatts-heures et des watts d'énergie électrique que fournit une source de courant alternatif, cette forme de l'invention comportant une correction automatique d'erreur de décalage pour le circuit de mesure, au niveau du système d'ensemble;
la fig. 3 : un schéma du circuit d'un mode de réalisation différent de l'invention, capable de fournir une indication des kilowatts-heures et des watts d'énergie électrique que fournit une source de courant alternatif, et dans lequel une correction automatique d'erreur de décalage globale pour le système d'ensemble est réalisée d'une manière différente de celle représentée sur la fig. 2;
la fig. 4: un schéma d'une forme différente du circuit de mesure électronique de l'invention, permettant de déterminer une mesure des kilowatts-heures et des watts d'énergie électrique que fournit une source de courant alternatif, cette forme de l'invention comprenant également une correction automatique d'erreur de décalage globale pour le circuit, au niveau du système d'ensemble, et la fig. 5: un schéma d'un circuit de mesure électronique conforme à l'invention, utilisant un capteur de courant à charge active et un transformateur de potentiel d'entrée ayant un seul enroulement secondaire, pour produire une indication de sortie des watts instantanés que fournit une source d'énergie électronique à courant alternatif.
La fig. 1 est un schéma électrique d'un circuit de mesure électronique destiné à mesurer de l'énergie électrique à courant alternatif, et construit conformément à l'invention. Le circuit de mesure représenté sur la fig. 1 comprend un transformateur d'intensité d'entrée à charge active, CT, A0, qui comporte un enroulement primaire CTI auquel est appliqué un courant i provenant d'une source d'énergie à courant alternatif à contrôler. L'enroulement primaire est en couplage inductif avec un enroulement secondaire modifié CT2 dont les bornes de sortie sont connectées aux bornes d'entrée d'un amplificateur opérationnel à réaction A„. L'une des bornes d'entrée de cet amplificateur opérationnel est directement connectée à la masse et son autre borne d'entrée est connectée à la sortie de l'amplificateur au moyen d'une résistance de réaction RF, Le courant d'enroulement primaire i, à mesurer, qui circule dans l'enroulement primaire CTI, induit dans l'enroulement secondaire CT2 un courant i2 qui est proportionnel au courant primaire i et donc proportionnel au courant à mesurer. Le transformateur d'intensité à charge active CT, A„, est du type décrit de façon plus complète dans le brevet US N° 3815013. On se reportera à ce brevet pour avoir une description plus détaillée de sa structure et des caractéristiques de fonctionnement du transformateur d'intensité à charge active. On peut cependant dire brièvement que le transformateur d'intensité à charge active CT, A„ comprend un transformateur d'intensité modifié et un amplificateur opérationnel à transrésistance combinés d'une manière telle que l'enroulement secondaire CT2 du transformateur d'intensité soit connecté entre les bornes d'entrée de l'amplificateur opérationnel A„, ce qui fait que l'enroulement secondaire CT2 apparaît virtuellement court-circuité, à cause de la très faible impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel A0. Il apparaît à la sortie de l'amplificateur opérationnel A0 une tension de sortie vY + voY, dans laquelle vY est égale à — i2RF et voY est une tension parasite d'erreur inhérente, due à un décalage continu, qui est produite par l'amplificateur opérationnel A0, comme on l'expliquera ultérieurement. Cette tension de sortie est proportionnelle au courant i2 qui circule dans l'enroulement secondaire CT2 et elle est donc proportionnelle au courant i fourni par la source d'énergie électrique à courant alternatif à contrôler, et représentative de ce courant i. Un avantage important, entre autres, de la configuration de transformateur d'intensité à charge active CT, A0, consiste en ce qu'on peut employer un transformateur d'intensité modifié CT ayant une puissance apparente nominale (voltampères) notablement inférieure, alors que, si on utilisait à la place un transformateur d'intensité d'instrumentation classique, celui-ci devrait avoir une puissance apparente nominale très supérieure à celle exigée avec le capteur de courant CT, A0 qui est utilisé dans le circuit de mesure représenté sur la fig. 1. Le signal vY + voY représentatif du courant à mesurer et apparaissant à la sortie du transformateur d'intensité à charge active CT, A0 constitue l'un des signaux d'entrée d'un circuit comparateur CO. Le circuit comparateur CO est de structure classique et il est représenté et décrit de façon plus complète dans le brevet US N° 3875508. De plus, le comparateur CO reçoit sur une seconde borne d'entrée un signal d'échantillonnage VR = VT ayant une forme triangulaire et une fréquence fs qui est très supérieure à la fréquence du courant alternatif qui est contrôlé. Le brevet US N° 3947763 décrit un générateur de signal d'échantillonnage qui convient pour fournir le signal d'échantillonnage de forme triangulaire. Le comparateur CO fournit sur sa sortie un signal vG qui est un signal en modulation d'impulsions en largeur, représentatif du courant i qui circule dans l'enroulement primaire CTI du capteur de courant d'entrée CT, A0. On se référera aux brevets US Nos 3875508 et 3947763, précités, pour avoir une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement du comparateur CO et de la manière selon laquelle il génère le signal de sortie vG en modulation d'impulsions en largeur, qui est représentatif du courant à mesurer.
Le signal de sortie vG du comparateur CO constitue l'un des signaux d'entrée d'un circuit multiplicateur constitué par un circuit de commutation SWI qui est représenté schématiquement par un inverseur unipolaire comportant un contact mobile auquel le signal en modulation d'impulsions en largeur v0 est appliqué en tant que signal d'entrée de commutation. En plus du contact mobile auquel est appliqué le signal d'entrée v0, le multiplicateur SWI à circuit de commutation CMOS comporte deux bornes d'entrée fixes 1 et 2 qui sont connectées aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire PT2 d'un transformateur de potentiel d'entrée PT dont l'enroulement primaire PT1 est branché aux bornes de la source d'énergie électrique à courant alternatif à mesurer. La prise centrale de l'enroulement secondaire PT2 du transformateur de potentiel d'entrée est connectée à la masse, ce qui fait qu'un potentiel — vx est appliqué à la borne d'entrée 1 du circuit de commutation SWI, de type CMOS, et un potentiel + vx est appliqué à la borne d'entrée fixe 2 de SWI. Le contact mobile du circuit multiplicateur à commutation SWI, de type CMOS, est commuté alternativement entre les contacts fixes 1 et 2 sous l'effet du signal en modulation d'impulsions en largeur v0 qui est fourni par la sortie du comparateur CO, ce qui donne en sortie un signal de produit vz qui est modulé en amplitude et en largeur d'impulsions. Le signal de produit vz est intégré dans un circuit de filtre intégrateur RC, pour produire sur la borne de sortie de ce circuit un signal de sortie Vz = k VI cos 0 qui est appliqué à un indicateur de watts approprié, 11, pour donner une indication de sortie des watts instantanés qui fournit la source d'énergie électrique à courant alternatif qui est contrôlée. On se référera aux
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brevets US Nos 3875508,3947763, 3955138,4056775 et 4217546, précités, pour avoir une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement du circuit multiplicateur à commutation SWI et de sa théorie de fonctionnement.
Le signal de sortie vz du circuit multiplicateur à commutation de type CMOS est donné par l'expression:
vz =
(Vx + Vqx) (Vy + Vqy) VR
(1)
dans laquelle vx et vY sont les tensions de signal instantanées et VoX et V„y représentent les tensions d'erreur de décalage continu aux entrées du multiplicateur, tandis que VR est la tension d'échantillonnage de référence.
Par définition, vx = VXm sin cot et vY = VYm sin (cot + 0) et, dans ces expressions, 0 est l'angle de phase entre le signal de tension d'entrée vx et le signal de courant d'entrée vY, et VXm et VYm sont les valeurs de crête de vx et vs. Avec= Vx et —j= = VY, en désignant
V2
par Vx et VY les valeurs efficaces, vz devient:
vz = — VR
VXVY cos 0 + VXVY cos (2cot + 0) + VoXVY sin (at + 0) + VoXVY sin (cot + 0) + VoXVoYJ
(2)
Comme indiqué sur la fig. 1, le signal de sortie du multiplicateur à commutation SWI, de type CMOS, c'est-à-dire vz, est intégré par le filtre passe-bas R, C. A cause de cela, les intervalles de temps des second, troisième et quatrième termes dans l'équation (2) ci-dessus deviennent égaux à zéro, si bien qu'on a:
™ VxVY/ m , V0XV„y Vz = ——(cos 0) + —-—
(3)
L'équation (3) permet de voir que Vz est une tension continue proportionnelle au produit de VXVY et de cos 0, en désignant par Vx et VY des tensions efficaces. Le terme de décalage dans l'équation (3) devient égal à zéro si l'une ou l'autre des valeurs VoX ou VoY, ou les deux, sont égales à zéro. Comme indiqué précédemment, le circuit multiplicateur à commutation SWI, de type CMOS, utilise des éléments de commutation analogiques de type MOS complémentaire qui, par nature, annulent les tensions continues au cours du fonctionnement, ce qui fait qu'aucune tension d'erreur de décalage continu ne peut traverser les éléments de commutation du multiplicateur du type CMOS. Ainsi, toute tension d'erreur de décalage continu qui est produite par le comparateur CO et/ou par l'amplificateur opérationnel A„, utilisé dans le capteur de courant à charge active CT, Aor sera automatiquement annulée si VoX = 0. Ainsi, le signal de sortie produit par le circuit de mesure électronique représenté sur la fig. 1 devient Vz = K VI cos 0, en désignant par K une constante dimensionnelle. Vz est donc égal au produit de la tension efficace, du courant efficace et du cosinus de l'angle de phase entre V et I, et est donc proportionnel à la puissance moyenne. On se référera au livre intitulé «Mosfet In Circuit Design», par R.H. Craw-ford, McGraw-Hill, 1967, pour avoir une description des caractéristiques d'annulation des signaux continus des éléments de commutation électronique MOS et CMOS.
La fig. 2 montre un circuit de mesure électronique combiné des watts et des watts-heures conforme à l'invention, qui utilise une correction automatique au niveau du système d'ensemble, comme décrit de façon plus complète dans les brevets US Nos 3955138 et 4217546 précités et dans le brevet US N° 4066960. On se référera aux brevets précités pour avoir une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement du circuit de mesure électronique comportant une correction automatique d'erreur au niveau du système d'ensemble. On peut cependant dire brièvement que, dans un circuit tel que celui qui est représenté sur la fig. 2, le signal de sortie de produit vz, modulé en amplitude et modulé en largeur d'impulsions, est appliqué à un circuit convertisseur analogique-numérique qui est constitué par un fitlre passe-bas formé par une résistance R„, un amplificateur opérationnel At et un condensateur de réaction C„, et par un convertisseur analogique-numérique HCO qui fournit sur sa sortie un signal sous forme d'impulsions VA, dont chaque impulsion représente une quantité d'énergie unitaire. Ce signal de sortie sous forme d'impulsions est appliqué à l'entrée d'un indicateur des kilowatts-heures 12 qui peut être un indicateur de kilowatts-heures numérique ou analogique, pour donner une indication observable visuellement du nombre de kilowatts-heures que fournit une source d'énergie électrique à courant alternatif à contrôler.
La correction automatique d'erreur au niveau de l'ensemble du système pour le circuit de mesure électronique représenté sur la fig. 2 est mise en œuvre par une ligne de réaction représentée en 13, allant de la sortie du convertisseur analogique-numérique HCO vers un se-20 cond circuit de commutation CMOS, SW2, du genre bipolaire à deux positions, qui comporte deux contacts mobiles et deux jeux de contacts fixes, comme représenté. Avec cette configuration, le signal vz qui provient de la sortie du circuit multiplicateur SWI est intégré par le filtre passe-bas intégrateur R„, C0, AI, jusqu'à ce que 25 le potentiel de sortie Vc de ce dernier atteigne un niveau de référence + VE. A ce point, le comparateur à hystérésis HCO, qui constitue le convertisseur analogique-numérique, fait passer le signal de sortie VA à la polarité opposée, ce qui fait que la réaction s'exerçant par la ligne de réaction AEC13 commute à leur tour les éléments de 30 commutation CMOS SW2 dans leur état opposé. Cela provoque à son tour le changement de polarité de la tension de sortie vz. Il en résulte que le filtre passe-bas intégrateur ROJ C0, Al commence alors à intégrer en sens descendant vers — VR et, lorsqu'il atteint le niveau —VR, il ramène dans son état d'origine le signal de sortie du 35 convertisseur analogique-numérique HCO, ce qui achève un cycle de fonctionnement du convertisseur HCO. Du fait que, pendant la durée d'intégration en sens montant, toute tension d'erreur de décalage continu qui est appliquée à l'intégrateur est ajoutée alors que, pendant la durée d'intégration en sens descendant, toute tension d'er-40 reur de décalage continu est soustraite, l'erreur de décalage totale est annulée en moyenne au niveau du système d'ensemble pendant la série continue de durées d'intégration en sens montant et en sens descendant. Ainsi, toute tension d'erreur de décalage continu présente dans le système est annulée automatiquement au niveau du système 45 d'ensemble. Les termes vx, vY appartenant aux termes désirés vz ne subissent pas une annulation similaire par moyenne du fait que, pendant la période d'intégration en sens montant, l'élément de commutation SW2 applique un signal + vx au convertisseur analogique-numérique intégrateur alors que, pendant la période d'intégration en 50 sens descendant, c'est un signal — vx de valeur négative qui est appliqué, ce qui entraîne une addition des deux termes sur un cycle complet, comme il est expliqué de façon plus complète dans l'article intitulé «A Polyphasé Microelectronic Watthour Meter» par Miran Milkovic, publié dans la revue «International Journal of Electro-55 nies», 1980, vol. 48, N° 3, pp. 257-269. Un indicateur analogique de watts 11, branché par l'intermédiaire d'un circuit de filtre intégrateur R, C et d'éléments de commutation électronique CMOS SW4 et SW3, donne une indication analogique des watts instantanés qui sont fournis. L'élément de commutation SW3 est commuté à la fré-60 quence d'échantillonnage fs en synchronisme avec l'élément de commutation SWI, SW4 est commuté à la cadence de commutation AEC qui est transmise en réaction par le conducteur 13. Dans ce circuit, l'élément de commutation SW3 fonctionne à la manière d'un multiplicateur électronique similaire à SWI, pour produire le signal 65 de produit de sortie + vz.
La fig. 3 montre une forme modifiée du circuit de watt-heuremè-tre électronique ayant une correction automatique d'erreur au niveau du système d'ensemble et construit conformément à l'inven
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tion. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le signal de cadence d'impulsions VA qui apparaît à la sortie du convertisseur analogique-numérique HCO est transmis en réaction par un conducteur de réaction 14, pour commander l'action de commutation d'un autre jeu différent de circuits de commutation CMOS SW2 dont les contacts mobiles reçoivent le signal de réaction VA transmis par le conducteur de réaction 14, et sont commandés par ce signal. Le circuit de commutation CMOS SW2 consiste en un inverseur bipolaire dont les contacts fixes 1 sont connectés à la sortie d'un générateur de signal de forme triangulaire fournissant le signal d'échantillonnage de référence VR = VT à une fréquence d'échantillonnage f., et dont les contacts fixes 2 sont connectés à la sortie de la configuration de transformateur capteur de courant à charge active, CT, A0. Avec cette configuration, on obtient une correction d'erreur de sortie au niveau du système d'ensemble en décalant la phase du signal analogique vY, qui est proportionnel au courant et est appliqué au circuit comparateur CO, par rapport à la phase du signal de référence de forme triangulaire VR, en inversant les interconnexions des signaux respectifs au niveau des bornes d'entrée du comparateur. Cela est effectué chaque fois qu'une impulsion d'énergie unitaire de sortie est générée en sortie du convertisseur analogique-numérique HCO. Il en résulte que, lorsque l'intégrateur R0, COJ Al intègre alternativement en sens montant et en sens descendant entre + VR et — VR, toute tension d'erreur de décalage continu présente dans le système est annulée en moyenne sur chaque cycle de fonctionnement de l'intégrateur/con-vertisseur analogique-numérique, tandis que le signal de produit désiré ± vz est totalisé sur la même période. On se référera au brevet US N° 4066960 précité pour avoir une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement de cette forme de circuit de mesure électronique procurant une annulation automatique d'erreur au niveau du système d'ensemble. L'indication des watts instantanés fournis se fait au moyen de la branche de circuit SW3, SW4, Rj, Q et de l'indicateur 11, comme décrit ci-dessus en relation avec la fig. 2.
La fig. 4 est un schéma d'une autre forme différente de circuit de mesure électronique conforme à l'invention, qui procure une correction automatique d'erreur au niveau du système par réaction du signal de sortie sous forme d'impulsions VA apparaissant à la sortie du convertisseur analogique-numérique HCO, par l'intermédiaire d'un conducteur de réaction 15, pour commander l'action de commutation d'un circuit de commutation électronique CMOS SW2, du type inverseur unipolaire, qui est branché entre la sortie du comparateur CO et le contact de commutation commandé du circuit de commutation électronique CMOS SWI, qui fonctionne en multiplicateur. L'un des contacts fixes 1 du circuit de commutation SW2 est connecté directement à la sortie du comparateur CO, tandis que le contact fixe restant 2 est connecté à la sortie du comparateur CO par l'intermédiaire d'un inverseur 16. Du fait de la présence de l'inverseur 16, le contact fixe 2 reçoit le signal —vG. Par conséquent, le signal de réaction de correction automatique d'erreur qui est transmis par le conducteur 15 commande le circuit de commutation SW2 de façon qu'il change alternativement la polarité du signal d'entrée vG de — vG à +vG, en position médiane entre chaque cycle d'intégration du signal de sortie du convertisseur analogique-numérique de sortie HCO. Cela conduit à annuler en moyenne tout potentiel d'erreur de décalage continu présent dans le système, sur un cycle de fonctionnement complet du convertisseur analogique-numérique, tandis que les signaux vx et vG sont cumulés pendant les parties d'intégration en sens montant et en sens descendant du circuit de filtre intégrateur R0, C„, Al et du convertisseur analogique-numérique HCO. On se référera au brevet US N° 4092592 pour avoir une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement de cette forme de circuit de mesure procurant une correction automatique d'erreur au niveau du système d'ensemble. Ici encore, on obtient un signal indiquant les watts instantanés par une branche de circuit SW3, SW4, Rj, C!, d'une manière similaire à celle décrite ci-dessus en relation avec la fig. 2.
La fig. 5 est une représentation schématique d'un circuit présentant un coût minimal pour les éléments périphériques, qui est construit conformément à l'invention et qui permet d'utiliser des transformateurs de potentiel PT comme des transformateurs de détection d'intensité CT qui ne nécessitent qu'un seul enroulement secondaire, aucun d'eux n'exigeant une prise centrale. Dans le circuit de la fig. 5, on utilise un transformateur capteur de courant à charge active CT, A„ pour produire le signal proportionnel au courant vY + VoY qui est appliqué à un comparateur CO en compagnie du signal de référence d'échantillonnage VR = VT, ayant une fréquence d'échantillonnage f, qui est très supérieure à la fréquence du courant alternatif qui est mesuré.
Le signal de sortie vG, en modulation par impulsions en largeur, qui apparaît à la sortie du comparateur CO et qui est proportionnel au courant à mesurer i circulant dans l'enroulement primaire CTI du transformateur de détection de courant à charge active CT, A„, est appliqué en tant que signal d'entrée de commande de commutation au contact mobile d'un jeu de circuits multiplicateurs à commutation CMOS, SWI, du type inverseur bipolaire. Le contact mobile de l'un des circuits de commutation CMOS SWI est connecté directement à la masse et le contact mobile de l'autre circuit de commutation CMOS est utilisé pour fournir le signal de produit de sortie ± vz = K VI cos 0, comme décrit précédemment en relation avec la fig. 1. Les contacts fixes 1 et 2 des éléments de commutation CMOS SWI, du type inverseur bipolaire, sont connectés avec une polarité inversée aux bornes de l'enroulement secondaire PT2 d'un transformateur de potentiel d'entrée PT dont l'enroulement primaire PT1 reçoit la tension v d'une source d'énergie électrique à courant alternatif à mesurer. La commutation du circuit de commutation électronique CMOS SWI à la fréquence d'échantillonnage fs) par le signal de produit vG provenant du comparateur CO, génère le signal de produit de sortie ± vz, modulé en amplitude et modulé en largeur d'impulsions, qui est représentatif de la puissance instantanée qui est fournie par une source d'énergie électrique à courant alternatif qui est contrôlée. On se référera au brevet US N° 3955138 précité et au brevet US N° 4015140 pour avoir une description plus détaillée de la manière selon laquelle on génère ce signal de sortie, ainsi qu'en ce qui concerne la théorie et la représentation de la forme du signal résultant.
Une comparaison du circuit de mesure représenté sur la fig. 5 et du circuit de mesure décrit et représenté en relation avec la fig. 1 permet de voir que la distinction essentielle réside dans la différence dans la structure exigée pour le transformateur de potentiel PT utilisé avec les circuits respectifs, ainsi que dans la conception des circuits multiplicateurs à commutation CMOS. L'exigencp d'un transformateur de potentiel d'instrumentation à prise centrale dans le cas du circuit de la fig. 1 augmente considérablement le codi de ce circuit, par rapport au circuit de la fig. 5 qui ne nécessite qu'un seul enroulement secondaire PT2. Cette économie en ce qui concerne le coût du transformateur de potentiel est obtenue au prix d'une complexité accrue en ce qui concerne la conception du circuit multiplicateur à commutation CMOS SWI. Cependant, du fait que le circuit multiplicateur SWI peut être fabriqué pratiquement entièrement sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur, à l'état solide, avec un coût supplémentaire relativement faible ou nul par rapport au circuit multiplicateur à commutation qui est représenté sur la fig. 1, le circuit de la fig. 5 est préférable du point de vue du coût. Le circuit ainsi conçu représente le wattmètre électronique à semi-conducteur, à l'état solide, ayant le coût le plus faible, du fait de l'utilisation d'un capteur de courant et d'un capteur de tension de faible coût, chacun d'eux ne nécessitant qu'un seul enroulement secondaire.
La description qui précède permet de voir que l'invention procure un certain nombre de circuits électroniques de mesure des watts et des kilowatts-heures, nouveaux et perfectionnés, qui sont moins coûteux que des circuits connus du même type général nécessitant des capteurs consistant en transformateurs d'intensité classiques, grâce à l'utilisation à la place de tels capteurs d'un transformateur
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d'intensité à charge active, associé à une terminaison consistant en une charge active, pour l'utilisation en tant que capteur de courant. Cela permet de concevoir des circuits plus simples, de taille et de poids plus faible et d'un coût inférieur, qui peuvent être fabriqués en majeure partie sous la forme de circuits intégrés monolithiques à semi-conducteur, à l'état solide. Dans des formes préférées de l'invention, le circuit de mesure électronique comprend en outre un circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage qui est interconnecté entre la sortie du circuit de mesure et l'entrée d'un circuit multiplicateur faisant partie du circuit de mesure, dans le but d'annuler automatiquement par moyenne toute tension d'erreur de décalage continu qui est produite dans le circuit de mesure au niveau du système d'ensemble. On a décrit plusieurs formes différentes d'un tel circuit effectuant une annulation automatique de l'erreur de décalage.
Les circuits de mesure électroniques décrits et revendiqués dans cette demande sont destinés à procurer des circuits de mesure relati-5 vement économiques, permettant d'obtenir une mesure dés watts instantanés et/ou des kilowatts-heures de l'énergie électrique alternative qu'une source fournit à un consommateur, du fait que ces circuits peuvent être fabriqués sous la forme de circuits intégrés à semiconducteurs, à l'état solide, et sont par ailleurs conçus de façon à 10 employer des composants économiques en ce qui concerne les capteurs, ce qui permet de produire de tels circuits de mesure avec un coût relativement bas.
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4 feuilles dessins
Claims (4)
1. Circuit de mesure électronique destiné à la mesure d'énergie électrique à courant alternatif, en particulier pour un wattmètre ou un watt-heuremètre, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur d'intensité d'entrée à charge active (CT), associé à une charge active (A0) de façon à produire un signal d'entrée représentatif du courant que fournit une source d'énergie électrique à courant alternatif à contrôler, et un transformateur de potentiel (PT) destiné à produire un signal d'entrée représentatif de la tension qui est fournie par la source; un circuit multiplicateur électronique (SW1) destiné à multiplier ensemble le signal représentatif du courant et le signal représentatif de la tension, ce circuit multiplicateur électronique comprenant un circuit de commutation électronique de type CMOS (SW1) ayant des première et seconde entrées et une sortie; un circuit comparateur (CO) qui reçoit un signal de référence d'entrée et, en tant que second signal d'entrée, le signal représentatif du courant ou le signal représentatif de la tension, et ce circuit comparateur produisant sur sa sortie un signal modulé en largeur d'impulsions qui est représentatif du signal de courant ou de tension, qui est appliqué sur la première entrée du circuit multiplicateur (SW1), l'autre signal parmi les signaux de courant ou de tension étant appliqué à la seconde borne d'entrée du circuit multiplicateur (SW1); et des moyens destinés à faire apparaître à la sortie du circuit multiplicateur un signal de produit de sortie modulé en amplitude et modulé en largeur d'impulsions, qui est représentatif du produit du courant et de la tension fournis par la source d'énergie électrique, dans lequel toute erreur de décalage continu produite par le transformateur d'intensité d'entrée à charge active (CT) est automatiquement annulée.
2. Circuit de mesure électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de référence qui est appliqué sur l'une des entrées du circuit comparateur (CO) est de forme triangulaire et a une fréquence d'échantillonnage fs qui est très supérieure à la fréquence de l'énergie électrique à courant alternatif qui est mesurée.
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REVENDICATIONS
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12. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SWI, SW2), le circuit comparateur (CO), les moyens de conversion analogique-numérique (R„, C„, Al, HCO), les circuits de commutation CMOS supplémentaires et les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend en outre des moyens d'indication des kilowatts-heures (12) qui sont connectés à la sortie des moyens de conversion analogique-numérique, de façon à donner une indication de sortie des kilowatts-heures d'énergie électrique qui sont fournis par la source d'énergie électrique à contrôler, un circuit de filtre intégrateur (Rl5 C:) qui est connecté à la sortie du circuit multiplicateur et qui est fabriqué avec ce dernier sous forme de circuit intégré à semi-conducteur à l'état solide, des moyens d'indication des watts (11) étant connectés à la sortie du circuit de filtre intégrateur (Rj, Cj pour donner une indication de sortie des watts instantanés que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
13. Circuit de mesure électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur d'intensité d'entrée à charge active (CT) comprend des enroulements primaire (CTI) et secondaire (CT2) en couplage inductif, le courant à mesurer étant appliqué à l'enroulement primaire à partir de ladite source d'énergie électrique à contrôler, un amplificateur opérationnel à transrésistance (A„) étant branché aux bornes de l'enroulement secondaire en établissant un court-circuit virtuel et fournissant une tension de sortie proportionnelle au courant qui circule dans l'enroulement primaire.
14. Circuit de mesure électronique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le signal de référence qui est appliqué à l'une des entrées du circuit comparateur (CO) est de forme triangulaire et a une fréquence d'échantillonnage f, qui est très supérieure à la fréquence de l'énergie électrique à courant alternatif qui est mesurée.
15. Circuit de mesure électronique selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage (R„, C„, Al, HCO, 13, 14, 15) qui est interconnecté entre la sortie du circuit de mesure et une entrée du circuit multiplicateur (SWI, SW2) pour annuler automatiquement en moyenne toute tension d'erreur de décalage continu qui est produite dans le circuit de mesure.
16. Circuit de mesure électronique selon la revendication 15, caractérisé en ce que le circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage comprend des moyens de conversion analogique-numérique (R„, C0, Al, HCO) qui sont connectés à la sortie du circuit multiplicateur (SWI, SW2) pour produire un signal de sortie sous forme d'impulsions, dont chaque impulsion représente une quantité unitaire fixe d'énergie électrique, et des moyens (13,14,15) destinés à transmettre en réaction ce signal sous forme d'impulsions vers une entrée du circuit multiplicateur (SWI, SW2), afin d'inverser la polarité de l'un des signaux d'entrée du circuit multiplicateur sous l'effet de chaque impulsion de sortie unitaire produite par les moyens de conversion analogique-numérique, pour annuler en moyenne les potentiels d'erreur de décalage continu présents dans le circuit de mesure.
17. Circuit de mesure électronique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur (SWI, SW2) comprend un circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) branché à sa seconde entrée, le signal de sortie des moyens de conversion analogique-numérique (R0, C0, Al, HCO) étant transmis en réaction pour commander l'action de commutation de polarité du circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) sous l'effet des impulsions de sortie d'unité d'énergie des moyens de conversion analogique-numérique.
18. Circuit de mesure électronique selon la revendication 16, caractérisé en ce que chacune des deux entrées du circuit comparateur (CO) comporte un circuit de commutation d'échange de signal (SW2), destiné à échanger alternativement les bornes d'entrée du circuit comparateur auxquelles sont appliqués le signal de référence d'entrée et le signal d'entrée représentatif du courant ou de la tension afin d'annuler en moyenne tout potentiel d'erreur de décalage continu dans le circuit de mesure, ce circuit de commutation d'échange (SW2) étant commandé par les moyens de conversion analogique-numérique (R„, C0, Al, HCO).
19. Circuit de mesure électronique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le circuit comparateur (CO) comprend un inverseur (16) et un circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) qui est interconnecté entre la sortie du circuit comparateur (CO) et le circuit multiplicateur (SWI), de façon à connecter la sortie du circuit comparateur à la première entrée du circuit multiplicateur à la fois directement et par l'intermédiaire de l'inverseur (16) et le signal de sortie des moyens de conversion analogique-numérique (R0, Ç„, Al, HCO) étant transmis en réaction pour commander le fonctionnement du circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2), afin de connecter alternativement la sortie du circuit comparateur (CO) à l'entrée de commutation du circuit multiplicateur (SWI) directement et par l'intermédiaire de l'inverseur (16), pour changer ainsi alternativement la polarité du signal de sortie du comparateur qui est appliqué au circuit multiplicateur et pour annuler en moyenne les tensions d'erreur de décalage continu qui apparaissent dans le circuit de mesure.
20. Circuit de mesure électronique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le transformateur de potentiel (PT) ne comporte qu'un seul enroulement secondaire (PT2) et le circuit multiplicateur électronique comprend deux circuits de commutation électronique CMOS du type inverseur bipolaire (SWI, SW3) dont les contacts de commutation mobiles sont connectés à la sortie du circuit comparateur (CO) et sont actionnés par cette sortie, tandis que les contacts fixes des deux circuits de commutation électronique CMOS sont connectés aux bornes d'extrémité respectives de l'enroulement secondaire unique (PT2) du transformateur de potentiel, le contact de commutation mobile d'un premier des circuits de commutation CMOS (SW3) étant connecté directement à la masse tandis que le contact mobile du second circuit de commutation CMOS (SWI) fournit le signal de sortie de produit, modulé en amplitude et en largeur d'impulsions, du circuit multiplicateur électronique.
21. Circuit de mesure électronique selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de filtre intégrateur (R, C) qui est connecté à la sortie correspondant au contact mobile du second circuit de commutation CMOS (SWI), afin de produire un signal de sortie analogique représentatif des watts instantanés que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
22. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 13, 16, 17, 18 ou 19, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SWI) et le circuit comparateur (CO) ainsi que les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous la forme d'un circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend en outre un circuit de filtre intégrateur (R, C) qui est connecté à la sortie du circuit multiplicateur (SWI) et qui est fabriqué avec ce dernier sous forme de circuit intégré monolithique, et des moyens d'indication des watts (11) qui sont connectés à la sortie du circuit de filtre intégrateur (R, C) de façon à donner une indication de sortie des watts instantanés que fournit la source d'énergie électrique àcontrôler.
23. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 13,16,17,18 ou 19, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SWI, SW2), le circuit comparateur (CO), les moyens de conversion analogique-numérique (R0, C„, Al, HCO), et les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend en outre des moyens d'indication des kilowatts-heures (12) qui sont connectés à la sortie des moyens de conversion analogique-numérique de façon à donner une indication de sortie des kilowatts-heures d'énergie électrique que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
24. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 13, 16, 17, 18 ou 19, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SWI, SW2), le circuit comparateur (CO), les
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3. Circuit de mesure électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage (R„, C„, Al, HCO, 13) qui est interconnecté entre la sortie du circuit de mesure et une entrée du circuit multiplicateur (SW1, SW2) pour annuler automatiquement par moyenne toute tension d'erreur de décalage continu qui apparaît dans le circuit de mesure.
4. Circuit de mesure électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'annulation automatique d'erreur de décalage comprend des moyens de conversion analogique-numérique (R0, C0, Al, HCO) qui sont connectés à la sortie du circuit multiplicateur (SW1, SW2) de façon à produire un signal de sortie sous forme d'impulsions, dont chaque impulsion représente une quantité unitaire fixe d'énergie électrique, et des moyens (13) pour transmettre en réaction le signal sous forme d'impulsions vers une entrée du circuit multiplicateur (SW1, SW2), afin d'inverser la polarité de l'un des signaux d'entrée du circuit multiplicateur sous l'effet de chaque impulsion de sortie unitaire produite par les moyens de conversion analogique-numérique, dans le but d'annuler par moyenne tout potentiel d'erreur de décalage continu dans le circuit de mesure.
5. Circuit de mesure électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur (SW1, SW2) comprend un circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) branché à la seconde entrée du circuit multiplicateur, et le signal de sortie des moyens de conversion analogique-numérique (R,, C„, Al, HCO) étant transmis en réaction de façon à commander l'action de commutation de polarité du circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) par les impulsions de sortie d'unité d'énergie des moyens de conversion analogique-numérique.
6. Circuit de mesure électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des deux entrées du circuit comparateur (CO) comporte un circuit de commutation d'échange de signal (SW2) destiné à échanger alternativement les bornes d'entrée du circuit comparateur (CO) sur lesquelles sont appliqués le signal de référence d'entrée et le signal d'entrée représentatif de la tension ou du courant, afin d'annuler par moyenne tout potentiel d'erreur de décalage continu dans le circuit de mesure, ce circuit de commutation d'échange de signal (SW2) étant commandé par le signal de sortie sous forme d'impulsions qui est transmis en réaction à partir des moyens de conversion analogique-numérique (R0, C0, Al, HCO).
7. Circuit de mesure électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit comparateur (CO) comprend un inverseur (16) et un circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2) interconnecté entre la sortie du circuit comparateur (CO) et le circuit multiplicateur (SW1), de façon à connecter la sortie du circuit comparateur (CO) à l'entrée de commutation du circuit multiplicateur (SW1) à la fois directement et par l'intermédiaire de l'inverseur (16), le signal de sortie qui provient des moyens de conversion analogique-numérique (R„, C„, Al, HCO) étant transmis en réaction de façon à commander le fonctionnement du circuit de commutation d'inversion de polarité (SW2), pour connecter alternativement la sortie du circuit comparateur (CO) à la première entrée du circuit multiplicateur (SW1), directement et par l'intermédiaire de l'inverseur (16), pour changer alternativement la polarité du signal de sortie du comparateur qui est appliqué au circuit multiplicateur, et pour annuler par moyenne les tensions d'erreur de décalage continu qui sont produites dans le circuit de mesure.
8. Circuit de mesure électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transformateur de potentiel (PT) ne comporte qu'un seul enroulement secondaire (PT2) et le drcuit multiplicateur électronique comprend deux circuits de commutation électroniques CMOS, du type inverseur bipolaire (SWI, SW3), dont les contacts de commutation mobiles sont connectés à la sortie du circuit comparateur (CO) et sont actionnés pax cette sortie, tandis que les contacts fixes des deux circuits de commutation électroniques CMOS (SWI, SW3) sont connectés aux bornes d'extrémité respectives de l'enroulement secondaire unique (PT2> du transformateur de potentiel (PT), et le contact de commutation mobile d'un premier des circuits de commutation CMOS (SW3) est connecté directement à la masse tandis que le contact mobile du second circuit de commutation CMOS (SWI) fournit le signal de sortie de produit, modulé en amplitude et en largeur d'impulsions, du circuit multiplicateur électronique.
9. Circuit de mesure électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de filtre intégrateur (R, C) qui est connecté à la sortie du circuit multiplicateur (SWI, SW3), pour produire un signal de sortie analogique représentatif des watts instantanés que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
10. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 1, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SW1-SW3) et le circuit comparateur (CO) ainsi que les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend en outre un circuit de filtre intégrateur (R, C; RI, Cl) qui est connecté à la sortie du circuit multiplicateur et qui est fabriqué avec ce dernier sous forme de circuit intégré monolithique, et des moyens d'indication des watts (11) qui sont connectés à la sortie du circuit de filtre intégrateur de façon à donner une indication de sortie des watts instantanés que fournit ladite source d'énergie électrique à contrôler.
11. Circuit de mesure électronique selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur électronique (SWI, SW2), le circuit comparateur (CO), les moyens de conversion analogique-numérique (R0, C„, Al, HCO) et les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend également des moyens d'indication des kilowatts-heures (12) qui sont connectés à la sortie des moyens de conversion analogique-numérique de façon à donner une indication de sortie des kilowatts-heures d'énergie électrique que fournit la source d'énergie électrique à contrôler.
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moyens de conversion analogique-numérique (R0, C0, Al, HCO) et les interconnexions entre eux sont tous fabriqués sous forme de circuit intégré monolithique à semi-conducteur à l'état solide, et en ce qu'il comprend en outre des moyens d'indication des kilowatts-heures (12) connectés à la sortie des moyens de conversion analogique-numérique pour donner une indication de sortie des kilowatts-heures que fournit la source d'énergie électrique à contrôler, un circuit de filtre intégrateur (R,, C.; ) qui est connecté à la sortie du circuit multiplicateur (SWI, SW2) et qui est fabriqué sous forme de circuit intégré monolithique à l'état solide avec le circuit multiplicateur, et des moyens d'indication des watts (11) qui sont connectés à la sortie du circuit de filtre intégrateur (Rj, Q) pour donner une indication de sortie des watts instantanés que fournit une source d'énergie électrique à contrôler.
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