CN107923931B - 自供电测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量装置(10)和配属的测量方法(100)。测量装置(10)安装在线路(12)上并且包括具有第一和第二分压器(36、38)的检测单元(14)，以用于借助仪用互感器(24)产生第一和第二测量信号(26、28)。在此，第一和第二测量信号(26、28)可以分别经由测量线路(25)直接转发到信号转换器(22)。根据本发明，信号转换器(22)为了其电力供应而经由供电线路(32)与仪用互感器(24)能开关地连接。

Description

自供电测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测线路中的电流强度的自供电测量装置以及配属的测量方法。
背景技术
由DE 37 10 291 A1已知一种用于具有不同电平的信号的模拟/数字转换的电路，其中多个分压器被布置在该电路中。经由分压器产生信号，信号被输送给比较器，而比较器又与快闪转换器相连。在此，输入信号和参考电压被施加给比较器。
DE 10 2008 012 545 A1公开了一种电压比较电路，在该电路中多个分压器分别与一个电压源相连。分压器分别与运算放大器的输入端连接，该运算放大器连接到电源电压。
用于检测线路中的电流强度的已知装置的缺点在于，它们从特定的最小电流强度起才能够经由检测线路为装置进行自供电，而不会显著降低测量精度。为了扩大测量范围，经常使用运算放大器，这些运算放大器复杂且成本高昂并需要相当大的供电电压。需要一种测量装置，其能够在扩大的测量范围内进行精确测量，同时复杂度低，制造成本低廉，并且克服了现有技术的缺点。
发明内容
该目的通过根据本发明的测量装置来实现，该测量装置为了检测电流强度而能够与线路连接。测量装置具有检测单元，在该检测单元中布置有第一和第二分压器。分压器与初级测量信号耦合连接，该初级测量信号通过与线路共同作用的仪用互感器产生。初级测量信号因此适用于检测和量化在线路中存在的电流强度。每个分压器都构造用于产生测量信号，测量信号分别通过测量线路输出。来自第一分压器的第一测量信号经由配属的测量线路被转发到评估单元中的信号转换器的第一信号输入端。类似地，来自第二分压器的第二测量信号经由配属的测量线路转发到评估单元中的信号转换器的第二信号输入端。信号转换器构造用于单独地或以组合的方式评估第一和第二测量信号以形成测量值。在此，第一和第二测量信号的组合例如能够由这两个测量信号的加和组成。根据本发明，信号转换器为了其电力供应而经由供电线路与仪用互感器连接。在此，供电线路是可开关的，使得信号转换器的电力供应可针对性地中断。
在根据本发明的测量装置中，信号转换器的电力供应因此能够在时间上以可调的范围被激活和去激活。所使用的分压器引起测量信号的不同缩放，并且可以省去诸如运算放大器的复杂和昂贵的部件。在线路中存在低电流强度时，信号转换器因此去激活，从而可以维持测量电路的能量供应。经由仪用互感器实现的测量装置自供电还使得能够省去附加的电源，从而根据本发明的测量装置的复杂性较低。
在本发明的优选实施例中，信号转换器构造为模拟数字转换器。特别优选地，模拟数字转换器具有8至12位，优选10位的测量分辨率。模拟数字转换器适用于可靠且快速地处理被输入的测量信号，并且可以低成本地生产。本发明还允许使用具有降低的测量分辨率的模拟数字转换器。由此，进一步增加了利用模拟数字转换器可实现的能量节省和经济性。
优选地，在根据本发明的测量装置中分别设置用于切换信号转换器的电力供应的开关元件和用于提供参考电压的开关元件。参考电压优选提供正电位，从而避免第一和第二测量信号中的负分量。由此简化了对第一和第二测量信号的评估。开关元件利用可调整的耦合连接彼此连接，使得对一个开关元件的操纵跟随另一个开关元件来进行。开关元件之间的耦合连接可如下地调整，即可以选择用于使一个开关元件跟随在另一个开关元件的操纵之后的延迟。在本发明的特别优选的实施例中，延迟在0ms与20ms之间。
另外，在所要求保护的测量装置中，开关元件中的至少一个的操纵可以由时钟发生器控制。时钟发生器构造用于以可调整的频率输出开关信号，受控开关元件将该开关信号实施为断开或闭合，并且另一个开关元件跟随于该受控开关元件。通过为信号转换器按时钟地提供电力和提供参考电压，使得在测量装置的运行持续期间能够鉴于期望的电流消耗或期望的测量精度调整具有测量的有效相位的和没有测量的无效相位的时间份额。由此，根据本发明的测量装置可以通过简单的参数匹配于宽范围的运行状态。
在本发明的另一个实施方式中，时钟发生器与用于提供参考电压的开关元件和在信号转换器的供电线路中的开关元件分开地连接。时钟发生器构造用于通过单独的开关命令来操纵这两个开关件。因此，在开关元件之间的耦合连接通过时钟发生器的布置来建立。在此，在两个开关元件处的相对应的开关信号之间存在可调整的延迟。在此，延迟优选在0ms和20ms之间。
此外，根据本发明的测量装置的第一分压器可以构造用于产生第一测量信号，该第一测量信号适于检测线路中存在的电流强度的第一数值范围。同时，第二分压器可以构造用于产生第二测量信号，该第二测量信号适于检测线路中存在的电流强度的第二数值范围。特别优选地，这两个数值范围具有减小的重叠范围。由此，通过这两个分压器总共可以覆盖扩大的测量范围，其基本上由这两个数值范围组成。信号转换器构造用于识别对于电流强度的当前数值范围的、更精确的测量信号，因此始终可以进行精确测量。因此，克服了仅为特定数值范围提供准确测量信号的单个分压器的缺点。
此外，在根据本发明的测量装置中，可以附加地在检测单元中布置至少一个另外的、第三分压器，其构造用于产生第三测量信号。第三分压器允许在适当地配置了所使用的所有分压器的情况下使测量信号在当前电流强度的宽数值范围内缩放。因此，始终为信号转换器提供对于当前电流强度的准确的测量信号，并且所要求保护的测量装置的动态范围整体上被扩大。所使用的分压器数量的进一步增加使得可以根据相应应用情况的要求进一步扩展这些优点。
在本发明的优选实施方式中，分压器中的至少一个包括串联连接的两个电阻。通过选择电阻，可以以简单的方式确定在测量电流强度时期望的数值范围。电阻可以经济实惠地以广泛配置来制造并提供高稳定性。
本发明所基于的目的也通过要求保护的用于在线路中存在的电流强度的测量方法来实现。根据本发明的方法包括第一步骤，其中利用仪用互感器产生初级测量信号，仪用互感器与待监测的线路直接相互作用。初级测量信号例如是通过感应在线路上产生的电流。在另一步骤中，初级测量信号被传递给第一和第二分压器，并且因此分别被处理成第一和第二测量信号。第一和第二测量信号在后续的步骤中经由测量线路直接转发到信号转换器。通过信号转换器来评估至少一个测量信号，从而测定线路中存在的电流强度的测量值。根据本发明，信号转换器的电力供应直接通过仪用互感器来实现。为此设置的、在仪用互感器与信号转换器之间的供电线路是可开关的，也就是说，它可以通过开关元件有针对性地且受控地中断。
根据本发明的方法使得能够通过评估一个或多个测量信号来对线路中的电流强度进行精确测量。通过在不需要或不提供测量的时间点能够有针对性地关断信号转换器的方式，信号转换器的可接通和关断的电力供应允许减少在测量方法中的电力消耗。由此，根据本发明的方法能够以节能的方式执行。此外，通过使信号转换器去激活，可以保持测量电路的能量供给。
在本发明的有利实施方式中，第一和第二测量信号的检测和评估由构造为模拟数字转换器的信号转换器来执行。模拟数字转换器适用于快速可靠地评估测量信号并且具有降低的复杂度。此外，可以成本低廉地制造模拟数字转换器。
在根据本发明的方法中，特别优选地通过具有可调整的开关信号的时钟发生器来操纵开关元件，开关元件实现了信号转换器的电力供应的接通和关断。在此，操纵包括开关元件的打开和关闭。更优选地，通过时钟发生器借助开关信号来操纵用于为分压器中的至少一个供给参考电压的开关元件，也可以实现对信号转换器的供电线路中的开关元件的操纵。用于提供参考电压的开关元件通过可调整的耦合连接与信号转换器的供电线路中的开关元件连接，从而使其跟随对提供参考电压的开关元件的操纵。
时钟发生器的开关信号是可调整的，从而通过程序或用户输入不仅可以选择其中关闭所操纵的开关元件的有效相位的时长，也可以选择其中打开所操纵的开关元件的无效相位的时长。因此，可以任意地调整开关信号和/或开关信号的顺序。因此，在其中不需要或不提供线路中的电流强度的精确测量的运行状态中可以使信号转换器去激活。能量供应，即测量电子件的自供电可以匹配于当前电流强度。此外，根据需要，可以在运行期间调整采样频率。
在该方法的一个特别优选的实施方式中，与用于为至少一个分压器提供参考电压的开关元件的操纵基本上同时地输出供电线路处的开关元件的开关信号。参考电压优选地提供正电位，从而避免第一和第二测量信号中的负分量。由此简化了第一和第二测量信号的评估。因此，基本上瞬时产生了可精确评估的第一和/或第二测量信号。
此外，在根据本发明的方法中，运行可以作为由无效相位和有效相位构成的一个系列来执行。在有效相位中，信号转换器的参考电压和电力供应被激活，并生成测量值。相反，在无效相位中，至少信号转换器的电力供应被去激活。优选地，无效相位的时长越短，线路中存在的电流强度越高。因此，当线路中的电流强度增加时，测量频率或采样频率增加，从而由于测量信号的数量增加而导致测量精度增加。同时，信号转换器的电流消耗增加。由于电流强度增加，信号转换器的电流消耗增加得到补偿。相反，在电流强度降低时，测量信号具有提高的精度，因为在此在延长的时长内被采样，使得即使以降低的频率进行采样也会引起足够精确的测量值。因此，信号转换器的电流消耗降低。
特别优选的是，在运行间隔中，无效相位的时长与有效相位的时长之比在零与十之间。因此比值为零时，存在连续的测量运行，而比值为十时，无效相位的时长是其中生成测量值的有效相位的时长的十倍。这个差距允许有利地匹配于线路中存在的电流强度的宽范围。根据本发明的方法在此适用于各种应用目的。
此外，在根据本发明的方法中，当线路中的电流强度低于第一阈值时，则在生成测量值时仅使用第一测量信号。在电流强度位于第一和第二阈值之间时，根据本发明使用第一和第二测量信号。测量信号由于这两个分压器的不同设计而被不同地缩放，并且对于电流强度的不同数值范围形成用于通过信号转换器测定测量值的优化基础。
附图说明
下面根据附图中的实施方式来描述本发明。图中详细示出：
图1示出了根据本发明的测量装置的实施方式的结构；
图2示出了根据本发明的测量方法的实施方式的时序图。
具体实施方式
图1中示意性地示出了根据本发明的测量装置10的实施方式的结构，该测量装置连接到线路12，在该线路中要测量当前电流强度52。在线路12与测量装置10之间的连接通过用于提供初级测量信号30的仪用互感器24来确保。此外，通过仪用互感器24感生出供应电流47，供应电流经由供电线路32传递。初级测量信号30由仪用互感器24传递到测量装置10的检测装置14并且在那里被输送给第一和第二分压器36、38。每个分压器36、38都包括串联连接的两个电阻34。分压器36、38中的每个都将测量线路25直接引导给测量装置10的处理单元16。在此，测量线路25分别在分压器36、38的电阻34之间分支。处理单元16包括评估单元20，在评估单元中布置有信号转换器22。通过来自第一分压器36的测量线路25将第一测量信号26直接传递给信号转换器22的第一信号输入端27。此外，第二测量信号28经由来自第二分压器38的测量线路25被直接引导给信号转换器22的第二信号输入端29。
根据线路12中所施加的电流强度52的大小，将第一和/或第二测量信号26、28评估成测量值42。在测量装置10中，测量信号26、28的评估脉冲地连续实现。测量装置10的处理单元16还包括控制单元18，在该控制单元中布置有时钟发生器44。此外，线路45为分压器36、38提供参考电压40，第一和第二测量信号26、28与该参考电压相关。线路45设有开关元件49，线路45可以通过开关元件被中断。对线路45处的开关元件49的操纵通过由时钟发生器44输出的开关信号46来实现。线路45处的开关元件49通过耦合连接48与布置在供电线路32处的另外的开关元件49相连。由于耦合连接48的原因，在供电线路32处的开关元件49跟随在线路45处的开关元件49。耦合连接48基本上无延迟地将在线路45处的开关元件49的操纵转换成供电线路32处的开关元件49的操纵。在开关元件49闭合时，在分压器36、38处施加有代表对于第一和第二测量信号26、28的参考电位的参考电压40，使得测量信号26、28映射线路12中存在的电流强度52。同时，信号转换器22被供电并且能够将测量信号26、28单独地或组合地评估成测量值42。
图2示出了根据本发明的方法100的一个实施方式的时序图。在该时序图中，水平轴形成了时间轴80，并且竖直轴形成了变量轴50。示出的电流具有升高的电流强度52，该电流强度存在于未详细示出的线路12中。电流强度52上升到极限值53并保持不变。此外，图2示出了用于执行根据本发明的方法100的开关信号46的图示。开关信号46基本上是一系列矩形信号，其在有效阈值54与无效阈值56之间移动。在有效相位55期间，存在未示出的测量装置10的信号转换器22的电力供应，并且测定未详细示出的测量值42。有效相位55和无效相位51都具有可调整的时长57、58。在图2中，无效相位51的时长57随着电流强度52的增加而减小。由此，在电流强度52的极限值53的范围内存在近似连续的测量运行，该测量运行仅被最小的无效相位51中断。因此，在参考区间60中存在无效相位51的时长57与有效相位55的时长58的增加的比值。
此外，在第一阈值64之下测定没有详细示出的测量值42，测量值42仅基于第一测量信号26被测定。在低于第一阈值64的测量范围61之后是第二测量范围62，第二测量范围位于第一与第二阈值64、65之间。在第二测量范围62中，借助第一和第二测量信号26、28以组合的方式测定测量值42。在第二测量范围62之后是第三测量范围63，在第三测量范围中线路12中的电流强度52高于第二阈值65。在第三测量范围63中，测量值42仅基于第二测量信号28来测定。随着电流强度52的升高，无效相位51的时长57下降，升高的电流强度52改善了信号转换器的电力供应，然而，对电流强度52的精确测量需要增加测量次数。这通过减少无效相位51的时长57来实现。

Claims (14)

1.一种测量装置(10)，用于检测在线路(12)中的电流强度(52)，所述测量装置包括具有第一分压器(36)和第二分压器(38)的检测单元(14)，以用于借助仪用互感器(24)产生第一测量信号(26)和第二测量信号(28)，其中，所述第一测量信号(26)和所述第二测量信号(28)能够分别经由测量线路(25)直接转发到信号转换器(22)，其特征在于，为了所述信号转换器的电力供应，所述信号转换器(22)经由供电线路(32)与所述仪用互感器(24)能开关地连接，其中所述第一分压器(36)构造用于检测所述线路(12)中的电流强度的第一数值范围，并且所述第二分压器(38)构造用于同时检测所述线路(12)中的电流强度的第二数值范围，其中所述信号转换器被构造用于识别对于所述电流强度的当前数值范围的更精确的测量信号。
2.根据权利要求1所述的测量装置(10)，其特征在于，所述信号转换器(22)构造为模拟数字转换器。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置(10)，其特征在于，用于操纵所述信号转换器(22)的能开关的电力供应的开关元件经由能调整的耦合连接(48)与用于提供参考电压(40)的开关元件连接。
4.根据权利要求3所述的测量装置(10)，其特征在于，用于操纵所述信号转换器(22)的能开关的电力供应的开关元件和用于提供参考电压(40)的开关元件中的至少一个能通过时钟发生器(44)操纵。
5.根据权利要求4所述的测量装置(10)，其特征在于，在所述耦合连接(48)中，在所述时钟发生器(44)的开关信号(46)与对所述供电线路(32)的开关元件的操纵之间的延迟时长是能调整的。
6.根据权利要求1所述的测量装置(10)，其特征在于，所述检测单元(14)还包括用于生成第三测量信号的至少一个第三分压器。
7.根据权利要求1所述的测量装置(10)，其特征在于，所述第一分压器(36)和所述第二分压器(38)中的至少一个具有两个串联连接的电阻(34)。
8.一种用于测量线路(12)中的电流强度(52)的方法(100)，包括以下步骤：
a)借助仪用互感器(24)产生初级测量信号(30)；
b)利用第一分压器(36)和第二分压器(38)将所述初级测量信号(30)处理成第一测量信号(26)和第二测量信号(28)；
c)借助信号转换器(22)检测所述第一测量信号(26)和/或所述第二测量信号(28)并将所述第一测量信号和/或所述第二测量信号评估成测量值(42)；
其中，所述信号转换器(22)通过所述仪用互感器(24)能开关地供电，其中所述第一分压器(36)构造用于检测所述线路(12)中的电流强度的第一数值范围，并且所述第二分压器(38)构造用于同时检测所述线路(12)中的电流强度的第二数值范围，其中所述信号转换器被构造用于识别对于所述电流强度的当前数值范围的更精确的测量信号。
9.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于，所述信号转换器(22)是模拟数字转换器。
10.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于，所述信号转换器(22)的供电线路(32)中的开关元件由时钟发生器(44)利用可调整的时钟信号来打开和关闭。
11.根据权利要求10所述的方法(100)，其特征在于，与用于为所述第一分压器(36)和所述第二分压器(38)中的至少一个提供参考电压(40)的开关元件的操纵同时地输出开关信号(46)。
12.根据权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，在所述信号转换器(22)的电力供应的有效相位(55)之间的无效相位(51)的时长越短，所述线路(12)中存在的电流强度(52)越大。
13.根据权利要求12所述的方法(100)，其特征在于，在运行区间(60)中，所述无效相位(51)的时长与所述有效相位(55)的时长之比在零与十之间。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法(100)，其特征在于，在步骤c)中，当所述电流强度(52)低于第一阈值(64)时，仅评估所述第一测量信号(26)，并且当所述电流强度(52)位于所述第一阈值(64)与第二阈值(65)之间时，评估所述第一测量信号(26)和所述第二测量信号(28)，并且当所述电流强度(52)高于所述第二阈值(65)时，仅评估所述第二测量信号(28)。
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