DE10136522A1 - Anordnung zur Bestimmung der Winkelfehler von Pegelwandlern für Energie- und Leistungsmessgeräte - Google Patents

Anordnung zur Bestimmung der Winkelfehler von Pegelwandlern für Energie- und Leistungsmessgeräte

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Winkelfehler von Baugruppen für die elektrische Leistungsmesstechnik, insbesondere Pegelwandler wie Stromwandler, Spannungswandler und Messwiderstände. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die zu prüfende Baugruppe am Eingang mit einem Signal der Frequenz omega¶1¶ beaufschlagt und das um den zu messenden Winkelfehler DELTAphi verschobene Ausgangssignal der Baugruppe mit einer Referenzfrequenz omega¶2¶ multipliziert wird. Die erfindungsgemäße Winkelmessung ergibt sich dann durch die Bestimmung der Phasenlage des Produktsignals

Description

  • Die nachfolgend beschriebene Erfindung lässt sich für die Ermittlung von Eigenschaften von Messwandlern und Messwiderständen zu Messgeräten für die mittlere elektrische Leistung ("Leistungsmesser") und Messgeräten für die elektrische Arbeit ("Elektrizitätszähler") in gleicher Weise verwenden. Leistungsmesser und Elektrizitätszähler werden zur sprachlichen Vereinfachung nachfolgend unter dem Begriff "Elektrizitätsmessgeräte" zusammengefasst. Um mit Elektrizitätsmessgeräten Elektrizität messen zu können, die bei größeren Stromstärken und/oder Spannungen auftritt, müssen den Elektrizitätsmessgeräten am Stromstärkesignal-Eingang Stromwandler oder Shunts zur Reduzierung der Messgrößen vorgeschaltet werden. Am Spannungssignal-Eingang müssen ebenfalls zur Pegelanpassung u. U. Spannungswandler oder Spannungsteiler vorgeschaltet werden. Zur sprachlichen Vereinfachung werden die Stromwandler, Shunts, Spannungswandler und Spannungsteiler zur Pegelanpassung nachfolgend unter dem Begriff "Pegelwandler" zusammengefasst. Die Pegelwandler, deren Winkelfehler erfindungsgemäß gemessen werden sollen, können sowohl außerhalb an die Elektrizitätsmessgeräte geschaltet wie auch in diesen eingebaut sein.
  • Für die genaue Messung der Wirkelektrizität benötigt man Messgeräte, deren Messwerk möglichst keine Phasenverschiebung zwischen dem für die Produktbildung zu messenden Strom- und dem Spannungssignal erzeugt. Der Grund liegt darin, dass die zeitliche Verschiebung von dem Strom- und dem Spannungssignal als wesentlicher Faktor in dem Elektrizitätsmessergebnis enthalten ist. Erzeugt das Messwerk bzw. ein vorgeschalteter Pegelwandler eine zusätzliche Phasenverschiebung, so wird der Faktor entsprechend verfälscht. Die zusätzliche Phasenverschiebung wird deshalb auch als Winkelfehler bezeichnet. Da alle realen Pegelwandler für Elektrizitätsmessgeräte einen praktisch von Null verschiedenen Winkelfehler aufweisen, besteht die Aufgabe, diesen zu ermitteln, damit die Messergebnisse durch Schaltungsmaßnahmen oder rechnerisch entsprechend korrigiert und die Unsicherheit der Messergebnisse abgeschätzt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe sind verschiedene Messtechniken vorbekannt.
  • Stand der Technik
  • Um Winkelfehler von Pegelwandlern zu bestimmen, sind verschiedene Lösungen vorbekannt:
  • Der zu messende Pegelwandler und ein Normalwandler mit bekannten Übertragungseigenschaften werden mit demselben Prüfeingangssignal beaufschlagt. Aus den Ausgangssignalen von Normalwandler und zu messendem Pegelwandler wird ein Differenzsignal gebildet. Das Differenzsignal wird in eine Real- und eine Imaginärkomponente zerlegt. Aus den Komponenten werden unter Berücksichtigung der Fehler des Normalwandlers der Betrags- und der Winkelfehler des zu messenden Pegelwandlers bestimmt.
  • Die Komponentenzerlegung kann z. B. durch die Erzeugung orthogonal phasenverschobener Signale erreicht werden [Braun, A.; Moser H.: Rechnergesteuerter Messplatz zur Kalibrierung von Normal-Spannungswandlern, PTB-Mitteilungen 98, 3/89, Seite 298ff.]. Die Komponentenzerlegung kann auch durch Fouriertransformation erfolgen [Braun, A.; Moser H.; Ramm, G.: Ein neuer Messplatz zur Prüfung von Messwandlerbürden, PTB-Mitteilungen 103, 5/93, Seite 405ff.].
  • Eine indirekte Möglichkeit, Winkelfehler von Pegelwandlem mit gleicher physikalischer Ein- und Ausgangsgröße zu bestimmen, besteht außerdem in der Verwendung von sog. Leistungsfaktormessgeräten. Deren Grundprinzip besteht darin, den zeitlichen Mittelwert des Produktes aus Eingangs- und Ausgangssignal des zu messenden Pegelwandlers zu bilden und diesen Mittelwert durch das Produkt der Effektivwerte des Eingangs- und Ausgangssignal des zu messenden Pegelwandlers zu dividieren. Dieser Quotient ist proportional zum Cosinus des Winkelfehlers [Zupunski, I. e. a.: Power Factor Calibrator, Conference Digest CPEM 1996, 17-20 Juni 1996, Seite 554]. Ein vergleichbares Prinzip ist aus der Nachrichtentechnik bekannt. Bei der dort eingesetzten sogenannten Korrelationstechnik werden die Übertragungseigenschaften und Winkelfehler von Übertragungskanälen durch Kreuzkorrelation mittels Multiplizierern gemessen [Bartels, E.: Beitrag zur praktischen Systemanalyse mit Korrelationsverfahren, Dissertation, TU-Hannover 1966 sowie Wehrmann, W.: Einführung in die stochastischergodische Impulstechnik, Verlag Oldenbourg, München 1973]. (Hinweis: Für die als Korrelator einzusetzenden Multiplizierer kommen alle bekannten Signalmultiplizierverfahren in Frage. Auf eines ist hier besonders hinzuweisen, da es sich für die Erfindung besonders gut eignet. Dieses bekannte Multiplizierverfahren besteht darin, den Effektivwert der Summe und der Differenz von Multiplikant und Multiplikator zu messen und daraus das Produkt zu berechnen [Kahmann, M., Stiebner M.: Vorschlag für die genaue Messung der elektrischen Wirkleistung mit Effektivwert- Spannungsmessern, PTB-Mitteilungen 99 6/89, S. 419-424]).
  • Alle vorgenannten Lösungen haben den Nachteil, dass die Richtigkeit des Winkel- Messergebnisses von der Richtigkeit gemessener Spannungen und/oder Stromstärken und/oder Leistungen in erster Ordnung abhängt.
  • Grundsätzlich unterschiedlich zu den vorgenannten Lösungen ist die Möglichkeit, Winkelfehler durch die Messung der zeitlichen Abstände der Nulldurchgänge von Eingangs- und Ausgangssignal des zu messenden Pegelwandlers zu bestimmen. Dieses Verfahren wird z. B. bei sogenannten Phasendetektoren realisiert, die in elektronischen Schaltungen benötigt werden, um Phasengleichheit zwischen zwei Signalen durch Regelung herbeizuführen. Das Besondere dieser Schaltungen besteht u. a. darin, dass die auf ihre Phasenlage hin elektronisch zu vergleichenden Signale durch Komparatorschaltungen phasentreu in Rechtecksignale umgeformt werden. Durch digitale Weiterverarbeitung, die den Unterschied zwischen den Flächen der normierten Rechtecksignale bestimmt, kann hier eine Aussage über die Winkelverschiebung zwischen den zu vergleichenden Signalen messtechnisch verfügbar gemacht werden. [Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiterschaltungstechnik, 8. Auflage, 1986, Abschnitt 25.3.4 "Synchrongleichrichter", 26.4.2 "Synchrongleichrichter als Phasendetektor"]. Diese Technik hat den Nachteil, dass sie eine äußerst genaue Erfassung der Nulldurchgänge der Signale erfordert, wenn insbesondere bei nur kleinen Winkelfehlern eine ausreichende Genauigkeit der Messung erreicht werden soll.
  • Der Erfindung liegt im Hinblick auf die vorbekannten Lösungen die Aufgabe zu Grunde, eine Winkelfehlermessschaltung zu realisieren, die die genannten Nachteile vermeidet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Schaltungsanordnungen gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 4 beschrieben sind.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung ist eine technische Ausnutzung folgenden mathematischen Zusammenhangs: Das Produkt zweier Sinusfunktionen sin α und sin β lässt sich nach z. B. Bronstein-Semendjajew "Taschenbuch der Mathematik", Teubner, Leipzig 1960 darstellen als Differenz zweier Cosinusfunktionen:
    sin α sin β = 0,5 [cos(α-β) - cos(α+β)].
  • Setzt man für zeitabhängige Sinusfunktionen die Argumente

    α = ω1t (Nullphasenwinkel dieses Sinus sei als 0 angenommen)
    β = ω2t + Δφ (Nullphasenwinkel dieses Sinus sei als Δφ angenommen)

    dann folgt:

    sin ω1t sin (ω2t + Δφ) = 0,5 [cos ((ω1 - ω2)t - Δφ) - cos ((ω1 + ω2)t + Δφ)] oder
    sin ω1t sin (ω2t + Δφ) = 0,5 [cos (ωdt - Δφ) - cos ((ω1 + ω2)t + Δφ)] mit: ω1 - ω2 = : ωd
  • Es wird somit deutlich, dass die Funktionen sin (ω2t + Δφ) und cos (ωdt - Δφ) um denselben Phasenwinkel verschoben sind. Die Größe der zeitlichen Verschiebung, der der Phasenwinkel bei einem zeitlichen Sinus oder Cosinus entspricht, ist jedoch um so größer, je niedriger die Frequenz der Funktion ist. Beispiel:

    ω = 2.π.50 Hz, Δφ = 2.π/1000 ⇐ Δφ entspricht 20 µs
    ω = 2.π.0,0005 Hz, Δφ = 2.π/1000 ⇐ Δφ entspricht 2 s.
  • Durch diesen Effekt der "Zeitverstärkung" können erfindungsgemäß Phasenverschiebungen derartig vergrößert werden, dass ihre Bestimmung durch Zeitmessung mit guter Genauigkeit technisch möglich wird.
  • Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach vorausgehend beschriebenen Prinzip zeigt Fig. 1 an einem Beispiel, in dem der Winkelfehler eines Stromwandlers als zu prüfender Baugruppe (2) bestimmt werden soll. Dazu erzeugen die beiden starr phasengekoppelten Sinus-Signalgeneratoren (1, 6) ein Stromstärkesignal der Frequenz ω1 und ein Spannungssignal der Frequenz ω2. Das Stromstärkesignal wird durch den zu prüfenden Stromwandler (2) geleitet. Dessen Sekundärsignal ist an den Strompfad eines mit einem Prozessrechner (10) auslesbaren Leistungsmessers (5) geschaltet. Das Stromstärkesignal des Generators (1) wird außerdem direkt an den Strompfad eines zweiten Leistungsmessers (9) geschaltet, der ebenfalls mit dem Prozessrechner (10) ausgelesen werden kann. Das Spannungssignal des zweiten Generators (6) wird direkt an die beiden Leistungsmesser (5, 9) geleitet. Die Messgeräte für die elektrische Leistung wirken wie Korrelatoren dadurch, dass ihr Messwerk jeweils eine Multiplikation realisiert (3, 7) und das Produktsignal einer Mittelwertbildung unterzieht. Diese Mittelwertbildung hat den Charakter einer Tiefpassfilterung (4, 8). Durch den Tiefpasscharakter äußern sich sehr niedrige Frequenzen der von den Multiplizierem (3, 7) erzeugten Signale in oszillierenden Anzeigen bzw. Output-Signalen. Hohe Frequenzen hingegen werden herausgemittelt. Weisen die Korrelatoren nichtlineare Kennlinien auf, enthalten die niederfrequent oszillierenden Signale außer der Frequenz ωd auch Harmonische von ωd. Dieses ist solange für die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltung unschädlich, wie die Übertragungsfunktionen der Korrelatoren punktsymmetrisch durch Null verlaufen. In diesem Fall hat die Nichtlinearität keinen Einfluss auf die Phasenlage von ωd.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Frequenzen ω1 und ω2 zweckmäßig z. B. zu 50,0005 Hz und 50 Hz gewählt. Die Differenzfrequenz ωd, mit der die Ausgangssignale der Leistungsmesser (5, 9) oszillieren, beträgt dann 0,0005 Hz. D. h., alle 2000 Sekunden erfolgt ein Nulldurchgang. Da das Stromstärke-Eingangssignal des Korrelators 1 (5) um den Winkelfehler des Stromwandlers Δφ verschoben wird, erfolgt der Nulldurchgang des Ausgangssignals dieses Korrelators 1 (5) um die zeitliche Entsprechung des Winkelfehlers multipliziert mit dem Zeitverstärkungsfaktors 100 000 verschoben gegenüber dem Ausgangssignals des Korrelators 2 (9). Durch ständiges Auslesen der Leistungsmesser mit dem Prozessrechner (10) wird der zeitliche Unterschied zwischen den Nulldurchgängen der Leistungsmesser-Outputs bestimmt und erfindungsgemäß unter Berücksichtigung des Zeitverstärkungsfaktors der Winkelfehler Δφ berechnet.
  • Um einen gegebenenfalls entstehenden Messfehler durch unterschiedliche Zeitkonstanten der Korrelatoren (5, 9) zu eliminieren, wird die Messung zweimal durchgeführt:
    Bei der ersten Messung erzeugt der Generator 1 (1) die Frequenz ω1 und Generator 2 (6) die Frequenz ω2. Bei der zweiten Messung wird die Zuordnung umgekehrt. Der Winkelfehler Δφ wird dann aus der Differenz der beiden Einzelmesswerte berechnet. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass mit dieser Frequenztauschtechnik nur der Messfehler beseitigt werden kann, der durch das unterschiedliche Tiefpassverhalten (4, 8) der Korrelatoren entstehen kann. Die Phasenfehler, die ggf. jeweils zwischen den beiden Eingängen der Multiplizierer auftreten, müssen durch andere Maßnahmen berücksichtigt oder beseitigt werden. Diese Maßnahmen sind nicht Gegenstand der Erfindung.
  • Als vorteilhafte Ausgestaltungen der Korrelatoren K1 und K2 können erfindungsgemäß statt der Leistungsmesser 5 und 9 in Fig. 1 gemäß Fig. 2 auch die Kombination aus einem Signal-Addierer (11, 13) mit einem auslesbaren Wechselspannungsvoltmeter (12, 14) verwendet werden. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass mit analogrechnenden Messschaltungen, die eine Addition und eine Spannungsmessung realisieren, in der Regel höhere Genauigkeiten zu erreichen sind, als durch direkte Produktbildung. Die Möglichkeit, die in Fig. 2 gezeigten Korrelatorschaltungen (15, 16) zu verwenden, ergibt sich aus folgendem Sachverhalt:
    Ein Effektivwertvoltmeter quadriert das an seinen Klemmen anliegende Spannungssignal, bildet das Zeitintegral über das Quadrat und zeigt den Wert der Quadratwurzel dieses Zeitintegrals an (quadratische Mittelwertbildung) oder führt eine gleichwertige Rechenoperation aus. Reale Effektivwertvoltmeter sind so konstruiert, dass sie als Tiefpass wirken: Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz und darüber werden durch die Zeitintegralbildung in der Anzeige unterdrückt. Deutlich niedrigere Frequenzen äußern sich jedoch in entsprechenden Anzeigeschwankungen. Es stellt sich ein Demodulationseffekt ein, bei dem eine niedrige Frequenz (ω1 - ω2) von einer hohen Frequenz (ω1 bzw. ω2) abgeschieden wird. D. h., wenn einem solchen Voltmeter die Summe der Frequenzen 50,0005 Hz und 50 Hz als Einganssignal angeboten wird, dann werden infolge des Tiefpassverhaltens und der Gültigkeit der binomischen Formel (a+b)2 = a2 + 2ab + b2 mit a = ω1 und b = ω2 die Frequenzen in der Größenordnung von ω1 und ω2 unterdrückt, während das Effektivwertmessergebnis mit der sehr niedrigen Frequenz ω1 - ω2 schwankt. Da diese Schwankungen unipolar bleiben, können allerdings nicht wie bei der Lösung nach Fig. 1 vom Prozessrechner die Abstände der Nulldurchgänge zur Bestimmung des Winkelfehlers verwendet werden. Der Prozessrechner muss bei der Lösung nach Fig. 2 stattdessen, z. B. den zeitlichen Abstand der Maxima oder Minima der Ausgangssignale der Korrelatoren 15 und 16 ermitteln.

Claims (4)

1. Anordnung zur Bestimmung der Winkelfehler Δφ von Baugruppen für die elektrische Leistungsmesstechnik bestehend aus mindestens zwei phasengekoppelten Sinus- Signalgeneratoren und mindestens einem Korrelator K1, der die beiden Signale, nachdem eines von ihnen durch die zu prüfende Baugruppe geleitet wurde, miteinander multipliziert und das Produkt-Signal als Maßgröße für den zu findenden Phasenwinkel Δφ zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Signalfrequenzen ω1 und ω2 der gekoppelten Generatoren um eine bekannte Differenzfrequenz ωd voneinander abweichend eingestellt werden, die Phasenlage Δφω d des mit ωd oszillierenden Korrelator-Ausgangssignals gemessen und daraus der Phasenwinkel Δφ berechnet wird, um den die zu prüfende Baugruppe das durch sie geleitete Signal verschoben hat.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Phasenlage Δφω d ein zweiter Korrelator K2 unmittelbar mit den beiden Signalen gespeist wird, so dass die Phasenverschiebung zwischen dessen mit ωd oszillierendem Ausgangssignal und dem mit ωd oszillierenden Ausgangssignal des Korrelator K1 als Maß für den Winkel Δφω d und damit auch für den Winkel Δφ herangezogen werden kann.
3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beseitigung von Winkelfehlereinflüssen infolge des Tiefpassverhaltens der Korrelatoren für die Bestimmung von Δφω d zwei Messungen durchgeführt werden, wobei bei der ersten Messung das Signal mit der Frequenz ω1 und bei der zweiten Messungen das Signal mit der Frequenz ω2 durch die zu prüfende Baugruppe geleitet und aus den beiden gemessenen Δφω d-Werten ein winkelfehlereinflussfreier Wert Δφω d berechnet wird.
4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation der Signale durch deren Addition und anschließende Effektivwertbildung bewirkt wird.
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