DE10249790A1

DE10249790A1 - Verfahren zur Bestimmung des Amplituden-Zeit-Integrals einer zu messenden elektrischen Größe in Form eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE10249790A1
Application number: DE2002149790
Authority: DE
Inventors: Peter Zintl
Original assignee: ITF FROESCHL GmbH; Itf Froschl GmbH
Current assignee: ITF FROESCHL GmbH; Itf Froschl GmbH
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung des Amplituden-Zeit-Integrals einer zu messenden elektrischen Größe in Form eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung über eine vorgegebene Meßperiode.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 10.
Um beispielsweise eine automatische Fehlererkennung oder -korrektur bei handelsüblichen Stromzählern vornehmen zu können, sind eine hochgenaue und ständige Erfassung der tatsächlich fließenden Ströme, einschließlich des Stromes im Null-Leiter sowie der Spannungen erforderlich, und zwar als Zeit-Integrale jeweils über eine bestimmte Meßperiode, die beispielsweise jeweils einer halben Periode der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes entspricht.
Bei dem bisher üblichen Verfahren wird die Amplitude der zu messenden Größe in bestimmten Intervallen abgetastet, und zwar mit einer Abtastfrequenz größer als die Frequenz der sich ändernden Meßgröße. Während jeder Abtastung wird die jeweils vorhandene Amplitude gemessen. Die so gewonnenen Meßwerte werden als digitale Werte gespeichert. Aus den gespeicherten Werten wird dann in einem Rechenschritt der gewünschte Meßwert ermittelt.
Diese bekannten Verfahren erfordern einen relativ hohen soft- und hardwaremäßigen Aufwand und sind dennoch relativ ungenau, so daß sie insbesondere auch für eine automatische Überwachung oder Fehlerkorrektur beispielsweise von Elektrizitätszählern nicht geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Zeit-Integrals der Amplitude einer sich zeitlich ändernden Meßgröße, nämlich eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung über eine Meßperiode aufzuzeigen, welches (Verfahren) ein Meßergebnis mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei einem relativ geringen Hardware- und Softwareaufwand ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Meßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist entsprechend dem Patentanspruch 10 ausgeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist mit einfachen Mitteln eine sehr viel höhere Auflösung beim ermitteln des Zeitintegrals erreichbar als mit den bisher üblichen Meßverfahren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere auch beispielsweise der idealen Sinus-Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes überlagerte Impulse und/oder Störspannungen, wie sie in zunehmendem Maße auch in dem allgemeinen Versorgungsnetz anzutreffen sind, zuverlässig erfaßt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit und Wiederholgenauigkeit mit geringem Grundrauschen aus. Weitere Vorteile sind ein einfaches Interface zum angeschlossenen Mikrocontroller und ein einfach zu handhabender bzw. weiter zu verwendender Meßwert in Form eines Zählwertes. Aus dem jeweiligen Zeitintegral kann dann auch mit höchster Genauigkeit der Effektivwert der Spannung bzw. des Stromes berechnet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Blockdiagramm ein Meßmodul gemäß der Erfindung;
2 ein Diagramm eines sinusförmigen Strom- bzw. Spannungsverlaufs;
3 in vereinfachter Darstellung eine mehrere Meßmodule der 1 umfassende Meßvorrichtung zur automatischen Fehlerkorrektur von Drehstromzählern, zusammen mit einem derartigen Zähler.
Das in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Meßmodul dient zum Messen des Amplituden-Zeit-Integrals einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstromes eines 50/60 Hz-Versorgungsnetzes, und zwar bei dem nachstehend noch näher beschriebenen Anwendungsfall zur Messung der Wechselspannung und des zugehörigen Stromes der drei Phasen oder Leiter L1, L2 und L3 eines Drehstromnetzes sowie des Stromes des Null-Leiters N dieses Netzes, und zwar beispielsweise zur automatischen Fehlerüberwachung und/oder -korrektur eines Drehstromzählers 2 (3).
Das Meßmodul 1 besteht aus einer Eingangsstufe 3 mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler, dem am Eingang 3.1 die zu messende Wechselspannung bzw. eine hiervon mit hoher Genauigkeit abgeleitete Meßspannung U_M oder eine von dem zu messenden Strom mit hoher Meßgenauigkeit abgeleitete Meßspannung U_M zugeführt wird und der an seinem Ausgang ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal liefert, beispielsweise in Form einer Impulsfolge, deren Frequenz eine Funktion, vorzugsweise eine lineare Funktion der jeweiligen Amplitude der Spannung U_M ist.
Der Spannungs-Frequenz-Wandler 3 ist beispielsweise so ausgebildet, daß sich dessen Frequenz in Abhängigkeit von der am Eingang 3.1 anliegenden Spannung U_M in einem Frequenzbereich zwischen einigen Hz und etwa 100 kHz endet, wobei die unterste Frequenz einem augenblicklichen Spannungswert Null und die höchste Frequenz dem maximalen Spannungswert am Eingang 3.1 entsprechen.
Das Ausgangssignal am Ausgang wird dem Trigger-Eingang 4.1 eines binären Zählers 4 zugeführt, beispielsweise eines 32Bit-Zählers, der während einer Zählphase, die beispielsweise einer halben Periode der am Eingang 3.1 anliegenden Meßspannung U_M entspricht, aufaddiert und der am Ende der Zählphase den so gewonnenen Zählwert, der dem Zeitintegral aus dem Spannungsverlauf der Meßspannung U_M über die Meß- oder Zählphase und damit auch dem Zeitintegral ∫Udt bzw. ∫Idt der zu messenden Größe, nämlich der Spannung U bzw. des Stromes I entspricht, an einen Mikrocontroller 5 bzw. dessen Eingang 5.1 zur weiteren Verwendung weitergibt.
Zur Steuerung des Beginns und des Endes der jeweiligen Meßphase sowie zur Steuerung des Auslesens des Zählerstandes des binären Zählers 4 in den Mikrocontroller 5 weist das Meßmodul 1 weiterhin einen Nulldurchgangsdetektor 6 auf, dessen Eingang 6.1 mit einem Steuersignal oder einer Steuerspannung U_St beaufschlagt ist. Im einfachsten Fall ist diese Steuerspannung U_St die Meßspannung U_M oder eine von der Meßspannung abgeleitete Spannung. Als Steuersignal bzw. Steuerspannung U_St kann aber auch ein anderes mit der Meßspannung U_M oder mit der zu messenden Größe (Spannung oder Strom) synchronisiertes Wechselspannungssignal verwendet werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform liefert der Nulldurchgangsdetektor 6 bei jedem Nulldurchgang der Steuerspannung U_St an seinem Ausgang ein Reset-Signal, welches dem Reset-Eingang 4.2 des binären Zählers 4 zugeführt wird. Das Reset-Signal liegt jeweils am Nulldurchgang der Steuerspannung U_St, d. h. am Ende einer jeden Meßperiode bzw. am Anfang der nächstfolgenden Meßperiode an und veranlaßt, daß der laufende Zählvorgang des Binärzählers 4 gestoppt, der gezählte Wert an den Mikrocontroller 5 ausgelesen und der Zählerstand des Zählers 4 auf Null gesetzt wird. Das am Ausgang 5.2 des Mikrocontrollers 5 anstehende Ausgangssignal (Meßwert) kann dann für die unterschiedlichsten Zwecke weiterverwendet werden.
Das beschriebene Meßmodul 1 hat den Vorteil, daß es mit sehr hoher Genauigkeit, insbesondere auch mit hoher Reproduzierbarkeit das Messen des Spannungs-Zeit-Integrals ermöglicht, und zwar mit einer extrem hohen Auflösung, die im wesentlichen nur durch den möglichen Frequenzhub des Ausgangssignals des Spannungs-Frequenz-Wandlers bestimmt ist. Die Bildung des dem Spannungs-Zeit-Integrals aus der Meßspannung U_M erfolgt praktisch kontinuierlich und es werden hierbei auch Störspannungen oder Störimpulse, die der idealen Sinus-Form der zu messenden Größe (Spannung oder Strom) überlagert sind, ebenfalls mit hoher Genauigkeit berücksichtigt. Aus dem Zeitintegral kann dann z.B. der Effektivwert der zu messenden Größe im Mikrocontroller 5 problemlos berechnet werden.
Das Meßmodul 1 eignet sich insbesondere für eine automatische Fehlerkorrektur bei Drehstromzählern. Hierfür ist entsprechend der 3 eine Meßeinrichtung 7 vorgesehen, die insgesamt sieben Meßmodule 1 aufweist, und zwar jeweils drei Meßmodule 1 zur Messung der Spannungen U an den drei Leitern L1, L2, L3 des Drehstromnetzes, und zwar jeweils gemessen gegenüber dem Null-Leiter N sowie vier Meßmodule 1 zur Messung des Stromes in jedem Leiter L1, L2, L3 sowie im Null-Leiter N.
Für die Messung der Leiterspannungen werden von diesen Spannungen abgeleitete Meßspannungen U_M verwendet, wobei diese Spannungen z. B. an hochohmigen Spannungsteilern abgegriffen werden. Die Meßspannungen U_M für die zur Messung der Ströme dienenden Meßmodule 1 werden jeweils an Meßwandlern 8 gebildet, die beispielsweise induktive Meßwandler sind.
Als Wandler 8 eignen sich insbesondere auf dem Hall-Effekt basierende Wandler oder Sensoren. Ein solcher Sensor ist beispielsweise als integrierter Schaltkreis in Dickfilmtechnik aufgebaut und enthält dann sämtliche passiven und aktiven Komponenten, vorzugsweise auch einen hoch linearen und rauscharmen Vorverstärker, der die gewonnenen Hall-Spannungen bzw. Meßspannungen verstärkt. Mit einem derartigen Sensor, der dann beispielsweise vergossen und in Printtechnik zum Einlöten in eine Leiterplatte ausgeführt ist, können Ströme bis beispielsweise 25 Ampere gemessen werden. Auch größere Meßbereiche sind denkbar.
An seinen Ausgängen 9 liefert die Meßeinrichtung 7 die dem jeweiligen Spannungs- bzw. Stromintegral entsprechenden Ausgangssignale, die dann beispielsweise zur Korrektur und/oder zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des der Meßeinrichtung 7 zugeordneten Drehstromzählers 2 verwendet werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Vorstehend wurden der Spannungs-Frequenz-Wandler 3 und der Zähler 4 jeweils als eigenständige Bauteile oder Baugruppen zusätzlich zum Mikrocontroller 5 beschrieben. Es versteht sich, daß diese Baugruppen oder deren Funktionen ganz oder teilweise auch softwaremäßig realisiert sein können.

1: Meßmodul
2: Drehstromzähler
3: Spannungs-Frequenz-Wandler
3.1: Eingang des Spannungs-Frequenz-Wandlers
4: binärer Zähler
4.1: Trigger-Eingang des Zählers 4
4.2: Reset-Eingang des Zählers 4
5: Mikrocontroller
5.1: Eingang des Mikrocontrollers
5.2: Ausgang des Mikrocontrollers
6.0: Durchgangsdetektor
6.1: Eingang des Nulldurchgangsdetektors
7: Meßeinrichtung
8: induktiver Meßwandler
9: Ausgang der Meßeinrichtung 7

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Amplituden-Zeit-Integrals einer zu messenden elektrischen Größe in Form eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung über eine vorgegebene Meßperiode, gekennzeichnet durch die Bildung eines frequenzmodulierten Meßsignals, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der jeweiligen augenblicklichen Amplitude der Meßgröße verändert, sowie durch Zählen der in der jeweiligen Meßperiode auftretenden Perioden und/oder Halbperioden des Meßsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Meßsignals linear in Abhängigkeit von der jeweiligen Amplitude der zu messenden Größe geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximas wenigstens einer Polarität des Meßsignals während der Meßperiode gezählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal eine Impulsfolge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal ein Sinus-Signal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßperiode gleich einer halben Periode der zu messenden Größe oder ein Vielfachen hiervon ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zählen der Perioden des Meßsignals ein binärer Zähler (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein von der zu messenden Größe abgeleitetes oder mit der zu messenden Größe synchronisiertes Reset-Signal am Anfang jeder Meßperiode der Zählerstand des Zählers auf Null gesetzt und am Ende jeder Meßperiode der Zählerstand des Zählers (4) ausgelesen wird, beispielsweise in einen Mikrocontroller (5).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe die Wechselspannung oder der Wechselstrom eines elektrischen Versorgungsnetzes ist.
Vorrichtung zur Bestimmung des Amplituden-Zeit-Integrals einer zu messenden elektrischen Größe in Form eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung über eine vorgegebene Meßperiode, gekennzeichnet durch Mittel 83) zur Bildung eines frequenzmodulierten Meßsignals, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der jeweiligen augenblicklichen Amplitude der Meßgröße verändert, sowie durch Mittel (4) zum Zählen der in der jeweiligen Meßperiode auftretenden Perioden und/oder Halbperioden des Meßsignals.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (3) zur Bildung eines frequenzmodulierten Meßsignals ein Meßsignal erzeugen, dessen Frequenz sich linear in Abhängigkeit von der jeweiligen Amplitude der zu messenden Größe ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4) zum Zählen die Maximas wenigstens einer Polarität des Meßsignals während der Meßperiode zählen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal eine Impulsfolge ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal ein Sinus-Signal ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßperiode gleich einer halben Periode der zu messenden Größe oder ein Vielfachen hiervon ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines frequenzmodulierten Meßsignals ein Spannungs-Frequenzwandler (3) sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zählen von wenigstens einem binären Zähler (4) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein von der zu messenden Größe abgeleitetes oder mit der zu messenden Größe synchronisiertes Reset-Signal am Anfang jeder Meßperiode der Zählerstand des Zählers auf Null gesetzt und am Ende jeder Meßperiode der Zählerstand des Zählers (4) ausgelesen wird, beispielsweise in einen Mikrocontroller (5).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bestandteil einer Meßeinrichtung zur Überwachung, insbesondere zur automatischen Fehlerkorrektur oder Fehleranzeige eines elektrischen Verbrauchszählers (2) ist.