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Integralwertmesser, insbesondere Elektrizitätszähler Die Erfindung
betrifft einen Integralwertmesser, insbesondere Elektrizitätszähler, zur Zählung
einer Größe, die näherungsweise dem Produkt aus einer stark veränderlichen und einer
im Verhältnis zu dieser schwach veränderlichen Meßgröße proportional ist, mit einem
Meßwandler zur Umformung der stark veränderlichen Meßgröße in einen proportionalen
Ladestrom zur Aufladung eines Meßkondensators sowie mit einer elektronischen Kippschaltung,
deren Halbleiterschaltelement dem Meßkondensator parallel geschaltet ist und diesen
jeweils bei tÇberschreiten einer vorgegebenen Kippspannung periodisch entlädt und
bei jeder Entladung ein Zählwerk schaltet, und mit einem weiteren Meßwandler zur
Umformung der schwach veränderlichen Meßgröße in eine proportionale Gleichspannung,
deren Differenzspannung gegenüber einer konstanten Zusatzspannung der Kippschaltung
zugeführt ist und deren Schaltzeitpunkt derart steuert, daß die Anzahl der Entladungen
des Meßkondensators proportional mit der schwach veränderlichen Meßgröße zu- oder
abnimmt.
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Es sind Integralwertmesser bekanntgeworden, bei denen der Entladevorgang
des Kondensators durch spannungsabhängige Widerstände, wie beispielsweise Glimmlampen
oder Vierschichtdioden, gesteuert wird. Bei diesen Anordnungen werden jedoch auftretende
geringfügige Änderungen der einen Meßgröße nicht berücksichtigt, so daß die Messungen
lediglich dann genau sind, wenn ein Faktor praktisch konstant ist. Das trifft bei
Elektrizitätszählern in erster Annäherung auf die Spannung zu. Für viele Anwendungsfälle,
beispielsweise zur Berechnung von Gebühren, sind die so erzielten Meßergebnisse
jedoch so ungenau, so daß diese bekannten Anordnungen hierbei nicht verwendet werden
könnnen.
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Es ist auch schon ein elektronischer Wattstundenmesser bekanntgeworden,
der Spannungsschwankungen bei der Produktbildung von Strom und Spannung berücksichtigt.
In dieser Schaltungsanordnung wird zu diesem Zweck eine der Meßspannung umgekehrt
proportionale Spannung erzeugt, die einen im Entladestromkreis eines Meßkondensators
liegenden Schalttransistor steuert. Diese Anordnung ist jedoch sehr aufwendig und
arbeitet zudem schon allein infolge der vielen erforderlichen Bauteile nicht mit
der gewünschten Genauigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Integralwertmesser
der oben beschriebenen Art zu schaffen, bei dem auch Änderungen der sich wenig ändernden
Größe berücksichtigt werden und der trotzdem nur wenig Bauelemente benötigt und
sehr funktionssicher arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Verwendung
einer an sich bekannten, bei einer bestimmten Spannung in den leitfähigen Zustand
übergehenden Vierschichthalbleiterdiode als Kippschaltung im Entladekreis des Meßkondensators
eine mit dieser in Durchlaßrichtung und in Reihe geschaltete Diode liegt, an der
die von der schwach veränderlichen Meßgröße linear abhängige Differenzspannung in
Sperrichtung angeschlossen ist.
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Zweckmäßigerweise wird die Zusatzspannung in einer Brückenschaltung
erzeugt, die in einem Brükkenzweig zwei Wirkwiderstände und im anderen Brückenzweig
einen Wirkwiderstand und einen spannungsabhängigen Widerstand aufweist, der unabhängig
vom Durchlaßstrom eine konstante Klemmenspannung einhält.
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An Hand der Zeichnung sei die Erfindung an Scheinverbrauchszählern
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Scheinverbrauchszähler in einphasiger Anordnung,
und in Fig. 2 sei ein solcher für drei Phasen gezeigt.
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Die einphasige Anordnung nach F i g. 1 stellt die Erweiterung eines
Amperestundenzählers dar, bei dem durch zusätzliche Schaltelemente bei Schwankungen
der Netzspannung in einem vorgeschriebenen Spannungsbereich (+ 1ovo der Nennspannung)
ein Einfluß auf die Fortschaltung des Zählwerkes ausgeübt wird, so daß für diesen
Bereich die gezählte Impulszahl in guter Näherung dem Produkt aus Strom und Spannung
gleichzusetzen ist. Bei Überspannung wird durch diese zusätzlichen Schaltelemente
eine schnellere und bei Unterspannung eine langsamere Fortschaltung des Zählwerkes
bewirkt.
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Im einzelnen besteht der Zähler aus einem Stromwandler 1, der im
Leitungszug liegt und durch einen Widerstand 8 belastet ist. An den Klemmen des
Widerstandes 8, an dem eine dem Laststrom proportionale Spannung entsteht, liegt
ein Widerstand 2 und die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors 3. Im Basis
-Kollektor-Kreis
des Transistors liegen die Batterie 4 und ein Kondensator 5. Parallel zum Kondensator
ist ein Impulszählwerk 6 und eine Silizium-Vierschicht-Diode 7 angeschlossen. In
Reihe mit der Silizium-Vierschicht-Diode 7 und dem Impulszählwerk 6 liegt eine Diode
9, die so geschaltet ist, daß sie das Fließen des Entladestromes im Entladekreis
des Kondensators nicht behindert. An den Klemmen der Diode 9 liegt in Sperrichtung
eine Gleichspannung, die von der Verbraucherwechselspannung in ihrem Betrag abhängig
ist. Zur Erzeugung der Gleichspannung ist ein Wandler 13 vorgesehen, der primärseitig
an der Verbraucherwechselspannung liegt und sekundärseitig einen Gleichrichter 12
und einen Glättungskondenator 11 enthält. Der an den Kondensatorklemmen entstehenden
Spannung ist eine Spannungsquelle 10 entgegengeschaltet, so daß an der Diode 9 die
Differenzspannung zwischen Kondensatorspannung und Gegenspannung in der gezeichneten
Polarität auftritt.
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In dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors 3 fließt in jeder positiven
Halbwelle der am Widerstand 8 auftretenden Spannung ein Strom, der im Basis-Kollektor-Kreis
einen ebenso großen Stromfluß auslöst.
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Dieser Kollektorstrom bewirkt die Aufladung des Kondensators 5. Vor
Beginn des Entladevorganges des Kondensators, der vermittels der Silizium-Vierschicht-Diode
gesteuert wird, liegt an dieser Diode die Summe der Spannungen vom Kondensator 5
und von der Diode 9. Da die Entladung des Kondensators 5 stets bei Erreichen der
Durchbruchspannung an der Diode 7 erfolgt, wird der Kondensator bereits entladen,
bevor er selbst die Durchbruchspannung erreicht hat, denn die Kondensatorspannung
wird durch die an der Diode 9 liegende Spannung zur Durchbruchspannung ergänzt.
Je höher also die Zusatzspannung an der Diode 9 ist, um so eher erfolgt die Entladung
des Kondensators, d. h., die Kondensatorentladungen folgen bei hoher Zusatzspannung
schneller aufeinander als bei niedriger Zusatzspannung. Die Zusatzspannung an der
Diode, die sich, wie bereits erwähnt, als Differenz aus der Spannung am Kondensator
11 und der konstanten Spannung der Spannungsquellel0 ergibt, ist linear von der
Netzspannung abhängig, denn die geglättete Spannung am Kondensator ist proportional
der Netzspannung, da sie von dieser durch Transformation und Gleichrichtung abgeleitet
wird. Die Spannungsquelle 10 wird so gewählt, daß an der Diode 9 bei einer Netzunterspannung
von 100/o keine Spannung auftritt, während sie bei Netzüberspannung von 10 °lo etwa
200/0 der Durchbruchspannung der Silizium-Vierschicht-Diode betragen möge. Bei 10
ovo Unterspannung des Netzes wird der Kondensator 5 also bis zur Durchbruchspannung
der Diode 7 aufgeladen, während mit steigender Netzspannung die Spannung am Kondensator
5, bei der er entladen wird, kleiner ist. Die Zusatzspannung ist nur während des
Aufladevorganges wirksam, weil sie während des Entladevorganges durch die Diode
9 kurzgeschlossen ist, da diese vom Entladestrom in Durchlaßrichtung durchflossen
wird.
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Das Impulszählwerk, das die Zahl der Entladungen registriert, zeigt
bei entsprechender Eichung das Produkt aus Strom und Spannung unabhängig vom Phasenwinkel
der beiden Größen an, d. h., es registriert den Scheinverbrauch.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist ein Scheinverbrauchszähler
für ein spannungssymmetri-
sches Drehstromsystem dargestellt. Bei dieser Anordnung
werden die Lastströme drei Stromwandlern 21, 21', 21" zugeführt, an denen sekundärseitig
Gleichrichteranordnungen 34, 34', 34" angeschlossen sind.
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An die Gleichstromseiten der Gleichrichteranordnungen sind Widerstände
28, 28', 28" angeschaltet. Diese Widerstände stellen die Bürden der drei Stromwandler
dar, und die pulsierenden Gleichspannungen an diesen Bürdenwiderständen sind ein
Maß für die Amplituden der einzelnen Leiterströme. Die Bürdenspannungen sind in
Reihe geschaltet, d. h., sie steuern in Summe den Transistor 23. Im Emitter-Basis-Kreis
des Transistors liegt wie bei der Schaltung nach F i g. 1 ein Widerstand 22. Ebenso
ist der Basis-Kollektor-Kreis des Transistors wie bei Fig. 1 aufgebaut, d. h., er
besitzt einen Kondensator 25 und eine Batterie 24. Im Entladekreis des Kondensators
25 liegt eine Diode 29 in Durchlaßrichtung, ein Impulszählwerk 26 und eine Silizium-Vierschicht-Diode
27.
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An der Diode 29 liegt wieder eine Zusatzspannung in Sperrichtung,
die abhängig von der zwischen zwei Phasen herrschenden Spannung ist. Die Spannung
wird über einen Wandler 33 erzeugt, der primärseitig an zwei Phasen angeschlossen
ist und sekundärseitig an einem Gleichrichter 32 und einem Glättungskondensator
31 liegt. Zur Erzeugung einer der Spannung am Kondensator 31 entgegengerichteten
Spannung wird hier eine Brückenschaltung verwendet, die aus einem Widerstand 35
und einer Zenerdiode 36 und einem Einstellwiderstand 30 besteht. Die Brückenschaltung
ist technisch brauchbarer als eine Spannungsquelle. Die Zenerdiode hat die Eigenschaft,
daß sie unabhängig vom Durchgangsstrom die Klemmenspannung konstant hält. Wird der
Einstellwiderstand 30 so eingestellt, daß die Brücke bei 100/o Unterspannung abgeglichen
ist, so tritt bei dieser Netzspannung an der Diode 29 keine Spannung auf. Bei steigender
Netzspannung erhöhen sich an den Brükkenwiderständen die Teilspannungen, während
an der Zenerdiode die Spannung konstant bleibt. Die am Widerstand 30 abgegriffene
Spannung ist also bei höherer Netzspannung immer größer als die Spannung an der
Zenerdiode. Es entsteht somit eine der am Kondensator 31 herrschenden Spannung gegengerichtete
Spannung, so daß an der Diode 29 eine der eingezeichneten Polarität entsprechende
Differenzspannung auftritt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1. Die in Reihe geschalteten Bürdenspannungen auf der Emitter-Basis-Seite
des Transistors 23 steuern diesen und bewirken im Kollektorkreis einen den Lastströmen
proportionalen Ladestrom für den Kondensator 25. Die Entladung erfolgt wieder über
das Impulszählwerk26 und wird durch die Silizium-Vierschicht-Diode27 gesteuert,
wobei die Durchbruchspannung sich aus der Summe der Spannungen am Kondensator und
an der Diode 29 zusammensetzt.
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Der vom Impulszählwerk angezeigte Wert ist somit bei entsprechender
Eichung des Zählwerkes ein Maß für den Scheinverbrauch, denn das Zählwerk registriert
das Produkt aus Strom und Spannung unabhängig von der Phasenlage.