DE1951437C - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw elektri scher Energie - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw elektri scher EnergieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer
Energie, mit einem Analog-Digitalwandler, der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale
Frequenz abgibt und einen Miller-Integrator aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen
Spannung entladen wird.
Zur Messung elektrischer Wirkleistung muß bekanntlich
das Produkt aus Spannung und Strom gebildet werden. Neben mechanischen Vorrichtungen sind
zur Multiplikation zweier Größen auch rein elektronische Schaltungen bekanntgeworden, die jedoch meist-ns
Bauteile mit nicht gleichbleibenden, z. B. temperaturabhängigen Kennlinien besitzen, welche die
Meßgenauigkeit ungünstig beeinflussen. Dies gilt beispielsweise bei der Anwendung von Hallgeneratoren,
ferner bei der Bildung des Produktes xy der Beziehung
log xy = log λ; + logy, wo logarithmische Kennlinien von Halbleitcrelementen eingesetzt werden. Bei
der Bestimmung des Produktes xy aus der Beziehung xy = (.v + yf - (x - yf sind quadratische Kennlinien
von Halblciteranordnungen erforderlich.
Es ist durch die schweizerische Patentschrift 462 953 eine Multiplikationsschaltung bekanntgeworden, bei
welcher die Amplitude der Impulse einer Impulsfolge in Abhängigkeit vom einen Faktor und das Verhältnis
von Impulsdauer zu Pausendauer in Abhängigkeit vom anderen Faktor moduliert wird, so daß der Spannungsmittelwert
dieser Impulse dem Produkt proportional ist. Diese Schaltung hat sich in der Praxis gut
bewährt, kann jedoch nicht ohne weiteres in monolithisch integrierter Form hergestellt werden. Ferner
sind bei dieser bekannten Schaltung zur Multiplikation von Größen mit veränderlichem Vorzeichen
schnelle transistorisierte Umschalter erforderlich, deren Restspannungen bzw. Restwiderstände das Meßergebnis
erheblich verfälschen können.
Die erwähnten bekannten Multiplikatoren bilden vorerst das Produkt in analoger Form. Zur Ermittlung
der elektrischen Energie wird jedoch nicht eine analoge Meßgröße, sondern eine Impulsfolge mit dem
Produkt aus Spannung und Strom proportionaler Impulsfolgefrcquenz gefordert, weshalb in den Ausgang
der bekannten Multiplikatoren ein Strom-Frequenzwandler geschaltet werden muß, der weitere
Meßfehler mit sich bringen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Schaltungen nicht aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt der zu multiplizierenden Größen proportionaler Impulsfolgefrequenz unmittelbar erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Schaltungen nicht aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt der zu multiplizierenden Größen proportionaler Impulsfolgefrequenz unmittelbar erzeugt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgcinäß
dadurch, daß die erste Mulliplikalionsgröße über einen Meßwiderstand an den Eingang des Millcr-Intc-
grators geführt ist und daß der Meßwiderstand e>ne
von der zweiten Multiplikationsgröße gesteuerte, ihrem Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers
für Gleichstrom..
P i g. 2 ein Blockschaltbild eines Energiemessers Tür Wechselstrom und
F i g. 3 ein Prinzipschaltbild eines Leislungsmessers
für Wechselstrom.
In der F i g. 1 ist eine erste Multipiikationsgröße U1
über einen Meßwiderstand 1, welcher aus einem gesteuerten Widerstand R1 und aus einem Widerstand R2
mit konstanter impedanz besteht, an den Eingang eines Miller-'iitegralors 2 geführt. Dieser Miller-Integrator
wei^t einen Verstärker 3 mit einem zwischen
den Eingang 4 und den Ausgang 5 geschalteten Kondensator 6 auf und bildet zusammen mit einem
Schwellenschalter 7. der jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspani ung die Entladung
des Kondensators 6 mittels eines Kurzschlußschalters 8 auslöst, einen an sich bekannten Analog-Digitahvandler
9. An Stelle des Kurzschlußschalters 8 kann auch ein Ladungsmengenkompensator Verwendung
finden, welcher beim Ansprechen des Schwellenschalters 7 Impulse mit konstanter Ladung ar den
Eingang 4 liefert.
Eine Referenzspannungsquelle U0 ist über einen
Spannungsteiler 10. der aus einem vom Ausgang 11 eines Differenzverstärkers 12 in nicht näher dargestellter
Weise gesteuerten Widerstand R3 und einem Widerstand R4 besteht, an einen ersten Eingang 13
des Differenzverstärkers 12 geschaltet. Die zweite MultipKkationsgröße U1 ist über einen Spannungsteiler
R5. R6 an einen zweiten Eingang 14 des Differenzverstärkers
12 gelegt. Der Ausgang 11 desselben steuert die Widerstände R1 und R3 in gleicher Weise.
so daß die Bedingung R1 = R3 jederzeit erfüllt ist.
Ferner ist R2 = R±.
Die Arbeitsweise des Analog-Digilalwandlers 9
kann als bekannt vorausgesetzt werden. Für seine Ausgangsfrequenz
/„ gilt
wobei Zc1 eine Konstante und R = R1 + R2 den Ohmwert des Meßwiderstandes 1 bedeutet.
Ferner ist
Ferner ist
«4
U. =
R3 + R4
ß5 + κ.,
Un
Dabei bedeutet Ux die Spannung am Widerstand R4
und Uy diejenige am Widerstand R,,.
Der Differenzverstärker 12 steuert den Widerstand R3 derart, daß Ux - U, = 0 ist. Damit wird
R3 + R., =
R4. R5 und R6 sowie die Referenzspannung L'o konstant
sind, gilt
R = R1 + R2 = A-,
L2
worin k2 eine Konstante bedeutet. Die Impedanz R
des Meßwiderstandes 1 ist also dem Reziprokwert der Multipiikationsgröße LZ2 proportional. Damit wird
Somit ist die Ausgangsfrequenz /„ ein Maß für die
Leistung eines elektrischen Verbrauchers, wenn die eine der beiden Multiplikaaonsgrößen ein Abbild
des Stromes und die andere Multiplikiuicmsgröße ein
Abbild der Spannung ist.
Als gesteuerte Widerstände R, und R3 können vorteilhaft
zwei gleiche Feldeffekttransistoren verwendet werden. Diese werden mit Vorteil unterhalb der sogenannten
Einschnürspannung betrieöen. wo die F'rom - Spannungs - Kennlinie des Drain - Source-Strompfades
nahezu linear verläuft. Zur weiteren Linearisierung kann zwischen die Drain- und die Gatcelektrode
ein Gegenkopplungswiderstand und in Reihe mit der Gatcelektrode ein weiterer Widerstand gcschallet
werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin,
als gesteuerte Widerstände R1 und R3 magnetfeldabhängige
Widerstände zu verwenden, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers
12 erregten Spule liegen.
Unterschiede in der Charakteristik der gesteuerten Widerstände R, und R3 können durch Reihen- und
Parallelwiderständc ausgeglichen werden.
In der F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines Energiemessers für Wechselstrom dargestellt. Mit 15 ist ein
Leistungsmesser bezeichnet, der schaltungsmäßig demjenigen der F i g. 1 entspricht. Die Multiplikationsgrößen j/, und ii2. die Abbilder der Spannung und des
Stromes eines elektrischen Verbrauchers darstellen, sind jeweils einer konstanten Gleichspannung L01 bzw.
U02 überlagert. Diese Gleichspannungen sind so gewählt,
daß in jedem Zeitmoment die Beziehungen
0 und U02 + K2
> 0 gelten.
Der Ausgang 16 des Leistungsmesseis 15 ist mit
einem Addicreingang 17 eines Impulszählers 18 verbunden. Fin S'-ibtrahicreingang 19 desselben ist an
einen Impulsgeber 20 angeschlossen, der eine Referenzfrequenz /0 abgibt, welche die Bedingung
./(J = ;, ^ oi ' U02
erfüllt.
Wenn κ, und K2 den Scheitclwert der Spannungen K1
und K2 gleicher Frequenz und cos <{ den Phasenwinkel
zwischen K1 und K2 Wdeutet, schwankt die Frequenz /„
um den Mittelwert
T=
J Il
I.
K7
Ii1 · K2 · cos·-/
ι
ι
L' (11 L' (I
Für den nach einer Meßperiode 7' erreichten Zählcrstand /V des Impulszählers 18 gilt somit:
Da R, = R3 und R2 = R4 ist und die Widerstände
ζ E d F d g
Die Refcrenzfrcqucnz Jn des Impulsgebers 20 wird
vorteilhaft von der Netzfrequenz /:V eines Encrgieverteilnet/es
abgeleitet, da der über längere Zeit betrachtete Mittelwert der Netzfrequcnz äußerst konstant
ist. Durch Frequenzuntersetzung kann beispielsweise eine Refcrenzfrequenz
Jo = —■ U
erzeugt werden, wobei η und m ganze Zahlen sind.
Die Ubertragungskonstante
Un
Λ>2
muß dementsprechend gleich — · /lV gewählt werden.
Die F i g. 3 zeig; ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Wechselstrom. Gleiche Teile wie in
der F i g. 1 sind mit den gleichen Bczugszahlcn verschen.
Der Strom / eines in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchers ist an einen Stromwandler 21
geführt, an dessen Abschlußwiderstand 22 die Spannung ii, liegt. Die Spannung ist der konstanten Gleichspannung
(Jn, überlagert und. über den ■Meßwiderstand 1 an den Eingang 4 des Miller-Integrators 2
geführt.
Die Sekundärwicklung 23 eines an die Spannung U des Verbrauchers angeschlossenen Spannungswandlers
24 ist in Reihe mit der Rcfcrenzspannungsqucllc Un
an den Spannungsteiler Rs, R,, geschaltet. Somit ist
■die der Multiplikalionsgrößc H2 überlagerte konstante
ίο Größe die Spannung der Rcfercnzspannungsquellc Un.
Die gesteuerten Widerstände R1, R-1 sind durch Feldeffekttransistoren
25, 26 gebildet.
Eine Stromquelle 27 ist an den Eingang 4 des Miller-Integrators
2 angeschlossen. Sie entzieht dem Kondcnsator 6 einen konstanten Strom /,, dessen Größe derart
gewählt ist, daß bei U-I = Q die Ausgangsf'-cqucnz
/„ = 0 ist.
Bei cos 7 < 1 nimmt die Momcntanleistung zeitweilig
negative Werte an. Dabei wird auch die Spannung am Kondensator 6 negativ. Deshalb muß der
Verstärker 3 sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung mit einem Analog-Digitalwandler,
der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale Frequenz abgibt und einen Millerintegrator
aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung
entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Multiplikationsgröße
(U1 ; H1) über einen Meßwiderstand (1) an den Eingang
(4) des Miller-Integrators (2) geführt ist und daß der Meßwiderstand (1) eine von der zweiten
Multiplikationsgröße (U2; u2) gesteuerte, ihrem
Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist. .'5
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ^^kennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1)
aus einen1 von eine.« Differenzverstärker (12) gesteuerten
ersten Widerstand (R1) und aus einem zweiten Widerstand (R2) mit konstanter Impedanz
besteht, daß eine Referenzspannungsquelle (U0) über einen Spannungsteiler (10) an den ersten Eingang
(13) des Differenzverstärkers (12) und ein Abbild der zweiten Multiplikationsgröße (JV2) an
den zweiten Eingang (14) desselben geschaltet ist und daß der Spannungsteiler (10) einen vom Differenzverstärker
(12) gesteuerten dritten Widerstand (R3) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch
gekennzeichnet, daß ^er erste und der dritte Widerstand (R,; R3) durch Feldeffekttransistoren
(25; 26) gcDildet sind.
4. Schiitungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Drain-
und die Gateelektrode der Feldeffekttransistoren (25: 26) ein Gegenkopplungswiderstand und in
Reihe mit der Gateelcktrode ein weiterer Widerstand geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste -ind der dritte
Widerstand (R,; R3) magnetfeldabhängige Widerstände
sind, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers (12) erregten
Spule liegen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß den Multiplikationsgrößen («,; W2) konstante Größen (Um ; U02) überfagert
sind und daß der Miller-Integrator (2) eingangsseitig an eine konstante Stromquelle (27)
angeschlossen ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen
Energie den Multiplikationsgrößen (»,; u2)
konstante Größen (U01 ; £/„2) überlagert sind und
daß der Ausgang des Analog-Digitalv.andlers (9) mit einem Addiereingang (17) eines Impulszählers
(18) verbunden und ein Subtrahiereingang (19) des Impulszahlers (18) an einen Impulsgeber (20)
mit konstanter Frequenz (/0) angeschlossen ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 6 oder Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die der zweiten Multiplikationsgröße (u2) überlagert
konstante Größe die Spannung der Referenzspannungsquelle (U0) ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (/0) des
Impulsgebers (20) von der Netzfrequenz eines Energieverteilnetzes abgeleitet ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH215569 | 1969-02-13 | ||
CH215569A CH478413A (de) | 1969-02-13 | 1969-02-13 | Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1951437A1 DE1951437A1 (de) | 1970-10-22 |
DE1951437B2 DE1951437B2 (de) | 1972-08-31 |
DE1951437C true DE1951437C (de) | 1973-04-05 |
Family
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