DE19652698C2

DE19652698C2 - Method and device for the precision measurement of time-varying electrical signals

Info

Publication number: DE19652698C2
Application number: DE1996152698
Authority: DE
Inventors: Horst Germer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: DE19652698A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Messung von Kennwerten zeitveränderlicher elektrischer Signale bei weitgehender Unabhängigkeit von der Frequenz und der Kurvenform des jeweiligen Messsignals.The invention relates to a method and a device for the electronic measurement of Characteristic values of time-varying electrical signals with extensive independence from the Frequency and the waveform of the respective measurement signal.

Wichtigster Kennwert (zum Beispiel einer elektrischen Wechselspannung u(t)) ist der die thermische oder mechanische Wirkung beschreibende Effektivwert, der entweder entspre chend der allgemeinen Definition
The most important characteristic value (for example an electrical alternating voltage u (t)) is the effective value describing the thermal or mechanical effect, which either corresponds to the general definition

direkt gemessen wird ("echte" Effektivwertmessung), oder der sich bei Kenntnis des Form faktors F = U_eff I|u| indirekt aus dem Gleichrichtwert
is measured directly ("real" effective value measurement), or which is known when the form factor F = U _eff I | u | indirectly from the rectification value

ergibt. Der Gleichspannungsanteil einer Wechselspannung entspricht dem arithmetischen Mittelwert:
results. The DC voltage component of an AC voltage corresponds to the arithmetic mean:

Weitere Kennwerte sind die Extremwerte u_max (positiver Scheitelwert), u_min (negativer Scheitelwert) und u_ss (Spitze-Spitze-Wert), die ebenfalls zur indirekten Bestimmung des Effektivwertes herangezogen werden, wenn der Kurvenverlauf der Messgröße bekannt ist.Other characteristic values are the extreme values u _max (positive peak value), u _min (negative peak value) and u _ss (peak-to-peak value), which are also used for the indirect determination of the effective value if the curve of the measured variable is known.

Bei den klassischen mechanischen Geräten zur Messung von Wechselspannungskennwerten, wie dem Drehspul- oder dem Dreheisenmesswerk, wird die auf den Augenblickswert anzu wendende Rechenoperation durch die besondere Gestaltung der das Drehmoment bildenden Komponenten oder im Falle der Betrags- oder Extremwertmessung durch Dioden-Gleich richterschaltungen erreicht, während die Mittelwertbildung durch die Massenträgheit des mechanischen Systems erfolgt. Solche Geräte sind aber schon wegen der geringen Skalenlän ge und der dementsprechend zu geringen Auflösung für Präzisionsmessungen ungeeignet. Hinzu kommt in den meisten Fällen eine unerwünscht starke Abhängigkeit der Anzeige von der Frequenz oder der Kurvenform des Messsignals.In the classic mechanical devices for measuring AC voltage values, such as the moving-coil or moving-iron measuring mechanism, will be based on the instantaneous value turning arithmetic operation through the special design of the torque forming Components or in the case of magnitude or extreme value measurement by diode equalization judge circuits achieved, while the averaging through the inertia of the mechanical system. Such devices are already because of the small scale ge and the correspondingly low resolution unsuitable for precision measurements. In addition, in most cases there is an undesirably strong dependency of the display on the frequency or the waveform of the measurement signal.

Die meisten elektronischen Wechselspannungsmessgeräte enthalten analoge Recheneinrich tungen, die entsprechend den Definitionen der Gleichungen (1) bis (3) die Quadrierung, die Betragsbildung, die Mittelwertbildung und die Radizierung ausführen oder im Falle der Ex tremwertmessung den erfassten Messwert analog speichern. Nichtlineare Operationen, insbe sondere die Quadrierung und die Radizierung zum Zwecke der direkten Effektivwertmessung sind jedoch auf analogem Wege nicht mit hinreichender Genauigkeit realisierbar, sodass mit diesen Verfahren Präzisionsmessungen mit Fehlern von weniger als 0,1% des Messbereich sendwertes nicht möglich sind. Most electronic AC voltage measuring devices contain analog computing devices the squaring according to the definitions of equations (1) to (3) Amount, averaging and rooting or, in the case of Ex save the recorded measured value analog. Nonlinear operations, esp in particular squaring and rooting for the purpose of direct RMS measurement cannot be realized with sufficient accuracy in an analog way, so with this method precision measurements with errors of less than 0.1% of the measuring range are not possible.

Sehr genaue Wechselspannungs- und Wechselstrommessungen mit Messfehlern unter 0,01% werden zur Zeit fast ausschließlich mit Kompensationseinrichtungen durchgeführt, bei denen die Messgröße hinsichtlich der Wirkung des zu ermittelnden Kennwertes auf einen Indikator mit einer dosierbaren Vergleichsgröße verglichen wird. Die Arbeit mit solchen manuell ar beitenden Geräten ist aber umständlich und zeitraubend.Very accurate AC voltage and AC measurements with measurement errors below 0.01% are currently almost exclusively carried out with compensation devices in which the measured variable with regard to the effect of the characteristic value to be determined on an indicator is compared with a measurable comparison variable. Working with such manual ar processing equipment is cumbersome and time consuming.

Es ist deshalb vorgeschlagen worden, solche Kompensationseinrichtungen zu automatisie ren. Zum Beispiel ist in DE 30 12 813 C2 eine Einrichtung zur Messung von Effektivwerten beschrieben, bei der die Messgröße und eine konstante Referenzgröße über einen Um schalter abwechselnd auf einen thermischen Indikator wirken, wobei die Messgröße in einer Eingangsstufe in einem solchen Verhältnis verstärkt oder gedämpft wird, dass mit der Um schaltung des Indikators korrelierte Schwankungen seines Ausgangssignals verschwinden. Auch in diesem Falle hängen die Genauigkeit und das Frequenzverhalten der gesamten Mess einrichtung von den Eigenschaften einer nichtlinearen analogen Eingangsstufe ab. Es hat sich gezeigt, dass mit derzeit verfügbaren Mitteln auch auf diesem Wege keine zufriedenstellende Messgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Bandbreite realisierbar ist.It has therefore been proposed to automate such compensation devices ren. For example, in DE 30 12 813 C2 is a device for measuring effective values described, in which the measured variable and a constant reference variable over a Um switches act alternately on a thermal indicator, the measured variable in one Input stage is amplified or damped in such a ratio that with the order circuit of the indicator correlated fluctuations in its output signal disappear. In this case, too, the accuracy and frequency response of the entire measurement depend device depends on the properties of a non-linear analog input stage. It has demonstrated that with currently available means no satisfactory means Measurement accuracy with a high bandwidth can be realized.

Als Alternative für die Ermittlung integraler Kennwerte ist es naheliegend, die nichtlinearen Operationen mit hoher Genauigkeit digital auszuführen und die Kennwerte aus jeweils einem repräsentativen Kollektiv von k Abtastwerten zu berechnen. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist beschrieben in: HEWLETT-PACKARD JOURNAL, April 1989, S. 15-21. Die dabei anzuwendenden Rechenvorschriften ergeben sich aus den Gleichungen (1) bis (3)
As an alternative to the determination of integral characteristic values, it is obvious to carry out the nonlinear operations digitally with high accuracy and to calculate the characteristic values from a representative collective of k samples in each case. An exemplary embodiment of this is described in: HEWLETT-PACKARD JOURNAL, April 1989, pp. 15-21. The calculation rules to be used result from equations (1) to (3)

Die erforderliche Kollektivmenge k wächst dabei jedoch nach den Regeln der Statistik qua dratisch mit dem Reziprokwert der zulässigen relativen Messunsicherheit ε. Will man so zum Beispiel Unsicherheiten in der Größenordnung 0,01% vom Messbereichsendwert erreichen und Messzeiten je berechnetem Messwert von höchstens einigen Sekunden zulassen, so liegen die erforderlichen Abtastraten bei 100 MHz. Dies ist zur Zeit auch mit ultraschnellen Analog- Digital-Umsetzern bei der erforderlichen Auflösung von mindestens 12 bit nicht erreichbar.However, the required collective set k grows qua according to the rules of statistics dramatically with the reciprocal of the permissible relative measurement uncertainty ε. Do you want to Example Uncertainties of the order of magnitude of 0.01% of the full scale value and allow measuring times of a maximum of a few seconds for each calculated measured value the required sampling rates at 100 MHz. This is currently also possible with ultra-fast analog Digital converters cannot be reached with the required resolution of at least 12 bit.

Einen anderen Lösungsweg geht die, stochastisch ergodische Messtechnik' (SEM), die zum Beispiel beschrieben wird von Massen, R. und Kohl, A. in: "Anwendungsbeispiele der sto chastischen Rechentechnik", ELELKTRONIK, 1975, Heft 9, S. 119-120. Hier findet zum Zwecke der Effektivwertmessung in zwei parallelen Kanälen je eine stochastische Codierung des Messsignals statt, und anschließend werden die Ausgangssignale beider Codierer durch ein AND-Glied verknüpft, was einer Multiplikation der den Augenblickswerten proportiona len Wahrscheinlichkeiten entspricht. Die stochastische Codierung kann, wie in DE 27 35 176 B2 vorgeschlagen wird, zum Beispiel dadurch erfolgen, dass ein digitaler Zufallszahlengene rator in Verbindung mit einem nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer analoge Testwerte erzeugt, die durch einen Komparator mit dem Messsignal verglichen werden. Das Verfahren funktioniert nur, wenn beide Codierer völlig symmetrisch aufgebaut, ihre Ausgangssignale jedoch nicht korreliert sind. Andernfalls entstehen Fehler, die nicht nachträglich korrigiert werden können. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist der relativ hohe Aufwand, der für den Aufbau der Schaltung und ihren Abgleich erforderlich ist.Another approach is the 'stochastic ergodic measurement technology' (SEM), which is used for Example is described by Massen, R. and Kohl, A. in: "Application examples of sto chastic computing technology ", ELELKTRONIK, 1975, No. 9, pp. 119-120 RMS measurement in two parallel channels, one stochastic coding each of the measurement signal, and then the output signals of both encoders an AND gate combines what is a multiplication of the current values proportional len probabilities. The stochastic coding can, as in DE 27 35 176 B2 is proposed, for example, by using a digital random number gene rator in conjunction with a downstream digital-to-analog converter generated, which are compared by a comparator with the measurement signal. The procedure only works if both encoders are completely symmetrical, their output signals but are not correlated. Otherwise errors occur that are not corrected subsequently can be. Another disadvantage of the method is the relatively high cost involved the structure of the circuit and its adjustment is required.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Präzisionsmessung unterschiedlicher Kennwerte zeitveränderlicher Größen zu schaffen, deren Messfehler deutlich unter denen herkömmlicher Einrichtungen liegen, ohne dabei deren Nachteile, wie etwa eine geringe Bandbreite oder eine zu niedrige Messrate, in Kauf zu nehmen.The invention is therefore based on the object of an inexpensive method and Device for digital precision measurement of different parameters more time-varying To create sizes whose measurement errors are well below those of conventional devices are without their disadvantages, such as a narrow bandwidth or too low Measurement rate to be accepted.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache, dass marktgängige Digital-Analog- Umsetzer um mindestens eine Größenordnung höhere Taktraten zulassen und damit zehnfach höhere Messraten oder dreifach geringere Messunsicherheiten ermöglichen als die schnellsten Analog-Digital-Umsetzer. Beispielsweise erlaubt der Baustein DAC650 von Burr-Brown Taktraten bis zu 500 MHz. Gemäß Anspruch 1 wird der Effektivwert eines zeitveränderli chen elektrischen Signals mit Hilfe von statistisch gleichverteilten Zufallszahlen und diesen proportionalen analogen Testwerten, die fortlaufend erzeugt und mit den jeweiligen Augen blickswerten des Messsignals verglichen werden, erfindungsgemäß dadurch bestimmt, dass innerhalb des Messzeitraumes diejenigen Zufallszahlen akkumuliert werden, deren zugehöri ge analoge Testwerte kleiner sind als die Beträge der jeweiligen Augenblickswerte des Mess signals, und dass der Effektivwert proportional zur Quadratwurzel des Akkumulationsergeb nisses berechnet wird.The method according to the invention makes use of the fact that commercially available digital-analog Allow converters to clock rates that are at least one order of magnitude higher and thus ten times faster higher measurement rates or three times less measurement uncertainties than the fastest Analog-to-digital converter. For example, the DAC650 from Burr-Brown allows Clock rates up to 500 MHz. According to claim 1, the effective value of a time-varying Chen electrical signal with the help of statistically equally distributed random numbers and these proportional analog test values that are generated continuously and with the respective eyes look values of the measurement signal are compared, determined according to the invention in that those random numbers are accumulated within the measurement period, their associated numbers analog test values are smaller than the amounts of the respective instantaneous values of the measurement signals, and that the RMS value is proportional to the square root of the accumulation result nisses is calculated.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zwar das Ergebnis einer Einzelabtastung (Mess wert < oder < Testwert) wesentlich unsicherer als das der direkten Digitalisierung; auf die Unsicherheit des jeweils gemittelten Ergebnisses hat dies aber aus statistischen Gründen kei nen nennenswerten Einfluss.In the method according to the invention, the result of an individual scan (measurement value <or <test value) much more uncertain than that of direct digitization; on the However, due to statistical reasons, there is no uncertainty about the result averaged significant influence.

Weitere Einzelheiten sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen er läutert und in den Unteransprüchen definiert.Further details are in the following description based on the drawings clarifies and defined in the subclaims.

Die Zeichnungen stellen folgendes dar:The drawings show the following:

Fig. 1 eine für das Messverfahren geeignete Gesamtanordnung als Blockschaltbild, Fig. 1 is a suitable for the measuring method of the overall arrangement as a block diagram,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm des Messsignals und ein zur Schaltung nach Fig. 1 passendes Bei spiel für die Belegung der Spannungs-Zeit-Fläche mit Testwerten, Fig. 2 is a timing diagram of the measuring signal and a matching with the circuit of Fig. 1 when the game for the assignment of the voltage-time area with test values,

Fig. 3 eine alternative Gesamtanordnung als Blockschaltbild, Fig. 3 shows an alternative overall arrangement as a block diagram,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm mit der Darstellung des Messsignals und paarweise komplementä rer Testwerte. Fig. 4 is a timing diagram showing the measurement signal and paired complementary test values.

In Fig. 1 ist als Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren eine Schaltung mit den für die Funktion wesentlichen Elementen als Blockschaltbild dargestellt. Die durch ein Sample- Hold-Glied 1 abgetastete Messgröße x(t) wird über je einen nicht invertierenden und einen invertierenden Eingangsverstärker 2 und 3 in der Form zweier komplementärer Messsignale M und (-M) den Plus-Eingängen zweier Komparatoren 4a und 4b zugeführt. An beide Minus- Eingänge derselben Komparatoren gelangen die durch den Zufallsgenerator 7 und den Digi tal-Analog-Umsetzer 8 erzeugten zufallsverteilten Testwerte T. Die Ausgangssignale A, B der Komparatoren 4a, 4b sowie das OR-verknüpfte Signal C = A ∨ B signalisieren, ob der jewei lige Testwert ein "Treffer" ist im Sinne T < M, T < (-M) oder T < |M|. Unter der in Fig. 2 ange deuteten Voraussetzung, dass die Testwerte sowohl hinsichtlich ihrer Werte als auch ihrer Positionen innerhalb der Perioden des Messsignals gleichverteilt sind, ergeben sich aus A, B und C sowie den den Testwerten T entsprechenden Zufallszahlen Z mit U₀ als der Obergren ze der Testwerte die integralen Kennwerte nach den folgenden Beziehungen:
In Fig. 1, a circuit is shown with the essential elements for the function as a block diagram as an example of the inventive method. The measured variable x (t) sampled by a sample-hold element 1 is via a non-inverting and an inverting input amplifier 2 and 3 in the form of two complementary measurement signals M and (-M) the plus inputs of two comparators 4 a and 4 b fed. The randomly distributed test values T generated by the random generator 7 and the digital-to-analog converter 8 arrive at both minus inputs of the same comparators. The output signals A, B of the comparators 4 a, 4 b and the OR-linked signal C = A ∨ B signal whether the respective test value is a "hit" in the sense of T <M, T <(-M) or T <| M |. Under the condition indicated in FIG. 2 that the test values are equally distributed both with regard to their values and their positions within the periods of the measurement signal, A, B and C and the random numbers Z with U ₀ as the corresponding to the test values T result Upper limit of the test values are the integral parameters according to the following relationships:

Im Rechner 6 sind also zur Berechnung des Effektivwerts nach Gleichung (7) die Treffer- Testwerte zu akkumulieren. Fig. 2 zeigt für diesen Fall die Bewertung der Testwerte als Tref fer. Zur Ermittlung des Gleichrichtwerts oder des Mittelwerts sind entsprechend den Glei chungen (8) und (9) die Treffer positiv oder gegebenenfalls negativ zu zählen.In the computer 6 , the hit test values are therefore to be accumulated in order to calculate the effective value according to equation (7). FIG. 2 shows this case the evaluation of the test scores fer than Tref. To determine the rectification value or the mean value, the hits are to be counted positively or possibly negatively in accordance with equations (8) and (9).

Die Bedingung einer Gleichverteilung der Testwerte lässt sich durch an sich bekannte Algo rithmen zur Erzeugung von Zufallszahlen erfüllen. Die Bedingung der zeitlichen Gleichver teilung innerhalb der Perioden des Messsignals kann unabhängig von der Frequenz der Mess größe am einfachsten durch eine stochastische Modulation der Abtastfrequenz sichergestellt werden. Bei niedrigen Signalfrequenzen lässt sich zusätzlich in an sich bekannter Weise durch eine Triggerung erreichen, dass die gesamte Messdauer einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer der Messgröße entspricht.The condition of an equal distribution of the test values can be determined by Algo known per se meet random number generation criteria. The condition of temporal comparison division within the periods of the measurement signal can be independent of the frequency of the measurement size is easiest ensured by stochastic modulation of the sampling frequency will. At low signal frequencies, it can also be done in a manner known per se by triggering that the total measurement time is an integer multiple corresponds to the period of the measured variable.

Fig. 3 zeigt eine alternative Messschaltung, bei der der Messwert M durch zwei Komparato ren mit paarweise komplementären Testwerten verglichen wird. Auch hier gilt: A = T < M, B = T < (-M) und C = T < |M|, sodass die Signalauswertung im Rechner in der gleichen Weise wie bei der Schaltung nach Fig. 1 entsprechend den Gleichungen (7) bis (9) erfolgt. Fig. 4 zeigt für diesen Fall die Bewertung der Treffer für die Effektivwertmessung. Fig. 3 shows an alternative measuring circuit in which the measured value M by two Komparato ren is compared with pairs of complementary test values. The following also applies here: A = T <M, B = T <(-M) and C = T <| M |, so that the signal evaluation in the computer in the same way as in the circuit according to FIG. 1 in accordance with equations (7) to (9). Fig. 4 shows the evaluation of results for the RMS measurement for this case.

Für die Ermittlung der Scheitelwerte wird im Rechner 6 der größte/kleinste Testwert T er mittelt, der innerhalb des gesamten Messzeitraumes kleiner/größer ist als der jeweils zuge ordnete Wert des Meßsignals M.To determine the peak values, the largest / smallest test value T er is averaged in the computer 6 , which is smaller / larger than the respectively assigned value of the measurement signal M within the entire measurement period.

Um den Umsetzbereich des D/A-Umsetzers 8 optimal an den Variationsbereich des Mess signals M anzupassen und damit die maximale Messgenauigkeit auszunutzen, kann vorgese hen sein, dass in einem ersten Messschritt zunächst der Scheitelwert des Messsignals ermittelt wird und dass in einem zweiten Schritt für die eigentliche Messung die Referenz des D/A- Umsetzers (8) auf einen dem Scheitelwert entsprechenden Wert eingestellt wird. Hierfür wird ein multiplizierender D/A-Umsetzer benötigt.In order to optimally adapt the conversion range of the D / A converter 8 to the variation range of the measurement signal M and thus to utilize the maximum measurement accuracy, it can be provided that the peak value of the measurement signal is first determined in a first measurement step and that in a second step for the actual measurement, the reference of the D / A converter ( 8 ) is set to a value corresponding to the peak value. A multiplying D / A converter is required for this.

Claims

1.Procedure for the precision measurement of the characteristic values of time-varying electrical signals, in which randomly evenly distributed random numbers and proportional analog test values are generated and compared with the respective instantaneous values of the measurement signal, characterized in that those random numbers (Z) are accumulated within the measurement period, whose associated analog test values (T) are smaller than the amounts of the respective instantaneous values of the measurement signal (M), and that the effective value is calculated in proportion to the square root of the result of the accumulation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the times at which during the measurement period Test values (T) are output and compared with the instantaneous values of the measurement signal (M) with regard to their positions within the periods of the measurement signal are evenly distributed.

3. The method according to claim 2, characterized in that the repetition frequency of the test value output is stochastic is modulated.

4. The method according to claim 1, characterized in that, in a manner known per se, the period of the measurement signals is determined and that the length of the measurement period is dimensioned such that it corresponds to an integer multiple of the period.

5. The method according to claim 1, characterized in that within the measurement period the number of accumulators gated random numbers (Z) counted and proportional to the counting result of the rectification value of the measurement signal is calculated.

6. The method according to claim 1, characterized in that the largest / smallest for determining the peak values Test value (T) is determined that is smaller / larger than that within the measurement period each assigned value of the measurement signal (M).

7. The method according to claims 1 and 6, characterized in that in a first measurement step the peak value of the measurement signals is determined and that in a second step for measuring the effective value tes the range of variation of the test values (T) to the peak value of the measurement signal will fit.

8. The device for performing the method according to claim 1, characterized in that a digital random generator ( 7 ) continuously generates randomly distributed random numbers (Z), that a digital-to-analog converter ( 8 ) converts the random numbers into analog test values (T) , which are compared by comparators ( 4 a, 4 b) with the respective instantaneous values of the measurement signal (M) and that the random numbers (Z) and the binary comparison results (A, B, C) are fed to a computer that operates within the effective value of the specified measurement period.

9. The device according to claim 8 for performing the method according to claim 7, characterized in that the reference of the test values (T) generating digital-to-analog converter ( 8 ) is set to a value corresponding to the peak value.