DE202010016329U1 - Power meter for electrical load of any kind - Google Patents
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Abstract
Leistungsmessgerät für elektrische Last jeder Art, das aus einem Stromsensor, einem ohmschen Netzspannungsteiler (R3, R4), Eingabe-/Ausgabeelements (Taster, LEDs, LCD), einer Schaltung der Stromversorgung und einem universellen Mikrocontroller bestehet, wobei der Mikrocontroller einen Analogmultiplexer MUX (1), einen Analog-Digital-Umsetzer ADC (2), einen analogen Komparator ACOMP (7), einen per Programm einstellbaren RC-Oszillator RC-OSC (8), eine Referenzspannungsquelle, I/O-Ports, RAM, EEPROM und FLASHROM beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromsensor ein symmetrischer Stromschunt verwendet wird, der aus zwei gleichen ohmschen Wiederständen (R1, R2) besteht, dessen Mittelpunkt mit der Erdung des Leistungsmessgeräts (GND) verbunden ist, und zwei seiner anderen Anschlusse durch je zwei Tiefpassfilter (11) mit je zwei Eingängen des Analogmultiplexers (1) des Mikrocontrollers (5) verbunden sind.Power meter for electrical load of any kind, consisting of a current sensor, an ohmic mains voltage divider (R3, R4), input / output element (pushbuttons, LEDs, LCD), a power supply circuit and a universal microcontroller, the microcontroller having an analog multiplexer MUX ( 1), an analog-to-digital converter ADC (2), an analog comparator ACOMP (7), a program-adjustable RC oscillator RC-OSC (8), a reference voltage source, I / O ports, RAM, EEPROM and FLASHROM , characterized in that a symmetrical current shunt is used as the current sensor, which consists of two equal resistances (R1, R2) whose center is connected to the ground of the power meter (GND), and two of its other connections by two low-pass filters ( 11) are each connected to two inputs of the analog multiplexer (1) of the microcontroller (5).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmessgerät einer überaus kostengünstigen Bauweise (low cost), das die Wirkleistung und den Energieverbrauch bzw. die laufenden Kosten einzelner elektrischer Verbraucher im Haushalt/Labor ermittelt.The invention relates to a power meter of a very cost-effective design (low cost), which determines the active power and energy consumption or running costs of individual electrical consumers in the household / laboratory.
Moderne Leistungs- bzw. Energiemessgeräte einer günstigen Preisklasse gehen als Basis von einem einzigen universellen Mikrocontroller aus. Sie ermitteln die Lastwirkleistung (P) als Integral des Produktes von der Spannung (u) und dem Strom (i) während der Zeit einer Grundschwingungsperiode der Netzspannung. Der Elektrizitätsverbrauch (E) wird ermittelt, indem die Momentanwerte der Wirkleistung (P) über die gesamte Messzeit integriert werden.Modern power and energy meters of a low price range are based on a single universal microcontroller. They determine the active load power (P) as the integral of the product of the voltage (u) and the current (i) during the period of a fundamental period of the mains voltage. The electricity consumption (E) is determined by integrating the instantaneous values of the active power (P) over the entire measuring time.
Da ein universeller Mikrocontroller üblicherweise nur einen Analog-Digital-Umsetzer ADC besitzt (s. Pat. No.:
Da normalerweise nur positive Signale an den Eingang des Mikrocontrollers gesendet werden dürfen (0 V bis +Uref), muss das Signal des Stromes bzw. der Spannung auf das Niveau mit dem Wert +Uref/2 verschoben werden (Pat. No.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der beschriebenen Probleme unter minimalem Platzaufwand und die Verbesserung wie auch Erweiterung der Messcharakteristik des Leistungsmessgerätes einer überaus günstigen Preisklasse.The object of the present invention is the elimination of the problems described with minimal space requirements and the improvement as well as extension of the measurement characteristic of the power meter of a very low price range.
Diese Aufgabe wird durch die Realisierung der vier folgenden Hauptvorschlägen gelöst.
- 1. Da die Form des Spannungssignals im Wechselstromnetz nahezu die Form einer perfekten Sinuskurve aufweist, verwendet das Steuerungsprogramm beim Multiplizieren statt Spannungsabtastwerten die im Programmspeicher (
3 ) gespeicherte Werte einer Sinusfunktion (s.2 ,3 ). - 2. Als Stromsensor wird ein symmetrischer Stromschunt verwendet, dessen Mittelpunkt mit der Erdung des Messgeräts (GND) verbunden ist (s.
3 ). - 3. Der Beginn der Messzyklen wird mit dem Beginn der Grundschwingungsperiode mithilfe des analogen Komparators (ACOMP) synchronisiert.
- 4. Für die Fehlerkorrektur der Wirkleistung (P) wegen der Netzspannungsschwankungen misst das Steuerungsprogramm die Spannung des Spannungsgleichrichters (
10 ) (nicht öfter als ein Mal pro Periode), und verwendet diesen Messwert als ein Korrekturkoeffizient (Ku).
- 1. Since the shape of the voltage signal in the AC network is almost in the form of a perfect sinusoid, the control program uses the information stored in the program memory (in multiplying instead of voltage samples).
3 ) stored values of a sine function (s.2 .3 ). - 2. The current sensor uses a symmetrical current shunt whose center is connected to the ground of the meter (GND).
3 ). - 3. The beginning of the measurement cycles is synchronized with the beginning of the fundamental oscillation period using the analog comparator (ACOMP).
- 4. For the error correction of the active power (P) due to the mains voltage fluctuations, the control program measures the voltage of the voltage rectifier (
10 ) (not more than once per period), and uses this measurement as a correction coefficient (K u ).
Da die Spannungsabtastwerte durch gespeicherte im Programmspeicher Sinuswerte eingetauscht werden, beseitigt es damit das Problem der notwendigen Phasenkorrektur zwischen dem Strom In und der Spannung Un (s.
Außerdem steht dadurch temporär wesentlich mehr Leistung des Mikrocontrollers zur Verfügung, was zum anderweitigen Einsatz verwendet wird (mathematische oder Kommunikationsprozesse, Ausgabe von Information).In addition, this temporarily provides significantly more power of the microcontroller, which is used for other purposes (mathematical or communication processes, output of information).
Daneben, da als Stromsensor ein symmetrischer Stromschunt verwendet wird, behebt es die Notwendigkeit der Verschiebung des Stromsignals zur Mitte des dynamischen Messbereiches vom ADC und den damit verbundenen Apparatur- bzw. Programmaufwand.In addition, as a current sensor, a symmetrical current shunt is used, it eliminates the need to shift the current signal to the center of the dynamic range of the ADC and the associated equipment or program overhead.
Als Folge lässt sich nun wieder der ganze (anstatt wie o. e. nur die Hälfte) dynamische Messbereich des ADC verwenden (s.
Bei der Realisierung der o. g. Lösungsvorschläge lässt sich ein kleines Messmodul bzw. Messgerät konstruieren, das als Basis einen günstigen, industriell hergestellten Mikrocontroller hat, mit einer minimalen Anzahl weiterer elektronischen Bauteile und guter Eignung für praktische Messung der Leistung von elektrischer Last jeder Art. In the realization of the above proposed solutions, a small measuring module or measuring device can be constructed, which has as base a cheap, industrially manufactured microcontroller, with a minimum number of other electronic components and good suitability for practical measurement of the power of electrical load of any kind.
Ein solches Gerät kann im Haushalt/Labor zur Energie bzw. Leistungsmessung und dessen Kostenbestimmung, als ein Kontrollmodul in anderen Geräten zur Leistungskontrolle und als ein Leistungssensor in Mess-, Steuerungs- und Regelungssystemen verwendet werden.Such a device can be used in the household / laboratory for energy and power measurement and its cost determination, as a control module in other power control devices and as a power sensor in measurement, control and regulation systems.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below. Show it
Die Grundkonfiguration des Leistungsmessgerätes (s.
Die erweiterte Konfigurationen des Leistungsmessgerätes können optional zusätzliche Module besitzen: Eingabetasten (S1), LCD-Display (nicht abgebildet) und weitere Kommunikation-, Speicher- und Zeitmodule.The extended configurations of the power meter may optionally include additional modules: input buttons (S1), LCD display (not shown) and other communication, memory and time modules.
Das Gerät arbeitet auf folgende Weise. Das sinusförmige Signal der Netzspannung, das auf den Spannungsteiler (R3, R4) geschwächt ist, geht zum Eingang des Analogkomparators ACOMP (
Das Signal am Ausgang des Spannungsgleichrichters (
C(+) und C(–) sind Korrektur- bzw. Maßstabkoeffizienten für den jeweiligen Messkanal. Das Steuerungsprogramm (
Als Anzeige-, Speicher- und Steuerungsgerät im Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Standard-PC mit Operationssystem „MS Windows” und dessen internes Programm Hyper Terminal” verwendet.As a display, storage and control device in the embodiment of the invention, a standard PC with operating system "MS Windows" and its internal program Hyper Terminal "is used.
Der Wechsel der Mess- und Funktionsmodi erfolgt über Tasten (S1) bzw. einen Kommunikationskanal.The change of the measuring and function modes takes place via keys (S1) or a communication channel.
Die Ergebnisse mehrerer früheren Messungen, sowie die Daten der Geräteeinstellung werden im EEPROM gespeichert und zusammen mit dem Ergebnis der aktuellen Messung in den Kommunikationskanal ausgegeben.The results of several previous measurements, as well as the device setting data, are stored in the EEPROM and output to the communication channel along with the result of the current measurement.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6943539 [0003, 0004] US 6943539 [0003, 0004]
- CN 101419251 [0003] CN 101419251 [0003]
- WO 2008/047428 [0003] WO 2008/047428 [0003]
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110531150A (en) * | 2019-09-10 | 2019-12-03 | 浙江蓝迪电力科技有限公司 | A kind of Road test system and method |
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2010
- 2010-12-08 DE DE202010016329U patent/DE202010016329U1/en not_active Expired - Lifetime
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