DE2020232B2 - Anordnung zur Multiplikation zweier in elektrische Ströme umformbarer Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Multiplikation zweier in elektrische Ströme umformbarer Größen, insbesondere für Präzisions-Elektrizitätszähler, wobei der aus den beiden Strömen gebildete Summenstrom den Heizer eines ersten Thermowandlers und der Differenzstrom den Heizer eines zweiten Thermowandlers beaufschlagt und bei der als Thermowandler thermische Vielfachumformer dienen.

Zur Multiplikation und Messung von elektrischen Größen werden im allgemeinen Geräte mit mechanisch bewegten Teilen verwendet. In dem Bestreben, Geräte mit ausschließlich ruhenden Baute*' *n zu entwickeln, ist bereits eine Multipliziereinrichtung vorgeschlagen worden, die mit der sogenannten thermischen Multiplikation arbeitet. Bei diesem Verfahren wird ausgenutzt, daß die in einem Heizerwiderstand entwickelte Wärme sich zu dem durchfließenden Strom genau quadratisch verhält. Gewinnt man nun aus dieser Wärmeentwicklung eine proportionale Temperaturdifferenz und daraus wieder eine proportionale Spannung, so ist auch die Beziehung zwischen dem Eingangsstrom und der Ausgangsspannung quadratisch. Man kann also die mathemalische Beziehung

zur Multiplikation ausnutzen.

Eine bekannte Schaltung, die diese mathematische Beziehung und die Eigenschaft eines Thermowandlers ausnutzt, ist in dem Prospekt der Firma Leeds & Northrup, Philadelphia, »Lincoln Thermal Converters«, im Deutschen Patentamt eingegangen am 18. 5. 1960, beschrieben. Hierbei sind thermische Vielfachumformer über Potentialtransformatoren angekoppelt, so daß eine Gleichstromspeisung ohne weiteres nicht möglich ist und außerdem die gleichmäßige Aufteilung der Ströme von der Gleichheit der Impedanz der beiden Heizerkreise abhängt. Die Gleichheit der Impedanz ist bei der angegebenen Schaltung aber nur unvollkommen gegeben, weil die Heizer zum einen mit der Summe und zum anderen mit der Differenz der Ströme beaufschlagt sind und ihr Widerstand selbstverständlich temperaturabhängig, d. h. stromabhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mrltiplikationsanordnung anzugeben, deren systembedingter Meßfehler wesentlich kleiner als ΙΟ"⁴ ist und die

Messungen über einen weiten Meßbereich gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Heizer der Vielfachumformer im Gegenkopplungszweig von je einem Operationsverstärker liegen

ι und daß die Operationsverstärker und die Heizer der Vielfachumformer über passive Bauelemente direkt mit den Eingangsklemmen für die Einzelslröme verbunden sind.

Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen,

in eine Meßunsicherheit der Multiplikationsschaltung von 10"⁶zu erhalten. Die Operationsverstärker dienen dazu, die Eingangskreise von den eigentlichen Heizerkreisen der Vielfachumformer :zu entkoppeln. Von den Eingangsklemmen für Strom und für Spannung aus

Ii gesehen, ist die Impedanz der Einigangskreise wegen der Verstärker nur noch durch die rein ohmschen Widerstände gegeben. Dadurch werden Phasenfehler vermieden, die bei der Multiplikation von Wechselstromgrößen auftreten können. Durch die beanspruch-

2(1 ten Maßnahmen ist es möglich, die Schaltung sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom zu betreiben und damit die Multiplikation von Wechselstromgrößen unmittelbar auf Gleichstromgrößen zurückzuführen, ohne an Genauigkeit zu verlieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher erläutert.

Die dargestellte Schaltung dient zur Messung von elektrischer Leistung. Es muß aiso das Produkt aus einem Strom /und einer Spannung Ugebildet werden.

jo Der Strom / ist der Schaltung über Eingangsklemmen 1 und die Spannung U über Eingangsklemmen 2 zugeführt. Durch in den Eingangskreisen für die Spannung U angeordnete Widerstände R_a sind die absoluten Größen der von / und U getriebenen

π Teilströme // und Iu aufeinander abgestimmt. Diese Teilströme Iu und // sind über untereinander gleich große Widerstände R so zusammengeführt, daß sich die Ströme Im und Im bilden. Dabei entspricht — wie aus der Schaltung ohne weitere:, zu entnehmen ist — einer

4(i der letztgenannten Ströme der Summe von //und A/und der andere der Differenz der Ströme // und Iu. Die den Summen- und den Differenz-Strom führenden Leiter sind mit Eingängen 1 von Operationsverstärkern Ki bzw. V2 verbunden, in deren Gegenkopplungszweig je

r> ein weiterer Widerstand Rund ein Heizer H\ bzw. /7₂ in Reihe eingeschaltet sind. Die Eingänge 2 der Opera tionsverstärker V\ und Vj sind untereinander und mit einer der Eingangsklemmen 2 verbunden.

Die Heizer H\ und H2 gehören zu thermischen

',11 Vielfachumformern, die in neuerer Zeit entwickelt wurden und praktisch eine Vielzahl von in Reihe geschalteten einzelnen Thermoelementen darstellen, deren Thermospannungen sich addieren. Durch entsprechenden Aufbau werden in diesen thermischen

r, Vieifachumformern sowohl der Einfluß des Peltier- als auch des Thomson-Effektes praktisch ausgeschlossen. Aus diesem Grunde können die Viclfachumformer mit einer Abweichung von lediglich 10 ^h über einen weiten Meßbereich das quadratische Verhältnis zwischen

w) Heizerstrom und Thermospannung einhalten, An Klemmen 3 und 4 können die in den einzelnen Vielfachumformern erzeugten Thermospannungen und an den Klemmen 5 deren Differenz abgenommen werden.

(T) Bei der Betrachtung dieser Schaltungsanordnung muß man von der Operationsverstärkertechnik ausgehen, d. h., man muß sich vorstellen, daß die Verstärker durch ihre Gegenkopplung stets einen solchen Strom

ziehen, daß ihre Summenpunkte — die mit 1 bezeichneten Eingänge der Operationsverstärker — auf Massepotential gehalten werden. Man kann also so tun, als ob die Spannung LJ in der oberen und der unteren Eingangsmasche einen Strom /υ treibt und als ob der Strom Ii ebenfalls über den Summenpunkt und die Vorderseite der beiden Verstärker zum Stromeingang zurückkehrt. Da aber die Verstärker im Idealfall keinen Strom im Eingang aufnehmen, müssen sich die beiden Ströme /t/und //jeweils zu den Heizerströmen Im und Im zusammensetzen und über die Heizer H\ und W₂ fließen.

In Wirklichkeit sind die Verstärker natürlich nichi ideal, sondern erfordern noch eine treibende Spannung an ihrem Eingang und nehmen auch einen gewissen, allerdings sehr kleinen Strom auf. Bei Verwendung von Operationsverstärkern mit Übersetzungsverhältnissen größer als IO^b, die in Thermostaten eingebaut sind, so daß ihre Driften klein bleiben, erreicht man an den Verstärkereingängen Restspannungen, die 10 μν nicht überschreiten. Aus diesem Grunde können mit der erfindungsgemäßen Schaltung extrem genaue Leistungsmessungen vorgenommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Multiplikation zweier in elektrische Ströme umformbarer Größen, insbesondere für Präzisions-Elektrizitätszähler, wobei der aus beiden Strömen gebildete Summenstrom den Heizer eines ersten Thermowandlers und der Differenzstrom den Heizer eines zweiten Thermowandlers beaufschlagt und bei der als Thermowandler thei mische Vielfachumformer dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizer (H\ bzw. H?) der Vielfachumformer im Gegenkopplungszweig von je einem Operationsverstärker (V\ bzw. V2) liegen und daß die Operationsverstärker und die Heizer der Vielfachumformer über passive Bauelemente (R, R_u) direkt mit den Eingangsklemmen (1,2) für die Einzelströme f//und /^verbunden sind.