DE2160064A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR MEASURING ELECTRICAL ENERGY - Google Patents
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LANDIS & GYR AG, CH-6301 ZUGLANDIS & GYR AG, CH-6301 ZUG
Schaltungeanordnung zur Messung elektrischer EnergieCircuit arrangement for measuring electrical energy
(32) Prioritätsdatum: 9.11.1971(32) Priority date: November 9, 1971
(33) Prioritätsland: Schweiz 2160064(33) Priority country: Switzerland 2160064
JJ
ss
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Schlüsselwörter:Keywords:
Elektrizitätszähler, elektronisch, Produktbildung, Koinzidenzmethode, statistisch, Abtastschaltung, Abtastgenerator, Impulszähler.Electricity meter, electronic, product formation, coincidence method, statistical, sampling circuit, sampling generator , pulse counter.
Kurzfassung: (Fig. 1)Abstract: (Fig. 1)
Die Schaltungsanordnung dient insbesondere in einem elektronischen Elektrizitätszähler zur Energiemessung durch Produktbildung aus Span-, nung (u) und Strom (i) mittels einer statistischen Koinzidenzmethode. Λ Zwei Modulatoren (l; 2) bilden je eine Impulsfolge (fu; fi), bei der das Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung (u) bzw. dem Strom (i) proportional ist. Die beiden Impulsfolgen werden auf Koinzidenz geprüft und in einer Abtastschaltung (8) durch einen Abtastgenerator (10) abgetastet. Die Abtastschaltung (8) ist an einen Vorwärtszähleingang (12) und der Abtastgenerator (10) über einen Untersetzer (15) an einen Rückwärtszähleingang (14) eines Impulszählers (13) angeschlossen. Mögliche Ausgestaltung: Eine Koinzidenzschaltung (5) stellt die Koinzidenz der Impulse und der Impulslücken der beiden Impulsfolgen (fu; fi) fest. Die Abtastschaltung (8) weist ein Flipflop auf.The circuit arrangement is used in particular in an electronic electricity meter to measure energy by forming the product of voltage, voltage (u) and current (i) by means of a statistical coincidence method. Λ Two modulators (l; 2) each form a pulse train (fu; fi) in which the ratio of the difference to the sum of the pulse duration and the pause duration is proportional to the voltage (u) or the current (i). The two pulse trains are checked for coincidence and are sampled in a sampling circuit (8) by a sampling generator (10). The sampling circuit (8) is connected to an up-counting input (12) and the sampling generator (10) is connected via a reducer (15) to a down-counting input (14) of a pulse counter (13). Possible embodiment: A coincidence circuit (5) determines the coincidence of the pulses and the pulse gaps of the two pulse trains (f u ; fi). The sampling circuit (8) has a flip-flop.
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[[AfJDIS i GYR ] LANDlS & GYR AG CH-S301 Zug, Schweiz[[AfJDIS i GYR] LANDIS & GYR AG CH-S301 Zug, Switzerland
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie durch Produktbildung aus Spannung und Strom mittels einer statistischen Koinzidenzmethode, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler.The invention relates to a circuit arrangement for measuring electrical energy by forming the product of voltage and current by means of a statistical coincidence method, in particular for an electronic electricity meter.
Bei einer bekannten Schaltung dieser Art werden zwei Impuls« folgen, deren Impulsfrequenz oder deren Impulsbreite mit der Spannung bzw. mit dem Strom moduliert ist, auf Koinzidenz geprUft. Die mittlere Koinzidenzdauer der beiden Signale entt spricht der elektrischen Leistung. Ouch Abtastung des Koinzidenzsignals mit schmalen Impulsen konstanter Impulsfrequenz ergibt sich eine Impulsfolge, deren mittlere Impulsfrequenz ein Mass für die elektrische Leistung darstellt. Die elektrische Energie kann durch Zählen dieser Impulse ermittelt werden.In a known circuit of this type, two impulses, whose pulse frequency or whose pulse width is modulated with the voltage or with the current, are checked for coincidence. The mean coincidence period of the two signals corresponds to the electrical power. Scanning the coincidence signal with narrow pulses of constant pulse frequency results in a pulse sequence whose mean pulse frequency represents a measure of the electrical power. The electrical energy can be determined by counting these pulses.
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Bei der Energiemessung in einem Wechselstromnetz erfolgt die Summierung der Impulse mit Hilfe eines Vorwärts- RUckwärts-Zählers. Hierbei sind zwei Vorzeichendetektoren vorgesehen, die das Vorzeichen der Spannung und des Stromes feststellen und Über eine Schaltlogik den Zähler bei positivem Produkt aus Spannung und Strom in Vorwärtsrichtung und bei negativem Produkt in RUckwärtsrichtung schalten.When measuring energy in an alternating current network, the Summation of the pulses with the help of an up / down counter. Two sign detectors are provided that determine the sign of the voltage and the current and via a switching logic the counter if the product of voltage and current is positive in the forward direction and if the product is negative Switch product in reverse direction.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu finden, die ohne Vorzeichendetektoren und ohne Schaltlogik auskommt. Sie ist gekennzeichnet durch zwei Modulatoren zur Bildung je einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung bzw. dem Strom proportional ist, durch eine Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen, durch einen Abtastgenerator und eine *^tastschaltung zur Abtastung des Ausgangssignals der Koinzidenzschaltung und durch einen Impulszähler, dessen Vorwärtszähleingang an den Ausgang der Abtastschaltung und dessen RUckwärtszähleingang Über einen Untersetzer an den Abtastgenerator gekoppelt ist.The invention is based on the object of finding a solution which works without sign detectors and without switching logic. It is characterized by two modulators for education one pulse train each, in which the ratio of the difference to the sum of the pulse duration and pause duration of the voltage or the Current is proportional, through a coincidence circuit to determine the coincidence of the two pulse trains, through one Sampling generator and a * ^ sampling circuit for sampling the Output signal of the coincidence circuit and through a pulse counter, the up count input to the output of the sampling circuit and its countdown input via a coaster is coupled to the sampling generator.
Es ist zwar bereits eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie bekanntgeworden, bei der zwei Impulsfolgen mit den Eingangsgrössen proportionalem Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer in einer Koinzidenzschaltung, miteinander verglichen werden. Entsprechend dem logischen Zustand der Koinzidenzschaltung werden von einem Im-Although it is already a circuit arrangement for measuring electrical Energy has become known in the case of two pulse trains with the ratio of difference proportional to the input quantities to sum of pulse duration and pause duration in a coincidence circuit, be compared with each other. According to the logical state of the coincidence circuit, an im-
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pulsgenerator erzeugte Impulse in einem Vorworte- fiUckwärts-Zähler summiert oder aus diesem herausgezählt. Die bekannte Schaltung ist al&o aui ähnlichen Elementen aufgebaut, unterscheidet sich jedoch in der Arbeitsweise wesentlich von der Erfindung, die die Technik durch eine weitere vorteilhafte Lösung bereichert.pulse generator, the pulses generated are summed up in a foreword down counter or counted out of this. The well-known The circuit is made up of similar elements, but differs significantly from that in the way it works Invention that enriches technology with a further advantageous solution.
Nachfolgend werden einige Ausfuhrungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert.Below are some exemplary embodiments based on the Drawings explained in more detail.
Es zeigen: Fig.l eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie und Fig.2 und 3 ücnalwarlanten.They show: Fig.l a circuit arrangement for measuring electrical energy and Fig. 2 and 3 ücnalwarlanten.
In der Fig. 1 bedeuten 1 und 2 Modulatoren, die je eine Impulsfolge f bzw. f. -erzeugen. Hierbei ist das Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung u bzw. dem Strom i proportional. Modulatoren dieser Art sind bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden« Die Modulatoren 1, 2 sind an Eingänge 3, 4 einer Koinzidenzschaltung 5 angeschlossen, die hier ein UND-Tor ist. Ein Ausgang 6 der Koinzidenzschaltung 5 fUhrt zu einem ersten Eingang 7 einer als UND-Tor ausgebildeten Abtastschaltung β, deren zweiter Eingang 9 an einen Abtastgenerator IO angeschlossen ist. Dieser erzeugt schmale Abtastimpulse mit der Impulsfolgefrequenz fr· Ein Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 ist mit einem Vorwärtszähleingang 12 eines Impulszählers 13 verbunden.In FIG. 1, 1 and 2 denote modulators which each generate a pulse sequence f and f, respectively. Here, the ratio of the difference to the sum of the pulse duration and pause duration of the voltage u or the current i is proportional. Modulators of this type are known and therefore do not need to be explained in more detail here. The modulators 1, 2 are connected to inputs 3, 4 of a coincidence circuit 5, which here is an AND gate. An output 6 of the coincidence circuit 5 leads to a first input 7 of a sampling circuit β designed as an AND gate, the second input 9 of which is connected to a sampling generator IO. This generates narrow sampling pulses with the pulse repetition frequency f r · An output 11 of the sampling circuit 8 is connected to an up-counting input 12 of a pulse counter 13.
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Ein RUckwdrt-iZuhleimjanu Ii ties selben ist Ub sr .»inen Untarset-ζθγ 15 mit dem Untersetzungsverhältnis 4:1 an den Abtastgenerator IO gekoppelt.A backward-iZuhleimjanu Ii ties same is Ub sr. "Inen Untarset-ζθγ 15 with the reduction ratio 4: 1 coupled to the sampling generator IO.
Für die Impulsdauer o\ der vom Modulator 1 erzeugten Impulsfolge f gilt:For the pulse duration or the pulse train generated by modulator 1 f applies:
ci -TT- + kr u c i -TT- + k r u
wobei T. die Periodendauer und k. eine Konstante bedeutet. Analog gilt für die Impulsdauer«** _ der Impulsfolge f^: where T. is the period and k. means a constant. The same applies to the pulse duration «** _ of the pulse train f ^:
sz - J|_ ♦ K2. χ s z - J | _ ♦ K 2 . χ
Die Wahrscheinlichkeit p, dass in einem beliebigen Betrachtungsmoment sowohl ein Impuls der Impulsfolge f als auch ein Impuls der Impulsfolge f. vorliegt) ist The probability p that at any given moment both a pulse of the pulse train f and a pulse of the pulse train f. Is present)
Das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung 6 wird mit der Frequenz f abgetastet. Für die mittlere Impulshäufigkeit f der am Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 auftretenden Impulse gilt:The output signal of the coincidence circuit 6 is sampled at the frequency f. For the mean pulse frequency f of the pulses occurring at the output 11 of the sampling circuit 8, the following applies:
f - f · m rf - f m r
- f ( 1 + kl- u + iÜÜ + Kl'^- - f (1 + k l- u + iÜÜ + Kl '^ -
Die Wechselkomponenten darstellenden Glieder —i 1—ü undThe terms —i 1 — ü and
2 T1 U.O · i
__£ fallen bei Mittelung Über eine volle Periode der Netz-2 T 1 UO · i
__ £ fall when averaging over a full period of the network
2 T2
frequenz heraus. Da aus dem Impulszähler 13 mit der Frequenz2 T 2
frequency out. Since from the pulse counter 13 with the frequency
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^r dcumrnd Impuls> h»r ni sijoztihlt vonJin, >r«jibt -ii J ft} fur 4Jie^ r dcumrnd impulse> h »r ni sijoztihlt vonJin,> r« jibt -ii J ft } for 4Jie
mittlere Ausgangs frequenz f «Jas Impul »zcihlsrs:Average output frequency for "Yes Impulse" counters:
f - f - 1i_Ü£. u . i .- ■ a r rl · T2 f - f - 1i_Ü £. u. i .- ■ a rr l · T 2
Bei u-O und i - O ist £χ - Ii- und £2 - ί|- . d.h. die Impulsfolgen f und f. sind genau symmetrisch. Eine Unsymmetrie, die z.B. durch Temperatur- oder AlterungseinflUsse der Bauelemente der Modulatoren 1, 2 auftreten kann, bewirkt unmittelbar einen Nullpunktfehler der Energiemessung. Eine Kompensation des Unsymmetriefehlers in 1. Ordnung kann auf einfache -Weise dadurch erfolgen, dass die Koinzidenzschaltung 5 sowohl die ,Koinzidenz der Impulse als auch die Koinzidenz der ImpulslUcken der beiden Impulsfolgen f , f. feststellt. Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist in der Fig. 2 dargestellt, die sich von der Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, dass als Koinzidenzschaltung 5 ein Exklusive- ODER-Tor eingesetzt ist und der Impulszähler 15 ein Untersetzungsverhältnis von 2:1 aufweist. Die mittlere Impulsfrequenz am Vorwärtszähleingang 12 ist gegenüber der Fig. 1 doppelt so gross. Dem Rückwärtszähleingang 14 wird deshalb hier die Frequenz j" , zugeführt.For uO and i - O we have £ χ - Ii- and £ 2 - ί | -. ie the pulse trains f and f are exactly symmetrical. An asymmetry that can occur, for example, due to temperature or aging effects of the components of the modulators 1, 2, directly causes a zero point error in the energy measurement. The first-order asymmetry error can be compensated in a simple manner in that the coincidence circuit 5 determines both the coincidence of the pulses and the coincidence of the pulse gaps of the two pulse trains f, f. A circuit arrangement of this type is shown in FIG. 2, which differs from FIG. 1 only in that an exclusive-OR gate is used as the coincidence circuit 5 and the pulse counter 15 has a reduction ratio of 2: 1. The mean pulse frequency of the Count 12 is compared to FIG. 1 twice as large. The downward counting input 14 is therefore here supplied with the frequency j ″.
Wird der Symmetriefehler der Impulsfolge f mit€.. und derjenige der Impulsfolge f. mit €L bezeichnet, so gilt:If the symmetry error of the pulse train f is denoted by € .. and that of the pulse train f. Is denoted by € L, then:
T1 T 1
tfi -— +S + ki■ · u tf i -— + S + k i ■ · u
+e2 + k2 * k + e 2 + k 2 * k
ü ." If" ■" a — ir ü . "If" ■ " a - ir
f m 2f (-±-; ^ - U · X + —i 1)f m 2f (- ± -; ^ - U · X + —i 1)
a Γ τ, τ., τ, . rJ a Γ τ, τ., τ,. rJ
pa 1667 _.v..^0?8 2 17 0ei7.pa 1667 _. v .. ^ 0? 8 2 17 0ei7.
BADBATH
2100136421001364
Wenn nicht nur die Koinzidenz der Impulse, sondern auch diejenige der ImpulslUcktn ausgewertet wird, wird also erreicht/If not only the coincidence of the impulses, but also that of the impulse gaps is evaluated, the result is / dass nur da& Produkt ________ der Un&ymme-triijft <ier beiden Im-that only there & product ________ the un & ymme-triijft <ier both im-
T1 .T2 pulsfolgen f und f. einen "Nullpunktfehler mit sich bringt.T 1 .T 2 pulse sequences f and f. Brings a "zero point error with it. Dieser fehler ist aber ausserordentlich klein, da im* allgemeinen bereits ^ und e gegenüber T bzw. T fcehr klein ist.However, this error is extremely small, since in general ^ and e are already very small compared to T or T fce.
Bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 müssen die Impulse des Abtastgenerators IO schmal sein gegenüber den von den Modulatoren 1 und 2 abgegebenen Impulsen. Ferner muss, z.B. durch entsprechende Ausgestaltung der Abtastschaltung 8 oder des Untersetzers 15, dafür gesorgt werden, dass die an den RUckwärtszähleingang 14 gelangenden Impulse gegenüber den am Vorwärtszähleingang 12 eintreffenden Impulsen zeitlich verschoben sind. Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 gezeigt, wie die Schaltung mit einem verhältnismässig breite Impulse erzeugenden Abtastgenerator ausgestaltet und gleichzeitig auch die zweite der erwähnten Bedingungen auf einfache Weise erfüllt werden kann.In the circuits according to FIGS. 1 and 2, the pulses of the sampling generator IO be narrow compared to the pulses emitted by the modulators 1 and 2. Furthermore, e.g. by appropriately designing the scanning circuit 8 or the reducer 15, it is ensured that the Down counting input 14 pulses compared to the on Up count input 12 incoming pulses are shifted in time. It is shown below with reference to FIG. 3 how the Circuit designed with a relatively wide pulse generating sampling generator and at the same time also the second of the mentioned conditions can be met in a simple manner.
In der Fig. 3 sind gleiche Teile wie in den vorangehenden Zeichnungsfiguren mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Abtastschaltung 8 weist ein vom Abtastgenerator IO getaktetes D-Flipflop 16 auf, dessen Q-Ausgang an einen ersten Eingang eines UND-Tores 17 angeschlossen ist. Der Abtastgenerator IO ist über einen Inverter 18 mit einem zweiten Eingang des UND-Tores 17 verbunden. Der D-Eingang desIn FIG. 3, the same parts as in the preceding drawing figures are denoted by the same reference numerals. The sampling circuit 8 has a clocked from the sampling generator IO D flip-flop 16, the Q output of which is connected to a first input of an AND gate 17. Of the Sampling generator IO is connected to a second input of AND gate 17 via an inverter 18. The D input of the
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Flipflop 16 ist an den Ausgang 6 der Koinzidenzschaltung 5 angeschlossen. Flip-flop 16 is connected to the output 6 of the coincidence circuit 5.
Eine Zustandsänderung des Ausgangssignales der Koinzidenzschaltung 5 wird jeweils beim positiven Spannungssprung des nächsten Abtastimpulses des Abtastgenerators IO auf den (3-Ausgang des Flipflop 16 Übertrugen. Am Q-Ausgang entsteht somit ein dem Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung entsprechendes Signal· dessen Flanken jedoch jeweils mit einer Flanke eines Abtastimpulses zusammentreffen. Bei der Abtastung dieses Signals im UND-Tor 17 kann daher die Breite der Abtastimpulse keinen Einfluss mehr auf das Ergebnis der Abtastung ausüben.A change in state of the output signal of the coincidence circuit 5 occurs when the next positive voltage jump occurs The sampling pulse of the sampling generator IO is transferred to the (3 output of the flip-flop 16. A dem is thus produced at the Q output Output signal of the coincidence circuit signal corresponding to its edges, however, each with an edge of a sampling pulse meet. When this signal is sampled in the AND gate 17, the width of the sampling pulses cannot Have more influence on the result of the scan.
Der Inverter 18 bewirkt, dass am Vorwärtszähleingang 12 ein den Impulszähler 13 weiterschaltender Spannungssprung erst bei der abfallenden Flanke der Abtastimpulse auftritt.The inverter 18 causes the pulse counter 13, a further switching voltage jump occurs only at the falling edge of the sampling pulses of the Count 12th
itit
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |