DE2233622B1 - Schaltungsanordnung zur messung elektrischer energie - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eneigie durch Produktbildung aus Spannung und Strom, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler mit zwei Modulatoren zur Bildung je einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis von Düferenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung bzw. dem Strom proportional ist, mit einer Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Vorwärls-Rückwärts-Zähler, der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung zählt.

Bei einer aus der USA.-Patentschrift 3 470 471 bekannten Schaltungsanordnung dieser Art besteht die Koinzidenzschaltung aus einem Exklusiv-Oder-Tor, dessen Eingänge an die beiden Modulatoren angeschlossen sind. Das Exklusiv-Oder-Tor spricht je- _5S weils dann an, wenn zwei Impulse oder zwei Impulslücken der beiden von den Modulatoren abgegebenen Impulsfolgen miteinander koinzidieren, und steuert den Impulszähler derart, daß die vom Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse vom Impulszähler sum- ^₀ miert oder aus diesem herausgezählt werden, je nachdem, ob das Exklusiv-Oder-Tor eine Koinzidenz anzeigt oder nicht. Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers entspricht dann der bezogenen elektrischen Energie, während seine mittlere Ausgangsfrequenz ein Maß für die elektrische Leistung darstellt.

In der deutschen Auslegeschrift 2 160 064 v/urde bereits eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie durch Produktbildung aus Spannung und Strom mittels einer statistischen Koinzidenzmethode vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist 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 Abtastschaltung zur Abtastung des Ausgangssignals der Koinzidenzschaltung und durch einen Impulszähler, dessen Vorwärtszähleingang an den Ausgang der Abtastschaltung und dessen Rückwärtszähleingang über einen Untersetzer an den Abtastgenerator gekoppelt ist. Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers entspricht wiederum der elektrischen Energie.

Wenn bei den beechriebenen Schaltungsanordnungen der Strom oder die Spannung den Wert Null annimmt, muß der entsprechende Modulator eine genau symmetrische Impulsfolge erzeugen; diese Bedingung kann in der Praxis nur schwer mit genügender Genauigkeit erfüllt werden. Eine Unsymmetrie, die z. B. durch Temperatur- oder Alterungseinflüsse der Bauelemente der Modulatoren auftreten kann, bewirkt einen Meßfehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bei den beiden erwähnten Schaltungsanordnungen anwendbare Methode zu schaffen, die es ermöglicht, die durch Unsymmetrien der Modulatoren bedingten Meßfehler vollständig zu kompensieren.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein dem einen der beiden Modulatoren vorgeschalteter Umpolschalter und der Vorwärts-Rückwärts-Zähler von einem symmetrischen Rechteckgenerator derart gesteuert werden, daß das Eingangssignal des Modulators periodisch umgepolt und gleichzeitig die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärty-Zählers umgekehrt wird.

bs hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, daß der Rechteckgenerator durch einen frei schwingenden Oszillator und einen diesem nachgeschalteten Impulsuntersetzer gebilaet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand zweier Ausrührungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie und

F i g. 2 eine Variante.

In der F i g. 1 bedeuten 1 und 2 Modulatoren, die je eine Impulsfolge/, bzw./, erzeugen. Hierbei ist das Verhältnis von Differenz zu Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Wechselspannung u bzw. dem Wechselstrom i proportional. Modulatoren dieser Art sind bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden. Die Modulatoren 1 und 2 sind an Eingänge 3 und 4 einer Koinzidenzschaltung 5 angeschlossen, die hier ein UND-Tor ist. Ein Ausgang 6 der Koinzidenzschaltung 5 führt zu einem ersten Eingang 7 einer als UND-Tor ausgebildeten Abtastschaltung 8, deren zweiter Eingang 9 an einen Impulsgenerator 10 angeschlossen ist. Dieser erzeugt schmale Referenzimpulse mit der Impulsfolgefrequenz/_r. Ein Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 ist mit einem Zähleingang 12 eines Impulszählers 13 verbunden.

Dem einen der beiden Modulatoren — im dargestellten Beispiel dem Modulator 2 — ist ein Umpolschalter 14 vorgeschaltet. Ein Rechteckgenerator 15, welcher eine genau symrnetrische Rechteckimpuls-

folge erzeugt, ist an einen Steuereingang 16 des Umpolschalters 14 und an einen Steuereingang 17 des Impulszählers 13 angeschlossen.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:

Der Rechteckgenerator 15. dessen Periodendauer sehr groß ist gegenüber derjenigen der Modulatoren 1 und 2, steuert den Umpolschalter 14 und den Impulszähler 13 derart, daß der Eingangsstrom i des Modulators 2 periodisch umgepolt und gleichzeitig die Zählrichtung des Impulszählers 13 umgekehrt wird.

Während der einen Halbperiode liegt am Eingang des Modulators 2 der Strom + f. Für die Impulsdauer und O₂ der Modulatoren 1 und 2 gilt dann

wobei T₁ und T₂ die Periodendauern der beiden Modulatoren und fc, und fc- Konstanten bedeuten.

Die Wahrscheinlichkeit p, daß in einem beliebigen¹ Betrachtungsmoment sowohl ein Impuls der Impulsfolge/,, als auch ein Impuls der Impulsfolge/· vorliegt, ist

T₁ J\2

Das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung 5 wird mit der Frequenz /_r abgetastet. Für die mittlere Impulshäufigkeit /_m der am Ausgang 11 der Abtastschaltung 8 auftretenden Impulse gilt

f f i^l

= frP = /r (^

Wechselkomponenten darstellenden Glieder k ■ i

fallen bei Mittelung über eine volle

und

Periode der Frequenz von u und i heraus.

Die mittlere Zählfrequenz f_al des Impulszählers 13 während der betrachteten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 beträgt somit

Während der nachfolgenden Halbperiode des Rechteckgenerators 15 wird der Strom i vom Umpolschalter 14 umgepolt, d. h., am Eingang des Modulators 2 erscheint der Eingangsstrom - /. Für die mittlere Zählfrequenz /^ des Impulszählers 13 während dieser Halbperiode gilt dann

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- f (I - W" ■ 'Λ

oI-Jr^_{4 T}._T2 J-

Rechteckgenerators 15 ist somit

f _ fal — SaI _ fr' K '^₂ .

Ja j T-T '

Die Ausgangsfrequenz/„ stellt also ein Maß dar für die elektrische Leistung P = u · i, während die im Impulszähler 13 gespeicherte Impulszahl der verbrauchten Energie W = J u · i dt entspricht.

Ideale Modulatoren erzeugen bei u = 0 und ί = 0 genau symmetrische Impulsfolgen, d. h., es gilt

O₁ = -j- lind d₂ = -j-. Im allgemeinen sind jedoch

die von den Modulatoren 1 und 2 abgegebenen Impulsfolgen infolge von Temperatur- und Alterungseinnüssen mit einem Symmetriefehler behaftet. Im folgenden wird gezeigt, daß bei der beschriebenen Schaltungsanordnung solche Symmetriefehler keinen Einfluß auf das Meßresultat ausüben.

Wird der Symmetriefehler der Impulsfolge/, mit F₁ und derjenige der Impulsfolge / mit E₂ bezeichnet, so gilt für die erste Halbperiode des Rechteckgenerators 15

Der Impulszähler 13 zählt, wie bereits erwähnt, die am Ausgang der Abtastschaltung 8 während der ersten Halbperiode des Rechteckgenerator 15 auftretenden Impulse in Vorwärtsrichtung und die während der zweiten Halbperiode auftretenden Impulse in Rückwärtsrichtung. Die mittlere Ausgangsfrequenz /„ des Impulszählers 13 über eine volle Periode des ö₂ = y + ^f2 + «2 ■ ' ·

Für die mittlere Zählfrequenz /_eJ des Impulszählers 13 ergibt sich dann

,-u-i

T₁ T₂

2T₁ IT,

Während der zweiten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 gilt e! ' F₂ \ T₁ ■ T₂)

Sa

-Zr (4

Zc₁ · k₂ ■

u ■ i

2T₁

2 T₂ T₁ T₂

Somit ist die Ausgangsfrequenz

r fal - SΛ _ fr ' fei ' K ■

^Ja 2 T₁ T₂

von den Symmetriefehlern E₁ und F₂ unabhängig.

Da die Impulsfrequenz des Rechteckgenerators 15 auf das Meßresultat keinen Einfluß ausübt, kann hierzu ein frei schwingender Oszillator verwendet werden. Hingegen muß die erzeugte Rechteckimpulsfolge genau symmetrisch sein. Diese Bedingung kann leicht erfüllt werden, wenn dem Rechteckgenerator ein Impulsuntersetzer nachgeschaltet wird.

Beim Umpolschalter 14 kann es sich um einen einpoligen elektronischen Umschalter handeln, wenn die umzupolende Eingangsgröße — wie in der F i g. 1 angedeutet — mit positivem und negativem Vorzeichen vorliegt. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Strom i mit Hilfe eines Stromwandlers, der eine Mittelanzapfung aufweist, aus dem zu messenden Stromkreis ausgekoppelt wird. Natürlich kann auch ein zweipoliger elektronischer Umschalter eingesetzt werden. Die sich hier anbietenden Möglichkeiten sind in der elektronischen Meßtechnik geläufig und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.

In der F i g. 2 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Als Koinzidenzschaltung 5 ist ein Exklusiv-Oder-Tor vorgesehen, dessen Ausgang 6 an einen ersten Eingang 18 eines weiteren Exklusiv-Oder-Tores 19 angeschlossen ist. Ein zweiter Eingang 20 des Exklusiv-Oder-Tores 19 ist mit dem Rechteckgenerator 15 und ein Ausgang 21 mit dem Steuereingang 17 des Impulszählers 13 verbunden. Der Impulsgenerator 10 ist unmittelbar an den Zähleingang 12 des Impulszählers 13 geschaltet.

Die Koinzidenzschaltung 5 spricht an, wenn zwei

Impulse oder zwei Impulslücken der Impulsfolgen /_u, /j miteinander koinzidieren. Während der ersten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 werden die Impulse des Impulsgenerators 10 in den Impulszähler 13 hineingezählt, wenn Koinzidenz vorliegt, und aus diesem herausgezählt, wenn keine Koinzidenz

ίο vorliegt. Die mittlere Zählfrequenz f_a des Impulszählers 13 während dieser Halbperiode ist

20 T₁ · Γ,

u-i +

Tr T₁

)■

Während der zweiten Halbperiode des Rechteckgenerators 15 wird durch die Wirkung des Exklusiv-Oder-Tores 19 die Zählrichtung des Impulszählers 13 gegenüber der ersten Halbperiode umgekehrt. Die vom Impulsgenerator 10 angegebenen Impulse werden jetzt bei Koinzidenz aus dem Impulszähler 13 herausgezählt und bei Nicht-Koinzidenz in diesen hineingezählt. Es gilt dann

Li = 4/_r(-

T₁ T₂

u-i +

T₁-T₁

und

fa —

U- I .

Das Meßergebnis ist also auch hier von Symmetriefehlern der Modulatoren 1 und 2 unabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Λ Λ Λ

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie durch Produktbildung aus Spannung und Strom, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler mit 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, mit einer Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung zählt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem einen der beiden Modulatoren (I; 2) vorgeschalteter Umpolschalter (14) und der Vorwärts-Rückwärts-Zähler (13) von einem symmetrischen Rechteckgenerator (15) derart gesteuert werden, daß das Eingangssignal des Modulators (1; 2) periodisch umgepolt und gleichzeitig die Zählrichtung des Vorwärts-Rück wärts-Zählers (13) umgekehrt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckgenerator (15) durch einen frei schwingenden Oszillator und einen diesem nachgeschalteten Impulsuntersetzer gebildet ist.