DE2416330B1 - Mit Gleichstrom eichbares statisches Meßgerät - Google Patents

Description

9. Verfahren nach Anspruch 8 zum Abgleich eines Meßgerätes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungspotential des Schwellenschalters (30) derart eingestellt wird, daß bei Meßspannung (t/_el) Null am Eingang des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) die Spannung (U_1n) am Ausgang des Filters (25) Null ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Gleichstrom eichbares statisches Meßgerät zur Messung von Wechselstromleistung oder Wechselstromarbeit, mit einem Spannungsmeßkreis und einem Strommeßkreis zur Bildung einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Meßspannung, mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Pulsspannung, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der einen der beiden Meßspannungen proportional ist, und mit einem vom Spannungs-Impuls-Wandler gesteuerten Schalter, der die andere der beiden Meßspannungen in der ersten Schalterstellung über einen ersten Strompfad und in der zweiten Schalterstellung über einen zweiten, einen Invertierverstärker einschließenden Strompfad auf einen Filter schaltet.

Meßgeräte dieser Art werden z. B. zur Eichung von Höchstpräzisionselektrizitätszählern eingesetzt. Zur eigenen Eichung dieser Meßgeräte werden deren Meßeingänge an eine Gleichspannung und einen Gleichstrom angeschlossen, und das Meßresultat des Gerätes wird mit dem errechneten Produkt aus Spannung und Strom bzw. dem Zeitintegral des Produktes verglichen. Beim eigentlichen Einsatz des Meßgerätes wird jedoch nicht eine Gleichstromleistung oder eine Gleichstromarbeit, sondern eine Wechselstromleistung

bzw. Wechselstromarbeii gemessen. Der Aufbau alier das Meßresultat beeinflussenden Baugruppen des Meßgerätes muß daher derart konzipiert werden, daß bei der Messung von Wechselstromgrößen mit hoher Sicherheit die gleiche Meßgenauigkeit erwartet werden kann wie bei der Messung von Gleichstromgrößen. Das den Meßgeräten der eingangs beschriebenen Art zugrunde Hegende sogenannte Time-Division-Multipükaiionsverfahren ist zur Erfüllung dieser Voraussetzung besonders geeignet.

Beim Time-Divisions-Verfahren wird eine Pulsspannung gebildet, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der einen der zu multiplizierenden Größen proportional ist. Ein der zweiten zu multiplizierenden Größe proportionales Signal wird im Takt dieser Pulsspannung umgepolt. Der zeitliche Mittelwert der so erhaltenen Wechselgröße entspricht dann dem Produkt. Im Gegensatz zti Meßgeräten, die ausschließlich für Wechselstrom bestimmt sind, stellt diese Umpolung bei hocfapräzisen Meßgeräten für Gleich- und Wechselstrom, die ohne Meßwandler auskommen müssen, einige Probleme.

Bei einem bekannten Meßgerät der hier in Rede stehenden Art (IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, Vol. IM-17, Nr. 4, Dezember 1968, S. 245 bis 251) wird mit einem Nebenschlußwiderstand ans dem Strom und mit einem Spannungsteiler aus der Spannung je eine Meßspannung abgeleitet. Die eine dieser beiden Meßspannungen steuert einen Spannungs-Impuls-Wandler, die andere Meßspannung ist einerseits über einen Widerstand und andererseits über einen Invertierverstärker, einen Widerstand und einen Feldeffekttransistor-Schalter an den Eingang eines Filters gelegt. Die Stellung des vom Spasnungs-Impuls-Wandler gesteuerten Feldeffekttransistor-Schalters bestimmt die Polarität des Signals am FMtereingang. Nachteilig bei dieser Lösung ist die direkte Abhängigkeit des Meßresultates vom nichtliaearen, iemperaturabhängigen Innenwiderstand des Feldeffekttransistor-Schalters. Es sind daher Maßnahmen erforderlich, um den Einfluß dieses Innenwiderstandes zu kompensieren. Solche Kompensationsmaßnahnien sind jedoch heikel und unkontrollierbaren Langzeitdrifteinflüssen unterworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Innenwiderstand des Schalters ohne besondere Kompensationsmaßnahmen auch bei Höchst-Präzisionsmessungen keinen merkbaren Einfluß auf das Meßresultat ausübt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die andere der beiden Meßspannungen an den Steuereingang einer ersten Stromquelle und über einen Invertierverstärker an den Steuereingang einer zweiten Stromquelle angeschlossen ist, daß die Ausgänge der beiden Stromquellen mit dem Schalter verbunden sind und daß der Ausgangsstrom der beiden Stromquellen aus einem konstanten Teil und aus einem der Steuerspannung der Stromquelle proportionalen Anteil besteht.

Unter dem Begriff »steuerbare Stromquelle« wird hier eine aus einer Spannungsquelle gespeiste elektronische Schaltung verstanden, die an ihrem Ausgang einen durch ein Steuersignal veränderbaren Strom abgibt und deren Ausgangsimpedanz extrem hoch ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Meßgerätes zur Messung elektrischer Leistung und

Fig. 2 ein Detailschaltbild des Meßgerätes nach der Fig. 1.

In der Fig. 1 bedeutet U die zu messende Spannung und / den zu messenden Strom. Bei der Eichung des Meßgerätes handelt es sich hierbei um eine Gleichspannung und einen Gleichstrom, beim Betrieb des Gerätes dagegen in der Regel um eine Wechselspannung und einen Wechselstrom.

Die Spannung U ist an einen Spannungsmeßkreis 1 gelegt. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker 2 mit einem eingangsseitigen Widerstand 3 und einem Rückkopplungswiderstand 4. Dem Widerstand 3 oder dem Widerstand 4 kann zur Kompensation von Phasenfehlern des Spannungsmeßkreises 1 ein Kondensator parallel geschaltet sein.

Der Strom / fließt in einen Strommeßkreis S, der eingangsseitig einen Nebenschlußwiderstand 6 aufweist. Die Spannungsabgriffe des Nebenschlußwiderstandes 6 sind über Widerstände 7, 8 an die beiden Eingänge eines über einen Widerstand 9 rückgekoppelten, als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärkers 10 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 10 ist über einen Widerstand 11 an das Nullpotential geschaltet. Durch die Verwendung eines Differenzverstärkers wird vermieden, daß ein allfälliger Spannungsabfall zwischen dem unteren Stromanschluß und dem unteren Spannungsanschluß des Nebenschlußwiderstandes 6 einen Meßfehler verursachen kann. Auch hier kann zur Kompensation von Phasenfehlern einer oder mehrere der Widerstände 7, 8, 9 und 11 mit Kondensatoren überbrückt werden.

Der Spannungsmeßkreis 1 gibt eine der Spannung U proportionale Meßspannung U_el und der Strommeßkreis 5 eine dem Strom / proportionale Meßspannung E/_e2 ab. Die Meßspannung U_el ist im dargestellten Beispiel an einen Steuereingang 12 eines Spannungs-Impuls-Wandlers 13 und die Meßspannung U_e ο einerseits an einen Steuereingang 14 einer steuerbaren Stromquelle 15 und andererseits über einen Invertierverstärker 16 an einen Steuereingang 17 einer steuerbaren Stromquelle 18 angeschlossen. Der Spannungsmeßkreis 1 und der Strommeßkreis 5 sind derart dimensioniert, daß beispielsweise bei Nennspannung und Nennstrom U_ei= U_e2 ist. Dies gestattet, nach einer Messung die beiden Meßkreisel und 5 gegeneinander zu vertauschen, die Messung zu wiederholen und den Mittelwert der beiden so erhaltenen Meßresultate auszuwerten.

Der Spannungs-Impuls-Wandler 13 erzeugt eine Pulsspannung, für welche die Beziehung

T_n-T₁

b _

= Ic₁-U₀

gilt, wobei T_n die Impulsdauer, T_b die Pausendauer und U₁ eine Konstante bedeutet. Diese Pulsspannung steuert einen Schalter 19, der in der einen Stellung den Ausgang 20 der Stromquelle 15 und in der anderen Stellung den Ausgang 21 der Stromquelle 18 an ein Glättungsglied 22 legt, das aus einem Kondensator 23 und einem ohmschen oder induktiven Widerstand 24 besteht. ,
Die Stromquellen 15 und 18 sind identisch aufge-

baut. Sie liefern einen Strom, der sich aus einem konstanten AnteilZ₀ und einem dem Steuersignal U_e2 bzw. — U_e2 proportionalen Anteil zusammensetzt. Der Strom Z₁ der Stromquelle 15 ist somit

I₁=I₀ + k₂-U_e2,

und der Strom Z₂ der Stromquelle 18 ist
I = I₀- Ic₂-Ug

wobei k₂ eine Konstante bedeutet. Der konstante Anteil Z₀ ist größer gewählt als der Maximalwert des variablen Anteils k₂ · U_e2. Für den Mittelwert 7_m des Stromes Z_m an der Ausgangsseite des Schalters 19 gilt dann:

7_OT = —1—(T₀-Z^T₆-Z₂)

Dem Glättungsglied 22, das für eine erste grobe Glättung des Stromes Z_n, sorgt, ist ein Filter 25 nachgeschaltet. Vod Eingang des Filters 25 fließt ein konstanter Strom Z₀ zu einer Konstantstromquelle 26.

Für die Ausgangsspannung U_m am Filter 25 gilt:

Tj — L. . (J _ ¥ Λ = k . k . L· . TT ·ΤΤ

^um ^KZ V*in 0/ "l ^Λ2 ^K3 ^uel ^ue2 '

wobei k₃ wiederum eine Konstante bedeutet. Die Ausgangsspannung U^ ist also dem Produkt U_el-U_e2 und somit der elektrischen Leistung P = U-I proportional.

Zur Messung der elektrischen Arbeit kann die Ausgangsspannung U_m in eine proportionale Pulsfrequenz umgeformt und diese auf einen Impulszähler gegeben werden.

Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Subtraktion des Stroms Z₀ vom Strom Z_m zwischen dem Glättungsglied 22 und dem Filter 25. Die erforderliche Subtraktion einer konstanten Größe vom Multiplikationsergebnis kann natürlich auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mit einer Konstantspannungsquelle am Ausgang des Filters 25 oder bei einem Meßgerät für elektrische Arbeit mit einer konstanten Pulsfrequenz, welche auf einen Rückwärtszähleingang des obenerwähnten Impulszählers gegeben wird.

Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes können nun leicht erkannt werden. Da die Stromquellen 15 und 20 ohne weiteres derart ausgebildet werden können, daß ihre Ausgangsimpedanz extrem groß ist, kann der verhältnismäßig kleine Innenwiderstand des Schalters 19 das Meßresultat nicht merkbar beeinflüssen. Außerdem fließen die Ströme Z₁ und Z₂ jederzeit in der gleichen Richtung, so daß der Schalter 19 als einfacher Diodenschalter ausgebildet werden kann, wie später noch gezeigt wird.

In der Fig. 2 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Der Steuereingang 12 des Spannungs-Impuls-Wandlers 13 führt über einen Widerstand 27 zu einem sogenannten Millerintegrator, der aus einem Operationsverstärker 28 und einem zu diesem parallelen Kondensator 29 besteht. Der Ausgang des Miller-Integrators 28, 29 ist mit dem Eingang eines Schwellenschalters 30 verbunden, welcher einen Schalter 31 steuert. Dieser Schalter legt in der einen Stellung eine Konstantstromquelle +I_r und in der anderen Stellung eine Konstantstromquelle —1₁. an den Eingang des Miller-Integrators 28, 29.

Mit diesem an sich bekannten Spannungs-Impuls-Wandler kann eine besonders gute Meßgenauigkeit erzielt werden, die im wesentlichen nur von der Bandbreite des Operationsverstärkers 28 und der relativen Konstanz der beiden Konstantstromquellen +Z_r und —1₁. abhängig ist.

Der Steuereingang 14 der steuerbaren Stromquelle 15 führt zum nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 32, dessen Ausgang mit der G-Elektrode eines n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors 33 verbunden ist. Die D-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist über einen Widerstand 34 an eine Speisespannung + U_B und die S-Elektrode einerseits über einen Widerstand 35 an eine Speisespannung — U_B und andererseits an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 angeschlossen. Die D-Elektrode des Feldeffekttransistors 33 ist ferner mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 36 verbunden, dessen Ausgang an die G-Elektrode eines p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors 37 geschaltet ist. Die 5-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 sowie über einen Widerstand 38 an die Speisespannung + U_B angeschlossen. Die D-Elektrode des Feldeffekttransistors 37 schließlich ist mit dem Ausgang 20 der steuerbaren Stromquelle 15 verbunden.

Die Stromquelle 18 ist mit der Stromquelle 15 identisch; in der Fig. 2 ist daher nur die Schaltung der Stromquelle 15 gezeichnet. Diese Stromquelle arbeitet wie folgt:

Infolge der Rückwirkung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 über den Feldeffekttransistor 33 auf den invertierenden Eingang stellt sich die Spannung U₃₅ am Widerstand 35 derart ein, daß die Beziehung

gilt. Der Strom Z₃₅ im Widerstand 35 ist somit

_ U_e2

³⁵ ~~ P

U_B

wobei Z?₃₅ den Widerstandswert des Widerstandes 35 bedeutet. Der volle Strom Z₃₅ fließt auch im Widerstand 34. An diesem Widerstand ergibt sich ein Spannungsabfall

- (Tl J- Tl \ 34

"35

wobei R_3i den Widerstandswert des Widerstandes 34 bedeutet. Analog gilt für den Strom im Feldeffekttransistor 37, d. h. für den Ausgangsstrom Z₁ der Stromquelle 15 die Beziehung

- Uu _

^V34

Z?

38

^V38

wobei H₃₈ den Widerstandswert des Widerstandes 38 bedeutet. Der Strom Z₁ setzt sich also aus einem konstanten Anteil und einem der Meßspannung U_e2 proportionalen Anteil zusammen. Die Ausgangsimpedanz der Stromquelle ist sehr hoch; die Stabilität des Ausgangsstromes Z₁ ist nur von derjenigen der Widerstände 34, 35 und 38 sowie der Speisespannung — U_B abhängig.

Der Schalter 19 besteht in der Fig. 2 aus vier Dioden 39 bis 42. Die Diode 39 ist zwischen einen Ausgang 43 des Schwellenschalters 30 sowie den Ausgang 20 der Stromquelle 15 und die Diode 40 zwischen einen zum Ausgang 43 invertierten Aus-

gang 44 des Schwellenschalters 30 und dem Ausgang 21 der Stromquelle 18 geschaltet. Die Diode 41 bzw. 42 liegt zwischen dem Ausgang 20 bzw. 21 und dem Eingang des Glättungsgliedes 22. Entsprechend dem Zustand des Schwellenschalters 30 ist entweder die Diode 39 oder die Diode 40 leitend und damit entweder die Diode 41 oder die Diode 42 gesperrt. Eine saubere Arbeitsweise des Schalters 19 setzt voraus, daß die rechteckförmigen Pulsspannungen an den Ausgängen 43, 44 des Schwellenschalters 30 spiegelsymmetrisch zum Potential am Verbindungspunkt 46 der Dioden 41, 42 verlaufen. Dies kann am einfachsten dadurch erreicht werden, daß der Bezugsspannungsanschluß (d. h. der dem Eingang und den Ausgängen gemeinsame Anschluß) des Schwellenschalters 30 nicht auf Nullpotential, sondern auf ein entsprechend gewähltes Spannungspotential gelegt wird. Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß dieses Spannungspotential feineinstellbar ist. Beim Abgleich des Meßgerätes kann dann das Spannungspotential derart eingestellt werden, daß bei einer Meßspannung U_ei — 0 die Ausgangsspannung U_m = 0 ist. Durch diesen Abgleich kann vermieden werden, daß sich durch die endlichen und auch unterschiedlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulsspannungen an den Ausgängen 43, 44 eine fehlerhafte Kommutierung der Dioden des Schalters 19 und ein daraus resultierender Meßfehler ergibt.

Die Konstantstromquelle 26 besteht lediglich aus einem Widerstand 45, der an den ausgangsseitigen Strompfad des Schalters 19 — vorzugsweise an den Eingang des Filters 25 — und an die Speisespannung — U_B angeschlossen ist. Der Widerstand 45 und die Stromquellen 15, 18 werden also aus der gleichen Spannungsquelle gespeist. Es ist leicht ersichtlich, daß durch diese Maßnahme die Spannung der Spannungsquelle — Uβ das Meßresultat nicht beeinflußt und daher nicht konstant sein muß, denn bei einer Änderung der Spannung — U_B variieren der konstante Anteil I₀ der Stromquellen 15 und 18 und der Strom I₀ der Konstantstromquelle 26 in gleichem Maße.

Höchste Meßpräzision verlangt einen sauberen Abgleich des Meßgerätes. Im folgenden wird gezeigt, wie das erfindungsgemäße Meßgerät auf einfachste Weise abgeglichen werden kann.

Zuerst wird durch entsprechende äußere Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandlers 13 die erste Schalterstellung des Schalters 19 erzwungen und der Strom I₁ der Stromquelle 15 bei U_{e 2} = 0 durch Variation z.B. des Widerstandes 35 derart eingestellt, daß U_m = 0 ist. Danach wird die zweite Schalterstellung erzwungen und in analoger Weise der Strom der Stromquelle 18 so eingestellt, daß U_m = 0 ist. Anschließend wird bei einer vorgegebenen Meßspannung U_e2 die Verstärkung des Invertierverstärkers 16 eingestellt, und zwar derart, daß die Spannung U_m in der ersten erzwungenen Schalterstellung gleich groß ist wie in der zweiten erzwungenen Schalterstellung. Schließlich wird auf die bereits beschriebene Weise das Spannungspotential des Schwellenschalters 30 eingestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509530/312

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mit Gleichstrom eichbares statisches Meßgerät zur Messung von Wechselstromleistung oder Wechselstromarbeit, mit einem Spannungsmeßkreis und einem Strommeßkreis zur Bildung einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Meßspannung, mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Pulsspannung, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der einen der beiden Meßspannungen proportional ist, und mit einem vom Spannungs - Impuls - Wandler gesteuerten Schalter, der die andere der beiden Meßspannungen in der ersten Schalterstellung über einen ersten Strompfad und in der zweiten Schalterstellung über einen zweiten, einen Invertierverstärkef einschließenden Strompfad auf ein Filter schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der beiden Meßspannungen (U_e2) an den Steuereingang (14) einer ersten Stromquelle (IS) und über den Invertierverstärker (16) an den Steuereingang (17) einer zweiten Stromquelle (18) angeschlossen ist, daß die Ausgänge (20; 21) der beiden Stromquellen mit dem Schalter (19) verbunden sind und daß der Ausgangsstrom (I₁; I₂) der beiden Stromquellen (15; 18) aus einem konstanten Teil und aus einem der Steuerspannung (U_e2; —U_e2) der Stromquelle proportionalen Anteil besteht.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromquellen (IS; 18) zwei über jeweils einen Feldeffekttransistor (33; 37) rückgekoppelte, in Reihe geschaltete Operationsverstärker (32; 36) aufweisen, daß ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (32) den Steuereingang (14; 17) der Stromquelle (15; 18) und die Ausgangselektrode (D) des zweiten Feldeffekttransistors (37) den Ausgang (20; 21) der Stromquelle bildet.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitige Strompfad des Schalters (19) über einen Widerstand (45) an eine Spannungsquelle (— U_B) angeschlossen ist, die zugleich die beiden Stromquellen (IS; 18) speist.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßkreis (5) aus einem Nebenschlußwiderstand (6) und einem an diesen angeschlossenen Differentialverstärker (7 bis 11) besteht.

5. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Impuls-Wandler (13) aus einem Miller-Integrator (28; 29) und einem diesem nachgeschalteten Schwellenschalter (30) besteht, welcher über einen Schalter (31) die Polarität einer an den Eingang des Miller-Integrators angeschlossenen Stromquelle (7_r) steuert.

6. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) aus zwei an die Ausgänge (20; 21) der Stromquellen (15; 18) und an zueinander invertierte Ausgänge (43; 44) des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) angeschlossenen Dioden (39; 40) und aus zwei an die Ausgänge (20; 21) der Stromquellen (15; 18) und an den Eingang des Filters (25) oder eines diesem vorgeschalteten Glättungsgliedes (22) angeschlossenen Dioden (41; 42) besteht.

7. Meßgerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungspotential des Schwellenschalters (30) einstellbar ist.

8. Verfahren zum Abgleich eines Meßgerätes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Durch Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) wird die erste Schalterstellung des Schalters (19) erzwungen und der Strom (I₁) der Stromquelle (15) im ersten Strompfad bei Steuersignal (U _e2) Null derart eingestellt, daß die Spannung (U_m) am Ausgang des Filters (25) Null ist;

b) durch Beeinflussung des Spannungs-Impuls-Wandlers (13) wird die zweite Schalterstellung des Schalters (19) erzwungen und der Strom (I₂) der Stromquelle (18) im zweiten Strompfad bei Steuersignal (U_e2) Null derart eingestellt, daß die Spannung (U_m) am Ausgang des Filters (25) Null ist;

c) die Verstärkung des Invertierverstärkers (16) wird bei vorgegebener Meßspannung (U_e2) derart eingestellt, daß die Spannung (U_n) am Ausgang des Filters (25) in der ersten erzwungenen Schalterstellung gleich groß ist wie in der zweiten erzwungenen Schalterstellung.