DE2427525C2 - Circuit arrangement of a static measuring mechanism for electricity meters for testing and billing purposes - Google Patents

Circuit arrangement of a static measuring mechanism for electricity meters for testing and billing purposes

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DE2427525C2 DE19742427525 DE2427525A DE2427525C2 DE 2427525 C2 DE2427525 C2 DE 2427525C2 DE 19742427525 DE19742427525 DE 19742427525 DE 2427525 A DE2427525 A DE 2427525A DE 2427525 C2 DE2427525 C2 DE 2427525C2
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Description

Es sind Schaltungen für Elektrizitätszähler mit statischem Meßwerk bekannt, mit deren Hilfe Leerlauf und Fehler durch Verstärkerdriften weitgehend vermiedenThere are circuits for electricity meters with static measuring mechanism known, with the help of idling and Errors caused by amplifier drift are largely avoided

ίο werden können. Die Meßgenauigkeit dieser Geräte setzt u. a. die Unveränderlichkeit des Multiplikationsfaktors des erforderlichen Multiplizierers, die Unveränderlichkeit einer Referenzspannungsquelle und des Integrationskondensators über viele Jahre voraus. Während Referenzspannungsquellen heute bereits eine hohe Langzeitstabilität aufweisen, ist die Erfüllung der Stabilitätsanforderungen an die elektronischen Bauteile der Multipliziereinrichtung und an den Integrationskondensator noch relativ unsicher. Der Meßbereich der bekannten statischen Meßwerke wird auch bei Schaltungen zur Driftunterdrückung mit kleiner werdenden Meßgrößen durch Nichtlinearitäten im Bereich kleiner Aussteuerungen nach unten begrenzt Bei Prüfzählern betreibt man zur Verminderung der vorgenannten Fehler die Zähler häufig bei gleichen Lastströmen und paßt die Prüfströme dem Prüfzählernennstrom über schaltbare Stufenstromwandler an. In ähnlicher Weise verfährt man bei der Anpassung der Prüfspannungen an die Nennspannung dieser sogenannten Gleichlastzähler. Es sind auch Schaltungen von Prüfzählern mit statischem Meßwerk bekannt, die eine selbsttätige Meßbereichsanpassung vornehmen. Bei diesen wird über Schaltrelais eine vom Meßstrom gesteuerte Stufenumschaltung der Stromwandlerbürde vorgenommen, wobei zur Erhaltung der Zählerkontakte die Ausgangsimpulsfolge dieser Zähler durch entsprechende Teilung der jeweils geschalteten Bürde angepaßt wird.ίο can be. The measurement accuracy of these devices sets i.a. the immutability of the multiplication factor of the required multiplier, the immutability a reference voltage source and the integration capacitor for many years. While Reference voltage sources already have a high long-term stability today, is the fulfillment of the stability requirements to the electronic components of the multiplier and to the integration capacitor still relatively uncertain. The measuring range of the known static measuring mechanisms is also used in circuits for the suppression of drift with decreasing measurands due to non-linearities in the smaller range Levels limited downwards With test counters one operates to reduce the aforementioned errors the meter often has the same load currents and the test currents match the test meter nominal current via switchable Step current transformer on. A similar procedure is used to adapt the test voltages to the Nominal voltage of this so-called constant load meter. There are also circuits of test counters with static Known measuring mechanism, which make an automatic measuring range adjustment. This is via switching relays a step changeover of the current transformer burden controlled by the measuring current is carried out, whereby to maintain the counter contacts the output pulse train of this counter by appropriate division of the respectively switched Load is adjusted.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines statischen Meßwerks für Elektrizitätszähler vermeidet den Einfluß von Veränderungen der Bauelemente des Multiplizierers und des Integrationskondensators auf das Meßergebnis weitestgehend. Sie erlaubt ferner eine volle Aussteuerung der die Meßgenauigkeit maßgebend bestimmenden Bauelemente des Meßwerks auch bei sehr kleinen Meßgrößen.The inventive arrangement of a static measuring mechanism for electricity meters avoids the influence of changes in the components of the multiplier and the integration capacitor on the measurement result largely. It also allows full control of the decisive determinant of the measurement accuracy Components of the measuring mechanism even with very small measured quantities.

Es handelt sich beim Gegenstand der Erfindung um die Anordnung eines statischen Meßwerks für Elektrizitätszähler für Wechselstrom, bei dem von den Eingangsmeßgeräten Spannung und Strom abgeleitete Wechsel-Stromgrößen in einem Multiplizierer multipliziert werden und die Meßproduktgröße zwecks Mittelwertbildung einem Integrator zugeführt wird. Erfindungsgemäß sind den Multiplizierereingängen zusätzlich Referenzssignale von der Meßfrequenz abweichender Frequenz solcher Größe und Richtung zugeführt, daß der zeitliche Mittelwert der im Multiplizierer gebildeten Referenzproduktgröße den zeitlichen Mittelwert der Meßproduktgröße praktisch aufhebt, wobei der hierzu notwendige Betrag der Referenzproduktgröße vom Ausgang des Integrators in einer Regelschleife gesteuert wird und eine der Referenzproduktgröße und damit auch eine der Meßproduktgröße proportionale Impulsfolge für die Zählung erzeugt wird.
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Meßspannung U~ wird über einen Spannungswandler 1 auf die Spannung U\ übersetzt, die zusammen mit einer Referenzwechselspannung Ui den einen Eingang einer Multiplizierstufe 3The subject matter of the invention is the arrangement of a static measuring mechanism for electricity meters for alternating current, in which alternating current quantities derived from the input measuring devices voltage and current are multiplied in a multiplier and the measured product quantity is fed to an integrator for the purpose of averaging. According to the invention, the multiplier inputs are additionally supplied with reference signals with a frequency deviating from the measurement frequency of such magnitude and direction that the temporal mean value of the reference product quantity formed in the multiplier practically cancels the temporal mean value of the measured product quantity, the amount of the reference product quantity required for this being controlled by the output of the integrator in a control loop and one of the reference product size and thus also a pulse sequence proportional to the measurement product size is generated for the counting.
F i g. 1 shows an embodiment of the arrangement according to the invention. The measurement voltage U ~ is translated via a voltage converter 1 to the voltage U \ which, together with a reference alternating voltage Ui, has one input of a multiplier 3

speist Auf den zweiten Eingang dieser Stufe wird die Bürdenspannung U2, die vom Meßstrom /~ über einen Stromwandler 2 und den Bürdenwiderstand 7 abgeleitet wird, zusammen mit einer weiteren Refcrenzwechselspannung U4 gegeben. U3 und U4 besitzen die gleiche Frequenz fr, die etwas höher als die Meßfrequenz ist Die Phasenlage ist so gewählt, daß das Produkt U\ ■ U2 das entgegengesetzte Vorzeichen des Produktes U3 ■ U4 besitzt Sind die Gleichstrommittelwerte beider Produkte gleich groß, so ist der Ausgangsg'eichstrom ü der Multipiizierstufe 3 gleich Null. Ein Regelkreis aus einem Verstärker 4, einem spannungsgesteuerten Frequenzgenerator 5, dem Pulsgenerator 8 mit nachgeschaltetem Filter 9 und dem Wechselrichter 10 sorgt dafür, daß die Bedingung 4 = 0 immer erfüllt ist. feeds The burden voltage U 2 , which is derived from the measuring current / ~ via a current transformer 2 and the burden resistor 7, is fed to the second input of this stage , together with a further reference alternating voltage U 4 . U 3 and U 4 have the same frequency f r , which is slightly higher than the measuring frequency. The phase position is chosen so that the product U \ ■ U 2 has the opposite sign of the product U 3 ■ U 4 Are the DC mean values of both products the same large, the output direct current ü of the multiplier 3 is equal to zero. A control loop consisting of an amplifier 4, a voltage-controlled frequency generator 5, the pulse generator 8 with a downstream filter 9 and the inverter 10 ensures that the condition 4 = 0 is always met.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende:The mode of operation of the circuit is as follows:

Eine Spannung am Ausgang des Verstärkers 4 hat am Ausgang des Generators 5 eine Frequenz fo zur Folge. Mit dieser Frequenz werden in dem Pulsgenerator 8 Spannungsimpulse definierter Amplitude und Dauer (definierter Energieinhaltes) erzeugt Die Amplitude wird von einer Referenzgleichspannung Uref abgeleitet. Hinter dem Filter 9 erhält man eine Gleichspannung Ur, welche der Frequenz fo proportional ist. Die Spannung t//-wird in dem Wechselrichter 10 in die Wechselspannung U4 umgewandelt beispielsweise in eine Rechteckschwingung, wobei der Effektivwert von U4 der Gleichspannung Urproportional ist. In gleicher Weise wird von der Referenzspannung Uret über einen Wechselrichter 11 die konstante Wechselspannung U3 abgeleitet. Die Taktfrequenz fr für die Wechselrichter wird vom Generator 12 geliefert. Da t/j proportional zu LVund zu /oist, und da andererseits U3 konstant ist, so ist /Odem Produkt U3 ■ U4 und wegen der Bedingung /a = 0 auch dem Produkt U\ · U2 und damit der Meßleistung proportional.A voltage at the output of the amplifier 4 results in a frequency f o at the output of the generator 5. With this frequency, voltage pulses of defined amplitude and duration (defined energy content) are generated in the pulse generator 8. The amplitude is derived from a reference direct voltage U re f . A direct voltage Ur, which is proportional to the frequency f o, is obtained behind the filter 9. The voltage t // - is converted in the inverter 10 into the alternating voltage U 4 , for example into a square wave, the effective value of U 4 being proportional to the direct voltage Ur. In the same way, the constant alternating voltage U 3 is derived from the reference voltage U re t via an inverter 11. The clock frequency f r for the inverter is supplied by the generator 12. Since t / j is proportional to LV and to / o , and since U 3 is constant on the other hand, / O is the product U 3 · U 4 and, because of the condition / a = 0, also the product U \ · U 2 and thus the measurement power proportional.

Da in der erfindungsgemäßen Anordnung der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Produkt der Eingangsgrößen des Multiplizierers und dessen Ausgangsgröße nicht in dis Meßergebnis eingeht, ist es möglich, die Summe der Meß- und Referenzgröße an einem oder beiden Eingängen des Multiplizierers so zu regeln, daß der Multiplizierer unabhängig von den Meßgrößen stets optimal angesteuert wird. Ein Beispiel einer solchen Schaltungsanordnung ist im Prinzip in F i g. 2 dargestellt. Because in the arrangement according to the invention the proportionality factor between the product of the input variables of the multiplier and its output variable is not included in the measurement result, it is possible to to regulate the sum of the measured and reference variables at one or both inputs of the multiplier so that the multiplier is always optimally controlled regardless of the measured variables. An example of one The circuit arrangement is shown in principle in FIG. 2 shown.

In eine der Eingangsleitungen zum Multiplizierer wird ein Verstärker 13 mit veränderbarem Verstärkungsfaktor eingeschaltet Eine Regelschaltung 14 steuert die Verstärkung so, daß die Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) näherungsweise konstant bleibt. Anstelle eines Verstärkers kann auch ein regelbarer Abschwächer benutzt werden. Als Regelelemente kommen eine ganze Reihe von Bauelementen, wie z. B. Photowiderstände, temperaturabhängige Widerstände, Feldeffekt-Transistoren u. ä. in BetrachtAn amplifier 13 with a variable gain factor is inserted into one of the input lines to the multiplier switched on A control circuit 14 controls the gain so that the output variable (current or voltage) remains approximately constant. Instead of an amplifier, an adjustable attenuator can also be used to be used. A number of components are used as control elements, such as B. photoresistors, temperature-dependent resistors, field effect transistors and the like

Fig. 3 zeigt eine Anordnung nach Fig. 1, in der die Polarität eintr der Eingangsgrößen (hier U2 + U4) des Multipliziertes 3, vpn einem Taktgenerator 15 gesteuert, über einßn Schalter 16 periodisch umgeschaltet wird und zugleich durch i"inen hinzugefügten Inverter 17 und einen weiteren Umschalter 18 dafür gesorgt wird, daß die Funktion der Re^elschleife, wie in der Beschreibung zu F i g. 1 i'ngegebei1* erhalten bleibt.Fig. 3 shows an arrangement according to Fig. 1, in which the polarity eintr of the input variables (here U 2 + U 4 ) of the multiplied 3, controlled by a clock generator 15, periodically switched via a switch 16 and at the same time added by i "inen inverter 17 and another changeover switch 18 is taken to ensure that the function of the Re ^ elschleife as retained in the description of F i g. 1 i'ngegebei 1 *.

In der gezeichne'en Schalterstellung entspricht die Funktion der Schaltung in allen Punkten der der Anordnung nach Fig. 1. In der zweiten Stellung von 16 wird die Summe Uj + U4 invertiert, so daß sowohl das Produkt der von den Meßgrößen abgeleiteten Spannungen U\ ■ Ui und das Produkt der Referenzgrößen U2 ■ U4 das Vorzeichen wechseln. Der Abgleichzustand ia = 0 bleibt erhalten. Da jedoch bei Abweichungen der Meßgrößen vom abgeglichenen Zustand der sich ergebende Wert von i, das entgegengesetzte Vorzeichen gegenüber dem bei der ursprünglichen Schalterstellung besitzt muß die Regelrichtung umgekehrt werden, was durch Einschalten des Inverters 17 über den Schalter 18, der synchron mit 16 schaltet erreicht wird. Im idealen Fall wird sich so am spannungsgesteuerten Oszillator 5 bei festen Meßgrößen unabhängig von der Schalterstellung eine bestimmte Frequenz fo einstellen.In the switch position shown, the function of the circuit corresponds in all points to that of the arrangement according to FIG. 1. In the second position of 16, the sum Uj + U 4 is inverted, so that the product of the voltages U \ ■ Ui and the product of the reference quantities U 2 ■ U 4 change the sign. The balanced state i a = 0 is retained. However, since the resulting value of i has the opposite sign to that in the original switch position when the measured variables deviate from the balanced state, the control direction must be reversed, which is achieved by switching on the inverter 17 via the switch 18, which switches synchronously with 16 . In the ideal case, a certain frequency f o will be set on the voltage-controlled oscillator 5 with fixed measured variables regardless of the switch position.

Tritt am Eingang des Integrators 4 ein Fehlerstrom /a auf, so regelt die Schaltung in der einen Schalterstellung auf den Abgleichwert ia + ie = 0, und in der zweiten Stellung auf 4 — ie = 0, d. h. die variable Referenzspannung U4 stellt sich so ein, daß am Ausgang des Multiplizierers die Abweichung + Δ fo bzw. — Δ fo gegenüber dem idealen Abgleich beträgt. Der Mittelwert von fo entspricht jedoch dann praktisch dem richtigen Wert. Die Schaltung besitzt somit den Vorteil, auch Fehlergrößen am Eingang des Integrators (z. B. Driftströme) zu eliminieren, was von großer Bedeutung ist, wenn eine hohe Genauigkeit über einen großen Meßbereich erzielt werden soll. If a fault current / a occurs at the input of the integrator 4, the circuit regulates in one switch position to the adjustment value i a + i e = 0, and in the second position to 4 - i e = 0, ie the variable reference voltage U 4 occurs in such a way that at the output of the multiplier the deviation is + Δ f o or - Δ f o compared to the ideal adjustment. However, the mean value of f o then practically corresponds to the correct value. The circuit thus has the advantage of eliminating error variables at the input of the integrator (e.g. drift currents), which is of great importance if a high level of accuracy is to be achieved over a large measuring range.

Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt F i g. 4.Another example of an arrangement according to the invention is shown in FIG. 4th

Die Summe aus der Sekundärspannung U\ und einer Referenzspannung U4, sowie die Summe aus der vom Strom abgeleiteten Bürdenspannung U2 und der Spannung U4 werden auf die beiden Eingänge des Multiplizierers 3 gegeben. Zur Zeit t = 0 sei U4 = 0. Der Ausgangsstrom des Multiplizierers lädt den Integrationskondensator C auf, bis eine am Komparator 19 eingestellte Schwelle (hier 0 V) erreicht ist, und der Komparator diesen Zustand durch ein Ausgangssignal anzeigt. Dieses Signal löst in einem Referenzsignal-Generator 20 das Signal U4 aus, das aus einem einmaligen unipolaren oder bipolaren Impuls konstanter und bekannter Dauer und einer von einer Referenzgleichspannung Unr abgeleiteten Amplitude besteht. Der von LPZ4 erzeugte Ausgangsstrom am Multiplizierer ist dem durch das Produkt der Spannungen U\ ■ Ui hervorgerufenen Strom entgegengerichtet. Dadurch wird die Ausgangsspannung des Integrator-Verstärkers 4 unter die Schwelle des Komparators heruntergedrückt. Nach Ende des Referenzsignals steigt sie wieder in Richtung auf die Schwelle des Komparators an, bis beim Erreichen der Schwelle das nächste Referenzsignal ausgelöst wird, u. s. w. Die Ausgangsspannung von 4 schwankt damit um einen zeitlich konstanten Mittelwert. Die Frequenz der Referenzsignale /"„ ist dann der Eingangsleistung proportional und die Zahl der Impulse ist ein Maß für die elektrische Arbeit im Meßkreis. Eine Umschaltung Lwx Vermeidung von Driften am Eingang des Integrators kann hier entsprechend Beispiel F i g. 3 vorgenommen werden.The sum of the secondary voltage U \ and a reference voltage U 4, and the sum of the current derived from the load voltage U 2 and the voltage U 4 are applied to the two inputs of the multiplier. 3 At time t = 0 let U 4 = 0. The output current of the multiplier charges the integration capacitor C until a threshold set on the comparator 19 (here 0 V) is reached and the comparator indicates this state with an output signal. This signal triggers the signal U 4 in a reference signal generator 20, which consists of a single unipolar or bipolar pulse of constant and known duration and an amplitude derived from a reference DC voltage U n r. The output current generated by LPZ 4 at the multiplier is opposite to the current caused by the product of the voltages U \ ■ Ui. As a result, the output voltage of the integrator-amplifier 4 is pushed down below the threshold of the comparator. After the end of the reference signal, it rises again towards the threshold of the comparator until the next reference signal is triggered when the threshold is reached, etc. The output voltage of 4 thus fluctuates around a constant mean value over time. The frequency of the reference signals / "" is then proportional to the input power and the number of pulses is a measure of the electrical work in the measuring circuit. Switching Lwx to avoid drifting at the input of the integrator can be carried out here in accordance with example FIG.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Anordnung eines statischen Meßwerks für Elektrizitätszähler für Wechselstrom, bei dem von den Eingangsmeßgrößen Spannung und Strom abgeleitete Wechselstromgrößen in einem Multiplizierer multipliziert werden und die Meßproduktgröße zwecks Mittelwertbildung einem Integrator zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß den Multipliziereingängen zusätzlich Referenzsignale von der Meßfrequenz abweichender Frequenz solcher Größe und Richtung zugeführt werden, daß der zeitliche Mittelwert der im Multiplizierer gebildeten Referenzproduktgröße den zeitlichen Mittelwert der Meßproduktgröße praktisch aufhebt, wobei der hierzu notwendige Betrag der Referenzproduktgröße vom Ausgang des Integrators in einer Regelschleife gesteuert wird und eine der Referenzproduktgröße und damit auch eine der Meßproduktgröße proportionale Impulsfolge für die Zählung erzeugt wird.1. Arrangement of a static measuring unit for electricity meters for alternating current, in which of the Input measured quantities Voltage and current derived alternating current quantities in a multiplier are multiplied and the measured product size is fed to an integrator for the purpose of averaging is, characterized in that the multiplier inputs additional reference signals from the measuring frequency deviating frequency of such magnitude and direction are supplied that the temporal mean value of the reference product size formed in the multiplier the temporal mean value the measured product size practically eliminates, with the necessary amount of the reference product size is controlled by the output of the integrator in a control loop and one of the reference product size and thus a pulse sequence proportional to the size of the measured product is generated for the counting will. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator ein Analog/Frequenzwandler nachgeschaltet ist, dessen Ausgangsimpulse Signale konstanten Energieinhaltes auslösen, die ggfs. über Umformerstufen beispielsweise Filter, deich- oder Wechselrichter oder induktive Wandler als Referenzsignal mindestens einem der Multipliziereingänge zugeführt werden, welche mit einem Referenzsignal am zweiten Multipliziereingang die Referenzproduktgröße bildet.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the integrator is an analog / frequency converter is connected downstream, the output pulses of which trigger signals with constant energy content possibly via converter stages, for example filters, dike or inverters or inductive converters be fed as a reference signal to at least one of the multiplier inputs, which with a Reference signal at the second multiplier input forms the reference product size. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator anstelle eines Analog/Frequenzwandlers ein Komparator nachgeschaltet ist, der bei Erreichen einer Referenzschwelle, beispielsweise einer Referenzspannung, durch das Ausgangssignal des Integrators Referenzsignale konstanten Energieinhaltes auslöst, wodurch die Größe des Integratorausgsngssignales »ieder unter die Referenzschwelle des !Comparators gedrückt wird und sich so eine zum Referenzprodukt und damit auch zum Meßprodukt proportionale Folge von Referenzsignalen konstanten Energieinhaltes einstellt, die für die Zählung verwendbar ist.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the integrator instead of one A comparator is connected downstream of the analog / frequency converter which, when a reference threshold is reached, for example a reference voltage, through the output signal of the integrator reference signals constant energy content triggers, whereby the size of the Integratorausgsngssignales »ieder under the reference threshold of the! comparator is pressed and thus one becomes the reference product and thus also sets a sequence of reference signals with constant energy content proportional to the measurement product, which can be used for counting. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor von Verstärkern, über welche Meß- und Referenzgrößen gleichzeitig verstärkt werden, in einer vorzugsweise von den Verstärkerausgängen selbst gesteuerten Regelung in der Weise verändert wird, daß die Verstärker unabhängig vom Betrag der Meß- und Referenzgrößen Ausgangssignale nahezu gleichbleibender Amplitude abgegeben.4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the gain factor of amplifiers, Which measurement and reference variables are amplified at the same time, preferably in one by the amplifier outputs themselves controlled regulation is changed in such a way that the amplifier output signals more or less constant regardless of the amount of the measured and reference variables Amplitude delivered. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßgröße Spannung oder von der Meßgröße Strom abgeleitete Wechselstromgröße einschließlich des dieser Größe überlagerten Referenzsignale periodisch invertiert wird, so daß die Gleichstrommittelwerte sowohl der Meßproduktgröße als auch der Referenzproduktgröße periodisch umgepolt werden, wobei auch im Falle eines dem Integrator nachgeschalteten Analog/Frequenzwandlers nach Anspruch 2 oder im Falle eines dem Integrator nachgeschalteten !Comparators nach Anspruch 3 entsprechend der periodischen Inversion der Polarität der Produktsignale der Analog/ Frequenzwandler oder der Komparator in der Weise umgeschaltet wird, daß die Funktion der Regelschleife richtig bleibt5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that the voltage of the measured variable or alternating current quantity derived from the measured quantity current, including the quantity superimposed on this quantity Reference signals is periodically inverted, so that the DC mean values of both the measured product size as well as the reference product size are periodically reversed, also in the case of an analog / frequency converter connected downstream of the integrator according to claim 2 or in the case of one Comparators connected downstream of the integrator according to claim 3 corresponding to the periodic inversion the polarity of the product signals of the analog / frequency converter or the comparator in the way is switched so that the function of the control loop remains correct
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