DE2519668B2 - Arrangement for generating a sequence of pulses proportional to the product of two analog electrical quantities - Google Patents

Arrangement for generating a sequence of pulses proportional to the product of two analog electrical quantities

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DE2519668B2 DE19752519668 DE2519668A DE2519668B2 DE 2519668 B2 DE2519668 B2 DE 2519668B2 DE 19752519668 DE19752519668 DE 19752519668 DE 2519668 A DE2519668 A DE 2519668A DE 2519668 B2 DE2519668 B2 DE 2519668B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung einer dem Produkt zweier analogen elektrischen Größen proportionalen Folge von Impulsen, insbesondere für die Messung elektrischer Leistung und Energie, bei der eine von der einen zu multiplizierenden Meßgröße χ abgeleitete analoge elektrische Größe einem aus einer Integrationsstufe einer monostabilen Kippstufe und einer Referenzspannungsquelle bestehenden Strom-Frequenz-Wandler zugeführt wird, wobei eine von der Referenzspannungsqueiie hergeleitete Referenzgröße zjeweils für eine von der monostabilen Kippstufe vorgegebene Zeit der analogen elektrischen Größe in der Weise überlagert wird, daß sie dieser Größe entgegengerichtet ist und zu einer Entladung des Integrationskondensators der Integrationsstufe führt.The invention relates to an arrangement for generating a sequence of pulses proportional to the product of two analog electrical variables, in particular for measuring electrical power and energy, in which an analog electrical variable derived from the one measured variable χ to be multiplied is derived from an integration stage of a monostable Flip-flop and a reference voltage source existing current-frequency converter is supplied, whereby a reference variable derived from the reference voltage source is superimposed on the analog electrical variable for a time specified by the monostable multivibrator in such a way that it opposes this variable and leads to a discharge of the Integration capacitor of the integration stage leads.

Die Messung der elektrischen Leistung erfolgt im allgemeinen durch eine Multiplikation der von derThe electrical power is generally measured by multiplying that of the

ίο Meßspannung und vom Meßstrom abgeleiteten elektrischen Größen in einer analogen Multiplizierstufe. Für die Erfassung der elektrischen Energie ist es notwendig, die so gemessene Leistung über die Zeit zu integrieren. Zu diesem Zweck wird der analoge Produktwert häufig mit Hilfe eines Analog-Frequenz-Wandlers in eine ihm proportionale Frequenz umgeformt Danach besteht eine Einrichtung zur Msssung der elektrischen Energie im wesentlichen aus einer Analog-Multiplizierstufe und einem Analog-Frequenz-Wandler. Diese sind dank der heutigen Technik zwar mit elektronischen Mitteln zu realisieren, allerdings ist der technische Aufwand bisher immer noch größer als der bei klassischen Meßprinzipien. Daher konnten sich die Elektrizitätszähler mit elektronischen Meßwerken gegenüber den Elektrizitätszählern mit Ferrarismeßwerk als Haushaltszähler aus wirtschaftlichen Gründen bisher nicht durchsetzen. Dem steht in erster Linie die Tatsache entgegen, daß bei den derzeit bekannten elektronischen Meßprinzipien die Analog-Multiplizierstufe und der Analog-Frequenz-ίο Measurement voltage and electrical derived from the measurement current Sizes in an analog multiplier stage. To record the electrical energy, it is necessary integrate the power measured in this way over time. For this purpose, the analog product value often becomes transformed into a frequency proportional to it with the help of an analog-frequency converter a device for measuring electrical energy essentially consisting of an analog multiplier and an analog-frequency converter. These are thanks to the Today's technology can be implemented electronically, but the technical effort is so far still greater than that of classic measuring principles. Therefore, the electricity meters were able to use electronic measuring units compared to the electricity meters with Ferraris measuring unit as a household meter not yet enforced for economic reasons. This is primarily opposed to the fact that with the currently known electronic measuring principles the analog multiplier stage and the analog frequency

JO Wandler zwei voneinander unabhängige Komponenten bilden und daß jedes der beiden Systeme unabhängig voneinander den Meßfehler beeinflußt.JO converter two independent components form and that each of the two systems influences the measurement error independently of one another.

Durch die CH-PS 4 88 192 ist eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art bekanntgeworden. BeiAn arrangement of the type described above has become known from CH-PS 4 88 192. at

Vi dieser bekannten Anordnung ist jeder der beiden zu multiplizierenden Größen ein eigener Analog-Digital-Wandler zugeordnet. Die Impulsfolgen der beiden. Analog-Digital-Wandler werden einer Koinzidenzschaltung zugeführt, die von einem Abtastoszillator In this known arrangement, each of the two variables to be multiplied is assigned its own analog-to-digital converter. The pulse trains of the two. Analog-to-digital converters are fed to a coincidence circuit controlled by a sampling oscillator

4i) getaktet wird. Der Aufwand der bekannten Anordnung ist daher relativ aufwendig.4i) is clocked. The effort of the known arrangement is therefore relatively expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zu schaffen, die weniger Aufwand erfordert. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schaltzeit der monostabilen Kippstufe von einer aus der zweiten Meßgröße abgeleiteten analogen elektrischen Größe derart bestimmt wird, daß die Schaltzeit umgekehrt proportional dem Betrag dieser Größe ist, wodurch eine dem Produkt der beiden analogen elektrischen Größen proportionale Auf- und Entladung des Integrationskondensators erfolgt und damit die Frequenz der Auf- und Entladung proportional dem Produkt der beiden Meßgrößen ist.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ist besonders geeignet zur Messung der elektrischen Leistung und Energie in Einphasen-Wechselstromnetzen. Vorteilhafterweise ist dann die eine Eingangsgröße aus dem Meßstrom und die andere Eingangsgröße aus der Meßspannung abgeleitet, wobei die Phasenbeziehung zwischen den beiden Meßgrößen durch eine der bekannten Schaltungen berücksichtigt wird. Eine besonders einfache Lösung ergibt sich dadurch, daß die dem Meßstrom proportionale Eingangsgröße über einen Schalter der Integrationsstufe zugeführt ist, derThe invention is based on the object of creating an arrangement which requires less effort. This object is achieved according to the invention in that the switching time of the monostable multivibrator is determined by an analog electrical variable derived from the second measured variable in such a way that the switching time is inversely proportional to the magnitude of this variable, whereby one is proportional to the product of the two analog electrical variables The integration capacitor is charged and discharged and thus the frequency of charging and discharging is proportional to the product of the two measured variables.
The arrangement according to the invention is particularly suitable for measuring the electrical power and energy in single-phase alternating current networks. One input variable is then advantageously derived from the measurement current and the other input variable from the measurement voltage, the phase relationship between the two measurement variables being taken into account by one of the known circuits. A particularly simple solution results from the fact that the input variable proportional to the measuring current is fed to the integration stage via a switch, the

b5 von einem an der Netzspannung liegenden Komperatorvorverstärker zur Bildung der Phasenbeziehungen der beiden Eingangsgrößen gesteuert wird.b5 from a comparator preamplifier connected to the mains voltage is controlled to form the phase relationships of the two input variables.

Dies ermöglicht den Aufbau eines einfachen Elektrizi-This enables the construction of a simple electrical

tätszählers, da die beiden komponenten Analog-Multiplizierstufe und Analog-Frequenz-Wandler durch eine einzige im Aufbau ebenfalls sehr einfache Komponente ersetzt sind. Die erfindungsgemäße Anordung kann bei praktisch unverminderter Genauigkeit gegenüber den bekannten aufwendigeren Anordnungen auch bei Haushaltszählern wirtschaftlich eingesetzt werden und ist gegenüber den klassischen Zählerkcnstruktionen konkurrenzfähig.as the two components of the analog multiplier stage and analog-frequency converter through a single component, which is also very simple in structure are replaced. The arrangement according to the invention can with practically undiminished accuracy compared to the known more complex arrangements can also be used economically for household meters and is competitive with the classic meter designs.

Zur Messung der elektrischen Leistung und Energie in Dreiphasen-Wechselstromnetzen wird je Phase die erfindungsgemäße Anordnung wiederholt, wobei die Ausgangsimpulse der einzelnen Anordnungen summiert werden, so daß die Gesamtzahl der Ausgangsimpulse dem Energieverbrauch in den drei Phasen entspricht. ι ίTo measure the electrical power and energy in three-phase AC networks, the arrangement according to the invention repeated, the output pulses of the individual arrangements being summed so that the total number of output pulses corresponds to the energy consumption in the three phases. ι ί

Obwohl die Erfindung hier ausschließlich vom Standpunkt der Messung elektrischer Energie aus betrachtet worden ist, kommt der Grundidee dieser Erfindung eine wesentlich größere Bedeutung zu.Although the invention is used here solely from the standpoint of measuring electrical energy has been considered, the basic idea of this invention is of much greater importance.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher 2« erläutert; es zeigtThe invention is explained in more detail with the aid of the drawing. explained; it shows

F i g. 1 das Prinzip der Anordnung undF i g. 1 the principle of arrangement and

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel zur Messung der elektrischen Energie in einem einphasigen Netz.Fig.2 shows an embodiment for measuring the electrical energy in a single-phase network.

Das Meßwerk besteht im wesentlichen aus einem Strom-Frequenz-Wandler, der sich gemäß Fig. 1 aus einem Integrator 6, einer monostabilen Kippstufe 8 und einer Referenzspannungsquelle zusammensetzt. Mit 1,2 und 10 sind die Eingänge und mit 9 der Ausgang des Strom-Frequenz-Wandlers bezeichnet. Am Eingang 2 jo liegt die aus einer der beiden zu multiplizierenden Meßgrößen abgeleitete Eingangsgröße x. Sie wird dem Strom-Frequenz-Wandler über einen Widerstand 4 zugeführt und lädt einen Integrationskondensator 7 so lange auf, bis die Ansprechschwelle der monostabilen y, Kippstufe 8 erreicht wird. In diesem Moment wird — über einen Widerstand 3 und Schalter 5 — für eine von der Kippstufe vorgegebene Zeit 71 ein von der Referenzgröße ζ der Referenzspannungsquelle abgeleiteter Strom dem aus der Eingangsgröße χ abgeleiteten Strom derart überlagert, daß er diesem entgegengerichtet ist; das führt zu einer Entladung des Integrationskondensators 7. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Folgefrequenz F, die der Eingangsgröße χ direkt und der Referenzgröße ζ sowie der Schaltzeit 71, der 4-, monostabilen Kippstufe umgekehrt proportional istThe measuring mechanism consists essentially of a current-frequency converter which, according to FIG. 1, is composed of an integrator 6, a monostable multivibrator 8 and a reference voltage source. 1, 2 and 10 denote the inputs and 9 denotes the output of the current-frequency converter. The input variable x derived from one of the two measured variables to be multiplied is at input 2 jo. It is fed to the current-frequency converter via a resistor 4 and charges an integration capacitor 7 until the response threshold of the monostable y flip-flop 8 is reached. At this moment - via a resistor 3 and switch 5 - a current derived from the reference variable ζ of the reference voltage source is superimposed on the current derived from the input variable χ in such a way that it is directed in the opposite direction for a predetermined time 71 by the flip-flop. which leads to a discharge of the integrating capacitor 7. This process is repeated with a repetition rate F of the input variable χ directly and the reference variable ζ and the switching time 71, the 4 - is monostable multivibrator is inversely proportional

F = k" -—. F = k "- -.

K ist eine Wandlerkonstante, die sich aus den Schaltungsparametern ergibt. Wird die Schaltzeit Γι der monostabilen Kippstufe 8 von einer aus de- zweiten Meßgröße abgeleiteten Eingangsgröße y in der Weise bestimmt, daß Γι umgekehrt proportional zu y ist, dann ist K is a converter constant resulting from the circuit parameters. If the switching time Γι of the monostable multivibrator 8 is determined by an input variable y derived from the second measured variable in such a way that Γι is inversely proportional to y , then

Auf diese Weise ergibt sich eine Ausgangsfrequenz F «) am Ausgang 9, die dem Produkt der beiden Meßgrößen proportional ist. Die Eingangsgröße y wird über Eingang 10 und Widerstand 11 der monostabilen Kippstufe zugeführt.This results in an output frequency F «) at output 9 which is proportional to the product of the two measured variables. The input variable y is fed to the monostable multivibrator via input 10 and resistor 11.

F = k-^. F = k- ^.

wobei K' und K" ebenfalls Konstante sind. Werden die Eingangsgrößen χ und y vom Meßstrom bzw. der Meßspannung an einem Verbraucher abgeleitet, so ist die Anzahl der Ausgangsimpulse der Meßschaltung direkt der verbrauchten elektrischen Energie proportional. where K ' and K "are also constants. If the input variables χ and y are derived from the measuring current or the measuring voltage at a consumer, the number of output pulses of the measuring circuit is directly proportional to the electrical energy consumed.

Als Hauptvorteil der vorgeschlagenen Schaltung zur Messung der elektrischen Leistung ist der im Vergleich zu den bestehenden Lösungen geringere Bedarf an elektronischen Bauelementen anzusehen, der vor allen Dingen deshalb zu erreichen ist, weil die Leistungs-Frequenz-Umwandlung in einem Schritt durchgeführt wird.The main advantage of the proposed circuit for measuring electrical power is that in comparison to the existing solutions there is less need for electronic components, above all To achieve things is because of the power-to-frequency conversion is carried out in one step.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung der elektrischen Energie in einphasigen Netzen. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen. Mit 15 ist der geerdete Nulleiter und mit 16 der Leiter der Phase R bezeichnet. Die Eingangsgröße χ wird in diesem Falle aus dem Meßstrom abgeleitet. Sie wird durch den Spannungsabfall des Meßstromes an einem Shunt 17 gebildet, dessen eines Ende über den Widerstand 4 mit dem Eingang des Strom-Frequenz-Wandlers in Verbindung steht, während dessen anderes Ende mit der Gerätemasse verbunden ist. Die Gerätemasse führt somit das Potential der Phase R. Fig. 2 shows an embodiment of the invention for measuring electrical energy in single-phase networks. Effectively the same parts are given the same reference numerals as in FIG. 1 provided. 15 with the grounded neutral conductor and 16 with the conductor of the R phase. In this case, the input variable χ is derived from the measuring current. It is formed by the voltage drop of the measuring current at a shunt 17, one end of which is connected to the input of the current-frequency converter via the resistor 4, while the other end is connected to the device ground. The device ground therefore carries the potential of phase R.

Eine Lösung mit Stromwandler, dessen Sekundärstrom an einem Bürdenwiderstand einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft, ist ebenfalls möglich.A solution with a current transformer whose secondary current at a load resistor has a corresponding Voltage drop is also possible.

Die zweite Eingangsgröße y wird direkt von der Meßspannung abgeleitet. Zu diesem Zweck ist die Anode einer Diode 12 mit dem Nulleiter 15 und deren Kathode über einen Glättungskondensator 13 mit der das Potential der Phase R führenden Gerätemasse verbunden. Diese zweite Eingangsgröße y erscheint dann als geglättete Gleichspannung am Ausgang 10 der aus der Diode 12 und dem Glättungskondensator 13 bestehenden Gleichrichterschaltung und speist über den Widerstand 11 einen ihr proportionalen Strom in die stromgesteuerte monostabile Kippstufe 8 ein. Der Einfluß der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kann mit Hilfe an sich bekannter Schaltungen berücksichtigt werden. In Fig. 2 stehen dafür stellverstretend ein Komparatorverstärker 18 und ein Schalter 19 zur Verfügung, die in ihrer Wirkung der eines phasengesteuerten Gleichrichters entsprechen. Ein Eingang des Komparatorverstärkers ist mit dem Nulleiter 0 verbunden, während der andere Eingang mit der das Potential der Phase R führenden Gerätemasse verbunden ist. Die am Ausgang des Leistungs-Frequenz-Wandlers anstehenden Impulse werden in einem Impulszähler 14 aufsummiert.The second input variable y is derived directly from the measurement voltage. For this purpose, the anode of a diode 12 is connected to the neutral conductor 15 and its cathode is connected to the device ground carrying the potential of the R phase via a smoothing capacitor 13. This second input variable y then appears as a smoothed DC voltage at the output 10 of the rectifier circuit consisting of the diode 12 and the smoothing capacitor 13 and feeds a current proportional to it into the current-controlled monostable multivibrator 8 via the resistor 11. The influence of the phase shift between current and voltage can be taken into account with the aid of circuits known per se. In FIG. 2, a comparator amplifier 18 and a switch 19 are available as substitutes for this purpose, the effect of which corresponds to that of a phase-controlled rectifier. One input of the comparator amplifier is connected to the neutral conductor 0, while the other input is connected to the device ground carrying the potential of the R phase. The pulses present at the output of the power-frequency converter are added up in a pulse counter 14.

Die in F i g. 2 angegebene Lösung stell* schon den Hauptteil eines elektronischen Systems zur Messung der elektrischen Energie dar. Es fehlen nur noch das Versorgungsteil und die Anzeige, damit das vorgeschlagene System einen Einphasen-Wechselstromzähler bildet.The in F i g. The solution given in 2 represents the main part of an electronic measurement system of electrical energy. Only the supply part and the display are missing, so that the proposed one System forms a single-phase alternating current meter.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Anordnung zur Erzeugung einer dem Produkt zweier analoger elektrischen Größen proportionalen Folge von Impulsen, insbesondere für die Messung elektrischer Leistung, bei der eine von der einen zu multiplizierenden Meßgröße (x) abgeleitete analoge elektrische Größe einem aus einer Integrationsstufe, einer monostabilen Kippstufe und einer Referenzspannungsquelle bestehenden Strom-Frequenz-Wandler zugeführt wird, wobei eine von der Referenzspannungsquelle hergeleitete Referenzgröße ζ jeweils für eine von der monostabilen Kippstufe vorgegebene Zeit der analogen elektrischen Größe in der Weise überlagert wird, daß sie dieser Größe entgegengerichtet ist und zu einer Entladung des Integrationskondensators der Integrationsstufe führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeit (T\) der monostabilen Kippstufe (8) von einer aus der zweiten Meßgröße (y) abgeleiteten analogen elektrischen Größe derart bestimmt wird, daß die Schaltzeit (T \) umgekehrt proportional dem Betrag dieser Größe (y) ist, wodurch eine dem Produkt der beiden analogen elektrischen Größen (x, y) proportionale Auf- und Entladung des Integrationskondensators (7) erfolgt und damit die Frequenz (F) der Auf- und Entladung proportional dem Produkt der beiden Meßgrößen (x, y) ist.1. Arrangement for generating a sequence of pulses proportional to the product of two analog electrical quantities, in particular for measuring electrical power, in which an analog electrical quantity derived from the one measured quantity (x) to be multiplied consists of an integration stage, a monostable multivibrator and a Reference voltage source is supplied to the existing current-frequency converter, with a reference variable ζ derived from the reference voltage source being superimposed on the analog electrical variable for a time specified by the monostable multivibrator in such a way that it opposes this variable and leads to a discharge of the integration capacitor Integration stage, characterized in that the switching time (T \) of the monostable multivibrator (8) is determined by an analog electrical variable derived from the second measured variable (y) in such a way that the switching time (T \) is inversely proportional to the amount of this variable ( y) is whereby a charging and discharging of the integration capacitor (7) proportional to the product of the two analog electrical quantities (x, y) takes place and thus the frequency (F) of the charging and discharging is proportional to the product of the two measured quantities (x, y) . 2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Messung der elektrischen Leistung in Einphasen-Wechselstromnetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Eingangsgröße (x) aus dem Meßstrom und die andere Eingangsgröße (y) aus der Meßspannung abgeleitet ist, wobei die Phasenbeziehung zwischen den beiden Meßgrößen durch eine der bekannten Schaltungen berücksichtigt wird.2. Arrangement according to claim 1 for measuring the electrical power in single-phase alternating current networks, characterized in that one input variable (x) is derived from the measurement current and the other input variable (y) is derived from the measurement voltage, the phase relationship between the two measurement variables through one of the known circuits is taken into account. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßstrom proportionale Eingangsgröße (x) über einen Schalter (19) der Integrationsstufe (6) zugeführt ist, der von einem an der Netzspannung liegenden Komparatorverstärker (18) zur Bildung der Phasenbeziehungen der beiden Eingangsgrößen gesteuert wird.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the input variable (x) proportional to the measuring current is fed to the integration stage (6) via a switch (19) which is supplied by a comparator amplifier (18) connected to the mains voltage to form the phase relationships of the two Input variables is controlled. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen Energie ein Zähler (14) nachgeschaltet ist.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that for measuring the electrical energy, a counter (14) is connected downstream. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 zur Messung der elektrischen Leistung und Energie in Dreiphasen-Wechselstromnetzen, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Phase die Anordnung zur Leistungsmessung vorgesehen ist und die Ausgangsimpulse der einzelnen Anordnungen summiert werden.5. Arrangement according to claims 1 to 3 for measuring the electrical power and energy in Three-phase alternating current networks, characterized in that in each phase the arrangement for Power measurement is provided and the output pulses of the individual arrangements are summed up will.
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