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Leistunps-undArbeitsmeßverfahren mit A/D-Umsetzer"
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungs- und Arbeitrsießverfahren
mit A/D-Umsetzer und findet beispielsweise Anwendung in der Meßtechnik für die elektrische
Leistungsmessung- von Verbrauchern.
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Allgemein bekannt ist das Ferraris-Prinzip zur Messung der elektrischen
Arbeit, das in Elektrizitätszählern verwendet wird.
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und eine Genauigkeit von ca. 2 % erreicht. Das Induktionsmeßwerkeines
solchen Zählers besteht aus zwei Elektromagneten: einem vom Verbraucherstrom durchflossenen
"Stromeisen" und einem an der Versorgungsspannung liegenden "Sparunungseisen".
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Beide "Eisen" erzeugen durch ihre Anordnung ein magnetisches Feld.
Dieses Feld ruft in einer drehbar gelagerten Aluminiumscheibe durch Induktion Wirbelströme
hervor, die ein Drehmoment erzeugen, das proportional dem Produkt der beiden Magnetfelder
ist. Das Drehmoment entspricht der Wirkleistung.
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Die Aluminiumscheibe durchläuft das Feld eines Dauermagneten, wodurch
ein der Geschwindigkeit proportionales Bremsmoment erzeugt wird. Die Zahl der Scheibenumdrehung
entspricht der abgenommenen Arbeit.
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Unter der Bezeichnung "Time-Division" ist ein elektronisches Leistungsmeßverfahren
bekannt, bei dem ein Verbraucher abwechselnd mit der einen Polarität und in andercn
Polarität
an eine Spannungsquelle angeschaltet wird.
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An dem zu messenden Verbraucher liegt dadurch abwechselnddie Spannung
+U und -U. Die Art und Zeitdauer der Ustestung ergibt ltegriert eine Gleichspannung.
Das gewählte Tastverhältnis der umgeschalteten Spannungen wird entsprechend der
Funktion
gebildet. I ist hierbei der zu messende Strom.
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Aus dem Strom werden also Taktzeiten hergeleitet, die der obigen LAunktion
entsprechen. Unter den obengenannten Voraussetzungen ist demgemäß der integrierte
Gleichstrommittelwert proportional der angelegten Spannung und dem verbrauchten
Strom. Die das Ergebnis darstellende Spannung braucht nur noch digitalisiert zu
werden und kann zur Anzeige gebracht werden. Durch die vielen analogen Verarbeitungsschritte
bei diesem bekannten Verfahren wird die gesamte Leistungsmessung sehr aufwendig.
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Bekannt sind auch Leistungsmeßverfahren mit Hall-Multiplikatoren.
Dieses Verfahren ist jedoch für viele Fälle zu ungenau.
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Auch halbmechanische Verfahren mit einer elektrodynamischen Leistungswaage
sind bekannt. Hier findet eine Multiplikation von Spannung und Strom im magnetischen
Feld statt. Dieses Verfahren ist sehr genau und aufwendig und nur fUrEichmessungen
einzusetzen.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmeßverfahren zu
finden, bei dem keine mechanischen Teile eingesetzt werden, das zudem gewisse Genauigkeitsanforderungen
erfüllt und billig ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß die zu messende
Spannung
in einem A/D-Unsetzer in eine Digitalfcrm umgesetzt wird und in einem Zwischenspeicher
abgelegt wird, daß danach der zu messende Strom phasen verschoben auf denA/D-Umsetzer
ge führt und digitalisiert wird und daß der erhaltene Wert mit dem im Zwischenspeicher
vorhandenen Spannuiagswert multipliziert wird. Es kann aber auch erst der Strom
und dann die Spannung gemessen und umgesetztwerden. In Ausgestaltung können auch
die zu messenden Größen Spannungund Strom mit je einem A/D-Umsetzer gleichzeitig
ungesetzt werden und die erhaltenen Digitalwerte sofort multipliziert werden. Weitere
Ausgestaltungen sind aus den Unteransprüchen 4 bis 6 ersichtloch.
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Vorteilhaft ist besonders die einfache Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wenn die Stückzahl der Leistungs-bzw. Arbeitsmeßeinrichtungen groß ist.
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Durch den Einsatz hochintegrierter Bausteine ist eine einfache Massenfertigung
bei preisgünstiger Herstellung möglich.
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Vorteile liegen weiterhin in der geringen Baugröße und in dem Einsatz
spezieller integrierter Schaltkreise. Weitere Vorteile sind aus der Beschreibung
ersichtlich.
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Ein Ausfüirungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In einem Wechselstromnetz soll beispielsweise die verbrauchte Arbeit
gemessen werden.
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Von der Phase R wird die Spannung über auf 0 bezogene Spannungsteilerwiderstände
1 und 2 abgenommenen und über den Schalter 3 auf den Analog/Digital-Umsetzer 4,
im weiteren Text als A/D-Umsetzer bezeichnet, geführt. In bekannter Weise wird im
A/D-Umsetzer der momentane Spannungswert in einen digitalen Wert umgesetzt. Der
digitalisierte Spannungswert wird im Zwischenspeicher 5 abgelegt. Wenn der Spannungswert
abgelegt ist, schaltet der Schalter 3 ab und der Schalter 6 ein. Der
zu
messende Strom der Phase R wird durch den Übertrager 7 ausgekoppelt. Das RC-Glied
8 bewirkt eine Phasendrehung des abgenommenen Stromes. Die dem Stromwert entsprechende
Spannung wird über den geschlossenen Schalter 6 auf den A/D-Umsetser geführt, wo
der abgegriffene Strom in einen digitalen Wert umgesetzt wird.
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Der im Zwischenspeicher 5 abgelegte 5pannungswert wird solange gespeichert,
bis der Stromwert der Phase R eintrifft. Wenn dies geschehen ist, werden die beiden
Werte im Zwischenspeicher 5 multipliziert und die gewünschte Leistung steht zur
Verfügung. Selbstverständlich kann die zeitliche Reihenfolge der Spannung- und Strommessung
auch umgekehrt sein.
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Zur Leistungsmessungmuß der Strom- und Spannungsbetrag zur selben
Zeit festgestellt und miteinander multipliziert werden0 Da mit derselben Einrichtung
Spannung und Strom nicht zur selben Zeit gemessen werden kann, eine unterschiedliche
Messung aber falsche Ergebnisse bringen würde, wird erfindungsgemäß der Stromwert
erst phasengedreht und dann multipliziert. Durch die durch das RC-Glied 8 hervorgerufene
Phasendrehung des Stromes wird wieder der ursprüngliche Gleichtakt zwischen Spannung
und Strom hergestellt und im Zwischenspeicher kann die Multiplikation von Spannung
und Strom zur selben Zeit erfolgen. Die gewählte Verzögerung zwischen Strom und
Spannung tritt durch das zeitlich unterschiedliche Auskoppeln aus der R-Phase, durch
das unterschiedliche Ansprechen der Schalter 3 bzw. 6 und durch das Ablegen des
Spannungswertes im Zwischenspeicher 5 auf.
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An den Zwischenspeicher 5 schließt sich ein elektronischer Zähler
9 an, in dem der durch die Multiplikation erhabene Wert zu einem vorhandenen Stellenwert
in dem Zähler dazuaddiert wird. Der sich anschließende mechanische Zähler lo
bringt
die abgegriffene Leistung in einer bestimmten Zeit als Arbeit zur Anzeige.
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Die zeitliche Komponente des erfindungsgemäßen Leistungs-und Arbeitsmeß7erfahrens
wird in einer multiplexen Steuerung 11, bestehend beispielsweise aus Quarzoszillator
und Schieberegister, erzeugt. Das wechselweise Umschalten der Schalter 3 und 6 bzw.
das Abtasten/Messenzu bestimmten Zeiten während des Spannung-Strom-Ablaufs, das
den zeitlichen Wert für die Arbeitsmessung ergibt, wird in der hochkonstanten multiplexen
Steuerung erzeugt.
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Bei einer dreiphasigen Leistungs- bzw. Arbeitsmessung erfolgt die
zeitliche Umschaltung der Schalter bzw. zeitlich festgelegte Messung der Spannung-
und Stromwerte der einzelnen Phasen ebenfalls durch Befehle aus der multiplexen
Steuerung 11. Die erhaltenen Werte brauchen dann nur noch im elektrischen Zähler
9 addiert zu werden.
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Die verwendeten Bauteile A/D-Umsetzer 4, Zwischenspeicher 5, elektronischer
Zähler 9, und multiplexeSteuerung 11 werden in vorteilhafter Weise in integrierter
Form verwendet. Die beispielsweise in XOS-Technikhergestellten integrierten Schaltkreise
gewährleisten Jedoch nicht eine ausreichend hohe Abtastgeschwindigkeit für ein dreiphasiges
Netz. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deshalb
in jeder Periode des Wechselspannungsnetzes eine Abtastung nur einmal vorgenommen.
Um trotzdem die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, wird der Abtastzeitpunkt
in jeder Periode um einen konstanten Betrag verschoben. Uber einen längeren Zeitraum
gemittelt, ergibt sich somit eine vollständige Abtastung einer Sinus-Welle. Durch
dieses Verfahren werden zwar Strom- bzw. Spannungsspitzen außerachtgelassen, es
ergibt sich aber trctsc em eine ausreichende Genauigkeit.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfällt
die zeitliche Verzögerung zwischen Spannungund
Strommessung. Damit
entfallen das RC-Glied 8, die Taktung durch die multiplexe Steuerung und die Speicherung
der Spannungswerte. Durch den Einsatz eines zweiten A/D-Umsetzers für die Strommessung
können Spannung und Strom zur selben Zeit gemessen und in einem Bauteil multipliziert
werden.
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Diese Lösung kann in vielen Fällen vorteilhafter sein.
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Selbstverständlich wird nach dem Abtastgesetz bei Wedselspannungen
die Zahl der Messungen und Umsetzungen Je Periode so groß gewshlt, daß die höchste
zu messende Frequenz keine Meßfehler verursacht.
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L e e r s e i t e