DE2826078C3

DE2826078C3 - Schaltungsanordnung zur Messung des Effektivwertes einer elektrischen Wechselspannung

Info

Publication number: DE2826078C3
Application number: DE19782826078
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(Grad.) 8000 Muenchen Roessner; Guenter Dipl.-Ing. 8031 Seefeld Wess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-14
Filing date: 1978-06-14
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2826078B2; DE2826078A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Effektivwertes einer elektrischen Wechselspannung, welche der Heizwicklung eines ersten Thermokopplers zugeführt ist, dessen einer Ausgang über eine Rückführschleife mit der Heizwicklung eines zweiten Thermokopplers verbunden ist, wobei die Thermospannungen der beiden Thermokoppler gegeneinander geschaltet sind und dem Ausgang des ersten Thermokopplers ein Komparator nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignale einer digitalen Vergleichseinrichtung zugeführt sind, der ein linear arbeitender Digital-Analogumsetzer nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig an die Heizwicklung des zweiten Thermokopplers angeschlossen ist.

Eine Schaltung dieser Art ist aus der DE-OS 23 36 982 bekannt. Bei dieser genannten Meßeinrichtung sind zwei Heizelemente in einer Brückenschaltung angeordnet. Die bei einer Verstimmung der Brücke auftretenden Spannungen werden einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer zugeführt, welcher zwei Ausgänge aufweist Je nachdem, ob die Verstimmung in Richtung auf positive oder negative Spannungswerte erfolgt, werden entsprechende Ausgangssignale an getrennten Leitungen zu einem von zwei Zählern geführt Die Zähler sind ausgangsseitig mit Äquivalenzgattern verbunden und werden von einem gemeinsamen Taktgeber mit Vergleichssignalen versorgt Die so gewonnenen Zählergebnisse gelangen zu einem Aufwärts-Abwärts-Zähler, dem ein linearer Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet ist Die am Ausgang erhaltenen analogen Signale werden über eine Rückführschleife der Meßbrücke zugeführt

Diese Meßschaltung ist relativ kompliziert aufgebaut und liefert im Bereich der Digital-Analog-Umsetzung nur lineare Ausgangswerte.

Aus der Druckschrift der Fa. Hewlett Packard »Operating and Service Manual — 3400 A RMS Voltmeter« 1968, Seiten 4-0 bis 4-3 ist es bekannt, daß mit Hilfe einer thermischen Umsetzung der Effektivwert einer elektrischen Wechseispannung gemessen werden kann. Hierzu wird die elektrische Wechselspannung der Heizeinrichtung eines ersten Thermokopplers zugefühit, dessen Ausgangsspannung über weitere Schaltelemente (Modulator, Zerhackerverstärker, Demodulator und Emitterfolger) zum Heizeingang eines zweiten Thermokopplers zurückgeführt ist. Die Thermospannungen der beiden ThermokoDpler sind gegeneinandergeschaltet. Der Nachteil dieser Meßeinrichtung liegt vor allem darin, daß besonders für die Rückführschleife ein relativ hoher Schaltungsaufwand benötigt wird und der Effektivwert der Meßgröße nur linear in analoger Form vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in möglichst einfacher Weise eine Bestimmung des Effektivwertes einer Eingangswechselspannung bei gleichzeitiger loganthmischer Analog-Digitalumwandlung durchzuführen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Vergleichseinrichtung digitale Vergleichswerte in logarithmischer Stufung an einem mit dem Digital-Analogumsetzer verbundenen Ausgang bereitstellt, und daß die logarithmischen Werte des Effektivwertes der Wechselspannung an einem weiteren Ausgang der digitalen Einrichtung bereitgestellt sind, derart, daß das Vorzeichen des Ausgangssignals des Komparators den logarithmischen Effektivwert der Wechselspannung ausgehend von dem ersten Vergleichsergebnis als höchstwertiges bit in binärer Stufung liefert.

Auf diese Weise wird der Aufwand besonders im Bereich der Rückführschleife klein gehalten und das Meßergebnis des Effektivwertes der Eingangswechselspannung steht logarithmisch gemessen zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der benötigte Digital-Analogumsetzer linear arbeitet und somit einfach aufgebaut sein kann.

Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand vor. Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Effektivwertes einer elektrischen Wechselspannung,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Vergleichsspannungen,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf des Komparator-Ausgangssignals.

In Fig. 1 ist die Eingangsklemme der Meßschaltung mit EK und die zu messende Eingangswechselspannung

mit Uw bezeichnet Nachgeschaltet ist ein der Entkopplung dienender Eingangsverstärker EV, dessen Ausgangsspannung mit Uw 1 bezeichnet ist Nach dem Eingangsverstärker £ Vfolgt ein erster Thermokoppler TKi, dessen Heizwicklung mit der verstärkten Eingangswechselspannung Uw beaufschlagt wird. Am Ausgang entsteht je nach der Größe der Eingangswechselspannungen Uw eine Thermospannung Ui in Form einer Gleichspannung. Der Minusausgang des Thermokopplers 7X1 ist mit dem Pluseingang eines Gleichspannungjvsrstärkers verbunden, der hier als Komparator XO arbeitet und dessen Minuseingang auf Massepotential liegt Die Ausgangsspannung des Komparators ist mit Ug bezeichnet und wird dem Eingang einer digitalen Einrichtung DE z.B. einem Rechner oder einer digitalen Speicher- und Auswahlschaltung (ζ. B. ROM) zugeführt

Die Heizwicklung eines zweiten Thermokopplers 7X2 ist an einen linear arbeitenden Digital/Analogwandler DA angeschlossen, dem von Jer digitalen Einrichtung DE digitale Vergleichswerte Vl bis Vn nacheinander zugeführt werden. Die daraus entstehenden anaiogen Vergleichsspannungen Uv i bis Uv η werden an die Heizwicklung des Thermokopplers TK 2 angelegt Die vom Thermokoppler TK 2 erzeugte Thermospannung ist mit t/2 bezeichnet. Die beiden Thermospannungen Ui und i/2 sind gegeneinander geschaltet, d.h. es sind Klemmen mit der gleichen Polarität miteinander verbunden. Insgesamt ergibt sich somit für die Thermospannungen i/l und i/2 eine Art Regelkreis in Form einer Rückführschleife.

Der digitalen Einrichtung DE wird ein Bezugswert Vre. vorzugsweise in digitaler Form, an einem Eingang MK zugeführt, welcher den Meßbereich festlegt. Das Ergebnis der Messung, also der digitale Effektivwert Vde der Eingangswechselspannung Uw wird an dem Ausgang AC abgenommen. Die einzelnen Stufen der Bestimmung des Effektivwertes Vde werden anhand von Fig.2 für ein bestimmtes Zahlenbeispiel näher ^. υ_ν^ = \j_v2 erläutert. Dabei ist vorausgesetzt, daß in Abhängigkeit von der Zeit t nacheinander vier verschiedene Vergleichsspannungen Uvi, Uv2, Uv3 und Uv4 bereitgestellt weiden, welche auf von der digitalen Einrichtung DE gelieferte Vergleichswerte V1 bis V4 zurückgehen. Daraus entstehen beim Thermokoppler TK 2 nacheinander Thermospannungen t/21 bis t/24, welche die Form einer Treppenkurve haben.

Wie bereits erwähnt, ist über den Eingang MK der zugehörige Bezugswert Vre eingegeben, der nach Digital-Analogwandlung in DA den ersten Vergleichswert Vl liefert Die Spannung Uv 1 legt somit den jeweiligen Meßbereich fest, und zwar aufgrund des eingestellten Bezugswertes Vre. In der Anfangsphase, d.h. bei dem ersten Vergleich (Zeitpunkt t?) wird aus der ersten Vergleichsspannung Uv 1 über die Heizwicklung des Thermokopplers TK 2 die Thermospannung i/21 erzeugt. Je nachdem, wie groß die Eingangswechselspannung Uw ist, ergibt sich eine bestimmte Thermospannung i/l am Ausgang des ersten Thermokopplers TK 1.

Da die Thermospannung Ui größer ist als die Thermospannung t/21, ha* ^?- omparator-Ausgangssignal Ughier den Wert 1 (logische Eins), wie aus F i g. 3 ersichtlich ist. Die logische 1 am Ausgang des Komparators XO zur Zeit fl veranlaßt die digitale Einrichtung DE, einen zweiten Vergleichswert V2 zur Verfügung zu stellen, der größer sein muß als der erste Vergleichswert Vl = Vre. Daraus entsteht durch Digital-Analogumsetzung im Wandler DA die zweite Vergleichsspannung Uv 2, welche die Thermospannung i/22 erzeugt Aufgrund der so erhaltenen neuen Thermospannung i/22, welche in Fig.2 größer angenommen ist als die Thermorpannung i/l, fällt das Komparatorsignal im Zeitpunkt i2 auf den Wert Null zurück. Die digitale Einrichtung DE stellt hierauf einen neuen Vergleichswert V3 bereit, der niedriger liegt als V2. Die aus der daraus sich ergebenden Vergleichsspannung Uv 3 gebildete Thermospannung i/3 ist unterhalb der Thermospannung Ui angenommen, so daß das Komparatorsignal wieder auf den Wert 1 ansteigt

Die nachfolgende, durch einen von der digitalen Einrichtung DE erzeugten Vergleichswert V4 nach Digital-Analogumsetzung bereitgestellte letzte Vergleichsspannung Uv 4 erzeugt eine Thermospannung i/24, die knapp unterhalb dem Wert der Thermospannung Ui liegt und ergibt deshalb ebenfalls ein Komparatorsignal vom Wert logisch Eins. Der Vergleichsvorgang endet hier automatisch, weil in diesem Beispiel die Zahl der Vergleichsvorgänge auf N= 4 eingestellt ist. Allgemein wird nach N Vergleichen ein resultierender Ausgangswert Vde erzeugt, welcher in logarithmischem Maß die Größe des Effektivwertes der Eingangsspannung Ue angibt Das Vorzeichen des Ausgangssignals des Komparators KO liefert den logarithmischen Effektivwert der Eingangswechselspannung Uw, wobei das erste Vergleichsergebnis das höchstwertige bit der binären Stufung liefert. Für die verschiedenen Zeiten il bis (4 ergeben sich folgende mathematische Beziehungen:

ti: UvI - Bezugsspannung,

ti: UvI = UvI ■ Kl. z.B. Kl = 10²⁰ = 4dB. (2)

^. z.B. Kl = 10²⁰ = 2dB. (3)

£4: Uv4 = Uv3 · K3, z.B. X3 = 10²⁰ s IdB,

z.B. X 4 = 1O^ =. 0,5dB.

Der Wert K 4 entspricht der erzielten Auflösung, weil zwischen Ude ■ X4 und Ude --p-rliegt, d.h.

zwischen den beiden letztmöglichen Stufen. Dabei steht der Spannungswert Ude für den anaiogen Wert des digitalen Meßwertes Vde. Aus den vorstehenden Gleichungen lassen sich folgende Beziehungen ableiten:

= Kl

1
Kl

KH-KA;

= +4-2+1+0,5= +3,5dB. (6)

Der Wert des Komparatorsignals, d. h. je nachdem, ob dieses Signal den Wert logisch 1 oder logisch Null

hat, gibt somit an, ob mit dem Koeffizienten γ oder K gerechnet (Gleichung 3 bzw. 5) und der entsprechende

dB-Wert abgezogen oder addiert werden muß (Gleichung 6). Das erste Signal des Spannungskomparators K 0 liefert somit gleichzeitig das höchstwertige bit für das Endergebnis der Analog-Digitalwandlung. Um eine einfache logarithmische Beziehung zu erhalten, muß bei 5 Stufenumsetrung für die nachfolgenden Vergleichsstufen der Faktor Ki jeweils durch einen Faktor ki+1 =]/Ki' ersetzt werden. Nach N, im vorliegenden Beispiel also vier Vergleichsvorgängen, erhält man als Ergebnis ein TV-Bit-Wort, das nach Gleichung (6) entsprechend bewertet dem Logarithmus aus dem Spannungsverhältnis UMU2 proportional ist. Die verschiedenen Werte VX bis Vn bilden ein vorgegebenes logarithmisches Raster, innerhalb dessen der gesuchte Wert durch Näherung schrittweise bestimmt wird. Der Digital-Analogwandler DA in F i g. 1 ist ein linearer Wandler, dessen Auflösung vorteilhaft größer ist als die Anzahl der zur logarithmischen Analog-Digitalwandlung verwendeten Stufen, d. h. größer als N. Diese Auflösung entspricht der Auflösung des Endergebnisses. Die Verwendung eines linearen Digital-Analogwandlers in diesem Bereich hat den besonderen Vorteil, daß hier der Aufwand sehr gering gehalten werden kann. Die für die Berechnung des logarithmischen Wertes in der digitalen Einrichtung DE benötigte

Angabe darüber, ob das Verhältnis von ~- größer oder

kleiner ist als Eins, wird in einfacher Weise durch den Wert 0 oder 1 des Ausgangssignals des !Comparators KO bereitgestellt Damit ist auch hier ein sehr einfacher Bezugswert für den Rechner REvorhanden.

Durch die Wahl der Faktoren KXb\% KN wird der Spannungsbereich der Umsetzung festgelegt; der Ausgangswert der Umsetzung ist gleichzeitig Bezugsspannung des Ergebnisses.

Die logarithmische Analog-Digitalumwandlung einer Spannung kann nach diesem Prinzip vorteilhaft mit einem Mikroprozessor, z. B. SAB 8080, durchgeführt werden.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist neben dem geringen Aufwand seine Flexibilität (vergleichbare lineare Analog-Digitalwandler mit der erforderlichen hohen Auflösung haben wesentlich höhere Kosten).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung des Effektivwertes einer elektrischen Wechselspannung, welche der Heizwicklung eines ersten Thermokopplers zugeführt ist, dessen einer Ausgang über eine Rückführschleife mit der Heizwicklung eines zweiten Thermokopplers verbunden ist, wobei die Thermospannungen der beiden Thermokoppler gegeneinander geschaltet sind und dem Ausgang des ersten Therinokopplers ein Komparator nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignale eh;er digitalen Vergleichseinrichtung zugeführt sind, der ein linear arbeitender Digital-Analogumsetzer nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig an die Heizwicklung des zweiten Thermokopplers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (DE) digitale Vergleichswerte (V 1 bis Vn) in logarithmischer Stufung an einem mit dem Digital-Analogumsetzer (DA) verbundenen Ausgang bereitstellt, und daß die logarithmischen Werte (Vde) des Effektivwertes der Wechselspannung (Uw) an einem weiteren Ausgang (AE) der digitalen Einrichtung (DE) bereitgestellt sind, derart, daß das Vorzeichen (0,1) des Ausgangssisjnals des !Comparators den logarithmischen Effektivwert der Wechselspannung (Uw) ausgehend von dem ersten VergleichsergeLnis als höchstwertiges bit in binärer Stufung liefert. M

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eingang der Heizwicklung des ersten Thermokopplers (TK I) ein Eingangsverstärker (EV) eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Ausgang des ersten Thermokopplers (TK 1) und dem Anschluß der Heizwicklung des zweiten Thermokcpplers ein Gleichspannungsverstärker eingeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit dem ersten Thermokoppler (TK 1) verbundene zweite Ausgang des zweiten Thermokopplers (TK 2) mit Masse verbunden ist.