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Prüfeinrichtung für Elektrizitätszähler
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfeinrichtung für Elektrizitätszähler,
bestehend aus einer Aufhänge- und Abtastvorrichtung für die zu prüfenden Zähler
und einer Einrichtung zum Speisen der Zähler, wobei die Spannungen und Ströme zur
Speisung der Zähler Spannungs- und Stromgeneratoren entnommen sind, die oszillatorgesteuerte
Strom- bzw. Spannungsverstärker enthalten.
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In der Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft", Jg. 76 (1977), Heft
5, S. 109 - 113 ist eine Prüfeinrichtung für die Justierung und Beglaubigung von
Elektrizitätszählern beschrieben, bei der der Betriebsablauf beim Betriebszustand
'Justieren" von Hand durch die Bedienungsperson und beim Betriebszustand "Beglaubigen"
automatisch durch einen Computer gesteuert wird. Dieser Computer dient auch zur
Berechnung der Zählerfehler.
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Bei dieser bekannten Prüfeinrichtung ist die Speisestation für Strom
und Spannung an eine geregelte Spannungs-
quelle angeschlossen.
Die unterschiedlichen Strommeßbereiche können von Hand über Drucktasten oder vom
Computer gewählt werden. Die Prüfströme sind grob und fein regulierbar zwischen
Null und 120 % I. Die Ströme der beiden Phasen S und T können mit Winkel-Regulier-Transformatoren
in ihrer Phasenlage individuell eingestellt werden. Dadurch läßt sich auch bei unsymmetrischer
Belastung durch die Prüflinge ein symmetrisches Stromdreieck erreichen. Der Spannungskreis
ist an die Sekundärwicklung eines Phasenschiebers angeschlossen.
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Damit kann die Phasenlage der Spannung gegenüber dem Strom in beliebigen
Grenzen eingestellt werden. Der Spannungskreis ist für die Nennspannungen 57,6/100,
127/220, 220/380 V ausgelegt. An die Sekundärwicklungen der Meßwandler ist ein statischer
Präzisions-Eichzähler als Referenz angeschlossen. Er gibt bei Nennlast und Kosinus
# = 1 eine Frequenz von 3000 Hz ab, die dem Computer zugeführt wird. Mit sechs Korrekturwandlern
werden die Restfehler der Station individuell auf kleiner als 0,1 % kompensiert.
Für die Einhaltung der Spannungen ist eine automatische Spannungsregelung vorgesehen,
die mit einer von Hand einstellbaren Referenzspannung ausgerüstet ist. Dieses Regelsystem
arbeitet unabhängig vom Computer. Muß Jedoch während der Prüfzeit die Leistung konstant
gehalten werden, beispielsweise bei der Prüfung von Maximumzählern, korrigiert der
die Ausgangsfrequenz des Eichzählers kontrollierende Computer die Referenzspannung
des Spannungsreglers.
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Alle Regeltransformatoren und Phasenschieber haben Stellmotoren, die
über elektronische Regler arbeiten.
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Sie erhalten die Ist-Werte der zu regelnden Größen von den Sekundärkreisen
der Meßwandler.
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Diese bekannte Prüfeinrichtung erfordert einen nicht unerheblichen
Aufwand. Hinzu kommt, daß sich der elektronische
Prüfzähler und
die zu prüfenden Ferrariszähler gegenüber verzerrten Kurvenformen, Frequenzänderungen,
Schwankungen der Amplituden, Anderungen der Symmetrie usw. anders verhalten, was
zu nicht reproduzierbaren Meßergebnissen führen kann.
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Aus IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM 25, Nr. 4, S. 544 - 546, Dez.
76, ist es beispielsweise bekannt, die Spannungen und Ströme für die Leistungsmessung
elektronischen Spannungs- und Stromgeneratoren zu entnehmen.
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Hierbei enthalten die Spannungs- und Stromgeneratoren oszillatorgesteuerte
Strom- bzw. Spannungsverstärker.
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Mit Hilfe eines Dreiphasen-Netzwerkes werden aus der Oszillatorspannung
die Steuerspannungen für drei Strom-und drei Spannungsverstärker gewonnen. Hierbei
werden die Spannungen und Ströme sowie Phasenwinkel von Hand an Potentiometern eingestellt.
Die Spannungs- und Stromverstärker stellen hierbei Je ein Drehstromsystem dar, wobei
die Phasenlage zwischen Spannungs- und Stromsystem mit Hilfe eines Phasenschiebers
beliebig verstellt werden kann.
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Kennzeichnend für die bekannten Prufeinrichtungenfür Elektrizitätszähler
ist, daß die Spannungen und Ströme nur annähernd genau vorgegeben werden können
und daß man sich auf eine Präzisionsmessung der Leistung - entweder mit drei Leistungsmessern
oder mit einem Prüfzähler - verläßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung für
Elektrizitätszähler der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, daß die
Werte für Spannung und Strom einschließlich der etwaigen Phasenverschiebung präzise
genug vorgegeben werden können, um auf jegliche Messung der einzelnen Größen verzichten
zu können. Damit können alle Wandler, Anzeigeinstrumen-
te, Stellglieder,
Phasenschieber, Leistungsmesser bzw.
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Prüfzähler usw. entfallen. Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, daß elektronisch geregelte Spannungs- und Stromgeneratoren
verwendet sind, die durch auf digitalem Wege erzeugte Signale gesteuert sind, wobei
sämtliche Werte, wie Spannung, Strom, Phasenverschiebungswinkel, Kosinus , Frequenz
u. dgl., als digitale Einzelwerte vorgegeben sind. Vorzugsweise ist ein Fehlerrechner
vorgesehen, dem die digital vorgegebenen Einzelwerte als Soll-Werte und die von
den einzelnen Abtastvorrichtungen der zu prüfenden Zähler eintreffenden Impulse
(Werte) als Ist-Werte zur Berechnung und Anzeige der Fehler zugeführt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuersignale für die
Spannungs- und Stromgeneratoren von einem Quarzoszillator über umschaltbare Frequenzteiler
und logische Verknüpfungen abgeleitet. Diese Steuersignale werden über adressierbare
Festwertspeicher (ROM) und diesen nachgeschaltete Digital-Analog-Wandler zur Erzeugung
der Sinusfunktion oder eines Jeden anderen gewünschten Kurvenverlaufs den Strom-
und Spannungsverstärkern zugeführt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt
ist, wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Prüfeinrichtung für Elektrizitätszähler
und Fig. 2 einen Steuergenerator für die drei Spannungs-
und die
drei Stromgeneratoren.
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In Fig. 1 sind mit GUR, GUS und GUT die Spannungsgeneratoren bezeichnet,
die die einzelnen Spannungischienen UR, US und UT speisen. Mit O ist die Null-Leiterschiene
bezeichnet, die mit den einzelnen Spannungsgeneratoren in Verbindung steht.
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Mit GIR, GIS und GIT sind die Stromgeneratoren bezeichnet, die die
zugeordneten Stromschienen IR, IS und IT speisen. An die Spannungs- und Stromschienen
sind in an sich bekannter Weise die zu prüfenden Zähler Z1 und Z2 angeschlossen.
Im Prinzip kann an die Spannungs- und Stromschienen eine beliebige Anzahl Zähler
angeschlossen werden. Jedem Zähler Z1, Z2 ... ist eine Digitalanzeige DK1, DK2 ...
zugeordnet. Wie durch Pfeilrichtungen angegeben, stehen diese Anzeigen sowohl mit
den zugeordneten Zählern als auch über Leitungen L1, L2 mit einem Fehlerrechner
FR in Verbindung, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.
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Mit SG ist ein Steuergenerator bezeichnet, der von einem Quarzoszillator
Q gespeist wird. Der Steuergenerator SG leitet von den von dem Quarzoszillator Q
abgegebenen Referenzsignalen Steuersignale geeigneter Amplitude und Phasenlage für
die einzelnen Generatoren GUR, GUS, GUT bzw. GIR, GIS, GIT ab Die einzelnen Werte
können an einem gemeinsamen Steuerfeld KS z. B. durch Codierschalter direkt eingestellt
und auch abgelesen werden.
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Mit dem Steuergenerator SG wirkt der Fehlerrechner FR zusammen. Dieser
Fehlerrechner vergleicht die programmierten Werte mit den einzelnen über die Leitungen
L1, L2 ... kommenden Tastkopfsignalen und rechnet für jeden Zähler den Meßfehler
aus. Hierzu multipliziert er digi-
tal die programmierten Werte
für Jedes Spannungs- und Stromptar und ermittelt daraus die Einzelleistungen bzw.
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die Gesamtleistung. Der errechnete Wert für die Gesamtleistung steuert
z. B. einen programmierbaren Frequenzteiler, der sodann aus einer Referenzfrequenz
den Soll-Wert der Impulslänge bildet, mit dem dann die einzelnen Impulslängen-Ist-Werte
der Tastköpfe verglichen werden.
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Jeder Zähler Z1, Z2 ... ist bekanntlich mit einem Abtastkopf versehen,
der die an der Läuferscheibe angebrachte Markierung abfragt. Der Fehlerrechner gibt
sodann die ermittelten Fehler, z. B. über einen Datenbus DB und einen Adreßbus AB,
an die einzelnen Anzeigeeinheiten Al, A2 ... aus, die Jeweils unmittelbar neben
den Zählern Z1, Z2 ... montiert sind.
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Wie mit gestrichelten Linien angedeutet ist, kann dem Fehlerrechner
FR ein Eichoszillator EQ sowie eine Defektanzeige Df zugeordnet sein.
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Der Fehlerrechner erhält von dem Steuergenerator SG die eingestellten
Werte als Digitalinformationen zugeführt.
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Hieraus errechnet er die Gesamtleistung. Da dieser Wert durch eine
digitale Operation gewonnen wird, ist er fehlerfrei. Mit Hilfe des Eichoszillators
EQ kann nun z. B.
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über einen programmierbaren Frequenzteiler ein Impuls definierter
Länge erzeugt werden, der unter Berücksichtigung der Zählerkonstanten als Soll-Wert
definiert wird. Der Fehlerrechner vergleicht nun die von den einzelnen Tastköpfen
kommenden Impulse mit dem Soll-Wert, rechnet die einzelnen Zählerfehler aus und
überträgt sie über das Bus-System DB auf die einzelnen, Jedem Zähler zugeordneten
Anzeigen Al, A2 .... Vorzugsweise ist der Fehlerrechner so ausgeführt, daß er die
Werte auf einem Drucker ausgibt.
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Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Steuergenerators SG für
die Erzeugung der insgesamt sechs benötigten Signale. Gemäß der Erfindung erfolgt
die Signalerzeugung synthetisch. Der Quarzoszillator Q speist über einen umschaltbaren
Frequenzteiler FT1 den Steuergenerator SG, welcher wiederum umschaltbare Frequenzteiler,
logische Verknüpfungen sowie einen Adressengenerator enthält. Die Frequenz des Quarzoszillators
Q bestimmt sich aus der gewünschten Feinstufigkeit sowohl der Sinusfunktionen als
auch der Einstellungen. Die Sinusfunktionen werden mit ROM's erzeugt: Jedes ROM1
bis ROM6 erhält eingangsseitig im einfachsten Fall fortlaufende Adressen aus dem
Adressengenerator zugeführt.
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Der Ausgang des ROM's adressiert wiederum einen Digital-Analog-Wandler
D/A1 bis D/A6, der eine proportionale Spannung bzw. einen proportionalen Strom abgibt,
die bzw. der um so genauer der Sinusform entspricht, Je mehr Kurvenpunkte das entsprechende
ROM enthält. Wegen der Symmetrieeigenschaften der Sinusfunktion genügt es, nur eine
1/4-Periode in dem ROM zu speichern; allerdings sind dann Umschaltungen notwendig.
Speichert man beispielsweise eine 1/2-Periode der Sinusfunktion, so reduzieren sich
die Umschaltungen auf eine einfache Umpolung jeweils in der zweiten 1/2-Periode.
Durch anschließende Glättung bzw. Filterung können, wenn nötig, die durch die Stufung
erzeugten hohen Frequenzen ausgefiltert werden. Hierbei ist es leicht möglich, in
den ROM's jede beliebige Kurvenform zu speichern. Dies ist durch gestrichelte Linien
angedeutet. Bei Kf kann somit die Kurvenform vorgegeben werden. So kann man z. B.
Jede denkbare Kurvenformverzerrung vorsehen. Da alle Phasenverschiebungen durch
logische Verknüpfungen erzeugt werden, ändern sie sich nicht, wenn man die Ausgangsfrequenz
verändert; ebensowenig ändert sich die Kurvenform des Sinus. Diese Verstellbarkeit
der Frequenz, ohne Anderung aller anderen Parameter, ist mit herkömmlichen
Anlagen
nicht möglich. Es ist auch möglich, mit einem einzigen ROM und multiplexem Betrieb
zu arbeiten. Die ganze Signalaufbereitung läßt sich aber auch mit einem Mikrocomputer
ausführen.
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Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ist, daß Fehler
erst bei den D/A-Wandlern D/A1 bis D/A6 beginnend auftreten können, da die gesamte
davorliegende Signalverarbeitung fehlerfrei und über die Lebensdauer der Anlage
driftfrei ist. Ein D/A-Wandler trägt Jedoch zum Fehler nur wenig bei, da er im Grunde
nur aus einem Widerstandsnetzwerk besteht, dessen Verhältnisse sehr genau eingehalten
werden können. Im wesentlichen spielt nur seine Nichtlinearität eine Rolle. Die
Eichung wird von einer Referenzspannung bestimmt.
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In Fig. 2 ist mit E eine Eingabe angedeutet, mit der der Kosinus p,
die Phasenwinkel für Strom und Spannung, Drehfeld u. dgl. eingegeben werden können.
Mit Am ist eine Amplituden-Eingabe angedeutet. Die Ausgänge der Digital-Analog-Wandler
D/A1 bis D/A6 sind mit Leistungsverstärkern V1 bis V6 verbunden. Vorzugsweise werden
handelsübliche Nf-Leistungsverstärker für die Spannungen und Ströme verwendet. Man
kann den gleichen Verstärkertyp lediglich durch Auswechseln des Ausgangstransformators
sowohl als Spannungsgenerator als auch als Stromgenerator einsetzen. Die Leistungsverstärker
sind mit einer eigenen hochpräzisen Regelung ausgestattet. Durch die Regelung wird
der Innenwiderstand zu Null, so daß die Spannung unabhängig von der Last konstant
bleibt. Selbstverständlich muß Jeder Spannungs-und Stromgenerator kurzschluß- bzw.
leerlauffest sein, sowie auf beträchtliche induktive Blindlasten arbeiten können,
ohne durch rückgespeiste Energie zerstört zu werden. Um Spannungsabfälle auf den
Leitungen zu vermeiden, ist eine sternförmige Verdrahtung von den Ausgängen
der
Spannungsgeneratoren anzustreben. Entsprechendes gilt auch für die Stromgeneratoren.
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Die einzelnen Meßpunkte können sowohl von Hand als auch automatisch
eingestellt werden. Mit einem im Verhältnis zu den Gesamtkosten der Anlage geringen
Mehraufwand läßt sich die Eingabe programmierbar ausführen. Hierzu ist es nur notwendig,
einen geeigneten Datenträger einzusetzen, der leicht auswechselbar ist, z. B. eine
Magnetkarte, wie sie bei Tischrechnern üblich ist. Für Jeden Zählertyp können dann
die Prüfpunkte einmalig - mit Hilfe der vorhandenen Anlage - eingespeichert werden.
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Es ist dann nur noch notwendig, die Karte einzustecken und nach Ausrichten
der Abtastköpfe die Anlage zu starten. In diesem Fall ist eine Anzeige für alle
Einstellwerte vorgesehen. Die gesamte Anlage kann aber auch durch einen Rechner
gesteuert werden.
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Mit Hilfe des Fehlerrechners FR kann eine selbsttätige Überprüfung
der Anlage vorgenommen werden. Durch die Verwendung einer unabhängigen Referenzfrequenz
für den Fehlerrechner, die durch den Eichfrequenzoszillator EQ geliefert wird, können
größere Abweichungen erkannt werden.
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Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Prüfung.
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So können in einem automatischen Testzyklus alle D/A-Wandler die gleiche
Adresse erhalten. In diesem Falle müßten die Ausgangssignale dann übereinstimmen.
Nichtübereinstimmung kann auf mehreren Wegen erkannt werden und eine Fehlermeldung
auslösen, die bei Df angezeigt wird. Man kann aber auch der Einfachheit halber alle
D/A-Wandler der Reihe nach mit einem Referenz-D/A-Wandler vergleichen. Damit ist
sichergestellt, daß alle Endverstärker richtige Signale erhalten.
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Da die Endverstärker V1 bis V6 in jedem Falle Regelsystem sind, läßt
sich ein Ausrasten der Regelung leicht erkennen und zu einer Fehlermeldung z. B.
bei Df ausnutzen.
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Schließlich kann man an einem Platz der Anlage immer einen einwandfreien
Vergleichszähler belassen, wobei der Fehlerrechner dann so programmiert sein kann,
daß er bei einer Abweichung der Meßergebnisse von diesem Zähler eine Meldung auslöst.
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Dieses Vergleichszählerprinzip läßt sich auch weiter ausbauen. So
kann man z. B. Warmlauf- und Temperaturverhalten der zu prüfenden Zähler mit seiner
Hilfe kompensieren, indem man der Anlage mitteilt, daß sie ihre Werte Jeweils so
zu verstellen hat, daß der MeBfehler dieses Vergleichszählers auf Null hingezogen
wird. Man braucht dann nur noch die Prüfpunkte als solche vorzugeben, d. h. ohne
Zahlenwerte. Nach einem Durchlauf hat dann die Anlage für jeden einzelnen Prüfpunkt
die exakten Zahlenwerte ermittelt und gespeichert, die notwendig sind, um in jedem
einzelnen Prüfpunkt den Fehler Null für den Vergleichszähler zu erhalten.
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Die Anlauf- und Leerlaufprüfungen sind besonders kritisch und zeitraubend.
Beides wird deshalb häufig auf separaten Anlagen durchgeführt. Geringe Erschütterungen
können zu erheblichen unterschiedlichen Meßergebnissen führen. Es ist daher vorteilhaft,
daß der Meßfrequenz eine definierte Rüttelfrequenz überlagert wird. Ferner ist es
zweckmäßig, daß über einen an den Fehlerrechner angehängten XY-Schreiber die Fehlerkurve
Jedes Zählers geschrieben wird.
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Beim Justieren der einzelnen Zähler in einer solchen Anlage müssen
häufig und rasch verschiedene Prüfbedin-
gungen eingestellt werden
können - z. B. Umpolen einzelner Ströme. Hierzu ist es vorteilhaft, daß die Steuerung
der Anlage über ein tragbares Eingabegerät drahtgebunden oder drahtlos erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung weist folgende Vorteile auf:
Die Prüfeinrichtung erfordert geringen Material- und Montageaufwand. Die Eigenprüfung
braucht sich nur auf die Ausgangssignale zu erstrecken. Die Einzelwerte, wie Spannungen,
Ströme, Frequenz, Phasenwinkel, gegenseitige Phasenlage sowie Oberwellengehalt,
können mit sehr hoher Genauigkeit eingestellt und reproduziert werden. Die Anlage
ist von subJektiven Einstellfehlern befreit, da keine Instrumente mehr abgelesen
und keine Werte mehr analog auf Stellgliedern eingestellt zu werden brauchen.
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Die Einstellung an Codierschaltern ist eindeutig und reproduzierbar.
Die Einstellung kann ferner von einem Datenträger oder Rechner erfolgen. Die Einstellungen
erfolgen leistungslos durch reine Digitalsignale; dadurch entfallen alle Hochspannungs-
und Hochstromschalter und deren Probleme während der Lebensdauer. Durch Wahl der
Quarzfrequenz läßt sich die Meßfrequenz beliebig verändern. Hierbei bleiben alle
Einstellungen unberührt. Ferner ist die Meßfrequenz unabhängig von. der Netzfrequenz,
d. h., daß die Anlage aus Jedem Netz gespeist Werden kann, auch aus einem Einphasen-
oder Gleichspannungsnetz. Es besteht die Möglichkeit, die gesamte Anlage im Bausteinsystem
aufzubauen. Bemißt man die Generatoren z. B. für zehn zu prüfende Zähler, so kann
Jede Anlage in diesen Stufen erweitert werden, indem einfach für Jeweils zehn Zähler
ein Generatorpaar hinzugefügt wird.
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Ein Justieren oder eine Prüfung ist nicht mehr erforderlich. Ferner
sind bewußte Eingriffe möglich, um gewissen Eigenschaften des Ferrariszählers entgegenzukommen.
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gen dessen starker Temperaturabhängigkeit kann man z. B.
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den Verlauf des TK über der Temperatur in einem Speicher festhalten
und bei der Messung automatisch berücksichtigen. Hierzu braucht die Anlage dann
nur noch einen Fühler für die Raumtemperatur erhalten. Differenzen zwischen Zählerhersteller
und Kunden haben häufig ihre Ursache in unterschiedlichen Temperaturen bei den Messungen.
Man kann schließlich z. B. das Anwärmen der Zähler mit doppelter Spannung entfallen
lassen, wenn man das Warmlaufverhalten über der Zeit einprogrammiert; man kann dann
ohne Verzug mit den Messungen beginnen.
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