DE2855165A1

DE2855165A1 - Elektrisches messgeraet

Info

Publication number: DE2855165A1
Application number: DE19782855165
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Lauerer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-07-10

Description

Elektrisches Meßgerät
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten elektrischen Spannungsmeßgeräte ist die Tatsache, daß in manchen Meßfällen der angezeigte Wert vom tatsächlichen erheblich abweicht.
Diese Meßverfälschung wird sowohl durch den Meßgerät-Innenwiderstand als auch durch den Zuleitungswiderstand verursacht. Da die meisten elektrischen Messungen auf Spannungsmessungen zurückzuführen sind, tritt auch hier dieser Meßfehler auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den erwähnten Nachteil zu beseitigen. Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung elektrischer Größen dar und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle zeitlich nacheinander mit verschieden hohen Widerständen belastet wird, die an diesen Widerständen bzw. die an einem konstanten Teil derselben auftretenden Spannungen direkt einem Rechner zugeführt werden und die gesuchte Größe am Rechnerausgang digital oder/ und analog angezeigt wird, wobei der Rechner beispielsweise nach einer oder mehreren der im Patentanspruch 1 angeführten Formeln programmiert ist.
Eine beispielsweise Anwendung des Erfindungsgedankens ist ein Spannungsmeßgerät, mit Hilfe dessen Spannungen von geerdeten Stromquellen (z.B. der Netzspannung) einpolig, d.h. der Meßstromkreis wird über den Körper der messenden Person geschlossen, genau gemessen werden können. Bekannte Spannungsmeßgeräte sind dazu nicht geeignet, da der Zuleitungswiderstand in vielen Meßfällen außerordentlich hoch (Wirkwiderstand bis zu 100 M Q), zeitlich schwankend und zusätzlich noch eine meßverfälschende Blindkomponente (Reihenkondensator mit etwa 100 pF, was bei 50 Hz ca. 30 M£entspricht) besitzt. Auch Spannungsmeßgeräte mit sehr hohem Innenwiderstand sind dazu kaum geeignet, da bei solchen Messungen in vielen Fällen die elektrostatische Aufladung der Personen zusätzlich meßverfälschend sich auswirkt.
Durch die Anwendung des Erfindungsgedankens lassen sich auch solche Größen fehlerfrei messen, welche auf Spannungsmessungen zurückgeführt werden, wie zoBo der Zuleitungswiderstand (Realteil und Blindteil), die Stromstärke (Realteil und Blindteil), cos + , die Spannung am Verbraucherwiderstand (Realteil und Blindteil) und die im Verbraucher umgesetzte Leistung (Realteil und Blindteil)0 Weiter läßt sich die a.us einer Stromquelle entnehmbare Leistung bei einem Spannungsabfall von b % mit Hilfe der im Patentanspruch 2 angegebenen Formel ermitteln und anzeigen, Die Anzeige kann am Rechnerausgang, sowohl komplex als auch in Polarkoordinaten, erfolgen, Um bei Strommessungen bei spannungsabhängigen Widerständen (zOBO umlaufende Maschinen, Kalt- und Heißleiter) die Meßverfälschung relativ gering zu halten, verkleinern in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein oder mehrere Belastungswiderstände mit zunehmender Meßzeit selbsttätig ihren Wert und kommt dieser Vorgang selbsttätig zum Stillstand, wenn eine bestimmte, an mindestens einem Belastungswiderstand auftretende Leistung erreicht wird. Darüberhinaus erfolgt eine selbsttätige Abschaltung oder Vergrößerung der Belastungswiderstände, wenn im Meßgerät bzw. an den Belastungswiderständen eine bestimmte Leistung überschritten wird0 Zur Feststellung der Art der Blindkomponente im Verbraucherwiderstand Z (induktiv oder kapazitiv) wird zusätzlich kurzzeitig oder periodisch eine Kapazität als Belastungswiderstand zugeschaltet, In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die am Rechnerein- oder/und -ausgang eingespeisten bzw. abgegebenen Spannungen eine gewisse Zeit gespeichert, beispielsweise durch Kondensatoren. Auf diese Weise werden bei Spannungsschwankungen gleichbleibende oder sich nur langsam ändernde Werte angezeigt. Weiter bleibt die Anzeige auch nach der Abschaltung noch einige Zeit zur Ablesung erhalten. Weiter läßt sich die Meßeinrichtung auch zur Prüfung von Fehlergtrom -Schutzschaltungen verwenden. Wird der Meßstrom selbsttätig erhöht, z.B. mit Hilfe eines Heißleiters, von z.B. 5 mA bis 1500 mA, so werden nach Abschaltung durch den Fehlerstrom-Schutzschalter, bei Vorhandensein von zwei Anzeigefeldern, sowohl die maximal auftretende Berührungsspannung als auch die Fehlerauslösestromstärke angezeigt.
Zur Vereinfachung der Formeln gemäß Patentanspruch 1 und 2 und damit zur Vereinfachung des Rechneraufbaues ist es zweckmäßig, die Werte der Belastungswiderstände in einem einfachen Verhältnis zueinander, vorzugsweise im Verhältnis 1 : 2 : 4, zu wählen.
Weiter ist es zweckmäßig, die Zuschaltung der Belastungswiderstände periodisch erfolgen zu lassen. Um den meßverfälschenden Einfluß der bei Blindwiderständen auftretenden Einschwingwellen auszuschalten, ist es zweckmäßig, die Zuschaltung eines jeden Belastungswiderstandes über mehrere Wellen hinweg durchzuführen, was zweckmäßiger Weise mit Hilfe von Thyristoren bzw. von Triacs erfolgt.
Ebenso ist es zweckmäßig, daß der Rechner die Operationen periodisch durchführt, vorzugsweise im Takt der Belastungswiderstandszuschaltungen.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, daß im Meßgerät zusätzlich eine Widerstandsmeßeinrichtung oder/ und eine spezielle Isolationswiderstandsmeßeinrichtung eingebaut ist, die entweder direkt von der im Meßgerät eingebauten Stromquelle oder indirekt über einem eingebauten Gleichspannungswandler gespeist wird.
Zur Ladung der im Meßgerät eingebauten,für den Rechner und die Anzeigen erforderlichen Samm lerbatterie dienen Solarzellen und zusätzlich eine Ladeeinrichtung, die von der auPen angelegten Spannung gespeist wird, sofern ihr Wert genügend groß ist. Um den Energieverbrauch der Anzeigeorgane möglichst niedrig zu halten, werden vorzugsweise Flüssigktistallanzeigen verwendet.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Zusatzteil für den einpoligen Spannungsmesser eine vom Meßgerät unabhängige und mit ihr nicht verbundene Tastelektrode verwendet.
Diese hat einen eingebauten Strombegrenzungswiderstand (zum Schutze des Menschen) und wird vom Meßgerätbenutzer mit der anderen Hand an die zweite spannungsführende Stelle gehalten.
Diese Elektrode dient insbesondere zur Messung von Teilspannungen oder von nicht geerdeten Spannungsquellen. Das Haupt--einsatzgebiet sind elektronische Schaltungen0 Die Erfindung wird in der Zeichnung durch Anwendungsbeispiele erläutert, In Fig.1 ist die Prinzipschaltung des Meßgerätes wiedergegeben.
1 und 2 sind der Meßeingang. Die Belastungswiderstände 3, 4 und 5 werden durch die Zeitschalter 6, 7 und 8 periodisch nacheinander zugeschaltet. Die an diesen Belastungswiderständen auftretenden Spannungen werden über die Leitungen 9, 10, 11 und 12 dem Rechner 13 zugeführt, der das fest eingestellte (z.B.
beim einpoligen Spannungsmesser) oder durch Tastendruck gewählte Rechenprogramm gemäß Patentanspruch 1 oder/und 2 bit Takt der Belastungswiderstandszuschaltungen (14) durchführt und das Ergebnis im Anzeigefeld 15 anzeigt.
Zur Energieversorgung des Rechners und des Anzeigefeldes dient die Sammlerbatterie 16, die sowohl durch die Solarzellen 17 als auch durch ein im Gerät eingebautes Ladegerät über die Anschlüsse 1 und 2, z,B. am Netz, aufgeladen werden kann.
In Figo2 ist eine spezielle Ausführung als einpoliger Spannungsmesser wiedergegeben. 18 ist die Tastelektrode und 19 die Berührungselektrode. Die Berührung mit der Hand schließt nicht nur den Stromkreis über den Körper der Person und ermöglicht damit eine Spannungsanzeige, sie bewirkt gleichzeitig über einen Sensor die Einschaltung des Gerätes. Im Anzeigefeld 20 wird die Spannung angezeigt. Das Gerät kann so ausgelegt sein, daß nur der Absolutwert angezeigt wird oder der komplexe Wert,wie hier in der Zeichnung. Der hier beispielsweise angezeigte Wert von 156-j156 = 220 Volt bedeutet, daß der Zuleitungswiderstand eine Serienschaltung von Wirkwiderstand und Kapazität ist und beide gleich große Werte (z.BO je 32 M Q was beim KOndensator bei 50 Hz eine Kapazität von 100 pF entspricht). Der angezeigte Meßwert wird, da mindestens einer der drei Belastungswiderstände (3, 4 oder 5) einen relativ geringen Wert besitzt, von etwaigen elektrostatischen Aufladungen der messenden Person nicht beeinflußt, da diese Ladungen periodisch ausgeglichen werden. Zusätzlich kann eine Polaritätsanzeige vorgesehen sein. 21 sind die Solarzellen, welche die Energieversorgung des Gerätes sicherstellen. Für Messungen von Teilspannungen oder von isolierten Stromquellen, z.B. in elektronischen Schaltungen wird zusammen mit dem einpoligen Spannungsmesser eine zusätzliche Elektrode 22 verwendet, die zum Hauptgerät keine Verbindung hat. Sie wird in die andere Hand genommen und an die zweite spannungs führende Stelle gehalten. Zum Schutze gegen eine gefährliche Berührungsspannung ist in der Elektrode der Strombegrenzungswiderstand 23 eingebaut.
In Fig.3 sind die erfindungsgemäßen Vorschläge in einem Tischmeßgerät realisiert. Zum besseren Verständnis ist das Gerät über den Verbraucher (Z = R+jx= 15+j 13,23 = 20Q) am Netz mit U = 220 V/50 Hz angeschlossen. Das Gerät (beispielsweise Ausführung) hat zwei Anzeigefelder 24 und 25. Wird keine Taste gedrückt, so zeigt das obere Feld beim gezeigten Anschlußfall den Wert 220 (hier nur den Absolutwert) und die Größenbezeichnung "Volt an. Wird die Taste I gedrückt, so wird im Feld 24 die an der Impedanz Z abfallende Spannung komplex angezeigt, nämlich: 165 + j146 = 220 V. Im Feld 25 wird der auftretende Strom komplex angezeigt: 7,28 -j8,25 = 11 A. Wird die Taste "cosy " gedrückt, so bleibt die komplexe Spannungsanzeige im Feld 24, während im Feld 25 angezeigt wird: cosy= 0,75. Wird die Taste "P" gedrückt, so bleibt auch hier die komplexe Spannungsanzeige im Feld 24, während im Feld 25, die in der Impedanz Z umgesetzte Leistung komplex angezeigt wird: 1815 +j1601 = 2420 Watt.
Wird die Taste Z gedrückt, so wird die Impedanz Z komplex angezeigt: 15 +j13,23 = 20n, während auch hier die komplexe Spannungsanzeige im Feld 24 bleibt. Wird die Taste "P;%" gedrückt, so wird im Feld 21 der Wert 24,0 Watt angezeigt, d.h.
schließt man am Meßgeräteingang einen reinen Wirkverbraucher an und darf die Spannungsabsenkung an ihm nur 1 (von 220 V) betragen, so wird in diesem Verbraticher eine Leistung von 24,0 Watt umgesetzt. Beim Drücken der P10%-Daste erscheint der Wert 224 Watt. Die beiden letzten Tasten sind vor allem zur Messung der Netzbelastungsfähigkeit bestimmt. Man kann mit einem Tastendruck feststellen, welche Leistung die Stromentnahmestelle bei einer zulässigen Netzspannungsabsenkung von 1 % bzw. 10 % abzugeben in der Lage ist.
Die Impedanzmessung ist nicht nur zur Messung des Verbraucherwiderstandes gedacht, sondern auch zur Messung der Netz-Innenimpedanz, d.h. der Netzzuleitungswiderstände, unabhängig von Netz-Spannungsschwankungen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist auch die Tatsache, daß alle notwendigen Messungen durchgeführt werden können, ohne daß die Anschlüsse gewechselt werden müssen.
In Fig.4 werden die Erfindungsgedanken bei einem Hand-Prüfgerät angewandt. Dieses besitzt zwei durch eine flexible Leitung 26 miteinander verbundene Handgeräte 27 und 28, welche Prüfspitzen 29 und 30 besitzen. Im Hauptteil 27 befinden sich zwei Anzeigefelder 31 und 32. Wird im Tastenfeld 32 keine Taste gedruckt, so erscheint im Anzeigefeld 31 die komplexe Spannung.
Wird die erste Taste I gedrückt, so erscheint zusätzlich im Feld 32 die komplexe Stromstärke. Wird die Taste "Z" gedrückt, so erscheint im Feld 31 die Impedanz Z und im Feld 32 die komplexe Leistung. Wird die Taste 11FI11 gedrückt, so erhöht sich selbsttätig (beispielsweise über einen Heißleiter) der Prüfstrom von z.B. 5 mA bis 1500 mA. Während die Taste gedrückt ist, wird im Anzeigefeld 31 laufend die sich erhöhende Berührungsspannung und im Anzeigefeld 32 laufend der sich erhöhende künstliche Fehlerstrom angezeigt. In dem Augenblick, in dem der zu prüfende Fehlerstrom-Schutzschalter abschaltet, bleiben die Momentanwerte gespeichert. Auf diese Weise können sowohl die in der Fehlerstrom-Schutzschaltung auftretende maximale Berührungsspannung als auch der Fehlerauslösestrom des PI-Schalters abgelesen werden. Überschreitet die Fehlerspannung einen bestimmten Wert, z.B. 50 Volt, so wird der Prüfstrom selbsttätig abgeschaltet.
Wird die Taste "R/P gedrückt, so erscheint im Anzeigefeld 31 der Meßwert eines angeschlossenen Wirkwiderstandes, beispielsweise der Wert eines Einbauwiderstandes oder der Isolationswiderstand, wenn Anlagenleitungen oder elektrische Verbrauchsgeräte angeschlossen werden. Der im Gerät eingebaute Gleichspannungswandler ist so konzipiert, daß er bei den gerade noch zulässigen Isolationswiderstandsgrenzwerten die erforderliche Meßspannung liefert, während bei niedrigeren Widerstandswerten die Meßspannung entsprechend zurückgeht. Auf diese Weise kann mit einer einzigen Meßeinrichtung der ganze Widerstandsbereich von Bruchteilen von Ohm (für die Schutzleiterdurchgangsspannung) bis zum einzigen Meg-Ohm gemessen werden. Wird beim Drücken dieser Taste das Meßgerät an eine Stromentnahme stelle gehalten, dann wird im Feld 32 die aus der Stromquelle entnehmbare Leistung bei einem zulässigen Spannungsabfall von 5 % angezeigt.
L e e r s e i t e

Claims

Elektrisches Meßgerät Patentansprüche Verfahren und Einrichtung zur Messung elektrischer Größen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle zeitlich nacheinander mit verschieden hohen Widerständen belastet wird, die an diesen Widerständen bzw. die an einem konstanten -Teil derselben auftretenden Spannungen direkt einem Rechner zugeführt werden und die gesuchte Größe am Rechnerausgang digital oder/und analog angezeigt wird, wobei der Rechner beispielsweise nach einer oder mehreren der folgenden oder denselben gleichwertigen Formeln programmiert ist: zur Ermittlung einer sinusförmigen Wechselspannung bei unbekannter Zuleitungsimpedanz Z zur Ermittlung einer Gleichspannung oder einer sinusförmigen Wechselspannung bei reinem und unbekanntem Zuleitungs-Wirkwiderstand R zur Ermittlung-des Realteiles einer Impedanz bei unkannter sinusförmiger Speisewechselspannung U zur Ermittlung des Realteiles einer Impedanz bei bekannter sinusförmiger Speisespannung U zur Emittlung des Blindteiles einer Impedanz bei unbekannter sinusförmiger Speisewechselspannung U zur Ermittlung des Blindteiles einer Impedanz bei bekannter sinusförmiger Speisewechselspannung U wobei für alle Formeln gilt: 2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner zusätzliche Funktionseinheiten enthält, die eine Weiterverarbeitung der errechneten Zahlenwerte ermöglichen, beispielsweise zur Bestimmung folgender Größen: UR= U cos # UX = U sin # IW = I cos # ; IB = I sin # ; PS = U I; PW = PS cos # ; PB = PS sin # ; Entnehmbare Leistung aus einer Stromquelle bei einem Spannungsabfall von V 3o Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Rechnerausgang abgegebenen Zahlenwerte komplex oder in Polarkoordinaten dargestellt werden.

4. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Belastungswiderstände mit zunehmender Meßzeit selbsttätig ihren Wert verkleinern und dieser Vorgang selbsttätig zum Stillstand kommt, wenn eine bestimmte, an mindestens einem Belastungswiderstand auftretende Leistung erreicht wird.

5. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige Abschaltung oder Vergrößerung der Belastungswiderstände erfolgt, wenn ein Meßgerät bzw. an den Belastungswiderständen eine bestimmte Leistung überschritten wird.

6. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich kurzzeitig oder periodisch eine Kapazität als Belastungswiderstand zugeschaltet wird.

7. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die am Rechnerein- oder/und -ausgang eingespeisten bzw. abgegebenen Spannungen eine gewisse Zeit gespeichert werden, beispielsweise durch Kondensatoren.

8. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Belastungswiderstände in einem einfachen Verhältnis zueinander liegen, vorzugsweise im Verhältnis 1 : 2 : 4.

9. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung der Belastungswiderstände periodisch erfolgt.

10. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner die Operationen periodisch, vorzugsweise im Takt der Belastungswiderstandszuschaltungen erfolgt0 Ii. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgerät zusätzlich eine Widerstandsmeßeinrichtung oder/und eine spezielle Isolationswiderstandsmeßeinrichtung eingebaut ist, die entweder direkt von der Meßgerätstromquelle oder indirekt über einen eingebauten Gleichspannungswandler gespeist wird0 12. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgerätstromquelle Solarzellen dienen, die vorzugsweise mit einer Sammlerbatterie parallelgeschaltet sind und diese Batterie bei genügend starkem Lichteinfall aufladen 13. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Meßgerät eine Ladeeinrichtung eingebaut ist und bei jeder Messung an einer Außenstromquelle mit genügend hoher Spannung eine Ladung der Meßgerätstromquelle erfolgt.

14. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige energiesparende Zellen, vorzugsweise Blüssigkristallanzeigen Verwendung finden.

15. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Teilspannungen oder nicht geerdeten Spannungsquellen eine zweite, vom Meßgerät unabhängige und mit ihr nicht verbundene Tastelektrode verwendet wird, die über einen eingebauten Strombegrenzungswiderstand vom Meßgerätbenutzer an die zweite spannungsführende Stelle gehalten wird.

160Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung mitsamt dem Rechner und den Solarzellen in der Ausführung eines einpoligen Spannungsmessers hergestellt ist und die Einschaltung des Gerätes durch Berührungskontakte, z.B. Sensoren, erfolgt.

17.Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät als Tischgerät oder als Handgerät mit zwei Prüfspitzen und Verbindungsleitung ausgelegt ist, eine oder mehrere Anzeigen besitzt und die Bedienung über Taster erfolgt.