DE2953885C2

DE2953885C2 - Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung

Info

Publication number: DE2953885C2
Application number: DE2953885T
Authority: DE
Inventors: Michail Matveevi&ccaron; Omsk &Ccaron;ernin; Viktor Dmitrievi&ccaron; &Scaron;ev&ccaron;enko; Jurij Sergeevi&ccaron; Mal'cev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-10-30
Filing date: 1979-10-30
Publication date: 1986-01-16
Also published as: JPS56501461A; DE2953885T1; WO1981001335A1; GB2075694A; GB2075694B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Missung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung aufgrund ihrer Wärmewirkung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem SU-Urheberschein Nr. 160 761, Kl. G 01 R, 19/24, bekanntgemacht im Bulletin »Entdeckungen, Erfindungen, Gebrauchsmuster, Warenzeichen«, 1964, Nr. 5, ist ein Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung aufgrund der Wärmewirkung des zu messenden Signals bekannt, die in der Umwandlung des zu messenden Signals in eine Temperaturänderung eines Widerstandselementes und in der anschließenden Messung der Temperatur des erwähnten Widerstandselementes mit Hilfe eines Thermopaars bestehen. Nach der Größe des Thermopaarsignals ermittelt man bei solchen Verfahren den quadratischen Mittelwert des zu messenden Signals.

Dieses Verfahren gestattet es nicht, Messungen in einem weiten dynamischen Signaländerungsbereich durchzuführen, da bei Vergrößerung des zu messenden Signals die Temperatur des Widerstandselementes quadratisch zunimmt, was zu einem Durchbrennen des Widerstandselementes führt. Dadurch wird <«!r Signalbereich im Sinne einer Vergrößerung der zu messenden Signale begrenzt Bei Verminderung des Eingangssignals nimmt die Temperatur des Widerstandselements quadratisch ab, was zu einer Verminderung des Thermopaarsignals führt und damit den Meßbereich im Sinne einer Verminderung der zu messenden Signale begrenzt

Unerläßliche Bedingung bei diesem Meßverfahren ist die Erwärmung des Widerstandselementer auf eine Temperatur, die die Umgebungstemperatur übersteigt, was zu einem Meßfehler infolge des Peltier- und Thomson-Effektes führt Die Inhomogenität des Materials des Widerstandselementes und das Vorhandensein von Kontakten aus verschiedenartigen Werkstoffen in dem Meßsignalkreis führt zu einer ungleichmäßigen Anwärmung des Widerstandselementes durch das zu messende Signal und zum Auftreten von parasitären thermoclektrischen Krlften, was letztlich das Meßergebnis verfälscht

Die Einstellzeit der Temperatur des Widerstandselementes und folglich des Ausgangssignals des Thermopaars wird durch die Wärmeaustauschbedingungen des Widerstandselementes und des Thermopaars mit dem Umgebungsmedium bestimmt Deshalb hängt die Meßzeit solcher Verfahren von den Parametern des Umgebungsmediums ab.

Aus der Sammlung wissenschaftlich-technischer Referate »Messung, Kontrolle, Automatisierung«, Ausgabe 1 (5), veröffentlicht 1976 (Moskau), W. S. Pcpw, N. G. Ruban, A. W. Beschkarew «Verfahren zur Präzisionsmessung des Effektivwertes einer Wechselspannung im weiten Frequenzbereich«, S. 34, Bild 3, ist auch ein Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung bekannt, die das Verhalten des Widerstandselementes in isothermischem Zustand ausnutzen, bei dem man das zu messende Signal an das Widerstandselement über einen Verstärker mit regelbarem Verstärkungsfaktor anlegt Durch Regelung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers hält man die Temperatur des Widerstandselementes, die man nach einem Signal vom Temperaturgeber ermittelt, konstant, während man den Wert des zu messenden Signals nach dem Wert des Verstärkungsfaktors des Verstärkers ermittelt.

Solchen Verfahren ist also ein begrenzter Frequenzbereich für die zu messenden Signale eigen, was durch den begrenzten Frequenzbereich der zur Anwendung gelangenden Verstärker mit regelbarem Verstärkungsfaktor hervorgerufen ist. Darüber hinaus befinden sich bei solchen Verfahren das Widerstandselement und der Temperaturgeber stets unter der Einwirkung von hohen Temperaturen, was zu nichtumkehrbaren Änderungen von deren Parametern führt und einen Meßfehler verursacht.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Verminderung der mit der hohen Arbeitstemperatur des Widerstandselementes verbundenen Fehler sind Verfahren bekannt, bei welchen die Messung der Temperatur des Widerstandselementes mit Hilfe von Mehrfachthermo-

paaren (Thermobatterien) herangezogen wird. Dabei wurde dank erhöhter Empfindlichkeit des Temperaturgebers eine gewisse Senkung der Arbeitstemperatur des Widerstandselementes gegenüber der Umgebungstemperatur erreicht (SU-Urheberschein Nr. 475 514, Kl. G 01 K 7/02, veröffentlicht in dem Bulletin »Entdeckungen, Erfindungen, Gebrauchsmuster, Warenzeichen«, 1975, Nr. 18).

Die Anwendung, von Mehrfachthennopaaren führt zur Erhöhung der Störkapazität zwischen dem Widerstandselement und dem Thermopaar, was wiederum den Meßfehler im Bereich von hohen Frequenzen des zu messenden Signals vergrößert.

Aus den »IEEE Transartions on Instrumentation and Measurement«, Vol. IM-16, Nr. 2, veröffentlicht im Juni 1967, (New York), P. L. Richman, »A New Wideband True RMS- to- Dc Converter« ist auch ein Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung bekannt, bei welchem zwei Widerstandselemente verwendet werden, von denen das eine durch das zu messende Signal und das andere durch das Rückkopplungssignal erwärmt wird. Die Änderung des zu messenden Signals ruft eine Änderung der an einem der Widerstandselemente verbrauchten Wärmeleistung hervor, wobei sich das Rückkopplungssignal derart ändert, daß die an dem anderen Widerstandselement verbtauchte Wärmeleistung geändert wird, so daß die Gesamtwärmeleistung und die Temperatur beider Widerstandselemente konstant bleiben. Nach der Größe des Rückkopplungssignals ermittelt man den Wert des zu messenden Signals.

Unerläßliche Bedingung für ein solches Verfahren ist das Halten der Temperatur der Widerstandselemente und des Temperaturgebers über der Umgebungstemperatur, was eine beschleunigte Alterung derselben und nichtumkehrbare Änderungen der Pa/ameter mit der Zeit hervorruft. Erhöhte Temperaturen führen zum Auftreten von parasitären thermoelektrischen Kräften und rufen Meßfehler hervor. Bei zufalligen Überlastungen des Widerstandselementes durch das zu messende Signal erfolgt eine Erwärmung des Widerstandselementes von der recht hohen Arbeitstemperatur bis auf eine Temperatur, bei welcher wesentliche nichtumkehrbare Änderungen der Parameter des Widerstandselementes oder eine Zerstörung desselben eintreten.

Aus der DE-AS 20 52 591 ist eh Effektivwertumformer mil einem Verstärker und einem ersten Thermoelement mit einem Heizelement zur Aufnahme eines Signals bekannt, wobei das Thermoelement ein elektrisches Signal an cten einen Eingang des Verstärkers abgibt, und einem zweiten Thermoelement, dessen Heizelement mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, wobei das zweite Thermoelement ein Rückkopplungssignal entgegengesetzter Polarität in bezug auf das Signal des ersten Thermoelements an den anderen Eingang des Verstärkers abgibt und der verstärker eine zusätzliche Rückkopplungsschleife aufweist. Die zusätzliche Rückkopplungsschleife hat eine Signalübertragungscharakteristik, die im wesentlichen eine Funktion des Pegels des vom Verstärker zugefiihrten Ausgangssignals ist und in direktem Verhältnis zu der Signalübertragungscharakteristik eines Thermoelements entsprechend dem Pegel des dem Heizelement iugefuhrten Signals ist. Das Ausgangssignal der .Zusätzlichen Rückkopplungsschleife wird dem einen Eingang des Verstärkers mit der gleichen Polarität wie das Ausgangssignal des ersten Thermoelements zugeführt.

Somit weist dieser benannte Effektivwertumformer, da auch bei ihm das Bezugssignal in eiinen Wärmefluß umgewandelt wird, den Nachteil auf, daß die Elemente bis zu einer Temperatur erhitzt werden, die bedeutend höher ist, als die Umgebungstemperatur. Dies führt sowohl zur Begrenzung des dynamischen Umfangs des zu messenden Signals, da die Möglichkeit einer Überhitzung der Heizelemente gegeben ist als auch zur Fehlmessung durch Alterungseffekte und unerwünschte thermoelektrische Kräfte, die durch die erwärmten EIemente und durch den nichtsteuerbaren Wärmeaustausch dieser Elemente mit der Umgebung entstehen. Kennzeichnend für alle betrachteten Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung ist der nichtregelbare Wärmeaustausch der Widerstandselemente mit dem Umgebungsmedium; deshalb führen Änderungen der Wärmeaustauschbedingungen (der Leitfähigkeit des Umgebungsmediums, des Druckes, der Feuchtigkeit und Zusammensetzung des Gases) sowie Änderung des Verschmutzuagsgrades der Widerstandselemente zu Meßfehlern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung nach der Wirkung der zu rnessenden Spannung anzugeben, bei welchem die volle Umwandlung des Wärmeflusses in ein Informationssignal es gestattet, die Meßempfmdlichkeit zu erhöhen und den Meßsignalbereich zu erweitern.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in seinem Kennzeichen angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche 2 bis 6 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwertes einer Spannung gestattet es, Meßgeräte mit hoher Empfindlichkeit zu schaffen, die die Messung miiieiquauraüscher Sp&nnuflgswerte in einem weiten dynamischen Bereich gewährleisten. Nachstehend wird die Erfindung durch konkrete Ausführungsbeispiele, die die Realisierungsmöglichkeit des Verfahrens zur Messung des mittelquadratischen Spannungswertes bestätigen, mit Bezugnahme auf die "beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung, bei der die Regelung der Amplitude der Bezugsspannung und die Ermittlung des quadratischen Mittelwerts der Meßspannung aus dem quadratischen Mittelwert der Bezugsspannung ausgenutzt ist, gemäß der Erfindung;

Fig. 2 schematisch eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung, bei der die Regelung der Frequenz 0er Bezugsspannungsimpulse und die Ermittlung des quadratischen Mittelwerts der Meßspannung aus der Frequenz der Bezugsspannungsinrpulse ausgenutzt L· , gemäß der Erfindung;

F i g. 3 schema'iisch eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung, bei der die Regelung der Frequenz der Bezugsspannungsimpulse und die Ermittlung des quadratischen Mittelwerts der Meßspannung aus dem Mittelwert der Bezugsspannung ausgenutzt ist, gemäß der Erfindung;

F i g. 4 schematisch eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer Spannung, bei dem die Regelung der Dauer der Bezugsspannungsimpulse und die Ermittlung des

quadratischen Mittelwerts der Meßspannung aus der Dauer der Bezugsspannungsimpulse ausgenutzt ist, gemäß der Erfindung;

F i g. 5 schematisch eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung des quadratischen Mittel- s werts einer Spannung, bei der die Regelung der Dauer der Bezugsspannungsimpulse und die Ermittlung des quadratischen Mittelwerts der Meßspannung aus dem Mittelwert der Bezugsspannung ausgenutzt ist, gemäß der Erfindung.

Für die Messung des quadratischen Mittelwerts der Meßspannung U wird eine Einrichtung gemäß Fig. 1 verwendet, die ein auf einem wärmeleitenden Träger 2 angeordnetes Widerstandselement, einen thermoelektrischen Kühler 3, der einen Wärmekontakt seitens seiner Kühlfläche mit dem Träger 2 und einen Wärmekontakt seitens seiner Heizfläche mit der Wärmeableitung 4 hat. Ein Thermopaar 5 hat einen Wärmekontakt mit (ism Tr^¹¹Sr 2 und ein ThcrrnQⁿEsr 6 mit dc-r Wärmeableitung 4 Die Elemente 1, 2,3, 4, 5 und 6 sind in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 7 untergebracht.

Die Meßspannung ist an die Anschlüsse des Widerstandselements 1 angelegt. Die Thermopaare 5 und 6 liegen in Gegenreihenschaltung, die Anschlüsse dieser Thermopaare sind an ein Galvanometer 8 gelegt. Der Ausgang einer regelbaren Bezugsspannungsquelle 9 ist über einen Widerstand 10 an die Anschlüsse des thermoelektrischen Kühlers 3 gelegt. An den Ausgang der Bezugsspannungsquelle 9 ist ein Voltmeter 11 angeschlossen.

Das Widerstandselement 1 stellt einen Metallfaden dar, der einen Wärmekontakt mit dem aus Berylliumoxid ausgeführten Träger 2 hat. Der thermoelektrische Kühler 3 ist aus einem Halbleitermaterial auf der Grundlage einer Bi₂Te_rLegierung ausgeführt. Die Wärmeableitung 4 ist aus Berylliumoxyd ausgeführt. Das Gehäuse 7 ist aus Glas ausgeführt. Aus dem Gehäuse 7 ist die Luft zur Wärmeisolierung der Elemente gegen das Umgebungsmedium evakuiert.

Das Galvanometer 8 stellt ein Gleichstrom-Drehspulmillivoltmeter dar. Die regelbare Bezugsspannungsquelle 9 ist als stabilisierte Gleichspannungsquelle mit regelbarer Ausgangsspannung ausgeführt. Das Voltmeter 11 ist ein Drehspulspannungsmesser.

An den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 (F i g. 2) ist über den Widerstand 10 der Ausgang eines Impulsgenerators 12 gelegt. Der Impulsgenerator 12 stellt einen freischwingenden Standard-Rechteckimpulsgenerator dar, wobei die Spannungsimpulse des Generators 12 e^;.ne feste Amplitude und eine feste Dauer haben.

An den Ausgang des Impulsgenerators 12 ist ein Frequenzmesser 13 angeschlossen, dereinen Kondensatorfrequenzmesser mit einem Zeigerinstrument bzw. einen elektronischen Frequenzzähler darstellt.

An den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 (Fig. 3) ist über den Widerstand 10 der Ausgang des Impulsgenerators 12 angeschlossen, während das Ausgangssignal des Generators 12 über ein Glättungsfilter 14 an das Voltmeter 11 gelegt wird. Das Glättungsfilter 14 ist als mehrgliedriges passives RC-Filter ausgeführt.

Der Ausgang des Thermopaars 5 (F i g. 4) und 6 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 15 verbunden, wobei der Ausgang des Verstärkers IS mit dem Steuereingang eines Impulsgenerators 16 mit steuerbarer Impulsdauer in Verbindung steht Der Ausgang des Impulsgenerators 16 ist über den Widerstand 10 an den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 gelegt. An den Ausgang des Generators 16 ist ein Zeitintervallmesser 17 angeschlossen.

Der Verstärker 15 stellt einen Gleichstromverstärker dar. Der Impulsgenerator 16 ist als Rechteckimpulsgenerator ausgeführt, dessen Impulsdauer als Funktion der an den Steuereingang des Generators 16 angelegten Spannung verändert wird. Der Zeitintervallmesser 17 stellt einen digitalen Zeitintervallmesser dar.

An den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 (F i g. S) ist über den Widerstand 10 der Impulsgenerator 16 gelegt, an dessen Ausgang über das Glättungsfilter 14 das Voltmeter 11 angeschlossen ist.

Der Impulsgenerator 16 stellt einen Rechteckimpulsgenerator mit regelbarer Impulsdauer, mit konstanter Impulsfolgefrequenz und konstanter Impulsamplitude dar. Das Glättungsfilter 14 stellt ein auf die Impulsfolgefrequenz des Generators 16 abgestimmtes selektives FiHer dar.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Messung des quadratischen Mittelwerts der Spannung {/wie folgt durchgeführt. Die Meßspannung i/(Fig. I) wird an die Anschlüsse des Widerstandselementes 1 angelegt, wodurch sich die Meßspannung das Widerstandselement 1 erwärmt; der Wärmefluß des Widerstandselementes 1 fließt über den wärmeleitenden Träger 2. Auf diese Weise erfolgt die Umwandlung der Meßsp'ftnung in einen Wärmefluß.

Das Bezugssignal wird in Form einer Gleichsspannung der regelbaren Quelle 9 an den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 gelegt. rj_er über den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 fließende Strom wird in einen Kältefluß umgesetzt, der über den Träger 2 fließt. Infolge des Wärmeaustausches der Wärmeableitung 4 mit dem Umgebungsmedium wird ihre Temperatur und die Temperatur der Heizfläche des thennoelektrischen Kühlers 3, die mit der Wärmeableitung 4 im Wärmekontakt steht, gleich der Temperatur des Umgebungsmediums gehalten.

Das Ausgangssignal der in Differenzschaltung liegenden Thermopaare 5 und 6, das der Differenz zwischen äer Temperatur des wärmeleitenden Trägers 2 und der Temperatur des Umgebungsmediums proportional ist, gelangt an das Galvanometer 8 und lenkt dessen Zeiger ab.

Durch Regelung der Amplitude der Ausgangsspannung der Quelle 9 kann man die Temperatur des wärmeleitenden Trägers 2 derart ändern, daß sie gleich der Temperatur des Umgebungsmediums wird. Hierbei ist die Anzeige des Galvanometers 8 gleich Null, während die Anzeige des Voltmeters 11 den mittelquadra. sehen Wert der Meßspannung angibt.

Für die an dem Widerstandselement 1 verbrauchte Leistung P₁ gilt:

Pi =

U²

worin Ri der Widerstand des Widerstandselementes 1 ist.

Für die von dem thermoelektrischen Kühler 3 entwickelte Leistung P₂ gilt:

P = KI. Hierin bedeuten: K — Proportionalitätsfaktor, der das Übertragungsmaß

des thermoelektrischen Kühlers 3 berücksichtigt, - mittlerer Wert des in dem Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 fließenden Stromes.

JL

ist, worin {/den Mittelwert der Ausgangsspannung der Quelle 9 und R den Gesamtwiderstand in dem Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 bedeuten, folgt:

„ _ K-U,

P₁ = P₂

U¹

K- U₁

Daraus folgt:

U₁

K ■/?

J_ — Vn~r

folgt:

U = A₁

25

Ermittelt man vor der Messung den Proportionalitätsfaktor K] durch Anlegen einer bekannten Spannung an das Widerstandselement 1 und durch Messen der Spannung U_x bei Nullanzeige des Galvanometers, so kann man dann den quadratischen Mittelwert der Meßspannung nach dem bekannnten Wert des Proportionalitätsfaktors Ki und der Anzeige des Voltmeters Uermitteln.

Nimmt man vor den Messungen eine Eichung durch Anlegen bekannter Spannungen an das Widerstandselement 1 und durch Auftragen der Werte der angelegten Spannung auf die Skale des Voltmeters 11 vor, so kann man dann unbekannte Spannungen messen, indem man die Meßergebnisse direkt an der Skale des Voltmeters 11 abliest.

Die Messung des mittelquadratischen Spannungswertes gemäß Fig. 2 wird wie foigt vorgenommen:

Man legt das zu messende Signal an das Widerstandselement 1, das Signal des Impulsgenerators 12

über den Widerstand 10 an den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers 3 und regelt die Impulsfrequenz 12 so lange, bis die Anzeige des Galvanometers gleich Null wird, d. h. bis die Temperatur des Widerstandselementes 1 und des thermoelektrischen Kühlers 3 gleich der Temperatur des Umgebungsmediums wird, wonach man mit dem Frequenzmesser 13 die Impulsfrequenz des Generators 12 mißt, aus welcher man den quadratischen Mittelwert der Meßspannung ermittelt.

In diesem Falle kann man den Wert der von dem thermoelektrischen Kühler 3 entwickelten Kühlleistung P₂ wie folgt ausdrücken:

15 P₇ =

R₇ ■ T

Zu dem Zeitpunkt, in dem die Anzeige des Galvanometers 8 Null beträgt, ist die von dem Widerstandselement entwickelte Wärmeleistung P. gleich der von dem thermoelektrischen Kühler3 entwickelten Kühlleistung P₂, es gilt also

Hierin bedeuten:

- Dauer der Spannunssimpulse des Generators 12;

- Impulsfolgeperiode des Generators 12.

Für den Zeitpunkt, wo die Anzeige des Galvanometers 8 Null beträgt, ist die von dem Widerstandselement 1 entwickelte Wärmeleistung P_x gleich der von dem thermoelektrischen Kühler 3 entwickelten Kühlleistung P₂. Es gilt

JL

R₂ T

Benutzt man einen Impulsgenerator 12, bei welchem die Ausgangsspannungsimpulse eine konstante Amplitude U-, = konst. und eine konstante Dauer haben so folgt aus

40 t/2 _ K U₁I_x

R₇ T

mit

K- U_x-I₁- R_x

45

50 U =

Hierbei ist

Vf.

= — die Impulsfrequenz des Generators 12,

λ/Κ-U_x -I_xR_x V R₂

konst.

Somit kann man nach der Anzeige des Frequenzmessers 13 den quadratischen Mittelwert der Meßspannung ermitteln. Die Ermittlung des Faktors K₁ vor den Messungen und die Eichung der Skala des Frequenzmessers 13 kann man auch wie bei Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 1 vornehmen.

Bei der Messung des quadratischen Mittelwerts der Spannung gemäß Fig.3 wird zur Sicherung einer Gleichheit der Temperatur des Widerstandselementes 1 und des thermoeiektrischen Kühlers 3 und der Temperatur des Umgebungsmediums nach dem Anlegen der Meßspannung an das Widerstandselement 1 die Impuls-

frequenz des Generators 12 so lange geregelt, bis die Ai.:-:?e des Galvanometers 8 gleich Null wird; dann wird das Ausgangssignal des Generators durch das Glättungsfilter 14 ermittelt und nach der Anzeige des Voltmeters 11 der quadratische Mittelwert der Meßspannung abgelesen Da man bei Gleichheit von P₁ - P₂

SL Rx

K-U_x- I₁ R₁ ■ T

schreiben kann, so ist

U¹

K ■ U₁ ■ I₁ · R₁

Da die Größe

der Mittelwert der Spannung des Generators 12 ist, so kann man schreiben

ν =

- U₂ - K₁ W₁,

d. h. nach der Anzeige des Voltmeters 11 kann man den quadratischen Mittelwert der Meßspannung ermitteln. Gemäß F i g. 4 wird zur Messung des quadratischen Mittelwerts der Spannung die Meßspannung an dem Widerstandselement 1, das Ausgangssignal der Thermopaare 5 und 6 nach Verstärkung durch den Verstärker 15 an den Steuereingang des Impulsgenerators 16 gelegt und die Impulsdauer dieses Generators geändert. Die Ausgangsspannungsimpulse gelangen an den Speisekreis des thermoelektrischen Kühlers. Nach der Anzeige des digitalen Zeitintervallmessers 17 wird der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt.

Im stationären Zustand ist die an dem Widerstandselement 1 verbrauchte Leistung (P₁) gleich der in dem thermoelektrischen Kühler 3 entwickelten Leistung (P₂), es gilt also

P. = P,

U'	KU	• ι	Rx
Rx	*R₁-*	T
U²	*K-U₁-*	f\| ·
	Ri	T
Hierin	bedeuten:

U₁ - impulsamplitude des Generators 16, Z₁ - Impulsdauer des Generators 16, T - Impulsfolgeperiode des Generators 16.

Bei Verwendung eines Impulsgenerators 16, bei welchem die Impulsamplitude konstant ist (U_x = konst) gilt

U wobei

- = konst

ist.

Somit kann man nach der Anzeige des digitalen Zeitintervallmessers den quadratischen Mittelwert des zu messenden Signals ermitteln.

Bei der Messung des quadratischen Mittelwerts der ίο Spannung gemäß Fig. S regelt man nach Anlegen der Meßspannung an das Widerstandselemeni: 1 c!ie Impulsdauer des Generators 16 so lange, bis die Anzeige des Galvanometers 8 gleich Null wird. Danach ermittelt man an dem Voltmeter 11 den quadratischen Mittelwert der Meßspannung.

Im stationären Betrieb bei P₁ = P₂ gilt

20 oder

U²

Da

K-U₁-I₁-R₁ R, ■ T

U₁-I₁

der Mittelwert der Ausgangsspannung des Generators 16 ist, so gilt

U = K₁ VTT₁,

d. h. man kann an dem Voltmeter 11 den quadratischen Mittelwert der Meßspannung ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts der Spannung wird durch folgende Vorteile gekennzeichnet.

Wie aus der Beschreibung zu erkennen ist, wird im Laufe der Messung des quadratischen Mittelwerts der Spannung die Temperatur des Widerstandselementes 1 und des thermoelektrischen Kühlers 3 gleich der Temperatur des Umgebungsmediums gehalten. Dies gestat tet es, den Bereich der zu messenden Signale im Sinne größerer Werte zu erweitern, ohne ein Durchbrennen des Widerstandselementes 1 zu befürchten.

Die Gleichheit der Temperatur des Widerstandseieso mentes 1 und des Umgebungsmediums schließt die bei den bekannten Verfahren wegen der parasitären thermoelektrischen Kräfte auftretenden Fehler, die in dem Widerstandselement wegen der Inhomogenität des Materials entstehen, aus.

Da im Laufe der Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses durch den Kältefluß des Bezugssignals unter Wärmeisolierung gegen das Umgebungsmedium verläuft, so wird bei Ungleichheit des Wärmeflusses und des Kälteflusses eine Wänneenergiemenge N

N=APt

entwickelt bzw. aufgenommen. Hierin bedeuten:

AP- Differenz aus den durch das Wideistandsele-

11

ment 1 und den thermoelektrischen Kühler 3 entwickelten Leistungen;
ι - Dauer des Meßzyklus.

Diese Wärmeenergiemenge N bewirkt eine Erwärmung (Abkühlung) des wärmeleitenden Trägers 2 und der mit diesem in Berührung stehenden Elemente. Die Temperatur des wärmeleitenden Trägers 2 und der mit diesem in Berührung stehenden Elemente nimmt mit der Zeit zu (ab), was eine Zunahme (Abnahme) des Ausgangssignals der Thermopaare 5 und 6 mit der Zeit hervorruft. Die Zunahme der Temperatur des Trägers 2 ist nur durch die Qualität von dessen Wärmeisolation gegen das Umgebungsmedium begrenzt. Wärmeverluste können über die Anschlüsse des Widerstandselementes 1, des tbermoelektrischen Kühlers 3 und der Thermopaare 5 und 6 entstehen. Durch geeignete Wahl des Materials für die Elemente mit ausreichend niedriger Wärmeleitfähigkeit und optimale Wahl der Abmessungen der Elemente (Verminderung deren Quer-Schnitts und Vergrößerung deren Länge) lassen sich die parasitären vVärmeverluste auf ein Mindestmaß reduzieren, was zu einer Vergrößerung des Ausgangssignals der Thermopaare 5 und 6, d. h. zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßverfahrens, führt.

Die erhöhte Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens gestattet es, den dynamischen Bereich der zu messenden Signale in Richtung niedriger Werte zu erweitern. Die Möglichkeit, bei niedrigen Leistungen des Widerstandselementes 1 zu arbeiten, vergrößert die Überlastbarkeitsreserve und erhöht damit die Zuverlässigkeit der nach diesem Verfahren realisierten Einrichtungen.

Die Einhaltung einer der Umgebungstemperatur gleichen Temperatur für das Widerstandselement 1 und den thermoelektrischen Kühler 3 schließt einen nichtbeeinflußbaren Wärmeaustausch dieser Elemente mit dem ymophnnoempHiiim aus. Dies schältet Meßfehler aus die bei den bekannten Verfahren wegen Änderung der Wärmeaustauschbedingungen der Elemente mit dem Umgebungsmedium vorliegen. Die Funktio' 'er Elemente bei der Temperatur des Umgebu. jdiums verlangsamt die Alterung dieser Elemente, was die Beständigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierten Einrichtungen erhöht.

Die Erfindung kann z. B. zur Messung des quadratischen Mittelwertes von Spannungen und Strömen in industriellen Energienetzen, in funktechnischen Hochfrequenzanlagen sowie zur Messung der Parameter von Rauschsignalen in funktechnischen Einrichtungen benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des quadratischen Mittelwerts einer elektrischen Spannung, bei dem die s zu messende Spannung in einen Wärmefluß umgewandelt und mit der thermischen Wirkung einer Bezugsspannung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung in einen Kältefluß umgesetzt wird, daß die Kennwerte der Bezugsspannung geregelt werden, bis der durch die Meßspannung hervorgerufene Wärmefluß durch den Kältefluß der Bezugsspannung kompensiert wird, wobei Wärmeisolierung gegen das Umgebungsmedium besteht, und daß aus den Kennwerten ι: der Bezugsspannung der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses die

nnH one

dem quadratischen Mittelwert der Bezug3spannung der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses die Frequenz der Bezugsspannungsimpulse geregelt und aus der Frequenz der Bezugsspannungsimpulse der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses die Frequenz der Bezugsspannungs.npulse geregelt und aus dem Mittelwert der Bezugsspannung der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses die Dauer der Bezugsspannungsimpulsc geregelt und aus der Dauer der Bezugsspannungsimpulse der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch die Meßspannung hervorgerufenen Wärmeflusses die Dauer der Bezugsspannungsimpulse geregelt und aus dem Mittelwert der Bezugsspannung der quadratische Mittelwert der Meßspannung ermittelt wird.