DE3012813C2 - Anordnung zur Präzisionsmessung von Effektivwerten elektrischer Größen - Google Patents

Description

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der auf relativ einfache Weise meßbar ist Bei solchen Geräten ist der Formfaktor einer bestimmten Kurvenform, meist der Sinusform, einkalibriert, und Messungen sind nur bei dieser Kurvenform zulässig. Bei Verzerrungen oder gänzlich anderen Kurvenformen treten meist unzulässig große Meßfehler auf. Für Präzisionsmessungen sind diese Einrichtungen in der Regel nicht geeignet. Andere Geräte und Verfahren erlauben die direkte Messung des »echten« Effektivwertes entsprechend der Definition:

= V -4r a² dr.

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Präzisionsmessung von Effektivwerten elektrischer Größen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die gebräuchlichsten Wechselstrom- und Wechsel-

Bekannte mechanische Verfahren sind im Dreheisen- und im elektrostatischen Meßwerk verwirklicht Mechanische Geräte sind aber wegen der relativ geringen Skalenlänge und der dementsprechend zu geringen Auflösung für Präzisionsmessungen nicht geeignet. Hinzu kommen beim Dreheisen-Meßwerk die starke Frequenzabhängigkeit oberhalb einiger 100 Hz und beim elektrostatischen Meßwerk die äußerst geringe Empfindlichkeit, die nur bei der Messung hoher Spannungen über 100 V ausreicht.

Die meisten elektronischen Effektivwert-Meßgeräte enthalten analoge Recheneinrichtungen, die entsprechend der Definition (2) die Quadrierung, die Mittelwertbildung und die Radizierung ausführen. Zwar sind analoge nichtlineare Operationen wie die Quadrierung grundsätzlich mit hoher Genauigkeit möglich; der erforderliche Aufwand, um die Fehler wesentlich unter die 1%0-Grenze zu senken, wird aber so groß, daß diese Verfahren nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich einsetzbar sind.

Als Alternative ist vorgeschlagen worden, die nichtlinearen Operationen digital auszuführen. Die dabei grundsätzlich erreichbare höhere Genauigkeit muß aber durch eine erheblich niedrigere Frequenzgrenze erkauft werden: Soll beispielsweise bei einer symmetrischen Rechteckspannung der Meßfehler nicht größer als 1%o sein, sind mindestens 600 Abtastungen des Meßsignals je Periode erforderlich. Bei derzeit realistischen Umsatz-' und Rechenzeiten von z. B. insgesamt 3 μβ bedeutet dies eine obere Frequenzgrenze von rund 550 Hz.

Sehr genaue Wechselspannungs- und Wechselstrommessungen mit Meßfehlern von 0,l%o und darunter werden zur Zeit fast ausschließlich mit Kompensationseinrichtungen durchgeführt, wie sie z. B. aus der Zeitschrift »Instruments &. Control Systems«, Jan. 1963, Seite 79 — 81, bekannt geworden sind. Bei diesen Einrichtungen wird die thermische Wirkung der Meßgröße, die unmittelbar ein Maß für den Effektivwert ist, mit der Wirkung einer dosierbaren Vergleichsgröße auf dasslbe Objekt verglichen. Zu diesem Zwecke werden die Meßgröße und die Vergleichsgröße über einen Schalter abwechselnd einem thermischen Umformer, zum BeisDJel einem Thermoumformer, zugeführt.

Bei gleichen Wirkungen verschwinden Schwankungen der Ausgangsgröße des thermischen Umformers beim Umschalten, und die Vergleichsgröße, zum Beispiel eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom, ist identisch mit dem Effektivwert der Wechselgröße. Au? diese Weise wird das Meßproblem auf die Aufgabe, eine Gleichgröße zu messen, reduziert

Soll mit solchen Geräten ein weiter Meßbereich erfaßt werden, so ist es zusätzlich erforderlich, d'.vth einen Vorverstärker oder einen Abschwächer die Größe der zu vergleichenden Signale an den thermischen Umformer anzupassen, so daß dieser im Arbeitsbereich ausreichender Empfindlichkeit betrieben wird.

Die Arbeit mit solchen manuell arbeitenden Geräten ist umständlich und zeitraubend. Eine Automatisierung der Abgleichvorgänge ist zwar grundsätzlich möglich, es ist aber sehr aufwendig, die miteinander vernaschten und nichtlinearen Regelkreise so zu beherrschen, daß unter allen Betriebsbedingungen ein stabiles Verhalten gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine nach dem thermischen Kompensationsprinzip automatisch arbeitende Meßeinrichtung zu schaffen, bei der trotz der gegenüber vergleichbaren Einrichtungen erheblich höheren Genauigkeit und weitgehender Unabhängigkeit von der Frequenz und der Kurvenform des Meßsignals der erforderliche Aufwand in angemessenen Grenzen gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Im abgeglichenen Zustand ist die Stellgröße ein direktes Maß für die Meßgröße und kann zur Anzeige oder Ausgabe des Meßergebnisses herangezogen werden. Der Regelmechanismus erfüllt im vorliegenden Fall gleichzeitig zwei Aufgaben: Er führt einerseits den für die Messung erforderlichen Abgleich herbei, und er hält andererseits gleichzeitig den thermischen Umformer unabhängig von der Meßgröße in einem festen Arbeitspunkt

Der Arbeitspunkt des thermischen Umformers ist bestimmt durch den Wert der Referenzgröße. Diese, zum Beispiel ein Referenz-Gleichstrom, wird zweckmäßig so gewählt, daß der thermische Umformer im Arbeitsbereich seiner maximalen Empfindlichkeit betrieben wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor. Ausführungsbeispiele sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen erläutert.

Die Zeichnungen stellen folgendes dar:

F i g. 1 ein Blockschaltbild der M eßanordnung,

F i g. 2 eine beispielsweise Ausführung der Umschalteinrichtung des thermischen Umformers,

F i g. 3 ein Beispiel für eine Eingangsstufe, in der das Meßsignal durch die digitale Stellgröße dividert wird,

Fig.4 ein Beispiel für die Ausführung eines erfindungsgemäß geeigneten Nullindikators,

F i g. 5a ein Diagramm, in dem das Ausgangssignal des thermischen Umformers bei fortschreitendem Abgleich als Funktion der Zeit dargestellt ist,

F i g. 5b ein Spannungs-Zeit-Diagramm des verstärkten Wechselanteils des in F i g. 5a dargestellten Signals,

Fig.5c ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Ausgangsspannung des Nullindikators für den in den F i g. 5a und 5b dargestellten Fall,

Fig. 5d ein Beispiel des zeitlichen Verlaufs der Stellgröße für den in den Fig.5a bis 5c dargestellten

Fall.

In F i g. 1 ist als Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren eine Schaltung mit den für die Funktion wesentlichen Elementen als Blockschaltung dargestellt Die Meßgröße Xf₁) wird in einer Eingangsstufe 1 durch die digitale Stellgröße Z dividiert und erscheint am Ausgang als Regelgröße X'_(l> Die Eingangsstufe 1 ist also ein Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor der Stellgröße Zumgekehrt proportional ist

Durch den nachfolgend im einzelnen ertläuterten Regelvorgang wird erreicht, daß der Effektivwert X'err der Regelgröße X'_f!) mit einer aus einer Referenzquelle 2, zum Beispiel einer Referenzstromquelle, entnommenen konstanten Referenzgröße Yidentisch ist. Es gilt:

JcZ

X_rff = Y = const

Daraus folgt:

it· Y

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Im abgeglichenen Zustand besteht somit ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Stellgröße Z und dem Effektivwert der Meßgröße X(,y Der Proportionali tätsfaktor wird ausschließlich von der Eingangsstufe

1 und der Referenzgröße Y bestimmt.

Die Regelgröße X'_(l) und die Referenzgröße Y werden, wie F i g. 1 weiter zeigt, über einen Umschalter 6 alternativ einem thermischen Umformer 3 zugeführt. Als thermischer Umformer eignet sich zum Beispiel ein Thermoumformer, eine Kombination aus Glühlampe und Fotowiderstand oder in besonderem Maße wegen seiner hohen Empfindlichkeit ein fremdgeheizter Thermistor. Im thermischen Umformer 3 entsteht eine vom jeweiligen Effektivwert seiner Eingangsgröße eindeutig abhängende Übertemperatur, die ihrerseits in ebenfalls eindeutiger Weise ein elektrisches Ausgangssignal Vf,> zum Beispiel eine Ausgangsspannung, bestimmt. Dieses hängt somit in eindeutiger Weise mit dem jeweiligen Effektivwert am Eingang des thermischen Umformers zusammen. Zwar ist dieser Zusammenhang mehr oder weniger nicht-quadratisch und außerdem zahlreichen Störeinflüssgen, wie dem der Umgebungstemperatur, unterworfen. Da das erfindungsgemäße Verfahren aber ein Abgleichverfahren ist, in dem der thermische Umformer nur eine Indikatorfunktion hat, spielen diese Effekte keine Rolle, solange sich die Eigenschaften des thermischen Umformers nicht während eines Schaltzyklus ändern. Auch Alterungsvorgänge im thermischen Umformer 3, die bersonders bei der Verwendung eines Thermistors zu erwarten sind, verringern deshalb die Meßgenauigkeit nicht.

Der angestrebte Abgleichzustand ist gemäß Gleichung (4) erreicht, wenn der Effektivwert X'_en der Regelgröße X'_(ti gleich dem Wert der Referenzgröße Y ist. In diesem Zustand sind die Heizleistungen im thermischen Umformer 3 in beiden Stellungen des Umschalters 6 identisch, und auch das Ausgangssignal V(I/ ist in beiden Fällen gleich groß. Das Erreichen des Abgleichzustandes ist also daran zu erkennen, daß mit

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der Umschaltung korrelierte Schwankungen des Aus- Eingangsstufe geforderten Beziehung. Die Genauigkeit gangssignals V₀/ verschwinden. Andererseits ergibt sich der Division in dieser Stufe hängt im wesentlichen von im nicht abgeglichenen Zustand aus dem Vergleich der den Fehlern des Operationsverstärkers und der den beiden Schalterstellungen zugeordneten Werte des Wortlänge der Stellgröße Zab. Relative Unsicherheiten Ausgangssignals V₀₁ eine Information darüber, in 5 von weniger als 0,l%o sind erreichbar, welchem Sinne die Stellgröße Zverändert werden muß. |_n Fig. 1 ist dem thermischen Umformer 3 ein

um dem abgeglichenen Zustand näherzukommen. Nullindikator 4 nachgeschaltet. Dieser stellt im Prinzip Dieser Mechanismus wird weiter unten an einem einen vom Taktgenerator 7 gesteuerten Gleichrichter Beispiel im einzelnen beschrieben. dar. Wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird, ist die

Die Empfindlichkeit des thermischen Umformers 3 ist 10 Spannung U₂ am Ausgang des Nullindikators 4 ein Maß in starkem Maße abhängig vom Wert der Eingangsgrö- f_ür Schwankungen des Ausgangssignals V₁₀ des thermiße. Für kleine Werte der Eingangsgröße geht sie gegen _sch_en Umformers 3, die mit dem Schaltvorgang des Null, und in der Regel gibt es einen Arbeitsbereich Umschalters 6 korreliert sind. Gleichzeitig ist die maximaler Empfindlichkeit, oberhalb dessen die Emp- Polarität der Spannung U₂ ein Merkmal dafür ob der ftndlichkeit ebenfalls wieder abnimmt. Es ist ein Vorzug 15 Effektivwert X'_efl der Regelgröße X'_o, noch zu groß des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß der thermische oder zu klein ist. Die Spannune u, ist somit ein Maß für Umformer 3 im abgeglichenen Zustand ohne besondere die Größe und die Richtung der Regelabweichung Vorkehrungen unter allen Bedingungen und unabhängig I_n F ig. 4 ist ein Beispiel für die Ausführung eines

von der Meßgrößre stets im selben Arbeitspunkt erfindungsgemäß geeigneten Nullindikators 4 als betrieben wird. Dieser hängt nur vom Wert der 20 Blockschaltbild dargestellt. Über einen Bandpaß 41 der Vergleichsgröße Y ab, die vorzugsweise so zu wählen Frequenzanteile oberhalb und unterhalb der Schaltfreist, daß der thermische Umformer im Bereich seiner _quenz dämpft und dadurch zum Beispiel Netzstörungen maximalen Empfindiichkeit arbeitet. unterdrückt, gelangt das Ausgangssignal V₀, des

In einem automatisch arbeitenden Meßgerät ist es thermischen Umformers 3 zu einem Verstärker 42. Der zweckmäßig, den Umschalter 6, gesteuert von einem 25 Verstärkungsfaktor v₂ bestimmt die Empfindlichkeit des i Taktgenerator 7, periodisch zu betätigen. Dies geschieht Nullindikators und sollte so groß gewählt werden, daß I vorzugsweise mit einer Frequenz, deren Periodendauer der Regelkreis gerade noch stabil arbeitet Die 1 in der Größenordnung der thermischen Zeitkonstante Spannung u\ am Ausgang des Verstärkers 42 wird | des thermischen Umformers 3 liegt. Eine zu hohe schließlich einer Abtast-Halte-Schaltung (sample-hold, % Schaltfrequenz vermindert durch die thermische Trag- 30 S/H) 43 zugeführt. §

heit die Empfindlichkeit des thermischen Umformers, Die Arbeitsweise des Nullindikators sei anhand der I

während durch eine zu niedrige Schaltfrequenz die Fig.5abis5cerläutert: §

Abgleichdauer unnötig erhöht und dadurch die Meßrate I_n Fig. 5a ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssi- i

herabgesetzt wird. Die optimale Schaltfrequenz liegt bei _gnals V_(l) des thermischen Umformers 3 dargestellt Zu I geeigneten Umformern in der Regel in der Größenord- 35 den Zeitpunkten f,, tj, ts... wird jeweils die Regelgröße 1 nung 1 Hz. χ<_{(ι) zu} den Zeitpunkten t₂, U, k ... jeweils die §

Als Umschalter 6 sind sowohl mechanische als auch Referenzgröße Y (Fi g. 1) eingeschaltet Für den Fall I elektronische Schalter geeignet Elektronische Schalter X>_cf[< γ ergibt sich der dargestellte wellenförmige fe haben den Vorzug einer hohen Lebensdauer, und es Verlauf. Die Schwankunger, werden umso geringer, je g treten kein Prellen und keine störenden Schaltverzöge- 40 weiter der Abgleich fortschreitet, bis schließlich im I rungen auf. Andererseits weisen sie aber Vergleichs- abgeglichenen Zustand der konstante Wert Vo am ΐ weise hohe DurchlaSwiderstände auf. Um zu verhin- Ausgang des thermischen Umformers erreicht ist. Das ■ dem, daß durch Spannungsabfälle an den Schaltwider- Signal V₁₀ durchläuft, wie in F i g. 4 dargestellt ist, den ■-<■ ständen Fehler entstehen, ist vorgesehen, die Eingangs- Bandpaß 41 und den Verstärker 42, an dessen Ausgang stufe 1 so auszulegen, daß sie am Ausgang einen 45 es als reine Wechselspannung u, (Fig.5b ) erscheint | eingeprägten Strom i_x(F ig. 2) liefert, und die Referenz- Die Amplitude dieser Spannung ist ein Maß für die | quelle 2 (F i g. 1) als Referenzsttromquelle 21 (F i g. 2) jeweilige Regelabweichung. Durch zwangsläufig auftre- ti auszubilden, die den Referenzstrom /,erzeugt tende Phasendrehungen erscheinen die Maxima und $

Fig. 2 zeigt eine für diesen Fall geeignete Stromum- Minima um die Zeitintervalle At gegenüber den I schaltvorrichtung. Der Umschalter 6 ist hier durch zwei so Schaltzeitpunkten t_u t₂ ... verzögert Durch eine I synchron laufende Umschalter 61 und 62 ersetzt die so entsprechende Impulsverzögerung im Taktgenerator 7 % arbeiten-, daß jeweils entweder der der Regelgröße (Fig,4) kann erreicht-werden, daß zu den richtieen I entsprechende Strom/xoder der Referenzstrom/y dem Zeitpunkten t_t', t₃' ... die Extremwerte durch "die i thermischen Umformer 3 zufließt, während der jeweil nachgeschaltete Abtast-Halte-Schaltung 43 abgetastet *"' abgeschaltete Strom in einen Ersatzwiederstand R_E 55 und bis zur nächsten Abtastung gespeichert werden. Im abfließt, dessen Wert zweckmäßigerweise dem Ein- dargestellten Beispiel waren die Maxima der Spannung gangswidcrstand des thermischen Umformers 3 ent- ^₁ abgetastet, und es entsteht am Ausgang des

spricht ^ Nullindikators 4 eine ständig positive Spannung ift, die

In Fig.3 ist ein Beispiel für eine Eingangsstufe 1 sich mit fortschreitendem Abgleich verringert (Fig. 5c).

dargestellt, in der ein multiplizierender Digital-Analog- 60 ist der Effektivwert Χ'_Λ der Regelgröße X'₍₀ größer

Umsetzer 11 den Gegenkopplungszweig eines Opera- als die Referenzgröße Y, so ist die Ausgangsspannung m

tionsverstärkers 12 bildet Es gilt in jedem Augenblick: des Verstärkers 42 gegenüber dem in F ig. 6b

X(,) = k-Z-X[_t); dargestellten Beispiel um 180° phasenverschoben. In

diesem Falle werden die Minima abgetastet und die

_r _ X_M ⁶S Ausgangsspannung U₂ des Nullindikators 4 ist negativ.

⁰ ~ k ■ Z' ^Im abgeglichenen Zustand (X'dr= Y)aer Meßeinrichtung ist die Spannung u_x im Idealfail ständig NuIL Dies entspricht der gemäß Gleichung (3) für die Mögliche Störungen, die durch Netzeinstreuungen oder

einen Restanteil des Meßsignals auftreten können, sind nicht mit den Schalt- und Abtastsignalen korreliert. Die Spannung u? am Ausgang des Nulldikators 4 ist also ebenfalls ständig Null, oder sie schwankt geringfügig um den Nullwert herum. Der nachgeschaltete Regler läßt sich so auslegen, daß er unregelmäßige Schwankungen mittelt und dadurch praktisch vollständig unterdrückt.

Der Regler5 (Fi g. 1) muß so beschaffen sein, daß die Regelgröße X'^über eine Beeinflussung der Stellgröße Z im jeweils richtigen Sinne verändert wird. Im dargestellten Beispiel, in dem X'_en zu klein ist, entsteht eine positive Spannung uj am Nullindikatorausgang, wodurch sich die Stellgröße Z verrringert. Da die Eingangsstufe 1 die Meßgröße X(,) durch die Stellgröße Zdividiert, wird X'_rn, wie erforderlich, vergrößert.

Als Regler 5 ist besonders ein integrierender Regler (I-Regler, PI-Regler) geeignet, der jede auftretende Regelabweichung vollständig ausregelt. Es kann sich dabei um einen analogen Integrierer handeln, dem bei

Bedarf ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet ist. Der Integrationsvorgang kann aber auch im digitalen Bereich durch einen Zählvorgang realisiert sein. F i g. 5d zeigt das Verhalten eines invertierenden I-Reglers.

Eine andere vorteilhafte Lösung stellt die Anwendung eines diskreten Reglers dar, der nach Maßgabe der der jeweiligen Regelabweichung entsprechenden Spannung Ü2 die Stellgröße Zin Sprüngen um geeignete Intervalle AZ verändert. Die optimalen Werte für AZ lassen sich empirisch ermitteln und in einem Speicher ablegen. Diese Art der Regelung ist besonders dann geeignet, wenn ohnehin mit digtalen Signalen gearbeitet wird und ein Mikrocomputer Anwendung findet. Sie ermöglicht eine besonders anpassungsfähige Konzeption der gesamten Meßeinrichtung und führt bei geeigneter Auslegung zu besonders kurzen Regelzeiten und damit besonders hohen Meßraten. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Abtast-Halte-Schaitung 43 in F i g. 4 durch einen Analog-Digital-Umsetzer zu ersetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

230242/600

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Präzisionsmessung von Effektivwerten elektrischer Größen, in der die Meßgröße in einer Eingangsstufe in einem solchen Maße verstärkt oder gedämpft wird, daß ihre thermische Wirkung gleich der einer konstanten Referenzgröße ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Eingangsstufe (1) die analoge Meßgröße (X(_tj) durch to eine digitale Stellgröße {2^ dividiert wird, daß die an ihrem Ausgang entstehende analoge Regelgröße (X'(il) und die Referenzgröße (Y) über einen Umschalter (6) periodisch abwechselnd einem einzigen thermischen Meßumformer (3) zugeführt werden, daß ein Regler (5) vorgesehen ist, mittels dessen die digitale Stellgröße (Z) derart geregelt wird, daß mit der Umschaltung korrelierte Schwankungen des Ausgangssignals (Vf₁J des thermischen Meßumformers (3) verschwinden und daß die digitale Stellgröße (Z) im abgeglichenen Zustand als Meßergebnis ausgegeben oder zur Anzeige gebracht wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgröße (Y) so bemessen ist, daß der thermische Meßumformer (3) im Arbeitsbereich seiner maximalen Empfindlichkeit betrieben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (I) an ihrem Ausgang einen eingeprägten Strom (i_x) liefert, der abwechselnd mit einem Referenzstrom (I_y) über Umschalter (61,62) dem thermischen Meßumformer (3) zufließt, während der jeweils abgeschaltete Strom in einen Ersatzwiderstand (Re) abfließt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (1) einen Operationsverstärker (12) enthält, der über einen multiplizierenden Digital-Analog-Umsetzer (11) gegengekoppelt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Vf₁J des thermischen Meßumformers (3) einem Nullindikator (4) zugeführt wird, der dieses im Rhythmus der Umschaltung periodisch abtastet und eine Ausgangsspannung (112) liefert, die ein Maß für die Größe und das Vorzeichen der Regelabweichung ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (4) einen Bandpaß (41) enthält, der Frequenzen unterhalb und oberhalb so der Schaltfrequenz dämpft.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (5) ein diskreter Regler ist. der nach Maßgabe der jeweiligen Regelabweichung einem Festwertspeicher empirisch ermittelte Erfahrungswerte entnimmt, mit deren Hilfe er die Stellgröße (Z) in Sprüngen um jeweils geeignete Intervalle (ΔΖ) verändert.

Spannungsmeßeinrichtungen ermitteln den Effektivwert auf dem Umweg über den Gleichrichtwert