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Schaltung zum Messen des Effektivwertes einer
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Wechselspannung Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen des
Effektivwertes einer Wechselspannung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Zum Messen des Effektivwertes U einer Wechselspannung werden bisher
stets Schaltungen benutzt, die zwei getrennte Gleichrichterkreise mit quadratischer
Ausgangs-Eingangs-Kennlinie, meist thermische Gleichrichterelemente. , aufweisen,
wobei dem einen Gleichrichterkreis eine Referenzwechselspannung zugeführt wird,
die durch einen Regelkreis solange geändert wird, bis beide Gleichrichterkreise
gleiche Ausgangsspannungen ergeben. Der Effektivwert der Referenzwechselspannung
ist dann im Idealfall gleich dem Effektivwert der zu messenden Wechselspannung,
die am anderen Gleichrichterkreis anliegt und die unmittelbar an einer linearen
Skala zur Anzeige gebracht wird. Diese bisher üblichen Effektivwert-Gleichrichterschaltungen
besitzen den Nachteil, dass der Regelkreis relativ langsam einschwingt und die Einschwingzeit
von der angelegten Eingangsmeßspannung abhängt, selbst wenn alsGleichrichterelemente
jeweils Feldeffekttransistoren benutzt werden, deren Kanal als Gleichrichter geschaltet
ist (nach DE-AS 23 29 579). Die erreichbare Genauigkeit ist, bedingt durch die Drift
des Gleichspannungsverstärkers und die Abweichung der beiden Gleichrichterkennlinien
zueinander, auf
etwa 0,3% beschränkt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Messen des Effektivwerts
einer Wechselspannung zu schaffen, die diesen Nachteil vermeidet und in einem breiten
Frequenzbereich die schnelle und genaue Effektivwertmessung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass für ein Halbleiter-Gleichrichterelement
zwischen Eingangsspannung ue und Ausgangs spannung ua folgende allgemeine Beziehung
besteht: (1) ua = uao + bue2 + cue4 + due6 + eue8 Für sinusförmige Eingangsspannungen
(2) ue = ffi2U sin Qdt bei denen U der Effektivwert ist, gilt für den Mittelwert
ua der Ausgangsspannung die Beziehung
Der Mittelwert der Ausgangsspannung kann durch bekannte digitale Meßschaltungen
als Digitalwert gemessen werden und daraus kann also nach der Formel (3) der Effektivwert
U errechnet werden, wenn die Kennlinienwerte uao,b,c,d usw. bekannt sind. Nach der
Erfindung werden diese Kennlinienwerte durch eine vorangehende Referenzspannungsmessung
über das Halbleiter-Gleichrichterelement wiederum digital gemessen und in einem
Mikroprozessor gespeichert, durch den dann anschliessend beim digitalen Messen der
angelegten Wechsel-
spannung nach obiger Beziehung der Effektivwert
errechnet und digital angezeigt wird. Zur Bestimmung der Kennliniendaten ist es
nur nötig, entsprechend viele unterschiedliche Referenzspannungen anzulegen, um
entsprechend viel unterschiedliche Gleichungen zu erhalten, aus denen dann die Kennliniendaten
errechnet werden können.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als Halbleiter-Effektivwert-Gleichrichter
eine aus Feldeffekttransistoren aufgebaute Schaltung zu verwenden, wie sie in der
DE-AS 23 29 579 beschrieben ist. Für diese spezielle Effektivwertgleichrichterschaltung
gilt nämlich bei Einhaltung bestimmter Aussteuerungsgrenzen wiederum für sinusförmige
Eingangsspannungen für den Mittelwert der Ausgangsspannung die vereinfachte Gleichung:
(4) 7 = uao + bU2 + c32U4 Für solche Gleichrichterelemente müssen also nur drei
Kennliniendaten uao, b und c durch entsprechende Referenzspannungsmessungen bestimmt
werden, wobei der Koeffizient c, der die Abweichung von der quadratischen Kennlinie
erfasst, relativ klein ist und für Abschnürspannungen von 1 bis 1,5 Volt und Spannungen
kleiner als 0,4 Volt gilt: (5) cU4 < 0,01 bU2 Dieser Koeffizient kann also als
konstant vorausgesetzt werden.und es genügt, ihn nur einmalig zu bestimmen. Er kann
u.U. auch ganz vernachlässigt werden, so dass nur die beiden Koeffizienten uao und
b durch zwei Referenzspannungsmessungen bestimmt werden müssen. uao ist zeitabhängig
und temperaturabhängig, b im wesentlichen nur temperaturabhängig. Es ist deshalb
zweckmässig, einen diese Koeffizienten oder beide zyklisch wiederholt durch entsprechende
Referenzspannungsmessungen zu bestimmen, um die Schaltung möglichst stabil und temperaturunabhängig
zu machen.
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Die Referenzspannungsmessung erfolgt vorzugsweise durch Anlegen von
symmetrischen Rechteck-Wechselspannungen (6) ue = + U -wobei U wiederum der Effektivwert
ist. Für solche Rechteck-WechseAspannungen gilt für den Mittelwert der Ausgangsspannung
des Effektivwertgleichrichters die vereinfachte Formel (7) 7 = u + bU2 + cU4 a ao
Für die Referenzspannungsmessung wird deshalb vorzugsweise diese vereinfachte Beziehung
berücksichtigt, d.h. durch Verwendung von Rechteck-Referenzspannungen können nach
dieser vereinfachten Beziehung (7) auf einfache Weise die Kennlinienkoeffizienten
errechnet und gespeichert werden.
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Da auch für ein Gleichrichterelement mit der vereinfachten Beziehung
nach Formel (4) noch drei Koeffizienten zu bestimmen sind, müssen auch drei Referenzspannungsmessungen
durchgeführt werden. Die erste Referenzspannungsmessung erfolgt vorzugsweise mit
der Referenzspannung Null, da hierdurch sofort der Koeffizient uao erhalten wird,
der dann inden Mikroprozessor eingespeichert wird. Bei der zweiten Referenzspannungsmessung
wird der Effektivwert U der Rechteckwechselspannung etwa so-gross gewählt wie für
Vollausschlag der zu messenden Eingangsspannung nötig ist, d.h. es wird ein möglichst
grosser Referenzspannungswert gewählt, um diese Messung möglichst genau zu machen.
Für die dritte Referenzspannungsmessung wird der Effektivwert der Rechteckwechselspannung
etwas kleiner oder grösser als bei der zweiten Referenzspannungsmessung gewählt,
besonders vorteilhaft ist es das Verhältnis der dritten Referenzspannung zur zweiten
Referenzspannung auf
festzulegen.
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Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Beziehung zur Berechnung
des Koeffizienten c. Da der Koeffizient c die Messung relativ schwach beeinflusst,
genügt es, diese
Grösse nur einmal zu bestimmen, beispielsweise
durch den Aufruf eines speziellen Service-Programms. Die anderen beiden Koeffizienten
Uao und b sind hingegen stark temperaturabhängig und werden wie gesagt vorzugsweise
zyklisch erfasst, beispielsweise alle 10 Sekunden. Wie aus Gleichung (7) ersichtlich
ist, genügen für diese zyklischen Bestimmungen bei bekanntem Koeffizienten c jeweils
zwei Messungen, um über zwei Gleichungen die beiden Unbekannten uao und b zu bestimmen.
Zweckmässigerweise wird hierzu die erwähnte Nullspannungsmessung und die Messung
mit einer Vollausschlag ergebenden Referenzspannung gewählt.
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Aus Gleichung (4) und (7) ergibt sich, dass über den Koeffizienten
c auch für ein mit Feldeffekttransistoren aufgebautes Effektivwertgleichrichterelement
für Eingangsspannungen mit gleichem Effektivwert jedoch unterschiedlicher Kurvenform
etwas unterschiedliche Ausgangsspannungswerte entstehen. Streng-genommen müsste
für jede Kurvenform eine andere Auswertegleichung benutzt werden.
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Da im allgemeinen jedoch nur für sinusförmige Ausgangsspannungen eine
hohe Messgenauigkeit gefordert ist, ist es ausreichend, bei der Rechnung nur nach
der Beziehung (4) zu verfahren. Die Referenzspannungsmessung kann nach Gleichung
(7) mit symmetrischen Rechteck-Wechselspannungen sehr genau durchgeführt werden.
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Eine erfindungsgemässe Effektivwert-Meß schaltung besitzt hohe Messgenauigkeit
und vor allem schnelles Einschwingverhalten, da kein Regelkreis mit Referenzspannungsvergleich
vorgesehen ist wie bei den eingangs erwähnten bekannten Schaltungen. Die Kennlinienabweichungen
des Gleichrichters werden vielmehr durch Messung am gleichen Gleichrichter bestimmt
und errechnet und bei der anschliessenden eigentlichen Messung berücksichtigt. Es
ist also nur ein Gleichrichter nötig.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Schaltung
zum Messen des Effektivwertes U einer am Eingang E angelegten Wechselspannung us,
die über einen Schalter 1 und einen Hochpass 2 sowie einen Gegentaktverstärker 3
einem aus Halbleiterbauelementen aufgebauten Effektivwertgleichrichter 4 zugeführt
wird, dessen Ausgangsspannung über einen Differenzverstärker 5 soweit verstärkt
wird1 dass sie mit bekannten Messeinrichtungen zum digitalen Messen einer Spannung
ausgewertet werden kann. Der Hochpass 2 trennt einen eventuellen Gleichspannungsanteil
der Meßspannung. ab. Der Effektivwertgleichrichter 4 wird über die beiden gegenphasigen
Ausgänge des Gegentaktverstärkers 3 angesteuert, der Effektivwertgleichrichter 4
ist als Gegentakt-Effektivwertgleichrichterschaltung nach DE-AS 23 29 579 aus Feldeffekttransistoren
aufgebaut. Dem Differenzverstärker 5 ist ein Tiefpassfilter 6 nachgeschaltet, das
die der gleichgerichteten Ausgangs spannung ua überlagerten Wechselspannungskomponenten
unterdrückt. Die Grenzfrequenz dieses Tiefpassfilters 6 ist so bemessen, dass bei
der niedrigsten Frequenz der zu messenden Eingangs spannung noch eine ausreichende
Unterdrückung solcher Wechselspannungskomponenten vorhanden ist. Da sich dann u.U.
sehr lange Einschwingzeiten ergeben, ist die Grenzfrequenz vorzugsweise umschaltbar,
so dass für hohe Frequenzen, beispielsweise grösser als 1 KHz, Einschwingzeiten
von etwa 25 ms erreicht werden. Ausserdem ist dieses Tiefpassfilter vorzugsweise
mehrpolig und auf optimales Einschwingen dimensioniert. Mehrpolige Filter haben
gegenüber einpoligen Filtern den Vorteil, dass sie, vereinfacht gesagt, bei gleicher
Dämpfung schneller einschwingen. Am Ausgang dieses Tiefpassfilters 6 entsteht der
Mit-
telwert ua der gleichgerichteten Ausgangsspannung, die über
den Schalter 7 an den einen Eingang eines Komparators 8 geführt wird. Dem anderen
Eingang des Romparators 8 wird die Ausgangs spannung eines Digital-Analog-Wandlers
9 als Referenzspannung zugeführt. Dieser Digital-Analog-Wandler 9 wird über einen
Mikroprozessor 21 gesteuert.
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Die Schaltungsteile 8,9 und 21 bilden einen bekannten nach dem Prinzip
der sukzessiven Approximation arbeitenden Analog-Digital-Wandler, mit dem der Mittelwert
7 dia gital gemessen wird. Diese Messung kann sehr schnell, beispielsweise in 1.ms
erfolgen und steht dann zu weiterer Verarbeitung im Mikroprozessor 21 zur Verfügung.
Für diese Digitalisierung des Spannungsmittelwertes kann natürlich auch jede andere
bekannte Anal«Digital-Wandlerschaltung verwendet werden, beispielsweise ein vom
Mikroprozessor triggerbarer Analog-Digital-Wandler.
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Im Mikroprozessor -21 wird aus dem digital gemessenen Mittelwert ua
nach der Beziehung (4) der gewünschte Effektivwert errechnet und zwar nach der Näherungsgleichung
Zu diesem Zweck werdenin einer vorhergehenden Referenzspannungsmessung die Gleichungskoeffizienten
uao, b und c gemessen und im Mikroprozessor 21 gespeichert. Dies geschieht mit einer
zusätzlichen Referenzspannungsquelle zum Erzeugen von verschiedenen Referenzspannungen.
Nachdem drei Koeffizienten zu bestimmen sind, müssen auch drei entsprechende Referenzspannungen
zur Verfügung stehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Referenzspannungsquelle
eine hochstabile Gleichspannungsquelle 10, aus der über einen Spannungsteiler 11
zwei hochstabile Gleichspannungswerte abgeleitet werden,
die über
einen Wählschalter 14 einem Zerhacker 15 zuführbar sind, der seinerseits über einen
Rechteckgenerator 16 gesteuert ist. Der Wählschalter 14 und ein Schalter 22 sind
wiederum unmittelbar über den Mikroprozessor 21 gesteuert.Am Ausgang des Zerhackers
15 können so zwei Rechteck-Wechselspannungen U1 und U2 erzeugt werden, deren Amplituds
unmittelbar proportional sind den beiden im Spannungsteiler 11 erzeugten stabilen
Gleichspannungswerten.
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Diese Rechteck-Wechselspannungen U1 und U2 können als Referenzspannungen
über einen Trennverstärker 17 und einen Spannungsteiler 18 bei geschlossenem Schalter
19 über den Hochpass 20 dem Eingang des Gegentaktverstärkers 3 zugeführt werden.
Aus Genauigkeitsgründen ist die zu zerhackende Gleichspannung relativ gross gewählt,
damit Linearitätsfehler des Zerhackers möglichst klein gehalten werden. Da im allgemeinen
der Nennwert der Eingangsspannung am Gegentaktverstärker 3 bei Gleichrichterschaltungen
dieser Art nur einige mV beträgt, ist zur Teilung der Referenzwechselspannung der
einstellbare Spannungsteiler 18 vorgesehen.
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wechsel Als dritter Referenzspannungswert dient eine Referewzspannung
UO = Null. Zu diesem Zweck kann der Generator 16 über den vom Mikroprozessor 21
gesteuerten Schalter 22 abgeschaltet werden. Natürlich kann diese Referenzspannung
Null auch auf andere Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Auftrennen des zum
Verstärker 3 führenden Referenzspannungskreises.
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Mit den drei Referenzspannungswerten UO,U1 und U2 können nach der
Gleichung 7 die Koeffizienten uaOr b und c ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird
über den Mikroprozessor 21 der Schalter 1 geöffnet und der Schalter 19 geschlossen.
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Zunächst wird die Referenzspannung UO durch öffnen des Schalters 22
angelegt. Der gemessene Mittelwert der Aus-
gangsspannung 7 in
digitaler Form a entspricht dann unmittelbar dem Koeffizienten uao, der im Mikroprozessor
21 gespeichert wird. Anschliessend wird dann über den Schalter 14 der dem Vollausschlag
entsprechende Referenzspannungswert U1 an das Gleichrichterelement 4 angelegt und
der daraus resultierende digitale Mittelwert der Ausgangs spannung im Mikroprozessor
gemessen und gespeichert. Dann wird durch Umschalten des Wählschalters 14 der zweite
Referenzspannungswert U2 angelegt und wiederum der zugehörige digitale Mittelwert
der Ausgangsspannung gemessen. Damit stehen für zwei Referenzspannungen zwei Gleichungen
nach der Beziehung (7) zur Verfügung, aus denen dann unter Berücksichtigung des
bereits ermittelten Koeffizienten uao die beiden restlichen Koeffizienten b und
c im Mikroprozessor 21 errechnet und dort abgespeichert werden. Am Ende dieser Referenzspannungsmessung
stehen also im Mikroprozessor die Koeffizienten der Gleichung (4) zur Verfügung
und können nach Rückschalten der Schalter 1 und 19 zur Bestimmung des Effektivwertes
einer angelegten unbekannten Wechselspannung Us berücksichtigt werden die dann über
eine Anzeigeeinrichtung 23 unmittelbar digital angezeigt werden kann.
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Der Koeffizient c beeinflusst die Messung relativ schwach und es genügt
deshalb, diese Grösse nur einmal zu bestimmen und im Mikroprozessor 21 abzuspeichern.
Die Koeffizienten uao und b sind hingegen stark temperaturabhängig und es ist deshalb
zweckmässig, diese zyklisch während des eigentlichen Messvorganges zu überwachen
und neu zu erfassen. Aus diesem Grunde werden die Schalter 1 und 19 zyklisch beispielsweise
alle 10 Sekunden so geschaltet, dass die Messspannung us kurzzeitig abgetrennt und
dafür die Referenzspannungen UO und U1 an das Gleichrichterelement angelegt werden
und daraus wie oben beschrieben die Koeffizienten uao und b erneut bestimmt werden..EskaTln
dann ein Mittelwert mit den gespeicherten der vorangehenen Messungen im Mikroprozessor
21 errechnet
werden, der dann als korrigierter Wert abgespeichert
wird.
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Bei der theoretischen Behandlung des Effektivwertgleichrichters ist
davon ausgegangen worden, dass die Referenzwechselspannungen in ihrer Grösse exakt
bekannt sind. Dies ist in der Praxis jedoch nur schwer erreichbar. Es kann lediglich
das Verhältnis der Wechselspannungen exakt bestimmt und eingestellt werden, indem
beispielsweise das Verhältnis der über den Spannungsteiler 11 erzeugten Gleichspannungen
gemessen oder eingestellt wird. Es ist dann allerdings noch ein Absolutwertabgleich
erforderlich, der durch den Spannungsteiler 18 durchgeführt werden kann. Natürlich
kann eine solche Absolutwertabgleichung auch im eigentlichen Messkreis durchgeführt
werden, also beispielsweise zwischen Schalter 1 und Hochpass 2.
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Das Verhältnis zwischen den beiden Referenzwechselspannungen U1 und
U2 kann unmittelbar in der Schaltung selbst durch einfache ZusatZmassnahmen gemessen
werden, beispielsweise kurz vor der Bestimmung des Koeffizienten c. Zu diesem Zweck
ist ein zusätzlicher Umschalter 13 mit nachgeschaltetem Verstärker 12 vorgesehen,
dem die beiden vom Spannungsteiler 11 gelieferten Referenzgleichspannungen geführt
werden. Der Ausgang des Verstärkers 12 kann über den vom Mikroprozessor 21 gesteuerten
Umschalter 7 anstelle der Ausgangsspannung des Gleichrichterelements 4 dem Komparator
8 zugeführt werden. Auf diese Weise können die beiden Gleichspannungswerte, die
den Rechteck-Spannungswerten U1 und U2 entsprechen, nacheinander digital gemessen
und dem Mikroprozessor zugeführt werden. In diesem kann dann auf einfache Weise
das Verhältnis dieser Spannungen berechnet werden. Da nur zur Bestimmung des Koeffizienten
c Referenzspannungsmessungen mit beiden Referenzwechselspannungen U1 und U2 erfoderlich
sind, braucht auch nur zur Ermittlung des Koeffizienten c
diese
erwähnte Verhältnismessung durchgeführt werden, beispielsweise während einer Serviceüberprüfung
des Gerätes.
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Für die zyklische Überprüfung der Koeffizienten u ao und b ist neben
der Null-Spannung UO nur die eine Referenzspannung U1 nötig.
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Für die Erzeugung der genauen Referenzspannungen können natürlich
auch andere bekannte Schaltungen verwendet werden, die vorgeschlagene spezielle
Schaltung ist jedoch besonders vorteilhaft, da Abgleicharbeiten hierdurch auf ein
Minimum beschränkt werden und mit ein und demselben Mikroprozessor sämtliche Messungen
und Korrekturen durchgeführt werden können. Die Verwendung eines aus Feldeffekttransistoren
aufgebauten Gleichrichterelements ist besonders vorteilhaft, da hierdurch die Bestimmung
der Gleichungskoeffizienten am einfachsten ist. Im Prinzip ist die erfindungsgemässe
Schaltung jedoch für alle Halbleiter-Gleichrichterschaltelemente geeignet, für welche
die allgemeine Gleichung (1) gilt. Die zusätzlichen höherpotenten Fehler können
durch einmalige Bestimmung leicht ermittelt und als Festwerte im Mikroprozessor
bei der Auswertung berücksichtigt werden ähnlich wie der als konstant angenommene
Koeffizient c.
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Auch für solche Schaltungen genügt es, beispielsweise zyklisch die
beiden ersten temperaturabhängigen Koeffizienten zu ermitteln. Im allgemeinen ist
es zweckmässig, durch entsprechende Referenzspannungsmessungen mit UO und U1 beide
Koeffizienten uao und b zyklisch zu überwachen. In manchen Fällen kann es jedoch
genügen, nur einen dieser Faktoren, beispielsweise uao oder b zyklisch zu überwachen
und durch andere Schaltungsmassnahmen dafür zu sorgen, dass die anderen Koeffizienten
als konstant angenommen werden können.
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Für ganz genaue Messungen kann es darüber hinaus auch vorteilhaft
sein, auch den Koeffizienten c zyklisch während der Messung zu überwachen und entsprechend
zu korrigieren.