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Meßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät zur Bestimmung der Leistung
und des Ernegieverbrauches eines Verbrauchers elektrischer Energie.
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An einem zweipoligen elektrischen Verbraucher, der mit einer elektrischen
Spannung u(t) gespeist wird, kann die von dem Verbraucher aufgenommene momentane
Leistung p(t) bestimmt werden, indem man den Momentanwert u(t) der elektrischen
Spannung an den Verbraucherklemmen mit dem Momentanwert i(t) des elektrischen Stromes,
der durch den Verbraucher fließt, multipliziert. Es ist p(t) = u(t) . i(t). (1)
Die von dem Verbraucher aufgenommene elektrische Energie W in einem Zeitintervall
der Dauer T erhält man durch Integration über die momentane Leistung bezüglich der
Zeit, somit
Dieses Meßprinzip für den Verbrauch elektrischer Energie ist in
den meisten heute gebräuchlichen Stromverbrauchsmessern realisiert, die entweder
elektromechanisch, z.B. nach dem Wirbelstromprinzip, oder elektronisch arbeiten.
Die elektronischen Stromverbrauchsmeßgeräte unterscheiden sich im wesentlichen hinsichtlich
der Ausführung der Muliplikation u(t) . i(t).
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Es sind drei Varianten gebräuchlich: a) Einsatz eines Vierquadranten-Analogmultiplizierers,
b) Verwendung eines Hallgenerators als Mulitplizierer, c) Analog/Digital-Wandlung
der Eingangsgrößen und digitale Multiplikation.
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Bildet man hierbei in einem Zeitintervall der Dauer # T den zeitlichen
Mittelwert der momentanen Leistung p(t) nach (1), so erhält man die mittlere Leistung
Bei stationären Vorgängen ist die mittlere Leistung P konstant und entspricht der
Wirkleistung, die der Verbraucher aufnimmt.
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Wesentliches Merkmal der Leistungsbestimmung nach (3) ist wiederum
die Multiplikation der Größen u(t) . i(t), die elektromechanisch , z.B. mittels
eines Wattmeters, oder elektronisch nach einer der drei obengenannten Varianten
a, b und c erfolgen kann. Im elektromechanischen Wattmeter erfolgt die Mittelwertbildung
durch die Trägheit des Meßwerks. Bei den elektronischen Varianten a und b kann ein
Tiefpaß mit geeignet gewählter Grenzfrequenz zur Mittelwertbildung an den Multipliziererausgang
geschaltet werden; bei der Variante c kann die
Mittelwertbildung
in einer digitalen Rechenschaltung erfolgen.
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Die bisher bekannten Ausführungen elektrischer Leistungs-und Energieverbrauchsmeßgeräte
sind jedoch mit folgenden Nachteilen behaftet: Elektromechanische Leistungs- und
Energieverbrauchsmeßgeräte Wirbel stromzähler - zeigen nur Energieverbrauch an (nicht
Leistung), - können nur vom Fachmann angeschlossen werden, - erfordern eine bestimmte
Betriebslage, - sind relativ unhandlich und teuer, - sind nicht rücksetzbar in Nullstellung,
- unterliegen mechanischem Verschleiß und erfordern Wartung.
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Elektromechanische Wattmeter - zeigen nur Leistung an (nicht Energieverbrauch),
- können nur vom Fachmann angeschlossen werden, - erfordern stets Anpassung des
Meßbereichs an den Verbraucher.
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Elektronische Leistungs- und Energieverbrauchsmeßgeräte Geräte mit
Vierquadranten-Analogmultiplizierer - sind nur vom Fachmann anschließbar, - erfordern
Meßbereichsumschaltung, - sind elektronisch aufwendig und teuer, - erfordern hohen
Abgleichaufwand bei der Herstellung.
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Geräte mit Hallmultiplikation - existieren nicht in einer vom Nichtfachmann
handhabbaren Ausführung, - erfordern Anpassung des Meßbereichs an den Verbraucher,
- es gibt keine Ausführungen mit gleichzeitiger Leistungs-und Energieverbrauchsmeßmöglichkeit.
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Geräte mit digitaler Multiplikation - erfordern hochauflösende Analog/Digital-Wandler
für gute Genauigkeit, - erfordern Meßbereichsumschaltung, - sind nur vom Fachmann
handhabbar, - sind elektronisch aufwendig und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Meßgerät zu schaffen, mittels
dem die momentane Leistungsaufnahme und der Energieverbrauch eines an einen Stromkreis
angeschlossenen Verrauchers gleichzeitig meßbar sind und das äußerst einfach in
der Handhabung ist. Des weiteren soll das Meßgerät wirtschaftlich herzustellen sein
und keine Meßbereichsumschaltung erfordern, auch soll das Meßgerät eine handliche
Größe aufweisen und nach Anschluß an den Stromkreis des Verbrauchers sofort betriebsbereit
sein.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in den Stromkreis
des Verbrauchers ein einen Hallgenerator enthaltender, eine Ausgangsspannung als
Produkt aus Spannung und Strom erzeugender Meßwertaufnehmer einschaltbar ist, in
dem in Abhängigkeit von dem leistungsbestimmenden Strom ein magnetisches Induktionsfeld
erzeugbar ist, wobei der Steuerstrom des Hallgenerators der leistungsbestimmenden
Spannung entspricht, daß an dem Meßwertaufnehmer ein spannungsgesteuerter Oszillator
angeschlossen. ist, dem als Steuerspannung die Ausgangsspannung des Hallgenerators
zuführbar ist, und daß der Oszillator mit einer Recheneinheit zur Auswertung der
Ausgangsfrequenz verbunden ist.
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Wird ein Verbraucher gleichzeitig aus mehreren Stromquellen (Gleichstrom-
oder Wechselstromquellen oder einem n-phasigen Wechselstromsystem, mit n = 1,2,3...)
gespeist, ist pro Stromquelle ein Meßwertaufnehmer vorzusehen und die Ausgangsspannungen
der Hallgeneratoren sind in einer Summiereinrichtung aufzusummieren und das Summensignal
ist dem spannungsgesteuerten Oszillator zuzuführen.
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Zweckmäßig ist es ferner,dem spannungsgesteuerten Oszillator einen
Verstärker zuzuordnen und an den spannungsgesteuerten Oszillator einen Frequenzteiler
anzuschließen, der mit der Recheneinheit in Verbindung steht.
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Ein Teil der Recheneinheit ist in vorteilhafter Weise als elektronischer
löschbarer Impulszähler auszubilden, mittels dem die Schwingungszahl des spannungsgesteuerten
Oszillators aufsummierbar und dessen Zählerstand ein Maß für die verbrauchte Energie
ist.
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Des weiteren sollte ein Zähler in der Recheneinheit mittels einer
zugeordneten Rücksetzeinrichtung periodisch löschbar sein, wobei der Zählerstand
unmittelbar vor dem Löschvorgang ein Maß für die Leistungsaufnahme des Verbrauchers
ist.
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Angebracht ist es ferner, die Recheneinheit mit einer Anzeigeeinheit
zur Darstellung der jeweiligen Zählerstände zu versehen und als Recheneinheit einen
Mikroprozessor zu verwenden. Die Recheneinheit kann aber auch teilweise in Form
mechanischer Zähler ausgebildet werden.
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Des weiteren sollte die Recheneinheit mit einer bei Ausfall des zu
messenden Stromkreises selbsttätig zuschaltbaren unabhängigen Stromquelle, mit einer
Zeitschalteinrichtung und/oder einer elektrischen optischen oder akustischen, vorzugsweise
einstellbaren Signaleinrichtung ausgestattet sein.
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Zur Stromversorgung der elektrischen Funktionselemente sollten diese
vorzugsweise über eine zentrale Stromversorgungseinrichtung an den zu messenden
Stromkreis angeschlossen werden.
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Auch sollte eine durch die Recheneinheit betätigbare Einrichtung zur
Abschaltung des Verbrauchers vorhanden sein.
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Die elektrischen Funktionselemente des Meßgerätes sind zweckmäßigerweise
in einem Gehäuse einzusetzen, das mittels integrierter Steckverbindungen oder mittels
Steckverbindungen, die mit dem Gehäuse durch Leitungen verbunden sind, in den Meßkreis
einschaltbar ist.
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Das gemäß der Erfindung, ausgebildete Meßgerät ist nicht nur sehr
einfach in seinem Aufbau und wirtschaftlich zu fertigen, da dieses weitgehend aus
handelsüblichen Bauteilen zusammenzusetzen ist, sondern auch sehr einfach in der
Handhabung und ermöglicht vor allem eine gleichzeitige Messung der momentanen Leistungsaufnahme
und des Energieverbrauchs eines elektrischen Verbrauchers. In dem in den Stromkreis
des Verbrauchers eingeschalteten Meßwertaufnehmer wird nämlich mittels eines Hallgenerators
eine Ausgangsspannung erzeugt, die das Produkt aus der leistungsbestimmenden Spannung
und dem leistungsbestimmenden Strom, die dem Verbraucher zugeführt werden, darstellt.
Und diese Ausgangsspannung wird mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators derart
umgewandelt, daß mit Hilfe der an diesen angeschlossenen Recheneinheit der Energieverbrauch
und die Leistungsaufnahme des Verbrauchers erkennbar sind.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Meßgerät kann z.B..mittels eines
Netzkabels mit angeschlossenem Schukostecker in jeder Netz steckdose eingesteckt
werden und ist sofort betriebsbereit. Die Leistungs- und Energieverbrauchsmessung
des angeschlossenen Verbrauchers erfolgt elektronisch mit Hilfe eines Hallgenerators
als Multiplizierer. Durch geeignete analoge Aufbereitung der Multipliziersignaleund
des -ausgangssignals und durch dessen Umsetzung in Rechteckschwingungen im spannungsgesteuerten
Oszillator und anschließende digitale Verarbeitung mit Hilfe einer vorzugsweise
als Ein-Chip-Mikroprozessor ausgebildeten Recheneinheit wird erreicht, daß
jegliche
Meßbereichsumschaltungen entfallen können. Mittels einer an die Recheneinheit angeschlossenen
Digitalanzeige kann wahlweise die Leistungsaufnahme des angeschlossenen Vebrauchers
in Watt oder die verbrauchte Energie seit dem Anschluß an das Stromnetz bzw. nach
Drücken einer Rücksetztaste in kWh dargestellt werden.
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Bei äußerst einfacher Handhabung kann somit die Leistungsaufnahme
und der Energieverbrauch eines angeschlossenen elektrischen Verbrauchers gemessen
und kontrolliert werden.
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Typische Anwendungsfälle sind z.B. im Haushalt die Erfassung des Energieverbrauchs
eines Waschzyklusses der Waschmaschine oder der Spülmaschine oder die Kontrolle
des Energieverbrauchs von Kühl- oder Gefriergeräten in einem bestimmten Zeitraum.
Die Überprüfung älterer Geräte hinsichtlich des Energieverbrauchs ist besonders
ratsam, da dessen Kontrolle sowie die Messung der Leistungsaufnahme das Auffinden
von fehlerhaften Geräten, die einen erhöhten Energieverbrauch aufweisen, der unter
Umständen jahrelang unentdeckt bleibt, ermöglichen. Beispielsweise können Wärmeisolationsschäden
an Kühl- und Gefriergeräten auftreten. Auch Schäden an stark beanspruchten beweglichen
netz betriebenen Elektrogeräten, die eine erhöhte Fehlerrate zur Folge haben, z.B.
Wicklungsschäden an Handschleif- und -bohrmaschinen können mit Hilfe des vorschlagsgemäß
ausgebildeten Meßgerätes leicht ermittelt werden. Solche Schäden führen im allgemeinen
zu erhöhtem Energieverbrauch, so daß eine regelmäßige Kontrolle auch hier zur Energieeinsparung
beiträgt. Die Kontrolle des Energieverbrauchs kann auch als Basis für den energiekostenbewußten
Einsatz von nicht defekten elektrischen Geräten dienen. Beispielsweise kann man
durch eine solche Kontrolle feststellen, inwieweit durch Inkaufnahme einer etwas
höheren Innentemperatur die Energiekosten eines Kühlschrankes verringert werden
können.
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Bei einem sehr geringen Eigenverbrauch ermöglicht das gemäß der Erfindung
ausgebildete Meßgerät eine äußerst genaue Messung, ist, da nur ein Meßpunkt erforderlich,
einfach zu eichen und wirkt nicht auf den Verbraucher zurück. Des weiteren werden
durch eine Mittelwertbildung Störeinflüsse der Netzspannung auf die Meßwerte weitgehend
kompensiert.
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Und da keine Meßbereichsumschaltungen und keine sonstigen besonderen
Vorkehrungen zur Inbetriebnahme des Meßgerätes notwendig sind, ist dieses nahezu
von jedermann leicht zu verwenden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten
Meßgerätes zur Bestimmung der Leistung und des Energieverbrauches eines Verbrauchers
elektrischer Energie dargestellt und nachfolgend im einzelnen erläutert.
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Das mit 1 bezeichnete Meßgerät dient zur gleichzeitigen Messung der
momentanen Leistungsaufnahme und des Energieverbrauchs eines Verbrauchers 3 und
besteht im wesentlichen aus einem über Stromleitungen 31 und 32 an dessen Stromquelle
2 ansgeschlossenen Meßwertaufnehmers 11, einem spannungsgesteuerten Oszillator 14
und einer Recheneinheit 16 zur Auswertung der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten
Oszillators 14. Dem spannungsgesteuerten Oszillators 14 ist hierbei ein Verstärker
13 vorgeschaltet, ausserdem ist an diesen ein Frequenzteiler 15 angeschlossen. An
die Recheneinheit 16 ist des weiteren eine Anzeigeeinheit 17 angeschlossen.
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Werden, wie dies strichpunktiert eingezeichnet ist, bei Speisung des
Verbrauchers 3 an mehreren Gleich- oder Wechselstromquellen oder aus einem n-phasigen
Wechselstromsystem (n = 1,2,3...)zusätzliche weitere Meßwertaufnehmer 11' und 11'',
die über Stromleitungen 32' und 32'' mit den einzelnen Stromquellen 2' bzw. 2''
und über Stromleitungen 31' bzw. 31'' mit dem Verbraucher 3 verbunden sind,
vorgesehen,
so ist zwischen dem Verstärker 13 und den Meßwertaufnehmern 11, 11' und 11'' eine
Summierungseinrichtung 12 einzusetzen, die über Signalleitungen 33, 33' und 33''
mit den Meßwertaufnehmern 11, 11' und 11'' verbunden ist.
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Zur Stromversorgung der in einem Gehäuse 5 eingesetzten und über Signalleitungen
34, 35, 36, 37 und 38 aneinander angeschlossenen elektrischen Funktionselementen,
nämlich der Summierungseinrichtung 12, des Verstärkers 13, des spannungsgesteuerten
Oszillators 14, des Frequenzteilers 15 sowie der Recheneinheit 16 und der Anzeigeeinheit
17 ist eine Stromversorgungseinrichtung 51 vorgesehen, die über eine Stromleitung
52 mit der Stromquelle 2 und über Stromleitungen 53, 54, 55, 56, 57 und 58 mit diesen
in Verbindung steht.
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Des weiteren ist die Stromversorgungseinrichtung 51 über eine Leitung
59 mit einer der Recheneinheit 16 zugeordneten Signaleinrichtung 20, die mit dieser
über eine Signalleitung 42 in Verbindung steht, und über eine Leitung 60 mit einer
Zeitschalteinrichtung 19, die über Signalleitungen 40 und 41 an die Recheneinheit
16 angeschlossen ist, verbunden.
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Des weiteren ist die Recheneinheit 16 mit einer bei Ausfall des zu
messenden Stromkreises zuschaltbaren strichliniert eingezeichneten Stromquelle 21,
die über Stromleitungen 61 und 62 mit dieser und der Zeitschaltienrichtung 19 in
Verbindung steht, versehen. In die zu dem Verbraucher 3 führenden Stromleitungen
4, 4' und 4'' ist ferner eine Abschalteinrichtung 18 eingesetzt, die über eine Signalleitung
39 an die Recheneinheit 16 angeschlossen ist. Die Recheneinheit 16 ist ferner mit
zwei Tasten 22 und 23 für das Rücksetzen des Energieverbrauchszählers und das Auslösen
der Leistungsanzeige ausgestattet. Selbstverständlich ist die Abschalteinrichtung
18 ebenfalls innerhalb des
des Gehäuses 5 angeordnet, zum einfacheren
Verständnis aber vor diesem dargestellt.
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Durch den Anschluß des einen Hallgenerator enthaltenden Meßwertaufnehmers
11 über die Leitung 31 an den Verbraucher 3 und über die Leitung 32 an dessen Stromquelle
2 wird in diesem in Abhängigkeit von dem leistungsbestimmenden Strom ein magnetisches
Induktionsfeld erzeugt. Dieses Induktionsfeld hängt somit ab vom dem Strom, der
zum Verbraucher 3 fließt. Außerdem fließt durch den Strompfad des Hallgenerators
ein Strom, der phasengleich und proportional der Spannung ist, die den Verbraucherstrom
bestimmt.
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Der Meßwertaufnehmer 11 bildet somit als Ausgangssignal das Produkt
aus dem magnetischen Induktionsfeld, das hervorgerufen wird durch den Verbraucherstrom
und dem Steuerstrom.
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Die Ausgangsspannung des Meßwertaufnehmers 11 wird über die Signalleitung
34 dem Verstärker 13 zugeleitet und in diesem wird der Mittelwert der Spannung gebildet
und über die Signalleitung 35 dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 zugeführt.
Dieser setzt die Steuerspannung um in ein Ausgangssignal mit einer Frequenz, die
proportional der Eingangsspannung ist. Der dem spannungsgesteuerten Oszillator 14
sowie der Recheneinheit 16 zugeordnete Frequenzteiler 15 teilt hierbei mit einem
geeigneten wählbaren Teilerverhältnis die Frequenz soweit herunter, daß an dessen
Ausgang jeder Impuls den Verbrauch von z. B. 1/100 kWh darstellt.
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In der Recheneinheit 16 werden diese Impulse einem Zähler zugeführt,
dessen Stand in der Anzeige 17 wiedergegeben werden kann und ein Maß für die verbrauchte
Energie ist.
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Ferner können in der Recheneinheit 16 die Schwingungen als Ausgangssignal
des spannungsgesteuerten Oszillators 14 über eine definierte Zeit, z. B. 1 Sec.
gezählt werden, wobei
der Zählerstand von Null beginnend nach Ablauf
dieser Zeit der Leistungsaufnahme des Verbrauchers entspricht und in der Anzeige
17 wiedergegeben werden kann.
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Mittels der dem Rechenwerk 16 des weiteren zugeordneten Einrichtungen,
nämlich der Zeitschalteinrichtung 19, der Signaleinrichtung 20 sowie der netzunabhängigen
Stromquelle 21 ist dieses entsprechend der Funktion dieser Einrichtungen beeinflußbar.
Außerdem kann mit Hilfe der Abschalteinrichtung 18, die von der Recheneinheit 16
ausgelöst werden kann,. die Stromversorgung des Verbrauchers 3 unterbrochen werden.