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Meßeinrichtung
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für Wechselstromgrößen Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung
zur Bestimmung aller elektrischen Größen von Wechselstromverbrauchern oder -erzeugern.
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Elektrische Größen, die an Wechselstromverbrauchern oder -erzeugern
bestimmt werden können, sind Strom I, Spannung U, Wirkleistung P, Blindleistung
Q, Scheinleistunq S und der Leistungsfaktor cos#. Anhand des Vorzeichens der-Wirkleistung
P kann festgestellt werden, ob ein Verbraucher oder Erzeuger elektrischer Energie
vorliegt. Bei der Blindleistung Q kann kapazitive und induktive Blindleistung anhand
des Vorzeichens unterschieden werden. Im allgemeinen Fall ist -der Strom I gegenüber.-
der Spannung U phasenverschoben, so daß ein Wirk- und ein Blindstromanteil bestimmt
werden kann. Ferner sind bei der Überwachung von Verbrauchern oder Erzeugern elektrischer
Energie die bezüglich der Zeit aufintegrierten Werte von Wirkleistung.P, Blindleistung
Q und Scheinleistung S von Interesse, die die in einem bestimmten Zeitintervall
aufgenommenen bzw. abgegebenen Wirk- Blind- und Scheinenergiern darstellen.
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Zur Messung der genannten Größen ist eine Reihe von Meßverfahren und
-geräten bekannt - s. z.B. /1/. Nachteile bekannter Meßgeräte sind, daß sie in der
Mehrzahl nur eine' der genannten Größen zur Anzeige bringen können und daß Anschluß
an das Meßobjekt und Meßbereichswahl Fachkenntnis erfordern und daß nicht zuletzt
für Genauigkeit ein hoher Preis zu zahlen ist. Außerdem enthalten viele der bekannten
Meßge.räte
mechanisch bewegte Teile und sind lage- und erschütterungsempfindlich.
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In der deutschen Patentanmeldung P 32 43 258.5 wird ein Meßgerät zur
Bestimmung der Leistung und des Energieverbrauchs von Verbrauchern elektrischer
Energie beschrieben, das einen Meßwertaufnehmer mit Hallsensor enthält, wobei der
Hallsensor einem vom leistungsbestimmenden Strom erzeugten magnetischen Feld ausgesetzt
ist und der Steuerstrom zur leistungsbestimmenden Spannung proportional ist. Mit
Hilfe eines spannungsgesteuerten Oszillators wird dort eine Frequenz erzeugt, die
proportional zum Mittelwert der Hallsensor-Ausgangsspannung ist und somit ein Maß
für die Wirkleistung, die ein angeschlossener Verbraucher aufnimmt.
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Dieses Meßgerät erfaßt also Wirkleistung und kann auch die Wirkenergie
ermitteln, die in einem bestimmten Zeitraum von einem Verbraucher aufgenommen wird.
Alle anderen genannten Größen, die an Wechselstromverbrauchern oder -erzeugern auftreten,
können mit dem Meßgerät gemäß Patentanmeldung P 32 43 258.5 jedoch nicht ermittelt
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen,
mit der alle elektrischen Größen von Wechselstromverbrauchern oder -erzeugern in
einfacher Weise, auch -ohne weitgehende Fachkenntnisse, bestimmt werden können.
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Die Meßeinrichtung soll vollelektronisch arbeiten und keinerlei Meßbereichseinstellung
oder -umschaltung erfordern und sofort nach Anschluß an den Stromkreis des Verbrauchers
oder Erzeugers betriebsbereit sein. Ferner soll der Eigenverbrauch der Meßeinrichtung
gering sein und keine Beeinflussung des zu messenden Stromkreises erfolgen. Für
die Messung aller elektrischen Größen eines angeschlossenen Wechselstromverbrauchers
- oder erzeugers soll keine Änderung des Anschlusses nötig sein, d.h. alle Größen
können mit dem einmal erfolgten Anschluß bestimmt werden. Ferner soll die Meß'einrichtung
wirtschaftlich herzustellen sein. und eine handliche Größe aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erf-indungsgem'ß dadurch gelöst, daß an einen Hallsensor,
der einem dem Verbraucher- bzw. dem Erzeugorstrom entsprechenden magnetischen -
ndukt ions,ä1d ausgesetzt ist, abwechselnd zwei verschiedene Steuerströme geschaltet
werden, wovon der erste amplitudenproportional und phasengleich und der zweite amplitudenproportional
und um 90° phasenverschoben zur Verbraucher- bzw. brzeugerspannung ist, wobei der
Mittelwert der Hallsensor-Ausgangsspannung, der z.B. mit einem integrierenden Analog-/Digitalwandler
gebildet wird, dessen Integrationsdauer für die Halls-ensor-Ausgangsspannung ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Periodendauer des Wechselstromes ist, bei. Aufschaltung
des ersten Steuerstromes der Wirkleistung P und bei Aufschaltung des zweiten-Steuerstroms
der Blindleistung Q des Verbrauchers bzw. des Erzeugers entspricht. Das Aufschalten
der Steuerströme für den Hallsensor und die dazu passe-nde Steuerung des Analog-/Digitalwandlers
wird von einer Steuer- und Recheneinhclit veranlaßt, für die zweckmäßigerweise ein
Mikroprozessor infrage komm@. Die Sucuer-und Recheneinheit erhält ferner, beispielsweise
über einen zusätzlichen umschaltbaren Eingang des Analog-/Digitalwandlers, ein der
Verbraucher- bzw. Erzeugerspannung entsprechendes Signal. Außerdem ist in der Steuer-
und Recheneinheit vorteilhafterweise eine stabile Zeitreferenz enthalten, z.B. in
Form eines Quarzoszillators, mit deren Hilfe die zeitabhängigen Größen Wirk-, Blind-
und Scheinenergie gebildet werden. Die Zeitreferenz kann im weiteren noch zur Zählung
der Betriebszeit (Scheinleistung s> 0) angeschlossener Verbraucher- oder Erzeuger
sowie zur absoluten Zeitmessung dienen, wobei die bestimmten Zeiten jeweils anzeigbar
sind.
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Die Steuer- und Recheneinheit kann nunmehr mit den ihr bekannten Meßwerten
Wirkleistung P, Blindleistung Q und Spannung U und der Zeitreferenz alle folgenden
Größen bestimmen:
| GRUSSE |ZEICHEN EINHEIT BEMERKUNGEN |
| 0 Wi-rkleistung P Watt negativ bei Erzeugern |
| bar g Blindleistung Q var ; induktiv oder kapazitiv |
| messene |
| Größen Spannung U Volt z.B. Effektivwert |
| Scheinleistung S VA S-77Q2 |
| Leistungsfaktor cosf - cos= 1 |
| Strom I A 1 =#Z2+Q2ffetivwert |
| Wirkstrom in A IW = U negativ bei |
| Erzeugern |
| berech- |
| nete Blindstrom 1B A 1B = Q induktiv oder |
| kapazitiv |
| Phasenwinke-l T rad,Grad T = arctan(ftp) |
| T ES kWh F. negativ bei |
| Wirkenergie Ew kWh Ew = Pdt, Erzeugern |
| Blindenergie EB kVarh EB = }ddt |
| Scheinenergie ES kVAh Jo = {07Q2dt |
| außerdem als Betriebszeit, für |
| anzeigbar Meßzeit 1 s, min, h die 5> O ist oder als |
| Zeit seit somit Einschalten |
Die bestimmten Größen können zur Anzeige gebracht werden oder abhängig von ihren
Werten kann die Steuer- und Recheneinheit besondere Signaleinrichtungen oder Steuer-
bzw. Zu- und Abschalteinrichtungen an angeschlossenen Verbrauchern oder Erzeugern
betätigen.
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Die elektrischen Funktionselemente der Meßeinrichtung werden zweckmäßigerweise
in ein Gehäuse eingebaut, das mittels integrierter Steckverbindungen oder mit Steckverbindungen,
die mit dem Gehäuse über Leitungen verbunden sind, in den Meßkreis eingeschaltet
werden kann. Die Stromversogung der elektrischen Funktionselemente erfolgt vorzugsweise
über eine zentrale Stromversorgungseinrichtung, die an dem zu messenden Stromkreis
angeschlossen ist. Bei Ausfall des zu messenden Stromkreises sollte eine unabhängige
Stromquelle selbstätig zuschaltbar sein.
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Nach Verbindung mit dem Meßkreis ist die Meßeinrichtung betriebsbereit
und zeigt eine Meßgröße, z.B. die Wirkleistung P, an. Zum Aufruf der übrigen Größen
in die Anzeige ist es zweckmäßig, ein Tastenfeld mit z.B. 4 mal 4 Tasten, im Quadrat
angeordnet, zu verwenden. Über dieses Tastenfeld kann auch die Programmierung einer
Signaleinrichtung oder einer Steuer- bzw. Zu- oder Abschalteinrichtung für den angeschlossenen
Verbraucher oder Erzeuger erfolgen Die gemäß der Erfindung ausgebildete Meßeinrichtung
ist sehr einfach in ihrem Aufbau und daher wirtschaftlich zu fertigen, da weitgehend
handelsübliche Bauteile verwendet werden können. Auch die Handhabung der Meßeinrichtung
ist sehr einfach: Nach Einschalten in den Meßkreis können alle elektrischen Größen
angeschlossener Wechselstromverbraucher oder -erzeuger, beispielsweise durch Tastendruck,
abgerufen werden. Eine Meßbereichswahl oder -umschaltung kann aufgrund des gewählten
Meßverfahrens entfallen. Der Hallsensor im Meßwertaufnehmer wird nämlich einem dem
Verbraucher- bzw.
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dem Erzeugerstrom entsprechenden magnetischen Induktionsfeld ausgesetzt
und erhält abwechselnd zwei verschiedene Steuerströme, von denen der erste amplitudenproportional
und phasengleich und der zweite amplitudenproportional und um .900 phasenverschoben
zur Verbraucher- bzw. Erzeugerspannung ist. Der Mittelwert der Hallsensor-Ausgangsspannung
entspricht
bei Aufschaltung des ersten Steuerstroms der Wirkleistung
P und bei Aufschaltung des zweiten Steuerstromes der Blindleistung Q des angeschlossenen
Verbrauchers bzw.
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Erzeugers. Die Bildung dieser Mittelwerte erfolgt vorteilhaft in einem
integrierenden Analog-/Digitalwandler, dessen Integrationszeit für das Meßsignal
einem ganzzahligen Vielfachen der halben Periodendauer des Wechselstromes entspricht.
Die Mittelwertbildung erfolgt somit sehr schnell und genau. Bei mehrphasigen Meßobjekten
ist daher pro Phase ein Meßwertaufnehmer mit Hallsensor und Steuerstromumschaltung
vorzusehen, wobei die Mittelwertbildung aufgrund der Schnelligkeit mi.t nur einem
Analog-/Digitalwandler mit Eingangsumschalter erfolgen kann. Die in einem Meßzyklus
crhaltenen Werte der Wirk- und Blindleistung und der Spannung für'die einzelnen
Phasen müssen dann in der Steuer- und Recheneinheit weiterverarbeitet werden. Wenn
die Mittelwertbildung z.B. über eine ganze Periodendauer-des Wechselstromes erfolgt,
erhält man eine besonders gute Unterdrückung von Störeinflüssen und Unvollkommenheiten
des Hallsensors.
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Hierauf gründet sich wesentlich die hohe Genauigkeit der Meßeinrichtung
und ein großer Meßbereichsumfang. Die Bestimmung der Wirk- und Blindleistung ist
daher mit dem beschriebenen Verfahren weitaus genauer und aufwandsgünstiger in einem
großen Meßbereich durchzuführen als beispielsweise Strom-, Spannungs- und Phasenwinkelmessungen,
aus denen man die Leistungsgrößen dann berechnen könnte, wobei jedoch eine Ausmittelung
von Störeinflüssen nicht mehr gegeben wäre. Zudem wird bei bekannter Wirk- und Blindleistung
nur noch der Effektivwert der Verbraucher bzw.
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Erzeugerspannung und nicht deren Phase benötigt, um alle weiteren
elektrischen Größen in einfacher Weise zu bestimmen.
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Die beschriebene Meßeinrichtung kann zur Kontrolle, Prüfung und überwachung
angeschlossener Wechselstromverbraucher oder -erzeuger, bei äußerst einfacher Handhabung,
verwendet werden In Handwerk. und Industrie sind beispielsweise an
Motoren
die Größen wirkleistung P, Leistungstaktor cos# und Scheinleistung S von Interessc,
sowie die Werk- und Blindenergieaufnahme in einem bestimmten Zeitraum, insbesondere
bei selbsttätig ein- und ausschaltenden Geräten und Maschinen. In Blindleistungskompensationsanlagen
ist eine ständige Bestimmung der Blindleistung und Blindenergie von Interesse, um
das Zu- bzw. Abschalten geeigneter Blindlasten zur Kompensation zu veranlassen.
Die beschriebenc Meßeinrichtung ist auch zu Lehr- und Unterrichtszwecken, z.B. in
Schulen, Hochschulen, Labors und in der Lehrlingsausbildung in lIandwerk und Industrie
bestens geeignet.
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In der Zeichnung Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispel der erfindungsgemäß
ausgebildeten Meßeinrichtung zur Bestimmung aller elektrischen Größen von Wechselstromverbrauchern
dargestellt und wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
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Die in einem Gehäuse 42 eingebaute Meßeinrichtung dient zur Bestimmung
aller elektrischen Größen eines Wechselstromverbrauchers oder -erzeugers 12 (im
folgenden auch Meßobjekt genannt), der über die Stromleitungen 21 und 43 beispielsweise
mit einem Wechselstromversorgungsnetz 1 verbunden ist. Wesentliche Bestandteile
der Meßeinrichtung sind der über Leitung 22 mit 'dem Stromkreis des Meßobjektes
12 verbundenen Meßwertaufnehmer 2, der steuerbare Umschalter 3, der über.die Leitung
26 die Steuerströme des im Meßwertaufnehmer 2 enthaltenen Hallsensors liefert, die
Funktionsblöcke 4 und 5, denen über die Leitungen 23, 23' und 23" die am Meßobjekt
12 anliegende Spannung zugeführt wird und die daraus die geeigneten Steuerströme
für den Hallsensor im Meßwertaufnehmer 2 bilden und sie über die Leitungen 24 und
25 dem steuerbaren Umschalter 3 zuführen, der integrierende Analog-/Digitalwandler
6, der über die Signalleitung 27 die Hallsensor-Ausgangsspannung und über die Signalleitung
28 ein der Spannung am Meßobjekt 12 entsprechendes Signal, das im Funktionsblock
14 aus der über Leitung 23 zugeführten Spannung gewonnen wird, erhält, die Steuer-
und Recheneinheit
7, der über die Signalleitung 33 die digitalisierten
Meßwerte zugeführt werden und die über die Leitungen 30 und 32 den steuerbaren Umschalter
3 bzw. den Analog-/Digitalwandler 6 steuert, und die über die Leitungen 35 und 36
mit einer Anzeige- (8) bzw. Signaleinrichtung (9) verbunden ist und über Leitung
39 mit einer Eingabetastatur 10 in Verbindung steht.
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Des weiteren betätigt die Steuer- und Recheneinheit 7 über die Signalleitung
41 eine Steuer-, bzw. Zu- oder Abschalteinrichtung il für das Meßobjekt 12.
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Außerdem enthält die Meßeinrichtung eine zentrale Stromversorgung
13, die aus dem zu messenden Stromkreis über die Leitung 20 gespeist wird, und die
über die Versorgungsleitungen 31, 37, 38, 40 und 42 die Funktionsgruppen 6,8,9,7
und 3 mit elektrischer Energie versorgt.
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Durch den Anschluß des einen Hallsensor enthaltenden Meßwertaufnehmers
2 an den Stromkreis des Meßobjekts 12 über die Leitung 22 wird der Hallsensor einem
dem leistung bestimmenden Strom entsprechenden magnetischen Induktionsfeld ausgesetzt.
Außerdem werden an den Strompfad des Hallsensors mit dem steuerbaren Umschalter
3 abwechse.lnd zwei verschiedene Steuerströme geschaltet, von denen der erste amplitudenproportional
und phasengleich und der zweite amplitudenproportional und um 900 phasenverschoben
zu der leistungsbestimmenden Spannung ist. Auf diese Weise -entspricht der Mittelwert
der Hallsensor-Ausgangsspannung (Hallspangung) bei Aufschaltung des ersten Steuerstromes
der Wirkleistung P und bei Aufschaltung des zweiten Steuerstroms der Blindleistung
Q des Verbrauchers oder Erzeugers 12. Der integrierende Analog-/Digitalwandler mit
fester Integrationsdauer über ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wechselstromperiode
bildet diese Mittelwerte sehr schnell nacheinander und gibt sie jeweils passend
zu den entsprechenden Stellungen des steuerbaren Umschalters 3 in digitalisierter
Form über die Leitung 33 an die Steuer- und Recheneipheit 7, wo sie als Wirk- bzw.
Blindleistungsmeßwerte
registriert werden. Ein weiterer Eingang
des Analog-/Digitalwandlers 6 erhält ein der leistungsbestimmenden Spannung entsprechendes
Signal über die Signalleitung 28, das mit dem Funktionsblock 14 über die Leitung
23 aus dem Stromkreis des Meßobjektes 12 entnommen wird.
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Mit der Steuerleitung 30 veranlaßt die Steuer- und Recheneinheit 7
das Schalten des Umschalters 3 und über die Steuerleitung 32 wird dazu passend jeweils
ein Wandelvorgang des Analog-/Digitalwandlers 6 ausgelöst; ferner erfolgt über die
Leitung 32 die Auswahl des zu wandelnden Signals, so daß beispielsweise den Größen
Wirkleistung P, Blindleistung Q und Spannung U entsprechende Digitalwerte jeweils
in zyklischer Folge zur Steuer- und Recheneinheit 7 gelangen.
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Dort werden alle weiteren elektrischen Größen des angeschlossenen
Wechselstromverbrauchers oder -erzeugers (12) aus diesen drei Meßgrößen bestimmt
und auswählbar über die Tastatur 10 können alle elektrischen Größen in der Anzeige
8 angezeigt werden. Ferner sind über die Tastatur z.B.
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Grenzwerte vorgebbar, bei deren Erreichen oder Überschreiten die Signaleinrichtung
9 bestätigt wird und/oder die Steuer-bzw. Zu-oder Abschalteinrichtung 11 veranlaßt
wird, geeignet in den Stromkreis des Verbrauchers oder Erzeugers 12 einzugreifen.
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Literatur /1/ M. Stöckl, K.H. Winterling, Elektrische Meßtechnik,
B.G. Teubner Stuttgart, 5. Aufl. 1973 Deutsche Patentanmeldung P 3243258.5
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L e e r s e i t e