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Elektronischer Elektrizitätszähler für zwei Energie-
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richtungen Die Erfindung betrifft einen elektronischen Elektrizitätszähler
für zwei Energierichtungen mit einem Multiplizierer für Strom und Spannung, einem
nachgeschalteten Quantisierer mit getrennten Zähleinrichtungen für die beiden Energierichtungen
sowie einem Energierichtungsdiskriminator, wobei für beide Energierichtungen unterschiedliche
maximale Ströme festgelegt sind.
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Ein derartiger elektronischer Elektrizitätszähler ist beispielsweise
aus der Zeitschrift "Technisches Messen atm 1978, Heft 11, Seite 407 bis 411" bekannt.
Elektronische Elektrizitätszähler der dort beschriebenen Art weisen eine hohe Genauigkeit
auf, jedoch nur bis herab zu einem Mindeststrom von z.B. 1%. Unterhalb dieses Mindeststroms
steigen die Fehler z.B. aufgrund von Offsetspannungen der im elektronischen Zähler
verwendeten Operationsverstärker stark an.
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Bei Zählern für zwei Energierichtungen sind häufig die in beiden Richtungen
auftretenden maximalen Ströme stark unterschiedlich. Bei Kernkraftwerken wird beispielsweise
im Normalbetrieb in einer Richtung eine hohe Leistung abgegeben. Im Störungsfall
nimmt das Kernkraftwerk aus dem Netz die für den Eigenbedarf benötigte Leistung
auf, die nur einen kleinen Bruchteil der abgegebenen Leistung ausmacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektronischen Elektrizitätszähler
der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß auch bei stark unterschiedlichen
maximalen Strömen in beiden Energierichtungen eine genaue Messung erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Stromeingang
des Multiplizierers ein umschaltbarer Eingangssignalteiler vorgeschaltet ist, der
vom Energierichtungsdiskriminator angesteuert wird, wobei das Eingangssignal des
Stromeingangs des Multiplizierers in der Energierichtung, in der ein kleinerer maximaler
Strom festgelegt ist, vergrößert wird.
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Durch die Vergrößerung des Eingangssignals am Stromeingang des Multiplizierers
wird eine entsprechende Verringerung des beispielsweise durch Offsetspannungen verursachten
Fehlers erreicht. Die Umschaltung des Eingangssignalteilers erfolgt auf einfache
Weise durch den Energierichtungsdiskriminator, der zur Umschaltung der Zähleinrichtungen
ohnehin vorhanden sein muß. Die Vergrösserung des Eingangssignal in einer Energierichtung
muß bei der Anzeige der zugeordneten Zähleinrichtung natürlich berücksichtigt werden,
was besonders einfach ist, wenn beispielsweise eine Vergrößerung um den Faktor 10
erfolgt. In diesem Fall ist lediglich eine entsprechende Kommaverschiebung in der
dezimalen Ziffernanzeige erforderlich.
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Bei einem elektronischen Elektrizitätszähler mit einem dem Stromeingang
des Multiplizierers vorgeschalteten Stromwandler kann zur Bildung des Eingangssignalteilers
die Sekundärwicklung des Stromwandlers eine Anzapfung aufweisen und es können zwei
steuerbare Schalter vorgesehen sein, die einerseits an ein Ende bzw. an die An-
zapfung
der Sekundärwicklung und andererseits an einen Bürdenwiderstand und an den Stromeingang
des Multiplizierers angeschlossen sind. Bei dieser Anordnung geht eine Widerstandsänderung
der Schalter nicht in das Meßergebnis ein, da der Bürdenwiderstand des Stromwandlers
direkt an den Stromeingang des Multiplizierers angeschlossen ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht der Eingangssignalteiler
aus zwei Bürdenwiderständen, die über je einen steuerbaren Schalter mit der Sekundärwicklung
des Stromwandlers verbunden sind, wobei die Verbindungspunkte von steuerbaren Schaltern
und Bürdenwiderständen über je einen weiteren steuerbaren Schalter mit dem Stromeingang
des Multiplizierers verbunden sind.
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Auch in diesem Fall geht der Innenwiderstand der Schalter nicht in
das Meßergebnis ein, da er keinen für das Meßergebnis relevanten Spannungsabfall
verursacht. Es sind zwar vier steuerbare Schalter erforderlich, dafür jedoch keine
Anzapfung des Stromwandlers.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Eingangs-Signal teil er
aus zwei Bürdenwiderständen bestehen-, von denen einer über einen steuerbaren Schalter
und einer direkt mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers verbunden ist, wobei
je ein Anschluß der Bürdenwiderständ über je einen steuerbaren Schalter mit dem
Stromeingang des Multiplizierers verbunden ist. Hierbei kann mit drei Schaltern
auf zwei Bürdenwiderständen umgeschaltet werden. Dabei beeiflußt allerdings der
in Reihe zu einem Bürdenwiderstand liegende Schalter die Stromaufteilung zwischen
den Bürdenwiderständen. Änderungen des Innenwiderstandes dieses Schalters führen
daher auch zu einer Verfälschung des Meßergebnisses, allerdings nur in geringem
Umfang.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht der Eingangs-Signalteiler
aus zwei Bürdenwiderständen, von denen einer über einen steuerbaren Schalter und
der andere direkt mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers verbunden ist, wobei
der Stromeingang des Multiplizierers direkt mit einem Ende der Sekundärwicklung
verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist nur ein einziger Schalter zur Umschaltung
erforderlich. Der Innenwiderstand dieses Schalters beeinflußt aber den Spannungsabfall
an der Parallelschaltung beider Bürdenwiderstände, so daß Änderungen des Innenwiderstands
zu Meßfehlern führen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Eingangs-Signalteiler
aus zwei Bürdenwiderständen, die in Reihenschaltung an die Sekundärwicklung des
Stromwandlers angeschlossen sind, wobei einem der Bürdenwiderstände ein steuerbarer
Schalter parallel geschaltet ist und der Stromeingang des Multiplizierers mit einem
Ende der Sekundärwicklung verbunden ist. Auch in diesem Fall beeinflußt der Innenwiderstand
des Schalters den Spannungsabfall an einem Bürdenwiderstand und verursacht somit
bei Änderungen Meßfehler.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
1 bis 6 näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Elektrizitätszähler
für zwei Energierichtungen. Der Meßstrom wird dem Elektrizitätszähler über einen
Stomwandler 7 zugeführt, der die zur Verfügung stehenden Meßströme auf für die Elektronik
geeignete Ströme herabsetzt. Der Stromwandler kann zur Erzielung einer guten Linearität
beispielsweise elektronisch fehlerkompensiert sein, wie dies in der bereits genannten
Literaturstelle "Technisches Messen atm 1978, Heft 11 auf Seite 408 beschrieben
ist. Die Sekundärwicklung 7b des Stom-
wandlers 7 ist über einen
noch zu erläuternden Eingangssignal teil er 8 mit dem Stromeingang eines Multiplizierers
1 verbunden. Am Spannungseingang des Multiplizierers 1 steht die Meßspannung an,
deren Größe ebenfalls an die Elektronik entsprechend angepaßt ist. Dem Multiplizierer
1 ist ein Quantisierer 2 nachgeschaltet, der im wesentlichen aus einem Integrator
2a und einem Komparator 2b besteht. Mit diesem Quantisierer 2 wird die leistungsproportionale
Ausgangsspannung des Multiplizierers 1 in eine proportionale Frequenz umgewandelt.
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Dem Quantisierer 2 sind zwei getrennte Zähleinrichtungen 4, 5 nachgeschaltet,
die in Abhängigkeit von der momentanen Energierichtung über den Umschalter 3 zugeschaltet
werden. Zur Ansteuerung des Umschalters 3 ist ein Energierichtungsdiskriminator
6 vorgesehen, der sein Eingangssignal aus dem Integrator 2a bezieht.
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Soweit bisher beschrieben, ist die Schaltung aus der bereits genannten
Literaturstelle "Technisches Messen atm 1978; Heft 11, Seiten 407 bis 411" bekannt
und näher erläutert.
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Im Unterschied zur bekannten Einrichtung ist gemäß der Erfindung der
Eingangssignalteile 8 umschaltbar und wird von dem Energierichtungsdiskriminator
6 angesteuert.
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Dabei wird in der Energierichtung, in der der maximal auftretende
Strom kleiner ist, das Eingangssignal des Stromeingangs des Multiplizierers 1 vergrößert.
Damit wirken sich Fehler des Multiplizierers 1 und des Quantisierers 2, die insbesondere
durch Offsetspannungen der verwendeten Operationsverstärker hervorgerufen werden,
entsprechend weniger aus. Diese Umschaltung des Eingangssignalteilers muß bei der
entsprechenden Zähleinrichtung 4 bzw. 5 entsprechend berücksichtigt werden, z.B.
durch Hinweis auf einen Multiplikationsfaktor auf
der Anzeigetafel.
Besonders einfach ist diese Berücksichtigung bei einem Multiplikationsfaktor von
z.B. 10 möglich, da dann einfach das Komma an der Anzeigeeinrichtung verschoben
werden kann.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele für den Eingassignalteiler sind
in den Figuren 2 bis 6 dargestellt.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 weist die Sekundärwicklung 7b des Stromwandlers
7 eine Anzapfung 7c auf. Ein Ende der Sekundärwicklung 7b und die Anzapfung 7c sind
über je einen Schalter 8e bzw. 8f mit einem Bürdenwiderstand 8a und dem Stromeingang
des Multiplizierers 1 verbunden. Der zweite Anschluß des Bürdenwiderstands 8a ist
mit dem zweiten Ende der Sekundärwicklung 7b verbunden. Bei dieser Anordnung wird
der Schalter 8e geöffnet und der Schalter 8f geschlosen, sobald der Energierichtungsdiskriminator
6 die Energierichtung erkennt, in der der kleinere Maximalstrom auftritt.
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Damit wird der Sekundärstrom des Stromwandlers 7 und damit auch der
Spannungsabfall am Bürdenwiderstand 8a bei gleichem Primärstrom erhöht. Der Widerstand
der elektronischen Schalter 8e und 8f beeinflußt den Spannungsabfall am Bürdenwiderstand
8a praktisch nicht, insbesondere wenn der Stromwandler 7 elektronisch fehlerkompensiert
ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind zwei Bürdenwiderstände 8a und 8b
über je einen Schalter 8g bzw. 8h an die Sekundärwicklung 7b angeschlossen. Der
Verbindungspunkt von Bürdenwiderstand 8a und Schalter 8g bzw. Bürdenwiderstand 8b
und Schalter 8h ist jeweils über einen Schalter 8k bzw. 8i mit dem Stromeingang
des Multiplizierers 1 verbunden. Bei dieser Anordnung wird ein Bürdenwiderstand
8a oder 8b eingeschaltet, indem die beiden mit ihm verbundenen Schalter 8g, 8k bzw
8h, 8i eingeschaltet werden. Dabei wird der Bürdenwiderstand mit dem größeren Widerstandswert
für die Energierichtung
mit dem kleineren Maximalstrom eingeschaltet.
Der Widerstand der Schalter 8g bis 8k beeinflußt auch bei der Schaltung nach Fig.
3 den Spannungsabfall an den Bürdenwiderständen 8a bzw. 8b nicht und geht somit
nicht in das Meßergebnis ein.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein Bürdenwiderstand 8a direkt
und ein zweiter Bürdenwiderstand 8b über einen Schalter 8h mit der Sekundärwicklung
7b verbunden.
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Die Bürdenwiderstände 8a und 8b sind über je einen Schalter 8k bzw.
8i mit dem Stromeingang des Multiplizierers 1 verbunden. Wenn die beiden Schalter
8i und 8h geschlossen sind, so ist die Parallelschaltung der beiden Bürdenwiderstände
8a und 8b wirksam. Bei der Energierichtung mit dem kleineren Maximalstrom werden
die Schalter 8i und 8h geöffnet und der Schalter 8k geschlossen. Damit ist dann
nur noch der Bürdenwiderstand 8awirksam, so daß der Spannungsabfall für den Multiplizierer
vergrößert wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 geht allerdings der Widerstand
des Schalters 8h mit in das Meßergebnis ein, da er den Spannungsabfall bei Parallelschaltung
beider Bürdenwiderstände 8a und 8b beeinflußt. Ein nicht vernachlässigbarer Meßfehler
ergibt sich dann, wenn man für den Schalter 8h einen elektronischen Schalter mit
relativ hohem Widerstand R8h, der außerdem großen Toleranzen unterworfen ist, einsetzt.
Wenn man beispielsweise folgende Widerstandswerte annimmt: R8a = 10 k# R8b = 1 kit
R8h = 50# # 20% So ergibt eine einfache Berechnung des Spannungsabfalls einen durch
die Widerstandstoleranz des Schalters 8h verursachten Meßfehler von # 0,1%.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist wieder ein Bürdenwiderstand
8a direkt und ein zweiter Bürdenwider-
stand 8b über einen Schalter
8h mit der Sekundärwicklung 7b verbunden. In diesem Fall ist aber die Sekundärwicklung
7b direkt mit dem Stromeingang des Multiplizierers 1 verbunden. Durch Einschalten
des Schalters 8h wird hier ebenfalls eine Parallelschaltung beider Bürdenwiderstände
8a und 8b und damit eine Verkleinerung des Spannungsabfalls erzielt. Bei dieser
Schaltung kommt man zwar mit einem Schalter 8h aus, dafür ist aber der durch die
Widerstandstoleranz dieses Schalters verursachte Meßfehler größer. Bei der obengenannten
Dimensionierung ergibt sich ein Meßfehler von + 0,86%.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist an die Sekundärwicklung
7b die Reihenschaltung zweier Bürdenwiderstände 8a und 8b angeschlossen, wobei dem
Bürdenwiderstand 8b ein Schalter 81 parallel geschaltet ist. Der Stromeingang des
Multiplizierers 1 ist direkt an die Sekundärwicklung 7b angeschlossen. Dabei wird
zur Erhöhung des Spannngsabfalls in der Energierichtung mit kleinen Lastströmen
der Schalter 81 geöffnet. Der mit dem Schalter 81 maximal verursachte Lastfehler
beträgt -wiederum unter Zugrundelegung der oben angegebenen Dimensionierung - +
o,95%.
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Zusammenfassend ist also festzustellen, daß es mit den angegebenen
Schaltungen gelingt, auf einfache Weise den Meßfehler eines elektronischen Zählers
auch bei kleinen Strömen zu verringern. Wenn man entweder eine Mittelanzapfung der
Sekundärwicklung 7c und zwei Schalter 8e, 8f vorsieht, oder eine nichtangezapfte
Sekundärwicklung und vier Schalter 8g bis 8k, so wird mit der Anordnung praktisch
kein Meßfehler verursacht. Man kann auch mit weniger Schaltern auskommen, muß dann
aber einen
größeren Meßfehler in Kauf nehmen, der vom Innenwiderstand
der Schalter und von deren Toleranz abhängig ist. Ein nicht mehr vernachlässigbarer
Meßfehler kann sich dabei ergeben, wenn man elektronische Schalter einsetzt.
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Die Anordnung ist in den Ausführungsbeispielen einphasig dargestellt.
Selbstverständlich kann man auch einen Drehstromzähler entsprechend aufbauen, indem
man den gesamten Eingangskreis einschließlich des Multiplizierers 1 dreifach vorsieht.
Der Integrator 2a dient dann gleichzeitig als Summierer für die drei Phasen.
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6 Patentansprüche 6 Figuren