DE3345534C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Vektormesser zum Bestimmen des Real- und Imaginärteils einer elektrischen Meßgröße im Vergleich zu einer Bezugsgröße nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der DE-AS 27 46 912 ist ein Vektormesser zur Fehlerbestimmung an Strom- und Spannungswandlern beschrieben. Bei dieser nach dem Differenzverfahren arbeitenden Meßeinrichtung wird die komplexe Meßspannung von einem Differenzstromwandler und die Bezugsspannung von einem Referenzstromwandler in der Eingangsschaltung erzeugt. Die Divisionsschaltung ist dem Meßwertumformer vorgeschaltet und erzeugt mittels eines Zwei-Quadranten-Dividierers den Quotienten aus Meß- und Bezugsspannung, welcher als analoge Meßgröße jeweils den Eingängen von zwei Abtast-/Halte-Verstärkern zugeführt wird.

Zur Erzeugung der Rechtecksignale dient bei dem bekannten Vektormesser vorzugsweise ein phasenstarrer PLL-Regelkreis (Phase Locked Loop). Diese gegenüber der Bezugsspannung um Phasenwinkel von 0° und 90° verschobenen Rechtecksignale steuern jeweils einen der Abtast-/Halte-Verstärker derart, daß die Augenblickswerte der Meßspannung zum Zeitpunkt des Scheitelwerts und des Nulldurchgangs der Bezugsspannung gespeichert und als Real- und Imaginärteil der Meßspannung von jeweils einem digitalen Spannungsmesser angezeigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einleitend beschriebenen Vektormesser so weiterzubilden, daß bei Verwendung kostengünstiger Bauteile ein kleiner Meßfehler ohne großen Aufwand erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Vektormesser wird die Meßspannung ohne vorherige Division einem Abtast-/Halte-Verstärker zugeführt, dessen Ausgang mit den Eingängen zweier weiterer Abtast-/Halte-Verstärker verbunden ist. Sämtliche Abtast-/Halte-Verstärker werden von Rechteckspannungen gesteuert, die von der Bezugsspannung abgeleitet sind und gegenüber dieser definierte Phasenwinkel aufweisen. Hierbei werden die Augenblickswerte der Meßspannung zur Zeit des positiven Nulldurchgangs und des positiven Scheitelwerts der Bezugsspannung nacheinander im ersten Abtast-/Halte-Verstärker gespeichert und nach einer durch den Phasenwinkel gegebenen Verzögerung von einem der beiden weiteren Abtast-/Halte-Verstärker übernommen. Die gespeicherten Real- und Imaginärteile der Meßspannung werden einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt, dessen Ausgang mit je einem UND-Gatter verbunden ist, welches außerdem von einer zur Bezugsspannung proportionalen Frequenzfolge angesteuert wird. Nach der auf diese Weise durchgeführten digitalen Division der Meßspannung durch die Bezugsspannung werden die Ausgangsfrequenzen der Und-Gatter von den beiden Impulszählern als Real- und Imaginärteil der Meßgröße angezeigt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann gegenüber der bekannten Anordnung auf einen analogen Dividierer verzichtet werden. Folglich kann der durch die Betriebseigenschaften von Analogbauelementen bedingte Meßfehler erheblich verringert werden. Die Kosten für die zusätzlichen Digitalbausteine sind geringer als die des analogen Dividierers, so daß der erfindungsgemäße Vektormesser mit kleinerem Meßfehler kostengünstiger hergstellt werden kann.

Ein geringer Meßfehler wird auch dadurch ermöglicht, daß zur Erzeugung der unipolaren Signale für die Spannungs-Frequenz-Umsetzer keine Präzisionsgleichrichter auf der Wechselspannungsseite eingesetzt werden, sondern einfache Verstärker auf der Gleichspannungsseite vorgesehen sind, welche die Ausgangssignale der Abtast-/Halte-Verstärker gegebenenfalls invertieren. Die bei Gleichrichtern im Nulldurchgang der Spannung auftretenden Probleme werden somit vermieden.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, daß der Analog-Digital-Umsetzer als Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem vorgeschalteten invertierbaren Verstärker ausgebildet ist, welcher in Abhängigkeit von den Vorzeichen des Realteils und des Imaginärteils der Meßspannung durch Schaltsignale umschaltbar ist. Durch diese Ansteuerung des vorgeschalteten Verstärkers werden die Eingangssignale gegebenenfalls invertiert, so daß der Spannungs-Frequenz-Umsetzer ausschließlich unipolare Eingangssignale erhält.

Es ist aber auch möglich, den Analog-Digital-Umsetzer als bipolaren Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Eingangssignalumschalter auszubilden, welcher in Abhängigkeit von den Vorzeichen des Real- und des Imaginärteils der Meßspannung durch Schaltsignale umschaltbar ist. Hierbei wird die Meßspannung je nach Polarität auf einen der Eingänge des Spannungs-Frequenz-Umsetzers umgeschaltet. Diese Anordnung ist gegenüber der vorgenannten Lösung mit invertierbaren Verstärkern einfacher und kostengünstiger herstellbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vektormessers werden die Schaltsignale in zwei Flip-Flops erzeugt, deren Dateneingängen eine von der Meßspannung abgeleitete und gegen diese Spannung um 0° phasenverschobene rechteckförmige Spannung und deren Takteingängen die von der Bezugsspannung abgeleiteten 0°- und 90°-Rechtecksignale zugeführt werden. Zur Erzeugung der den Dateneingängen zugeführten Rechteckspannung dient eine Amplitudenbegrenzerschaltung.

Weiterhin ist es zweckmäßig, den Anzeigeeinheiten der Impulszähler die Schaltsignale für die Vorzeichen der Meßspannung zuzuführen. Somit dienen die Schaltsignale einerseits zur Ansteuerung der Verstärker oder des Eingangssignalumschalters und andererseits zur Anzeige der Vorzeichen von Real- und Imaginärteil der Meßspannung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist vorteilhafterweise durch eine mit vier lichtemittierenden Dioden versehene Quadrantenanzeige gekennzeichnet, welcher die Schaltsignale zur Darstellung der Meßgröße in der komplexen Ebene zugeführt werden. Hierbei ist jeder Quadrant der komplexen Ebene durch eine Leuchtdiode dargestellt. Auf diese Weise kann die Vektorlage der Meßgröße unmittelbar abgelesen und beurteilt werden.

Günstig ist es auch, wenn eine dem Effektivwert der Bezugsgröße entsprechende Gleichspannung von einer digitalen Anzeigeeinrichtung als Prozentwert des Meßbereichsendwertes der Bezugsgröße angezeigt wird. Auf diese Weise kann die Forderung nach dem Umschalten in den nächsten Meßbereich sofort erkannt werden, so daß fehlerhafte Messungen verhindert werden.

Es empfiehlt sich, dem Meßumformer an den Eingängen für die Meßspannung und die Bezugsspannung jeweils ein Oberschwingungsfilter vorzuschalten. Auch durch diese Maßnahme werden ungenaue Messungen infolge Oberschwingungen in der Meßspannung oder in der Bezugsspannung vermieden.

Vorteilhaft ist es schließlich auch, wenn dem Meßumformer an den Eingängen für die Meßspannung und die Bezugsspannung jeweils ein von der Bezugsgröße gesteuerter Verstärker vorgeschaltet ist. Hierdurch ergibt sich eine automatische Meßbereichsumschaltung und damit eine erhöhte Betriebssicherheit.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels nachstehend näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Vektormessers.

Der in der Zeichnung dargestellte Vektormesser dient zur Bestimmung des Real- und des Imaginärteils sinusförmiger Wechselspannungen oder Wechselstromstärken im Frequenzbereich von vorzugsweise 15 Hz bis 400 Hz. Die Eingangsschaltung zur Aufnahme der Meßgröße besteht im wesentlichen aus einem elektronisch-fehlerkompensierten Stromwandler 18, durch den eine Eingangsspannung oder ein Eingangsstrom in eine zur Weiterverarbeitung geeignete Spannung umgewandelt wird. Diese Spannung wird einem umschaltbaren Verstärker 19 und einem Oberschwingungsfilter 16 zugeführt, so daß sich eine Meßspannung _X am Eingang eines Meßwertumformers ergibt.

In gleicher Weise ist die Eingangsschaltung für die Bezugsgröße Ñ aufgebaut. Die Bezuggröße Ñ wird über einen elektronisch-fehlerkompensierten Stromwandler 20, einen nachgeschalteten Verstärker 21 sowie einen weiteren Oberschwingungsfilter 17 in eine Bezugsspannung _N umgewandelt. Von der Bezugsspannung _N werden mittels eines phasenstarren Regelkreises 23 (Phase Locked Loop), dem ein Amplitudenbegrenzer 24 vorgeschaltet ist, Rechtecksignale abgeleitet, deren Phasenlage gegenüber der Bezugsspannung _N um Phasenwinkel von 0°, 0° +α, 90° und 90° + α verschoben sind. Diese Rechteckspannungen dienen zur Ansteuerung einer mit den Abtast-/Halte-Verstärkern 8, 9 und 10 versehenen Schaltung.

Mit dem Ausgang des Oberschwingungsfilters 17 sind ein phasengesteuerter Gleichrichter 25, ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer 3 mit einer Konstante 10,24 kHz/V sowie eine Teilerschaltung 26 mit einem Teilungswert 1024 in Reihe geschaltet.

Am Ausgang des Stromwandlers 20 ist weiterhin die Reihenschaltung eines Effektivwertgleichrichters 27, eines umschaltbaren Verstärkers 28 mit den Verstärkungsfaktoren x1 und x10, eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers 15 und einer digitalen Anzeigeeinrichtung 14 angeschlossen. Die zur Bezugsgröße Ñ proportionale Gleichspannung _N′ am Ausgang des Effektivwertgleichrichters 27 wird einerseits von der Anzeigeeinrichtung 14 digital angezeigt und dient andererseits zur Ansteuerung und automatischen Umschaltung der Verstärker 19 und 21 auf die Verstärkungsfaktoren x1, x4, x16 und x64.

Der am Ausgang des Oberschwingungsfilters 16 angeschlossene Meßwertumformer besteht im wesentlichen aus einem Abtast-/Halte-Verstärker 8, dessen Ausgang in einen Zweig für den Realteil und in einen weiteren Zweig für den Imaginärteil der Meßspannung _X aufgegliedert ist. Der Zweig für den Realteil umfaßt die Reihenschaltung eines weiteren Abtast-/Halte-Verstärkers 9, eines invertierbaren Verstärkers 11 und eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 mit der Konstanten 10 Hz/V. Der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 ist mit dem Eingang eines Und-Gatters 4 verbunden, an dessen zweitem Eingang der Ausgang der Teilerschaltung 26 angeschlossen ist. Der Ausgang des Und-Gatters 4 ist zu einem Impulszähler 6 geführt.

Der Zweig für den Imaginärteil ist in gleicher Weise ausgeführt und besteht aus einem Abtast-/Halte-Verstärker 10, einem invertierbaren Verstärker 12 sowie einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 (10 kHz/V), welcher mit einem weiteren Und-Gatter 5 verbunden ist, dessen zweiter Eingang ebenfalls mit der Teilerschaltung 26 in Verbindung steht. Der Zweig für den Imaginärteil endet in einem Impulszähler 7.

Zur Steuerung der Komponenten des Meßwertumformers sind zwei Flip-Flops 29 vorgesehen, deren Dateneingänge über einen Amplitudenbegrenzer 30 mit dem Ausgang des Oberschwingungsfilters 16 und deren Takteingänge mit den Ausgängen für die 0°- und 90°-Signale des Regelkreises 23 verbunden sind. Die von den Flip-Flops 29 erzeugten Schaltsignale ± Re, ± Im werden den Verstärkern 11, 12 sowie den Impulszählern 6, 7 zugeführt. Zur Steuerung des Meßwertumformers werden außerdem die 0°- und 90°-Rechtecksignale zum Abtast-/Halte-Verstärker 8 und die (0° + α)- und (90° + α)-Rechtecksignale des Regelkreises 23 zu den Abtast-/Halte-Verstärkern 10 bzw. 9 geführt.

Weiterhin ist der Vektormesser mit einer Quadrantenanzeige 13 ausgerüstet, welche zur optischen Lageanzeige von _X zu _N mit jeweils einer von den Schaltsignalen ± Re, ± Im angesteuerten Matrix aus vier Und-Gattern und vier Leuchtdioden versehen ist.

Zur Anzeige der Vorzeichen des Real- und des Imaginärteils der durch die Bezugsgröße Ñ dividierten Meßgröße werden die Schaltsignale ± Re zum Impulszähler 6 und die Schaltsignale ± Im zum Impulszähler 7 geführt.

Bei dem erfindungsgemäßen Vektormesser können die Meßgröße und die Bezugsgröße Ñ als Spannungen zwischen 0,1 V und 1000 V oder als Ströme mit Stromstärken zwischen 1 mA und 10 A den jeweiligen Eingangsschaltungen zugeführt werden. Aus diesen Eingangsgrößen wird die an den Ausgängen der Oberschwingungsfilter 16 und 17 abgreifbare Meßspannung _X bzw. Bezugsspannung _N erzeugt. Die Amplituden dieser Wechselspannungen erhalten durch die automatisch umschaltbaren Verstärker 19 bzw. 21 einen für die Weiterverarbeitung geeigneten Wert.

Zur Darstellung des Realteils Re /Ñ im oberen Zweig des Meßwertumformers gemäß der Zeichnung wird der Momentanwert der Meßspannung _X durch den Abtast-/Halte-Verstärker 8 zum Zeitpunkt des positiven Scheitelwerts der Bezugsspannung _N gespeichert. Dieser Augenblick entspricht dem vom Regelkreis 23 gelieferten Phasenwinkel von 90°. Nach einer Phasenverschiebung wird dieser Momentanwert vom Abtast-/Halte-Verstärker 9 gespeichert und steht dort als Gleichspannung _Re für die Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Die Ermittlung des Imaginärteils Im /Ñ erfolgt im unteren Zweig des Meßwertumformers gemäß der Zeichnung. Der vom Abtast-/Halte-Verstärker 8 gespeicherte Momentanwert der Meßspannung _X zum Zeitpunkt des positiven Nulldurchgangs der Bezugsspannung _N, also beim Phasenwinkel 0°, wird ebenfalls nach einer Phasenverschiebung α vom Abtast-/Halte-Verstärker 10 als Gleichspannung _Im übernommen. In dem gewählten Beispiel beträgt der Winkel 1/16 der Periodendauer der Bezugsspannung _N. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Abtast-/Halte-Verstärker 9 und 10 bei ausreichender Zeit für den Speichervorgang im Abtast-/Halte-Verstärker 8 die vorgenannten Momentanwerte nacheinander übernehmen können.

Während dem Abtast-/Halte-Verstärker 8 nur eine vergleichsweise kurze Abtast- bzw. Speicherzeit zur Verfügung steht, sind die Gleichspannungen _Re und _Im längere Zeit unveränderlich, so daß diese von den nachgeschalteten Bauelementen sicher weiterverarbeitet werden könnnen. Bei negativer Polarität der Gleichspannung _Re oder _Im wird die Spannung von den Verstärkern 11 bzw. 12 invertiert, so daß an den Eingängen der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 1 und 2 nur positive Signale anliegen. Durch die Spannungs-Frequenz-Umsetzer 1 und 2 werden den Gleichspannungen _Re und _Im proportionale Folgefrequenzen f_Re und f_Im erzeugt, welche zu den Eingängen der Und-Gatter 4 bzw. 5 geführt werden. Dem jeweils zweiten Eingang der Und-Gatter 4 und 5 wird die Frequenzfolge f_N′ zugeführt, welche von der Bezugsspannung _N mittels Gleichrichtung und Spannungs-Frequenz-Umformung in bekannter Weise abgeleitet wird. Auf diese Weise findet eine digitale Division des Re bzw. Im durch Ñ statt. Eine geeignete Taktfrequenz der Gatter ermöglicht somit die Anzeige von R_e /Ñ und Im /Ñ durch die Impulszähler 6 und 7.

Zur Bestimmung der Absolutwerte des Real- und des Imaginärteils ist der Betragswert der Bezugsgröße Ñ erforderlich. Dieser Betragswert wird aus dem gleichgerichteten Effektivwert _N′ der Bezugsgröße Ñ und dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 28 ermittelt und von der digitalen Anzeigeeinrichtung 14 relativ zum eingestellten Bereichsendwert Ñ_N als Ñ/Ñ_N in % angezeigt.

Insbesondere durch den weitgehenden Verzicht auf Analogbausteine und durch die digitale Division konnte mit dem erfindungsgemäßen Vektormesser eine Meßunsicherheit von zumindest 0,1% erreicht werden. Da der Vektormesser die Messung von Spannungs- und Stromstärkeverhältnissen, Impedanzen und Admittanzen gestattet, ergeben sich als Anwendungsbeispiele die Bestimmung von Scheinwiderstand bzw. -leitwert von Meßwandlerbürden, Übersetzungsfehlern von Meßwandlern, Kapazitäten und Verlustfaktoren von Kondensatoren, Leistungsfaktoren in Drehstromnetzen, Leerlaufverlusten von Transformatoren und Motoren sowie Frequenzgängen von Filtern.

Claims (9)

1. Elektronischer Vektormesser zum Bestimmen des Real- und Imaginärteils einer elektrischen Meßgröße im Vergleich zu einer Bezugsgröße mit einer zur Aufnahme der Meß- und Bezugsgröße vorgesehenen Eingangsschaltung zum Erzeugen einer Meß- und Bezugsspannung,
mit einem der Eingangsschaltung nachgeschalteten Meßwertumformer und
einer Abtast-/Halte-Verstärkerschaltung, welche zur Ermittlung des Real- und Imaginärteils der Meßspannung von Rechtecksignalen gesteuert ist,
die von der Bezugsspannung abgeleitet sind und gegenüber dieser Phasenwinkel von 0° bis 90° aufweisen, um mit einer Divisionsschaltung den Quotienten aus der Meßspannung und der Bezugsspannung zu bilden,
sowie mit einer digitalen Anzeigeeinrichtung für den Real- und Imaginärteil, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtast-/Halte-Verstärkerschaltung aus drei Abtast-/Halte-Verstärkern (8, 9, 10) besteht,
daß die Meßspannung (_X) dem Signal-Eingang des ersten Abtast-/Halte-Verstärkers (8) und
die von der Bezugsspannung (_N) abgeleiteten 0°- und 90°-Rechteckimpulse dem Takt-Eingang des ersten Abtast-/Halte-Verstärkers (8) zugeführt werden,
dessen Ausgang mit je einem Eingang des zweiten und dritten Abtast-/Halteverstärkers (9, 10) verbunden ist, von denen der eine den Zweig für den Realteil und der andere den Zweig für den Imaginärteil bildet und an deren Takt-Eingängen ein gegenüber dem 0°- bzw. dem 90°-Rechteckimpuls um einen Winkel (α) nacheilendes Signal angelegt ist und deren Haltekonstante größer ist als diejenige des ersten Abtast-/Halte-Verstärkers (8), und
daß das Ausgangssignal des zweiten und dritten Abtast-/Halte-Verstärkers (9, 10) über je einen Analog-Digital-Umsetzer (1′, 2′) in eine Impulsfolge (f_Re, f_Im) umgewandelt und
jeweils zusammen mit einer weiteren von der gleichgerichteten Bezugsspannung (_N) mittels eines weiteren Analog-Digital-Umsetzers (3) erzeugten Impulsfolge (f_N) den Eingängen jeweils eines UND-Gatters (4, 5) zugeführt werden, dessen Ausgang mit je einem Impulszähler (6 bzw. 7) als digitale Anzeigeeinrichtung verbunden ist und
durch die UND-Verknüpfung der Gatter (4, 5) eine getrennte Division des Real und des Imaginärteils der Meßspannung (_X) durch die Bezugsspannung (_N) vorgenommen wird.

2. Vektormesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Analog-Digital-Umsetzer (1′, 2′) als Spannungs-Frequenz-Umsetzer (1, 2) mit einem vorgeschalteten invertierbaren Verstärker (11, 12) ausgebildet ist, welcher in Abhängigkeit von den Vorzeichen des Realteils und des Imaginärteils der Meßspannung (_X) durch Schaltsignale (± Re, ± Im) umschaltbar ist.

3. Vektormesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Analog-Digital-Umsetzer (1′, 2′) als bipolarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Eingangssignalumschalter ausgebildet ist, welcher in Abhängigkeit von den Vorzeichen des Real- und des Imaginärteils der Meßspannung (_X) durch Schaltsignale (± Re, ± Im) umschaltbar ist.

4. Vektormesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Schaltsignale (± Re, ± Im) in zwei Flip-Flops (29) erzeugt werden, deren Dateneingängen eine von der Meßspannung (_X) abgeleitete und gegen diese Spannung um 0° phasenverschobene rechteckförmige Spannung und deren Takteingängen die von der Bezugsspannung (_N) abgeleiteten 0°- und 90°-Rechtecksignale zugeführt werden.

5. Vektormesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das den Anzeigeeinheiten der Impulszähler (6, 7) die Schaltsignale (± Re, ± Im) für die Vorzeichen der Meßspannung (_X) zugeführt werden.

6. Vektormesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit vier lichtemittierenden Dioden versehene Quadrantenanzeige (13), welcher die Schaltsignale (± Re, ± Im) zur Darstellung der Meßgröße () in der komplexen Ebene zugeführt werden.

7. Vektormesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Effektivwert der Bezugsgröße (Ñ) entsprechende Gleichspannung (_N′) von einer digitalen Anzeigeeinrichtung (14) als Prozentwert des Meßbereichsendwertes der Bezugsgröße (Ñ) angezeigt wird.

8. Vektormesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwertumformer an den Eingängen für die Meßspannung (_X) und die Bezugsspannung (_N) jeweils ein Oberschwingungsfilter (16, 17) vorgeschaltet ist.

9. Vektormesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwertumformer an den Eingängen für die Meßspannung (_X) und die Bezugsspannung (_N) jeweils ein von der Bezugsgröße (Ñ) gesteuerter Verstärker (19, 21) vorgeschaltet ist.