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Elektronischer Energiezähler für elektrische Energie
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Energiezähler
für elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit dem die genaue
Messung von kleinen elektrischen Energiemengen möglich ist.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm mit einem konventionellen elektronischen
Energiezähler für elektrische Energie.
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Dieser bekannte Energiezähler weist einen Spannungseingangsanschluß
1 auf, dem die hohe Spannung eines Stromkreises (nicht abgebildet), in dem die elektrische
Energie zu messen ist, zugeführt wird. Der Enerergiezähler weist auch einen Stromeingangsanschluß
2 auf, über den der Strom des zu messenden Kreises zugeführt wird. Ein Spannungstransformationsteil
3, beispielsweise eine Spannungsteilerschaltung oder ein Transformator ist mit dem
Spannungseingangsanschluß 1 verbunden, so daß dieser die Spannung des auszumessenden
Schaltkreises empfängt und ein Kleinspannungssignal ausgibt, daß der eingege-
benen
hohen Spannung entspricht. Ein Stromtransformationsteil 4, beispielsweise ein Stromtransformator'
wird mit seinem Eingangsanschluß mit dem Stromeingangsanschluß 2 verbunden, um den
Strom des auszumessenden Schaltkreises zu empfangen und um ein Kleinstromsignal
auszugeben, das dem über den Eingangsanschluß eingegebenen hohen Stromstärken entspricht.
Ausgangsanschlüsse des Spannungstransformationsteiles 3 und des Stromtransformationsteiles
4 sind mit den Eingangsanschlüssen eines ersten A/D-Umwandlers 5 (Analog/Digital-Umwandler)
bzw.
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eines zweiten A/D-Umwandlers 6 verbunden. Der erste A/D-Umwandler
5 und der zweite A/D-Umwandler 6 sind beides 8-bit-A/D-Umwandler und dienen zum
Umwandeln des analogen Kleinspannungssignals von dem Spannungstransformationsteil
3 und zum Umwandeln des analogen kleinen Stromsignals vom Stromtransformationsteil
4 in ein entsprechendes digitales Spannungs- bzw. Stromsignal des zu messenden Kreises.
Der erste A/D-Umwandler 5 und der zweite A/D-Umwandler 6 sind über eine Bus leitung
9 mit einem Verarbeitungs- und Steuerteil 7 verbunden. Der Verarbeitungs- und Steuerteil
7 führt über eine Steuerleitung 8 dem ersten A/D-Umwandler 5 und dem zweiten A/D-Umwandler
6 Steuersignale zu, um sie zu veranlassen, in vorbestimmten Zeitabständen Ausgangssignale
aus zugeben, so daß die Ausgangssignale des ersten und zweiten A/D-Wandlers 5 und
6 periodisch zu dem Verarbeitung- und Steuerteil 7 gelangen, worin die elektrische
Energie des gemessenen Kreises durch Multiplizieren der Ausgangsdaten des ersten
und zweiten A/D-Umwandlers 5 und 6 errechnet werden. Die Ausgangsdaten, d.h. die
Daten über die elektrische Energie werden von dem Verarbeitungs- und Steuerteil
7 über eine Ausgabe leitung 11 an einen Ausgangsanschluß 10 des Energiezählers für
elektrische Energie ausgegeben.
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Die Arbeitsweise des bekannten elektronischen Energiezählers für elektrische
Energie gemäß Fig. 1 werden
nachfolgend beschrieben. Die Spannung
und der Strom des zu messenden Kreises werden über den Spannungseingangsanschluß
1 bzw. den Stromeingangsanschluß 2 dem Spannungstransformationsteil 3 bzw. dem Stromtransformationsteil
4 zugeführt. Der Spannungstransformationsteil 3 gibt als Reaktion auf die über den
Spannungseingangsanschluß 1 zugeführte hohe Spannung des zu messenden Kreises ein
analoges Kleinspannungssignal aus. Der Stromtransformationsteil 4 gibt als Reaktion
auf den über den Stromeingangsanschluß 2 zugeführten hohen Strom des zu messenden
Kreises ein analoges Kleinstromsignal aus.
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Das analoge Kleinspannungssignal aus dem Spannungstransformationsteil
3 wird dem A/D-Umwandler 5 zugeführt. Das analoge Kleinstromsignal aus dem Spannungstransformationsteil
4 wird dem zweiten A/D-Umwandler 6 zugeführt.
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Die die Spannung des zu messenden Kreises darstellenden digitalen
Daten werden aus dem ersten A/D-Umwandler 5 ausgeben und über die Bus leitung 9
dem Verarbeitungs- und Steuerteil 7 zugeführt. Die die Stromstärke des zu messenden
Kreises darstellenden digitalen Daten werden aus dem zweiten A/D-Umwandler 6 ausgegeben
und über die Busleitung der Verarbeitungs- und Steuereinheit 7 zugeführt.
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Die Verarbeitungs- und Steuereinheit 7 führt über die Steuerleitung
8 dem ersten und zweiten A/D-Umwandler 5 und 6 Steuersignale zu, um diese zu steuern.
Dadurch werden der erste A/D-Umwandler 5 und der zweite A/D-Umwandler 6 periodisch
durch die Steuersignale angeregt, an den Verarbeitungs- und Steuerteil 7 Ausgangsdaten
weiterzugeben und die zwei digitalen Daten nämlich die digitalen Spannungsdaten
aus dem ersten A/D-Umwandler 5 und die digitalen Stromdaten aus dem zweiten A/D-Umwandler
6 werden multipliziert. Die multiplizierten Daten werden bei jeder periodischen
Ansprache integriert. Wenn die integrierten Daten einen vorbestimmten Wert überschreiten,
wird über die Ausgabeleitung 11 dem Ausgangsanschluß 10 ein Energiezählimpuls von
dem Ausgangsanschluß des Verarbeitungs- und Steuerteils 7 zugeführt. Folglich wird
durch
Zählen der Ausgangs impulse am Ausgangsanschluß 10 durch eine herkömmliche Zählerschaltung
oder ähnliches die elektrische Energie des zu messenden Kreises erfaßt.
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Ein derartiger elektronischer Energiezähler für elektrische Energie
weist jedoch den Nachteil auf 1 daß er bei geringer Belastung ungenau mißt. Beispielsweise
weist der Stromtransformator 4 eine nichtlineare Charakteristik auf, wenn die Stromstärke
in dem zu messenden Kreis nur 1/50 oder 1/100 der Nennbelastung des Energiezählers
für elektrische Energie ist, wodurch die ungenaue Messung bewirkt wird. Bei einem
Energiezähler für elektrische Energie, bei dem der Meßfehler selbst bei kleiner
Stromstärke vernachlässigbar kleiner sein sollte, ist eine solch ungenaue Messung
nicht wünschenswert, wenn eine hochgenaue Messung der elektrischen Energie mit kleinem
absoluten Fehler erreicht werden soll. Wenn eine sehr hochgenaue Messung erreicht
werden soll, muß beispielsweise ein Stromtransformator mit einem Eisenkern extrem
hoher Permeabilität wie bei Permalloy bei geringer magnetischer Flußdichte als Stromtransformationsteil
4 verwendet werden. Selbst wenn elektronische Bauelemente wie der erste und zweite
A/D-Umwandler 5 und 6 mit höchster Genauigkeit arbeiten, kann die Meßgenauigkeit
dieser elektronischen Energiezähler für elektrische Energie, die von der linearen
Charakteristik des Stromtransformationsteils 4 abhängt, folglich nicht wesentlich
verbessert werden, und wenn dennoch höchste Genauigkeit benötigt wird, werden die
Kosten immens. Aus diesen genannten Gründen konnten bisher elektronische Energiezähler
für elektrische Energie, die nicht zu teuer sein durften, nicht mit zufriedenstellender
Genauigkeit für große Stromstärkenbereiche bereitgestellt wurden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektronischen
Energiezähler für elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen,
der eine zufriedenstellende Meßgenauigkeit mit kleinem absoluten Fehler aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Ein elektronischer Energiezähler für elektrische Energie gemäß der
vorliegenden Erfindung weist einen Spannungstransformationsteil zum Ausgeben eines
Kleinspannungssignals als Reaktion auf die zugeführte hohe Spannung, einen Stromtransformationsteil
zum Ausgeben eines Kleinstromsignals auf die eingegebene hohe Stromstärke, einen
ersten A/D-Umwandler zum Umwandeln des eingegebenen analogen Kleinspannungssignals
aus dem Spannungstransformationsteil in ein digitales Signal, einen zweiten A/D-Umwandler
zum Umwandeln des eingegebenen analogen Kleinstromsignals aus dem Stromtransformationsteil
in ein digitales Signal, einen Speicher zum Speichern von Korrekturdaten, um Fehler
in der Ausgabecharakteristik des Stromtransformationsteiles zu korrigieren und ein
Verarbeitungs- und Steuerteil auf, mit dem die Ausgabe des ersten A/D-Umwandlers
und die Ausgabe des zweiten A/D-Umwandlers empfangen und unter Berücksichtigung
der in dem Speicher gespeicherten Korrekturdaten multipliziert wird.
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Durch Korrektur der Nichtlinearität des Stromtransformationsteils
mittels der gespeicherten Daten wird eine genaue Messung der elektrischen Energie
über einem großen Strommeßbereich möglich.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
zum Inhalt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand
der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen elektronischen
Energiezählers für elektrische Energie.
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Fig. 2 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines elektronischen
Energiezählers für elektrische Energie gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 3 eine grafische Darstellung der Fehlercharakteristik des Stromtransformationsteiles
4 aus dem Blockdiagramm nach Fig. 2, und Fig. 4 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise
einer Ausführungsform.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des elektronischen Energiezählers
für elektrische Energie gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Fig.
2 und 3 beschrieben.
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Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform des
elektronischen Energiezählers für elektrische Energie. Aus Fig. 2 ist ersichtlich,
daß die Ausführungsform einen Spannungseingangsanschluß 1 aufweist, dem die vergleichsweise
hohe Spannung eines nichtabgebildeten externen Schaltkreises, in dem die elektrische
Energie gemessen werden soll und der nachfolgend als auszumessender Kreis bezeichnet
wird, zugeführt wird. Der Energiezähler weist auch einen Stromeingangsanschluß 2
auf, über den der Strom des auszumessenden Kreises zugeführt wird. Ein Spannungstransformationsteil
3, beispielsweise eine Spannungsteilerschaltung in Form eines Widerstandnetzwerkes
oder ein Transformator ist an
den Spannungseingangsanschluß 1 angeschlossen,
so daß er die Spannung des gemessenen Kreises empfängt und entsprechend der eingegebenen
hohen Spannung ein Kleinspannungsignal ausgibt. Ein Stromtransformationsteil 4,
beispielsweise ein Stromtransformator, ist mit seinem Eingangsanschluß mit dem Stromeingangsanschluß
2 verbunden, so daß er den Strom des auszumessenden Kreises empfängt und als Reaktion
auf den seinem Eingang zugeführten vergleichsweise hohen Strom ein Kleinstromsignal
ausgibt.
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Ausgangsanschlüsse des Spannungs- und Stromtransformationsteiles 3
und 4 sind mit den Eingangsanschlüssen eines ersten A/D-Umwandlers 5 bzw. eines
zweiten A/D-Umwandlers 6 verbunden. Beide A/D-Umwandler 5 und 6 sind 8-bit-A/D-Umwandler
zum Umwandeln des analogen Kleinspannungssignals aus dem Spannungstransformationsteil
und des analogen Kleinstromsignals aus dem Stromtransformationsteil 4 in digitale
Signale, die die Spannung und die Stromstärke des auszumessenden Kreises darstellen.
Der erste A/D-Umwandler 5 und der zweite A/D-Umwandler 6 sind über eine Bus leitung
9 mit einem Verarbeitungs- und Steuerteil 7 und einem Speicherbauteil 12 verbunden.
Das Speicherbauteil speichert beispielsweise 8-bit-Daten zu 8-bit-Adressen. Die
gespeicherten Daten entsprechen der Charakteristik des Spannungstransformationsteils
4, so daß Korrekturdaten ausgelesen werden, wenn das Ausgangssignal des zweiten
A/D-Umwandlers 6 dem Speicherbauteil 12 zugeführt wird, um durch die Nichtlinearität
des Stromtransformationsteils 4 induzierte Fehler zu korrigieren und gibt die ausgelesenen
Daten zu der Verarbeitungs- und Steuereinheit 7. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Verarbeitungs- und Steuerteil 7 ein Microprozessor,
der über die Steuerleitung 8 dem ersten und zweiten A/D-Umwandler 5 und 6 Steuersignale
zuführt, so daß diese in vorbestimmten Zeitabständen Ausgangssignale abgeben und
somit die Ausgangssignale des ersten A/D-Umwandlers 5 und des zweiten A/D-Umwandlers
6 periodisch der Verarbei-
tungs- und Steuereinheit 7 zugeführt
werden, in der die elektrische Energie des auszumessenden Kreises durch Multiplizieren
der aus dem ersten und zweiten A/D-Umwandler 5 und 6 ausgegeben Daten errechnet
wird. Die ausgegebenen Daten, nämlich die Energiezählwerte, werden über die Ausgabe
leitung 11 an einen Ausgangsanschluß 10 des Energiezählers für elektrische Energie
durch die Verarbeitungs- und Steuereinheit 7 ausgegeben.
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Die Arbeitsweise der Ausführungsform des elektronischen Energiezählers
für elektrische Energie gemäß Fig. 2 wird nachfolgend beschrieben. Die Spannung
und der Strom des auszumessenden Kreises werden über den Spannungseingangsanschluß
1 und den Stromeingangsanschluß 2 zu dem Spannungstransformationsteil 3 bzw. dem
Stromtransformationsteil 4 eingegeben. Der Spannungstransformationsteil 3 gibt als
Reaktion auf die über den Spannungseingangsanschluß 1 zugeführte hohe Spannung des
auszumessenden Kreises ein analoges Kleinspannungssignal aus, das von Halbleiterschaltkreisen
verarbeitet werden kann. Der Stromtransformationsteil 4 gibt als Reaktion auf die
hohe Stromstärke aus dem auszumessenden Kreis, die über den Stromeingangsanschluß
2 zugeführt wird, ein analoges Kleinstromsignal aus, das von Halbleiterschaltkreisen
verarbeitet werden kann. Das analoge Kleinspannungssignal aus dem Spannungstransformationsteil
3 wird dem A/D-Umwandler 5 zugeführt. Das analoge Kleinstromsignal aus dem Stromtransformationsteil
4 wird dem zweiten A/D-Umwandler 6 zugeführt. Die digitalen Daten, die die Spannung
des auszumessenden Kreises darstellen, werden von dem ersten A/D-Umwandler 5 ausgegeben
und über die Bus leitung 9 der Verarbeitungs- und Steuereinheit 7 zugeführt. Digitale
Daten, die die Stromstärke des ausgemessenen Kreises darstellen, werden aus dem
zweiten A/D-Umwandler 6 ausgegeben und über die Bus leitung der Verarbeitungs- und
Steuereinheit 7 zugeführt. Der Stromtransformationsteil 4 weist im allgemeinen eine
Fehlercharakteristik auf, wie
sie in Fig. 3 dargestellt ist. In
Fig. 3 ist auf der Abszisse der gemessene Strom in Prozent der Nennstrombelastung
angegeben und auf der Ordinate ist der Fehler in Prozent aufgetragen. Die Fehlercharakteristik
wird einzig durch den Aufbau des Stromtransformationsteils festgelegt, insoweit
der elektrische Aufbau und die verwendeten Materialien entscheidend sind, und weist
keine Streuung auf. Um am Ausgangsanschluo 10 eine genaue Anzeige der elektrischen
Energie zu ermöglichen, muß folglich das von dem zweiten A/D-Umwandler 6 dem Verarbeitungs-
und Steuerteil 7 zugeführte digitale Signal entsprechend der Fehlercharakteristik
nach Fig. 3 korrigiert werden. Diese Korrektur wird mittels der in dem Speicherbauteil
12 gespeicherten Daten durchgeführt. Die Verarbeitungs- und Steuereinheit 7 führt
über die Steuerleitung 8 dem ersten und zweiten A/D-Umwandler 5 und 6 Steuersignale
zu, um diese zu steuern. Auf diese Weise werden der -erste A/D-Umwandler 5 und der
zweite A/D-Umwandler 6 periodisch durch die Steuersignale angesteuert, um als Reaktion
auf die Spannung und die Stromstärke des auszumessenden Kreises periodisch Ausgabedaten
auszugeben und diese dem Verarbeitungs- und Steuerteil 7 zuzuführen.
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Wenn die Ausgabedaten aus dem zweiten A/D-Umwandler 6 durch den Verarbeitungs-
und Steuerteil 7 empfangen werden, führt letzterer ein Adressignal dem Speicherbauteil
12 zu, um die darin gespeicherten Korrekturdaten auszulesen. Dann werden die ausgelesenen
Korrekturdaten für den Strom aus dem Speicherbauteil 12 dem Verarbeitungs- und Steuerbauteil
7 übergeben, in dem die Multiplikation der Korrekturdaten mit den Ausgabedaten aus
dem ersten A/D-Umwandler 5 für die Spannung durchgeführt wird.
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Für die im Speicherbauteil 12 gespeicherten Daten zeigt Tabelle 1
ein Beispiel, wobei die Adressen über dem
Schrägstrich und die
Daten unter dem Schrägstrich gedruckt sind.
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Tabelle 1
| Addresse (A) / Daten (O) |
| |
| MSB l LSB |
| 8 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit2Bit 2 Bit |
| O O O O g O O O 0/ |
| 0/0 0/0 0/0 0/0 ? 0/0 0/0 0/0 0/0 |
| 0- O O O i 0/ O/1 0 |
| . . . |
| fs 11 1 |
| 1 1 ' 1 11 ' ' |
| 1 1 1 0 1 1 1 1 |
| 1/1 1/1 1/1 °/0 0/0 0/1 0/1 |
Dann werden die multiplizierten Daten bei jeder periodischen Abfrage in dem Verarbeitungs-
und Steuerteil 7 integriert. Jedesmal wenn die aufintegrierten Daten einen vorbestimmten
Wert überschreiten, wird ein Zählimpuls für die elektrische Energie aus dem Ausgangsanschluß
des Verarbeitungs- und Steuerteils 7 über die Ausgabeleitung 11 an den Ausgangsanschluß
10 ausgegeben. Folglich wird durch Zählen der am Ausgangsanschluß 10 ausgegebenen
Impulse mittels einer bekannten Zählerschaltung oder ähnliches die elektrische Energie
des auszumessenden Kreises genau unter Berücksichtigung der Korrekturen entsprechend
der Fehlercharakteristik des Stromtransformationsteiles 4 gemessen.
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Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der Verarbeitungs-
und Steuereinheit 7.
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Die erläuterte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen
Aufbau auf, bei der ein erster A/D-Umwandler zur Spannungsmessung und ein zweiter
A/D-Umwandler zur Strommessung für einen auszumessenden Stromkreis vorgesehen ist.
Um jedoch auf ökonomische Weise Messungen an einer Mehrzahl von auszumessenden Kreisen
durchzuführen, kann ein Paar Multiplexer an den Eingängen des ersten und zweiten
A/D-Umwandlers 5 und 6 vorgesehen werden, deren Eingangsanschlüsse mit den Spannungsausgangsanschlüssen
und den Stromausgangsanschlüssen der auszumessenden Kreise verbunden sind. Wird
eine derartige Konfiguration verwendet, können mittels eines Zeitteilverfahrens
eine Mehrzahl von Messungen durchgeführt werden. Eine Anwendung der Meßvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung in einer mehrphasen-mehrteiligen Meßvorrichtung
kann durch Vorsehen einer Mehrzahl von Spannungstransformationsteilen und einer
Mehrzahl von Stromtransformationsteilen, die über Multiplexer angeschlossen werden,
realisiert werden.
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Neben der oben erwähnten Konfiguration, bei der der Verarbeitungs-
und Steuerteil 7 durch einen Microprozessor gebildet wird, kann dieser Teil auch
in Form eines verdrahteten logischen Schaltkreises ausgebildet sein.
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Des weiteren kann anstelle der oben erläuterten Ausführungsform, bei
der das Speicherbauteil 12 viele korrigierte Daten speichert, andere Speicherkonfigurationen
verwendet werden, bei der das Speicherbauteil Fehlerdaten speichert und die Ausgabe
des zweiten A/D-Umwandlers 6 unter Verwendung dieser gespeicherten Fehlerdaten kompensiert
wird.
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Wie zuvor erläutert wurde, können bei der Verwendung von in dem Speicherbauteil
12 gespeicherten Korrekturdaten, die durch die Nichtlinearität des Stromtransformationsteils
4 im Meßbereich bei kleinen Strömen erzeugten Fehler, im wesentlichen behoben werden.
Daher weist das
Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung selbst
im Meßbereich bei kleinen Strömen eine hohe Genauigkeit auf.
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Des weiteren besteht keine Notwendigkeit, teure Eisenkerne oder teure
große volumige Größen oder spezielle Konfigurationen des Eisenkerns zu verwenden,
sondern es kann ein Eisenkern aus einem preiswerten Material kleiner Größe und einfacher
Konfiguration verwendet werden, da der Fehler des Stromtransformatorteils 4 beseitigt
werden kann.