DE3529472A1 - Elektronisches etalon-wattmeter mit einem doppelschicht-strommesstransformator - Google Patents

Elektronisches etalon-wattmeter mit einem doppelschicht-strommesstransformator

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DE3529472A1
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wattmeter
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Petar Prof. Dr.-Ing. Belgrad/Beograd Miljanić
Borislav Dr.-Ing. Stojanović
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/127Arrangements for measuring electric power or power factor by using pulse modulation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Elektronisches Etalon-Wattmeter mit einem Doppel-
  • schlcht-Strommeßransformator Die Erfindung bezieht sich auf ein Etalon-Meßgerät für die Messung elektrischer Leistung, insbesondere ein elektronisches Etalon-Wattmeter mit einem Doppelschicht-Strommeßtransformator.
  • Das Problem der Messung elektrischer Leistung kann in drei Einzelprobleme geteilt werden, und zwar a) das Problem der Realisation der Multiplizierung; b) das Problem der Zuführung der Eingangsgrößen, d.h.
  • der Wechselspannung-und des Wechselstroms zum elektronischen Multiplikator; c) das. Problem der Anzeige der gemessenen Leistung mit genügender Genauigkeit und genügender Auflösung.
  • Bei Messungen mit hoher Genauigkeit stellt die Realisierung eines jeden dieser Einzelprobleme ein gesondertes und ernstes technisches Problem dar, Die zeitgemäBe Technologie der Elektronik-Bauteile und theoretische sowie praktische Vervollkommnungen an elektronischen Wandler-Multiplikatoren (es wird angenommen, daß sich diese Gattung von elektronischen Multiplikatoren am besten für die Realisierung einer hohen Klasse von Multipliziergenauigkeit eignet) ermöglichen es, daß heute sehr hohe Klassen der Multipliziergenauigkeit realisiert werden können (mit Fehlern geringer als 100 ppm).
  • Da die Spannungs- und Stromsignale untereinander galvanisch getrennt sein müssen, wird meistens ein Transformator verwendet, und zwar am Stromeingang wegen der notwendigen Stromwertreduzierung (das Eingangssignal ist in der Größenordnung von mehreren Ampere, wobei der elektronische Multiplikator höchstens einige Milliampere aufnehmen kann). Außerdem muß der. Eingangsstromkreis noch andere Bedingungen erfüllen, wie Impedanzanpassung usw.
  • Im Falle einer Erhöhung der Meßgenauigkeitsklasse gelangen diese Probleme betont zum Ausdruck.
  • Im Falle von Etalonmessungen ist der Ausgang des Wattmeters ein normalisiertes Spannungs- oder Stromsignal und die Darstellung der gemessenen Leistung erfolgt auf einem getrennten Instrument, meistens an einem Digitalvoltmeter mit höher Genauigkeitsklasse.
  • Im Hinblick auf die geforderte hohe Meßgenauigkeitsklasse können am Stromeingang des Wattmeters nicht bekannte Meßtransformatoren verwendet werden, und in einigen Fällen wurden Doppelschicht-Transformatoren verwendet, die zwei Sekundärwicklungen, eine Haupt- und eine Korrekturwicklung, besitzen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Etalon- Wattmeter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einfach aufgebaut ist und hochgenau Mesmungen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Die Erfindung ist im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 das Schaltbild eines Verstärkers mit Transformator, Fig. 2 das Blockschaltbild eines Etalon-Wattmeters, Fig. 3 Einzelheiten eines U/p-Wandlers in Fig. 2, und Fig. 4 das Schaltbild eines Etalon-Wattmeters mit Einzelheiten.
  • Um gänzlich die Möglichkeiten eines hochqualitativen Doppelschicht-Transformators auszunutzen, ist es unumgänglich, daß er in der Arbeitsweise der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung arbeitet (Fig. 1). Mit dem Verstärker A, wie dies in-Fig. 1 dargestellt ist, wurde gänzlich der Arbeitszustand der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung realisiert. Es entstanden jedoch neue Probleme, welche die Realisierung der hohen Meßklasse erschweren. In funktioneller Hinsicht wurde mit der Schaltung nach Fig. 1 eine Transformierung des Eingangsstroms in ein Spannungssignal ausgeführt mit einer Verstärkung, die durch das Transformationsverhältnis und mit der Widerstandsgröße R definiert ist. Neben der Verstärkung des Wechselspannungssignals ist im Stromkreis aber auch die Verstärkung des "offsets" anwesend, weswegen ein Fehler auftritt, da an den Eingang des Multiplikators neben dem nützlichen Wechselspannungssignal auch ein Gleichspannungssignal geführt wird, welches das Fehlersignal darstellt. Die Verstärkung des "offsets ist sehr groß und ist definiert mit dem Verhältnis des Wertes des Widerstands R und des Widerstandswertes der Transformatorsekundärwicklung. Der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung des Transformators ist klein (in der Größenordnung von einigen Ohm) und ist kleiner, je größer die Genauigkeitsklasse des Transformators ist; so kann einem unannehmbar hohen Gleichstromsignal am Verstärkerausgang nicht ausgewichen werden auch im Falle, daß ein Operationsverstärker mit einem extrem geringen Anfangs-"offset" verwendet wird. Die verschiedenen Versuche, dieses Problem zu lösen, ergaben keine brauchbaren Resultate.
  • Die andere Möglichkeit der Zuführung, des Stromsignals in den elektronischen Multiplikator, die in einigen Lösungen realisiert wurde, besteht darin, daß das Stromsignal ohne seine vorhergehende Transformierung in ein Spannungssignal moduliert wird. Diese Möglichkeit ermöglicht jedoch nicht die Arbeitsweise mit einer kurzgeschlossenen Transformatorsekundärwicklung, doch kann mit entsprechenden technischen Lösungen eine solche Arbeitsweise simuliert werden, da die Sekundärwicklung des Transformators mit einem relativ so kleinen Widerstandswert abgeschlossen ist, der von der Größe des Widerstands von neuzeitlichen Analogschaltern abhängig ist (bei der Anwednung von CMOS-Technologie einige zehn Ohm) In re- ellen Verhältnissen würde mit einem Strom der Sekundärwicklung von einigen mA an den Schaltern eine Spannung von einigen Hundert mV gebildet werden, und so kann eine Genauigkeitsklasse von 0,1% ohne größere Probleme realisiert werden. Für die Erhöhung der Meßgenauigkeitsklasse müßte die Spannung an:der Transformatorsekundärwicklung herabgesetzt werden. Eine Verbesserung in diesem Sinn kann erzielt werden, wenn die Sekundäranschlüsse des Doppelschichttransformators aufgetrennt und mit entsprechenden unabhängigen Schalternetzen abgeschlossen werden.
  • In diesem Fall wird sich die Korrektursekundärwicklung, die tatsächlich auch die Genauigkeit der Transformierung definiert, praktisch im Kurzschluß befinden. Da durch diese Wicklung nur der Korrekturstrom fließt, der nur, ein Hundertstel oder sogar ein Tausendstel des Stromes der Hauptsekundärwicklung beträgt, wird auch der Spannungsabfall an der Sekundärwicklung dementsprechend kleiner, d.h. in der Größenordnung von mV sein1 was genügt, daß die Klasse der Genauigkeit der Transformierung um mindestens eine Größenordnung erhöht wird.
  • In Fig. 2 ist die Blockschaltung des Wattmeters mit Einzelheiten der Verbindung ds Doppelschicht-Meßtransformators mit anderen Teilen der Schaltung des Wattmeters dargestellt. Die Funktion der Impuls-Amplitudenmodulation, der empfindlichsten Funktion bei Wandler-Multiplikatoren, ist auf einfachste Weise gelöst, und zwar mit Hilfe von Analogschaltern, doch ohne jeglichen anderen elektronischen Bauteil. Die Wirksamkeit dieses Netzwerkes von Analogschaltern wird mit einer Kopplung mit einer Differentialstufe unterstützt (Verstärker A1 und A2), wodurch der Fehler der Analogschalter wesentlich reduziert ist. Die Anschlüsse der Sekundärwicklungen, der Haupt- und Korrekturwicklung, sind untereinander getrennt und mit der Differentialstufe über getrennte Netzwerke von Analogschaltern verbunden, so daß sich die Spannung an den Sekundärwicklungen unabhängig und mit ausgeschlossener gegenseitiger Beeinflussung formiert.
  • Die Spannung U als die zweite Eingangsgröße des Multiplikators wird in eine Zeit funktion transformiert mit Hilfe eines U/N Wandlers, der die Arbeit..des Impuls-Amplitudenmodulators steuert, der in diesem Fall ein Netzwerk von Analogschaltern ist. In Fig. 3 sind Einzelheiten des U/t Wandlers dargestellt, mit dem die Spannung U in eine Zeitfunktion transformiert wird: wo mit T1 ein Zeitintervall bezeichnet ist, im dem die Schalter S'1 1und S'2leiten, mit T2 jedoch ein Zeitintervall, in dem die Schalter S''1 und S"2 leiten. Der Wandler besteht aus einem Brücken-Impulsgenerator mit Brückenelementen R1, R2, R3 und C, in dessen Meßdiagonale der Komparator K angeschlossen ist, wobei an die andere Diagonale über die Analogschalter die Speisespannung angeschlossen ist (die positive Spannung während der Zeit T1 über die Schalter Sl11und S'2 und die negative Spannung während der Zeit T2 über die Schalter Soll1 und S"2>. Die Schalter werden gesteuert über den Komparator K, der eine positive Rückkopplung, d.h. bistabile Arbeitsbedingungen, bildet. Die Eingangsspannung wird über den Widerstand R4 an den Kondensator C geführt, was eine Unsymmetrie in der Dauer der Intervalle T1 und T2 verursacht dahingehend, daß sie in einer Halbperiode zum schnelleren Aufladen des Kondensators C beiträgt und in der nächsten seine Entladung verzögert. Im Hinblick auf das exponentielle Kennzeichen der Aufladung und der Entladung des Kondensators C würde es in der realisierten Zeitfunktion zu Nichtlinearitäten kommen. Diese Nichtlinearität ist klein und hängt vom Verhältnis der Widerstände R3 und R4 ab und wird bei gewöhnlichen Arbeitsverhältnissen in Promille gemessen. Für...den Bedarf der Etalon-Messungen kann jedoch sogar eine so kleine Nichtlinearität nicht toleriert werden und es wurde ein System mit einem Verstärker A eingeführt, der mit seinem Widerstandsnetzwerk R5, und R7 eine Stromquelle bildet, mit der die Linearisie- -rung der Arbeit des Wandlers ausgeführt wird. Hier muß die Bedingung erfüllt werden, daß der Widerstandswert des Widerstandes R7 gleich dem Wert der Parallélschaltung des Widerstandes R1 und R4 ist. Neben dem Problem der Linearisierung ist mit dem Verstärker A auch das Problem einer qualitativen Definition des Wandlernulls gelöst.
  • In Anwesenheit des Verstärkers A für die präzise Nulldefinierung ist es nur notwendig, daß die Bedingung =/ = /-V/ erfüllt wird, wobei Größen wie z.B. der-"offset" des Komparators, überhaupt keinen Einfluß mehr ausüben.
  • Neben dem Schaltkreis für die Linearisierung ist eine spezifische Eigenschaft des Wandlerschaltkreises nach Fig. 3 die Anwendung eines Doppelanalogschalters, des Hauptschalters 1 und des Hilfsschalters S2. Im Fall der Anwendung eines Einfachschalters, wie dies üblich ist, würde ein Fehler auftreten, der abhängig vom Verhältnis des Widerstandswertes des Schalters und des mit ihm in Reihe geschalteten Widerstands- wäre. Durch die Kontrolle des Potentials des Punktes M durch die Wahl des Wider standswertes des Widerstands R8 kann sichergestellt werden, daß durch den Hiifsschalter S2 praktisch kein Strom fließt. Dies wird in dem Eall erfolgen, wenn das.Potential des Punktes M gleich.dem Wert der Referenzspannung ist..Der Fehler wegen Widerstandsänderung des Schalters wird zu einer kaum wahrnehmbaren Änderung des Potentials des Punktes M und zu der Intervention des Hilfsschalters S2 führen, durch den jetzt der Korrektur strom fließen wird, der es nicht erlaubt, daß das Potential des Punktes M vom Referenywert abweicht. Danach wird der Fehler wegen Schalterwiderstandsänderung im gleichen Verhältnis geringer sein, in welchem der Strom geringer durch den Schalter S2 gegenüber dem.minimalen Referenzstrom ist7 der durch den Schalter S1 fließt.
  • In Fig. 4 ist die vollständige Lösung des Etalon-Wattmeters mit Einzelheiten dargestellt, die mit Hilfe von Fig. 2 und 3 sowie den Ergänzungen dargestellt sind, die mit der Erreichung der hohen Meßgenauigkeitsklasse zusammenhangen. Das bezieht sich in erster Reihe auf den Verstärker A3, der zur Sicherung der Gleichheit der Potentiale der virtuellen Massen der Differentialstufe A1 und AS dient, und es ist unumgänglich, daß sein Anfangs-"offset" sowie die Temperaturempfindlichkeit des "offsets" klein sind. Diese Bedingung ist nicht schwer zu erfüllen, im Hinblick darauf,. daß es für.den.Verstärker A3 zum Unterschied zu den Verstärkern A1 und A2 nicht notwendig ist, daß er als Grundkennzeichen einen breiten Durchlaßbereich besitzt. Mit dem Potentiometer P1 erfolgt die Annullierung des Anfangs-"offsets" sets " der Ausgangsstufe, mit dem Potentiometer P3 erfolgt die Einstellung der Gesamtverstärkung des Wattmeters mit simultaner Wirkung an beide Verstärker in der Differentialstufe.
  • - - Leerseite -

Claims (1)

  1. Elektronisches Etalon-Wattmeter mit einem Doppelschicht-Strommeßtransformator PATENTANSPRUCH: 1. Elektronisches Etalon-Wattmeter mit einem Doppelschicht-Strommeßtransformator, dadurch g e k e n.n z e i c h n e t , daß ein Eingangswandler, mit demdieSpannung (U) in eine Zeitfunktion umgewandelt wird, als Impulsgenerator mit einer passiven, eine Brücke (1, 2, 3, 4) enthaltenden bistabilen Schaltung realisiert ist mit Hilfe eines Komparators (5) und eines Netzwerkes von Analogschaltern (6, 7, 8, 9), mit denen präzise, ohne Einfluß der Widerstände der Analogschalter der Referenzstrom verglichen wird, wobei die Linearisierung des passiven Wandlers mit einem ersten Verstärker (11) und einem Widerstandsnetzwerk (12,' 13, 14) erfolgt, und daß in dem folgenden Teil des Wattmeters mit dem Doppelschicht-Stromtransformator (15) die beiden Sekundärwicklungen in der Arbeitsweise einer erdungsfreien Sekundärwicklung arbeiten und mit besonderen Netzwerken von Analogschaltern (16, 17, 18, 19) für die Hauptsekundärwicklung und von Analogschaltern (20, 21, 22, 23)'für die Korrektursekundärwicklung abgeschlossen sind, wobei diese Analogschalter die Funktion eines Impuls-Amplitudenmodulators ausüben, bildend modulierte Stromimpulse, die an eine Differentialstufe (24, 25) geführt werden, deren virtuelle Massen mit Hilfe eines zweiten Verstärkers (26) auf gegenseitig gleichem Potential gehalten werden und bei der die Nulleinstellung mit Potentiometern (27, 28) und die Einstellung des Maximums mit einem weiteren Potentiometer (29) erfolgt.
DE19853529472 1984-08-16 1985-08-16 Elektronisches etalon-wattmeter mit einem doppelschicht-strommesstransformator Withdrawn DE3529472A1 (de)

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