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Elektronisches Etalon-Wattmeter mit einem Doppel-
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schlcht-Strommeßransformator Die Erfindung bezieht sich auf ein Etalon-Meßgerät
für die Messung elektrischer Leistung, insbesondere ein elektronisches Etalon-Wattmeter
mit einem Doppelschicht-Strommeßtransformator.
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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.
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der Wechselspannung-und des Wechselstroms zum elektronischen Multiplikator;
c) das. Problem der Anzeige der gemessenen Leistung mit genügender Genauigkeit und
genügender Auflösung.
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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).
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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.
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Im Falle einer Erhöhung der Meßgenauigkeitsklasse gelangen diese Probleme
betont zum Ausdruck.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Etalon-
Wattmeter
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einfach aufgebaut ist und hochgenau
Mesmungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen
gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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