DE3728163C2 - Measuring device for determining the peak value of high AC voltages - Google Patents

Measuring device for determining the peak value of high AC voltages

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Scheitelwerts hoher Wechselspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a measuring device for Determination of the peak value of high AC voltages according to the Preamble of claim 1.

Eine derartige Meßeinrichtung ist aus der ETZ-84, Bd. 84, H. 26, 1963, Seiten 883 bis 886, Aufsatz von W. Boeck: "Eine Scheitelspannungs-Meßeinrichtung erhöhter Meßgenauigkeit mit digitaler Anzeige", bekannt.Such a measuring device is from ETZ-84, Vol. 84, H. 26, 1963, pages 883 to 886, essay by W. Boeck: "Eine Peak voltage measuring device with increased measuring accuracy digital display ", known.

Die Bestimmung des Scheitelwerts von hohen Wechselspannungen ist in der Hochspannungsmeßtechnik, insbesondere zur Beurteilung der Spannungsfestigkeit von Isolieranordnungen, erforderlich. Bei der aus der genannten Literaturstelle bekannten, als Normalmeßeinrichtung zur Prüfung technischer Scheitelspannungs-Meß­ einrichtungen verwendeten Meßeinrichtung wird aus dem gleichgerichteten Ladestrom eines Hochspannungskondensators die Spannung von Scheitel zu Scheitel der zu messenden hohen Wechselspannung bestimmt. Voraussetzung für die richtige Messung ist, daß keine Zwischenmaxima der hohen Wechselspannung auftreten. The determination of the peak value of high AC voltages is in high voltage measurement technology, especially for the assessment of Dielectric strength of insulation arrangements required. In the known from the cited reference, as Standard measuring device for testing technical peak voltage measurements equipment used is from the rectified charging current of a high voltage capacitor Tension from vertex to vertex of the high to be measured AC voltage determined. Prerequisite for the correct measurement is that there are no intermediate maxima of the high AC voltage.  

Bei der bekannten Meßeinrichtung ist in Reihe zum Meßkondensator eine passive Gleichrichterschaltung nach Masse geschaltet, in deren einem Zweig der Meßkondensator eingeschaltet ist. Am Meßwiderstand wird die an diesem abfallende Spannung abgenommen und einem Spannungs-Frequenz-Wandler zugeleitet, dessen Ausgang an der Torschaltung anliegt. Zur Ansteuerung der Torschaltung werden Impulse eines Nullspannungsdetektors verwendet. Dieser ist über Kabel unmittelbar auf der Niederspannungsseite des zur Erzeugung der Prüfspannung nötigen Hochspannungstransformators angeschlossen. Die Kabelkapazitäten gehen daher hier mit in die Messung ein. Die Meßunsicherheit wird hauptsächlich durch die Kapazität des Meßkondensators, das passive Netzwerk aus Gleichrichtern und Meßwiderständen in der Erdleitung des Meßkondensators, sowie durch den Spannungs-Frequenz-Wandler bestimmt. Die relative Gesamtmeßunsicherheit der bekannten Meßeinrichtung beträgt 6.10-4. Die für die Anwendung als Normal-Meß­ einrichtung zu große Meßunsicherheit ist, insbesondere auch durch parasitäre Kapazitäten, z. B. der Kabel, durch Spannungsabfälle am Gleichrichter und am Meßwiderstand, sowie durch nichtlineare Bauelemente, z. B. die Dioden und Überspannungsableiter, bedingt.In the known measuring device, a passive rectifier circuit is connected to ground in series with the measuring capacitor, in one branch of which the measuring capacitor is switched on. The voltage drop across the measuring resistor is taken and fed to a voltage-frequency converter, the output of which is applied to the gate circuit. Pulses from a zero voltage detector are used to control the gate circuit. This is connected via cable directly to the low voltage side of the high voltage transformer required to generate the test voltage. The cable capacities are therefore included in the measurement. The measurement uncertainty is mainly determined by the capacitance of the measuring capacitor, the passive network of rectifiers and measuring resistors in the ground line of the measuring capacitor, and by the voltage-frequency converter. The relative total measurement uncertainty of the known measuring device is 6.10 -4 . The measurement uncertainty for use as a normal measuring device is too great, especially due to parasitic capacitances, e.g. B. the cable, by voltage drops on the rectifier and on the measuring resistor, and by non-linear components, for. B. the diodes and surge arresters, conditional.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der einleitend beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß die genannten Nachteile weitgehend vermieden werden und eine kleinere Meßunsicherheit erreicht wird, damit eine Verwendung als Normal­ meßeinrichtung möglich ist.The invention has for its object a measuring device type described in the introduction so that the mentioned disadvantages are largely avoided and a smaller one Measurement uncertainty is reached, so that use as normal measuring device is possible.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 erreicht. The solution to this problem is given by the characteristics of the An spell 1 reached.  

Durch den Einsatz des aktiven Strom-Spannungs-Wandlers mit dem im Rückkopplungszweig liegenden Meßwiderstand liegt die Niederspannungsklemme des Meßkondensators praktisch auf Potential Null. Da die gesamte hohe Wechselspannung somit am Meßkondensator liegt, können auch kleinere Spannungen im Bereich von 1 kV mit der gleich geringen Meßunsicherheit gemessen werden, wie größere Spannungen. Dies ist mit der bekannten Meßeinrichtung wegen der Spannungsabfälle am Gleichrichter und am Meßwiderstand nicht möglich. Da außerdem der Einfluß der Kapazität des Verbindungskabels zwischen dem Meßkondensator und der übrigen Meßeinrichtung entfällt, wird die Meßunsicherheit ebenfalls vermindert. Auch die aktive Gleichrichterschaltung anstelle passiver Dioden trägt zu einer verringerten Meßunsicherheit bei. Die Meßunsicherheit der gesamten erfindungsgemäßen Meßeinrichtung liegt bei 1.10-4.By using the active current-voltage converter with the measuring resistor in the feedback branch, the low-voltage terminal of the measuring capacitor is practically at zero potential. Since the entire high AC voltage is thus at the measuring capacitor, even smaller voltages in the range of 1 kV can be measured with the same low measurement uncertainty as larger voltages. This is not possible with the known measuring device because of the voltage drops across the rectifier and the measuring resistor. Since the influence of the capacitance of the connecting cable between the measuring capacitor and the rest of the measuring device is also eliminated, the measurement uncertainty is also reduced. The active rectifier circuit instead of passive diodes also contributes to reduced measurement uncertainty. The measurement uncertainty of the entire measuring device according to the invention is 1.10 -4 .

Während bei der bekannten Meßeinrichtung zur Steuerung der Torschaltung von der primärseitigen Spannung des Hochspannungstransformators über zusätzliche, aufwendige Kabel das Signal für den Nullspannungswandler abgegriffen werden muß, wird bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung das entsprechende Steuersignal am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers abgegriffen. Diese exaktere Erfassung der Nulldurchgänge des Ladestromes trägt ebenfalls zur verringerten Meßunsicherheit bei.While in the known measuring device for controlling the Gate circuit from the primary voltage of the High-voltage transformer using additional, complex cables Signal for the zero voltage converter must be tapped the corresponding in the measuring device according to the invention Control signal tapped at the output of the current-voltage converter. This more precise detection of the zero crossings of the charging current contributes also to the reduced measurement uncertainty.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß beim Erfindungsgegenstand der Zählvorgang stets zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge der Gleichrichterspannung beginnt und endet. In den Nulldurchgängen sind die Abstände der zu zählenden Impulse größer als zu den übrigen Zeiten, so daß Fehlzählungen durch endliche Öffnungs- und Schließzeiten der Torschaltung weitgehend ausgeschaltet sind. It is also advantageous that the subject of the invention Counting process always at the time of the zero crossings of the Rectifier voltage begins and ends. In the zero crossings the distances between the pulses to be counted are larger than those remaining times, so that miscounts due to finite opening and The closing times of the gate circuit are largely switched off.  

Eine bevorzugte Ausführungsform der neuen Meßeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Nullspannungsdetektor zusätzlich einen 90°-Phasenschieber mit nachfolgendem Nullspannungsschalter aufweist, so daß sowohl die Nulldurchgänge des Ladestromes i(t) als auch der Ausgangsspannung u1(t) erfaßt werden können. Hierdurch kann je nach Ansteuerung der Torschaltung der positive oder der negative Scheitelwert vom Impulszähler gezählt und der Anzeige zugeführt werden. Zur Steuerung und exakten Messung der Scheitelwerte müssen die Nulldurchgänge der Meßspannung sowie die des Ladestromes genau erfaßt werden. Die Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Wandlers ist gemäß der Erfindung proportional zum Ladestrom und eilt dessen Ausgangsspannung u1(t) um 90° voraus. Der 90°-Phasenschieber liefert eine Spannung, deren Nulldurchgänge mit denen der Ausgangsspannung u1(t) übereinstimmen.A preferred embodiment of the new measuring device is characterized in that the zero voltage detector additionally has a 90 ° phase shifter with subsequent zero voltage switch, so that both the zero crossings of the charging current i (t) and the output voltage u 1 (t) can be detected. In this way, depending on the control of the gate circuit, the positive or negative peak value can be counted by the pulse counter and sent to the display. In order to control and measure the peak values precisely, the zero crossings of the measuring voltage and that of the charging current must be recorded precisely. According to the invention, the output voltage of the current-voltage converter is proportional to the charging current and leads its output voltage u 1 (t) by 90 °. The 90 ° phase shifter supplies a voltage whose zero crossings match those of the output voltage u 1 (t).

Sowohl die Nulldurchgänge des Ladestromes als auch der Ausgangsspannung stehen am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers zur Steuerung der Torschaltung zur Verfügung. Über Nullspannungsdetektoren werden Rechteckspannungen gewonnen, die über eine geeignete Logikschaltung - beispielsweise in Form eines Rechners - je nach Programmierung die Messung des positiven oder des negativen Scheitelwertes ermöglichen.Both the zero crossings of the charging current and the Output voltage are at the output of the current-voltage converter to control the gate circuit. over Zero voltage detectors are obtained square wave voltages that via a suitable logic circuit - for example in the form of a Computer - depending on the programming, the measurement of the positive or enable the negative peak value.

Zweckmäßig ist es, am Eingang des Meßgrößenumformers eine Überspannungsschutzschaltung vorzusehen. Hierdurch wird der elektronische Teil der Meßeinrichtung gegen transiente Überspannungen bei Über- oder Durchschlägen am Meßkondensator oder am Prüfling geschützt. Abweichend von der bekannten Lösung ist die Überspannungsschutzschaltung wegen der praktisch auf Nullpotential liegenden Eingangsklemme des Meßgrößenumformers ohne Einfluß auf den Fehler der Meßeinrichtung. It is expedient to have a at the input of the transducer Surge protection circuit to be provided. This will electronic part of the measuring device against transients Overvoltages in the event of flashovers or breakdowns on the measuring capacitor or protected on the device under test. Deviates from the known solution Surge protection circuit because of the practically zero potential lying input terminal of the transducer without influence the error of the measuring device.  

Vorteilhaft ist es, die Gleichrichterschaltung als Vollweggleichrichter mit Präzisionswiderständen und PIN-Silizium-Di­ oden auszurüsten. Durch ausgesuchte Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und Dioden mit kleiner Sperrschicht­ kapazität und gleichem Durchlaßverhalten werden die Fehler des Gleichrichters minimiert. Bei Vollweggleichrichtung und teilweiser Glättung der Gleichspannung mit einem Kondensator hat das Ausgangssignal u1 der Gleichrichterschaltung einen geringeren Wechselspannungsanteil, so daß der nachgeschaltete Strom- Spannungs-Wandler eine zeitlich weniger veränderliche Eingangsspannung erhält und dieser somit geringere Anforderungen zu erfüllen braucht.It is advantageous to equip the rectifier circuit as a full-wave rectifier with precision resistors and PIN silicon diodes. The errors of the rectifier are minimized by selected resistors with a low temperature coefficient and diodes with a small junction capacitance and the same pass behavior. With full-wave rectification and partial smoothing of the DC voltage with a capacitor, the output signal u 1 of the rectifier circuit has a lower AC voltage component, so that the downstream current-voltage converter receives an input voltage that is less variable in time and thus needs to meet lower requirements.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist durch eine Kalibriereinrichtung mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeitgeber zur Ansteuerung der Torschaltung gekennzeichnet. Durch die weitgehende Frequenzunabhängigkeit der Meßeinrichtung von 162/3 Hz bis 300 Hz ist eine Kalibrierung mit Gleichspannung bei definierter Toröffnungszeit möglich. Der quarzgesteuerte Zeitgeber dient hierbei zum Öffnen der Torschaltung. Durch die Frequenzunabhängigkeit der Meßeinrichtung ergibt sich der besondere Vorteil, daß mit derselben Meßeinrichtung auch hohe Gleichspannungen gemessen werden können.A further embodiment of the invention is characterized by a calibration device with a direct voltage reference source and a quartz-controlled timer for controlling the gate circuit. The extensive frequency independence of the measuring device of 16 2/3 Hz to 300 Hz, a calibration with dc voltage at a defined gate opening is possible. The quartz-controlled timer is used to open the gate circuit. The frequency independence of the measuring device results in the particular advantage that even high DC voltages can be measured with the same measuring device.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Spannungs- Frequenz-Wandler und dem Impulszähler ein Rechner eingebaut ist, welcher die Torschaltung beinhaltet und diese in Abhängigkeit von der programmierten Betriebsart ansteuert. Der Rechner enthält also eine Logikschaltung, welche auch die Funktionen der Torschaltung ausübt. Somit werden dem Rechner die Ausgangssignale des Nullspannungsdetektors und des Spannungs-Frequenz-Wandlers zugeführt. In Abhängigkeit vom gewünschten Komfort der Meßeinrichtung kann der Rechner weitere Speicher- und Programmierfunktionen enthalten.It is also advantageous if between the voltage Frequency converter and the pulse counter a computer is built in which includes the gate circuit and this depending on the programmed operating mode. So the calculator contains a logic circuit, which also functions as a gate circuit  exercises. Thus, the output signals of the Zero voltage detector and the voltage-frequency converter fed. Depending on the comfort you want Measuring device, the computer can further memory and Programming functions included.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing schematically illustrated embodiments below explained. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit einem Hochspannungstransformator und einem Hochspannungskondensator, Fig. 1 is a block diagram of the measuring device according to the invention with a high voltage transformer and a high voltage capacitor,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des elektronischen Meßgrößenumformers der Meßeinrichtung der Fig. 1, Fig. 2 is a schematic diagram of the electronic Meßgrößenumformers of the measuring device of Fig. 1,

Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellte Signal- und Impulsdiagramme der Meßeinrichtung und Fig. 3 shown in dependence on the time signal and pulse diagrams of the measuring device and

Fig. 4 das Blockschaltbild einer Meßeinrichtung in einer gegenüber Fig. 1 erweiterten Ausführungsform, jedoch ohne Darstellung des Hochspannungstransformators und des Meßkondensators. Fig. 4 shows the block diagram of a measuring device in an expanded embodiment compared to Fig. 1, but without showing the high-voltage transformer and the measuring capacitor.

Zur Messung des Scheitelwerts hoher Wechselspannungen bis zu einigen 100 kV wird eine Meßeinrichtung beschrieben, die als Normal-Meßeinrichtung geeignet ist und zur Kalibrierung von im Prüffeld verwendeten Prüf-Meßeinrichtungen dient, welche für den Frequenzbereich von 162/3 Hz bis 300 Hz geeignet und nach einem anderen Meßprinzip aufgebaut sind.To measure the peak high AC voltages up to several 100 kV is a measuring device described which is suitable as a Normal-measuring device and serves for calibrating used in the test field test measuring devices, which suitable for the frequency range from 16 2/3 Hz to 300 Hz and are constructed according to a different measuring principle.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßeinrichtung arbeitet nach dem Prinzip von Chubb-Fortescue. Die Nachteile der nach diesem Meßprinzip gebauten Meßeinrichtungen, insbesondere die Meßfehler bei Zwischenmaxima der zu messenden hohen Wechselspannung, sowie Spannungsabfälle an Dioden, Überspannungsableitern und dem Meßwiderstand, werden bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung weitgehend vermieden. Bei dieser in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird die von einem Transformator 1 erzeugte hohe Wechselspannung u(t) an einen für diese Spannung ausgelegten Meßkondensator C gelegt. Die Niederspannungsklemme 2 des Meßkondensators C wird über eine Überspannungsschutzschaltung 3 dem Eingang eines gestrichelt angedeuteten elektronischen Meßgrößenumformers 4 zugeführt.The measuring device shown in Fig. 1 works on the principle of Chubb-Fortescue. The disadvantages of the measuring devices built according to this measuring principle, in particular the measuring errors at intermediate maxima of the high AC voltage to be measured, and voltage drops across diodes, surge arresters and the measuring resistor, are largely avoided in the measuring device according to the invention. In this measuring device according to the invention shown in FIG. 1, the high alternating voltage u (t) generated by a transformer 1 is applied to a measuring capacitor C designed for this voltage. The low-voltage terminal 2 of the measuring capacitor C is supplied via an overvoltage protection circuit 3 to the input of an electronic transducer 4 indicated by a broken line.

Der Meßgrößenumformer 4 besteht aus einem aktiven Strom-Spannungs-Wan­ ler 5 mit einem Meßwiderstand R im Rückkopplungszweig, dessen Ausgang u1(t) einer nachgeschalteten aktiven Gleichrichterschaltung 6 und zugleich einem Nullspannungsdetektor 7 zugeleitet wird. Die Gleichrichterschaltung 6 liefert an ihrem Ausgang eine Gleichspannung u1, die am Eingang eines nachgeschalteten Spannungs- Frequenz-Wandlers 8 anliegt. Die von der Ausgangsspannung u1(t) des Strom-Spannungs-Wandlers 5 abgeleitete Nullspannungsimpulse If, sowie die vom Spannungs-Frequenz-Wandler 8 erzeugte und ausgegebene Impulsfolgefrequenz fm, werden einer Torschaltung 9 eingegeben.The transducer 4 consists of an active current-voltage converter 5 with a measuring resistor R in the feedback branch, the output u 1 (t) of which is fed to a downstream active rectifier circuit 6 and a zero voltage detector 7 at the same time. The rectifier circuit 6 supplies a DC voltage u 1 at its output, which is present at the input of a downstream voltage-frequency converter 8 . The zero-voltage pulses I f derived from the output voltage u 1 (t) of the current-voltage converter 5 , and the pulse repetition frequency f m generated and output by the voltage-frequency converter 8 are input to a gate circuit 9 .

Die Torschaltung 9 stellt an ihrem Ausgang eine der Impulsfolgefrequenz fm entsprechende Anzahl von Impulsen N bereit, die einem Impulszähler 10 eingegeben werden. Die vom Impulszähler 10 ausgegebene Impulszahl N' dient zur Ansteuerung einer Digitalanzeige 11. Von letzterer wird, ggf. je nach Betriebsart, der positive oder negative Scheitelwert US der hohen Wechselspannung u(t) angezeigt. The gate circuit 9 provides at its output a number of pulses N corresponding to the pulse repetition frequency f m , which are input to a pulse counter 10 . The pulse number N 'output by the pulse counter 10 is used to control a digital display 11 . Depending on the operating mode, the latter shows the positive or negative peak value U S of the high alternating voltage u (t).

Weiterhin kann eine Kalibriereinrichtung 12, vgl. Fig. 4, mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeitgeber zur Ansteuerung der Torschaltung mit dem Eingang der Meßeinrichtung verbunden werden.Furthermore, a calibration device 12 , cf. Fig. 4, are connected to a DC voltage reference source and a quartz-controlled timer for controlling the gate circuit with the input of the measuring device.

Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird der Ladestrom i(t) = C.du/dt des Meßkondensators C durch den Strom-Spannungs-Wandler 5 in die proportionale Ausgangsspannung u1(t) = R.i(t) umgewandelt. Der Meßwiderstand R ist gemäß Fig. 2 im Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers OP1 des aktiven Strom-Spannungs-Wandlers 5 angeordnet. Der Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers 5 und damit auch die Niederspannungsklemme 2 des Meßkondensators C liegen dadurch praktisch auf Nullpotential, da die wirksame Eingangsimpedanz, die sich aus dem Meßwiderstand R, dividiert durch die hohe Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers OP1 ergibt, sehr klein ist. Da infolgedessen stets die gesamte hohe Wechselspannung u(t) am Meßkondensator C liegt, können auch kleinere Spannungen im Bereich von 1 kV, mit der gleichen geringen Meßunsicherheit gemessen werden, wie größere Spannungen.In the measuring device according to the invention, the charging current i (t) = C.du / dt of the measuring capacitor C is converted by the current-voltage converter 5 into the proportional output voltage u 1 (t) = Ri (t). The measuring resistor R is arranged according to FIG. 2 in the feedback branch of an operational amplifier OP1 of the active current-voltage converter 5 . The input of the current-voltage converter 5 and thus also the low-voltage terminal 2 of the measuring capacitor C are therefore practically at zero potential, since the effective input impedance, which results from the measuring resistor R divided by the high no-load gain of the operational amplifier OP1, is very small. As a result, the entire high AC voltage u (t) is always at the measuring capacitor C, even smaller voltages in the range of 1 kV can be measured with the same low measurement uncertainty as larger voltages.

Die als aktiver Vollweggleichrichter ausgebildete Gleichrichterschaltung 6 enthält ausgesuchte Zeranin-Widerstände R1 und R2 (Präzisionswiderstände) mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und PIN-Silizium-Dioden D1 und D2 mit kleiner Sperrschichtkapazität und gleichem Durchlaßverhalten. Die Gleichrichterschaltung 6 enthält einen driftkompensierten Operationsverstärker OP2, der so geschaltet ist, daß die Torzeit beim Stromübergang von einer Diode D1 bzw. D2 auf die andere vernachlässigbar ist. Ein die gleichgerichtete Spannung verstärkender Operationsverstärker OP3 ist ohne einen Kondensator C1 ein Additionsverstärker und liefert die Gleichspannung eines idealen Vollweggleichrichters. Die vom OP3, d. h. von der Gleichrichterschaltung 6 ausgegebene Gleichspannung u1 wird im Spannungs-Frequenz-Wandler 8 in Impulse der Impulsfolgefrequenz fm = A.u1 umgewandelt. Hierbei ist A der Umwandlungsfaktor des Spannungs-Frequenz-Wandlers 8. Zur Öffnung der Torschaltung 9 für eine Anzahl Perioden p der hohen Wechselspannung u(t) mit der Frequenz f werden im Nullspannungsdetektor 7 des Meßgrößenumformers 4 Impulse If aus den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung u1 (t) abgeleitet. Innerhalb der Toröffnungszeiten werden N = p.fm/f Impulse des Spannungs-Frequenz-Wandlers 8 dem Impulszähler 10 zugeführt. Die der eingegangenen Anzahl von Impulsen N entsprechende Anzahl von ausgegebenen Impulsen N' werden der Anzeige 11 zugeleitet und durch diese digital dargestellt. Der Scheitelwert der zu messenden hohen Wechselspannung u(t) ergibt sich damit unmittelbar aus der Anzeige zu:
The rectifier circuit 6 , which is designed as an active full-wave rectifier, contains selected zeranin resistors R 1 and R 2 (precision resistors) with a low temperature coefficient and PIN silicon diodes D 1 and D 2 with a small junction capacitance and the same pass behavior. The rectifier circuit 6 contains a drift-compensated operational amplifier OP2, which is connected such that the gate time during the current transition from one diode D 1 or D 2 to the other is negligible. An operational amplifier OP3 amplifying the rectified voltage is an addition amplifier without a capacitor C 1 and supplies the DC voltage of an ideal full-wave rectifier. The direct voltage u 1 output by the OP3, ie by the rectifier circuit 6 , is converted in the voltage-frequency converter 8 into pulses of the pulse repetition frequency f m = Au 1 . Here, A is the conversion factor of the voltage-frequency converter 8 . To open the gate circuit 9 for a number of periods p of the high alternating voltage u (t) with the frequency f, 4 pulses I f are derived from the zero crossings of the output voltage u 1 (t) in the zero voltage detector 7 of the measured variable converter. Within the gate opening times N = pf m / f pulses of the voltage-frequency converter 8 are fed to the pulse counter 10 . The number of output pulses N 'corresponding to the number of pulses N received is sent to the display 11 and represented digitally by it. The peak value of the high AC voltage u (t) to be measured thus results directly from the display:

U = N/4pARC = Scheitelspannung US,
U = N / 4pARC = peak voltage U S ,

mit
A = Umwandlungsfaktor des Spannungs-Frequenz-Wandlers 8 in 1/Vs
R = Wert des Meßwiderstands in Ohm
C = Kapazität des Meßkondensators in As/V
p = Periodenzahl der hohen Wechselspannung u(t).With
A = conversion factor of the voltage-frequency converter 8 into 1 / Vs
R = value of the measuring resistance in ohms
C = capacitance of the measuring capacitor in As / V
p = number of periods of high alternating voltage u (t).

Die Überspannungsschutzschaltung 3 schützt die Elektronik, insbesondere den Meßgrößenumformer 4, gegen transiente Überspannungen. Sie ist nach dem Prinzip der Mehrfachableitung aufgebaut. Hierbei wird im Störfall der Strom durch ein Feinschutzelement begrenzt und ein Gasableiter gezündet. Eine solche Überspannungsschutzschaltung 3 liegt sowohl im Stromkreis der Signalleitung 13 als auch der Schirmleitung 14 des Meßkondensators C, da im Augenblick eines Über- oder Durchschlags durch vorhandene Erdungsinduktivitäten Spannungen bis zu einigen kV auf der Schirmleitung 14 auftreten können. Gasableiter, Varistoren und Filter in der Netzversorgung verhindern, daß Überspannungen über die Versorgungsleitung und das Netzteil in die elektronische Schaltung gelangen.The overvoltage protection circuit 3 protects the electronics, in particular the transducer 4 , against transient overvoltages. It is constructed on the principle of multiple derivation. In the event of a fault, the current is limited by a fine protection element and a gas arrester is ignited. Such an overvoltage protection circuit 3 is located in the circuit of the signal line 13 as well as the shield line 14 of the measuring capacitor C, since voltages of up to a few kV can occur on the shield line 14 at the moment of a breakdown or breakdown due to existing grounding inductances. Gas arresters, varistors and filters in the mains supply prevent overvoltages from reaching the electronic circuit via the supply line and the power pack.

Durch die Frequenzunabhängigkeit der Meßeinrichtung im Frequenzbereich von 162/3 Hz bis 300 Hz ist eine Kalibrierung außer mit Wechselstrom auch mit Gleichstrom bei definierter Toröffnungszeit möglich. Um von externen Kalibriereinrichtungen unabhängig zu sein, enthält die Meßeinrichtung eine Gleichstrom-Re­ ferenzquelle und einen quarzgesteuerten Zeitgeber zum Schalten der Torschaltung 9. Damit läßt sich die Meßeinrichtung jederzeit z. B. bei 0,1% und bei 100% des Meßbereichsendwertes kalibrieren.By the frequency independence of the measuring device in the frequency range from 16 2/3 Hz to 300 Hz, a calibration is out with alternating current and with direct current at a defined gate opening possible. In order to be independent of external calibration devices, the measuring device contains a direct current reference source and a quartz-controlled timer for switching the gate circuit 9 . So that the measuring device can be z. B. calibrate at 0.1% and 100% of the full scale value.

Der zeitliche Ablauf eines Meßzyklus ohne Kondensator C1 in der Gleichrichterschaltung 6 ist der Fig. 3 zu entnehmen. Zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge des Ladestroms i(t) des Meßkondensators C wird das Tor geöffnet bzw. geschlossen, so daß während der Toröffnungszeit die Impulse N dem Impulszähler 10 zugeführt werden. In den Nulldurchgängen sind die Abstände der zu zählenden Impulse größer als zu den anderen Zeiten, so daß Fehlzählungen durch endliche Öffnungs- und Schließzeiten der Torschaltung 9 weitgehend ausgeschlossen sind. The timing of a measurement cycle without capacitor C 1 in the rectifier circuit 6 can be seen in FIG. 3. At the time of the zero crossings of the charging current i (t) of the measuring capacitor C, the gate is opened or closed, so that the pulses N are supplied to the pulse counter 10 during the gate opening time. In the zero crossings, the intervals of the pulses to be counted are larger than at the other times, so that incorrect counts due to finite opening and closing times of the gate circuit 9 are largely excluded.

Die in Fig. 4 dargestellte erweiterte Ausführungsform der Meßeinrichtung ist ohne Hochspannungstransformator 1 und auch ohne Meßkondensator C dargestellt. Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält der Nullspannungsdetektor 7 der Meßeinrichtung nach Fig. 4 zusätzlich einen 90°-Phasenschieber 15, dem ein Nullspannungsdetektor 16 nachgeschaltet ist. Durch die Phasendrehung stehen neben den Nullspannungsimpulsen If aus den Nulldurchgängen des Ladestroms i(t) auch die Nullspannungsimpulse If-90° aus den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung u1(t) zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Über die Nullspannungsdetektoren 14 und 16 werden Rechtecksignale gewonnen, die zur Steuerung des Rechners 18 dienen, welcher auch die Funktionen der Torschaltung 9 gemäß Fig. 1 beinhaltet. Durch geeignete Programmierung des Rechners 18 können wahlweise drei Betriebsarten durchgeführt werden. Es können der positive Scheitelwert, der negative Scheitelwert oder der Mittelwert aus positivem und negativem Scheitelwert gemessen und von der Anzeige 11 des Impulszählers 10 angezeigt werden. Im Rechner 18 werden store- und reset-Signale gebildet, die nach einer erfolgten Messung den Wert in die Anzeige bringen und den Impulszähler 10 für eine neue Messung zurücksetzen. Während das reset-Signal nach jeder Messung den Stand des Impulszählers 10 auf Null setzt, kann über eine hold-Funk­ tion die Ausgabe des aktuellen Wertes blockiert werden. Mit einem Potentiometer kann der Zeitraum zwischen zwei angezeigten Meßwerten variiert werden. Die hold-Funktion wird aktiviert, wenn beispielsweise die zu messende hohe Wechselspannung u(t) abgeschaltet wird. Hierzu ist eine Signalspeichereinrichtung 19 erforderlich, damit der Rechner 18 die entsprechende Information erhalten kann. Weiterhin steht der Rechner 18 mit einer Wahlschaltung 20 in Verbindung, mit der die verschiedenen Betriebsarten eingestellt werden können.The extended embodiment of the measuring device shown in FIG. 4 is shown without high-voltage transformer 1 and also without measuring capacitor C. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, the zero voltage detector 7 of the measuring device according to FIG. 4 additionally contains a 90 ° phase shifter 15 , which is followed by a zero voltage detector 16 . Due to the phase shift, in addition to the zero voltage pulses I f from the zero crossings of the charging current i (t), the zero voltage pulses I f-90 ° from the zero crossings of the output voltage u 1 (t) are also available for further processing. Rectangular signals are obtained via the zero voltage detectors 14 and 16 , which are used to control the computer 18 , which also includes the functions of the gate circuit 9 according to FIG. 1. By suitably programming the computer 18 , three operating modes can optionally be carried out. The positive peak value, the negative peak value or the mean value of the positive and negative peak value can be measured and displayed by the display 11 of the pulse counter 10 . Store and reset signals are formed in the computer 18 , which display the value after a measurement has been carried out and reset the pulse counter 10 for a new measurement. While the reset signal sets the pulse counter 10 to zero after each measurement, the output of the current value can be blocked via a hold function. The time period between two displayed measured values can be varied with a potentiometer. The hold function is activated when, for example, the high AC voltage u (t) to be measured is switched off. This requires a signal storage device 19 so that the computer 18 can receive the corresponding information. Furthermore, the computer 18 is connected to a selector circuit 20 with which the various operating modes can be set.

Claims (6)

1. Meßeinrichtung zur Bestimmung des Scheitelwerts einer hohen Wechselspannung (u(t)) mit einem an dieser angeschlossenen Meßkondensator (C), der niederspannungsseitig am Eingang eines Meßgrößenumformers (4) angeschlossen ist, in welchem über einen Meßwiderstand (R) und eine Gleichrichterschaltung (6) aus dem Ladestrom (i(t)) des Meßkondensators (C) eine dem Ladestrom (i(t)) proportionale Gleichspannung (u1) erzeugt und diese einem Spannungs-Frequenz-Wandler (8) zugeführt wird, der eine zur Gleichspannung (u1) proportionale mittlere Impulsfolgefrequenz (fm) erzeugt, die größer ist als die Frequenz (f) der hohen Wechselspannung (u(t)), daß die Impulsfolgefrequenz (fm) am Eingang einer Torschaltung (9) anliegt, die von einem die Nulldurchgänge der hohen Wechselspannung (u(t)) detektierenden Nullspannungsdetektor (7) für die Dauer einer vorwählbaren Anzahl von Perioden der hohen Wechselspannung (u(t)) angesteuert wird, und daß die Ausgangssignale (Impulse N) der Torschaltung (9) am Eingang eines Impulszählers (10) anliegen und die je Torzeit ausgegebene Anzahl von Impulsen (N) einer Anzeige (11) zugeführt werden, welche den der Anzahl der Impulse (N) entsprechenden Scheitelwert der hohen Wechselspannung (u(t)) anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgrößenumformer (4) eingangsseitig einen aktiven Strom-Spannungs-Wandler (5) mit einem Rückkopplungskreis aufweist, daß der Meßwiderstand (R) im Rückkopplungskreis des Strom-Spannungs-Wandlers (5) liegt, daß am Eingang des Strom- Spannungs-Wandlers (5) der Meßkondensator (C) niederspannungs­ seitig unmittelbar oder über eine Überspannungsschutzschaltung (3) angeschlossen ist und der Strom-Spannungs-Wandler (5) eine dem Ladestrom (i(t)) proportionale Ausgangsspannung (u1(t)) ausgibt, daß am Nullspannungsdetektor (7) die Ausgangsspannung (u1(t)) angeschlossen ist, daß die Ausgangsspannung (u1(t)) auch der als aktiver Vollweggleichrichter ausgebildeten Gleichrichterschaltung (6) zugeführt wird und daß die von der Gleichrichterschaltung (6) ausgegebene Gleichspannung (u1) am Eingang des Spannungs-Frequenz-Wan­ dlers (8) anliegt.1.Measuring device for determining the peak value of a high AC voltage (u (t)) with a measuring capacitor (C) connected to it, which is connected on the low voltage side to the input of a transducer ( 4 ), in which a measuring resistor (R) and a rectifier circuit ( 6 ) generates a direct voltage (u 1 ) proportional to the charging current (i (t)) from the charging current (i (t)) of the measuring capacitor (C) and this is fed to a voltage-frequency converter ( 8 ), which is one for direct voltage (u 1 ) generated proportional pulse repetition frequency (f m ), which is greater than the frequency (f) of the high alternating voltage (u (t)), that the pulse repetition frequency (f m ) is present at the input of a gate circuit ( 9 ) by one of the zero crossings of the high alternating voltage (u (t)) detecting zero voltage detector ( 7 ) is driven for the duration of a preselectable number of periods of the high alternating voltage (u (t)), and that the output signals (pulses N) the gate circuit ( 9 ) is applied to the input of a pulse counter ( 10 ) and the number of pulses (N) output per gate time is fed to a display ( 11 ) which shows the peak value of the high AC voltage (u (t)), characterized in that the measured variable converter ( 4 ) has an active current-voltage converter ( 5 ) on the input side with a feedback circuit, that the measuring resistor (R) is in the feedback circuit of the current-voltage converter ( 5 ), that at the input of the current-voltage converter ( 5 ) the measuring capacitor (C) on the low-voltage side is connected directly or via an overvoltage protection circuit ( 3 ) and the current-voltage converter ( 5 ) has an output voltage proportional to the charging current (i (t)) (u 1 (t)) outputs that the output voltage (u 1 (t)) is connected to the zero voltage detector ( 7 ), that the output voltage (u 1 (t)) is also designed as an active full-wave rectifier th rectifier circuit ( 6 ) is supplied and that the DC voltage (u 1 ) output by the rectifier circuit ( 6 ) is present at the input of the voltage-frequency converter ( 8 ). 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullspannungsdetektor (7) zusätzlich einen 90°-Phasenschieber (15) und einen von diesem angesteuerten Nullspannungsschalter (16) zur Erfassung der Nulldurchgänge des Ladestromes (i(t)) aufweist und daß die Ansteuerung der Torschaltung (9 bzw. 18) derart erfolgt, daß entweder in einer ersten Betriebsart der positive oder in einer zweiten Betriebsart der negative Scheitelwert oder in einer dritten Betriebsart der Mittelwert aus positivem und negativem Scheitelwert durch die Anzeige (11) angezeigt wird bzw. anzeigbar ist.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the zero voltage detector ( 7 ) additionally has a 90 ° phase shifter ( 15 ) and a zero voltage switch ( 16 ) controlled by this for detecting the zero crossings of the charging current (i (t)) and that The gate circuit ( 9 or 18 ) is controlled in such a way that the positive peak value is displayed in a first operating mode or the negative peak value in a second operating mode or the mean value of positive and negative peak value is displayed by the display ( 11 ) or can be displayed. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Gleichrichterschaltung (6) als Vollweggleichrichter mit Präzisionswiderständen und PIN-Silizium-Di­ oden ausgeführt ist. 3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the active rectifier circuit ( 6 ) is designed as a full-wave rectifier with precision resistors and PIN silicon diodes. 4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D1, D2) der Gleichrichterschaltung (6) eine kleine Sperrschichtkapazität und gleiches Durchflußverhalten besitzen.4. Measuring device according to claim 3, characterized in that the diodes (D 1 , D 2 ) of the rectifier circuit ( 6 ) have a small junction capacitance and the same flow behavior. 5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kalibriereinrichtung (12) mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeit­ geber zur Ansteuerung der Torschaltung (9 bzw. 18) aufweist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a calibration device ( 12 ) with a DC voltage reference source and a quartz-controlled timer for controlling the gate circuit ( 9 or 18 ). 6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spannungs-Frequenz-Wandler (8) und dem Impulszähler (10) ein Rechner (18) eingebaut ist, welcher die Torschaltung (9) beinhaltet und diese in Abhängigkeit von der programmierten Betriebsart ansteuert.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a computer ( 18 ) is installed between the voltage-frequency converter ( 8 ) and the pulse counter ( 10 ), which includes the gate circuit ( 9 ) and this in dependence controlled by the programmed operating mode.
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