DE4309792A1 - Vereinfachte Erfassung von Wechselgrößen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur genäherten Er­ fassung der Änderung der Amplitude einer sinusförmigen Wechselgröße mit konstanter Frequenz sowie auf eine Einrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Messung von sinusförmigen Wechselgrößen, z. B. Wechsel­ strömen, werden im allgemeinen Stromwandler oder Shunts ver­ wendet, deren Meßspannung zum Zweck der digitalten Verarbei­ tung einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden. Dieser Weg ist zwar genau, jedoch reichen in vielen Fällen wesent­ lich ungenauere Maßzahlen über den Stromverlauf für die Er­ fassung von Überströmen oder zur sonstigen Stromüberwachung.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der obengenannten Art zu schaffen, mit dem sich die re­ lative Änderung der Amplitude der Wechselgröße auf einfache Weise näherungsweise durch eine Maßzahl erfassen läßt. Zu­ dem soll auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens bereitgestellt werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merk­ malen nach Anspruch 1. Hierbei wird die Zeitdauer gemessen, die zwischen zwei Zeitpunkt vergeht, in denen die Wechsel­ größe zwei konstant gehaltene Schwellwerte durchläuft.

Einer der Vorteile der Erfassung der relativen Änderung der Amplitude der Wechselgröße mit Schwellwerten ist, daß bei gegenüber den Schwellwerten kleineren Wechselgrößen erst gar keine Messung erfolgt und mit Zunahme der Amplitude der Wechselgröße die Messung schneller und linearer wird. Auf­ grund dieses Verhaltens ist die Meßmethode zur Erfassung sinusförmiger Ströme als Wechselgröße besonders geeignet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist gegeben, wenn die beiden Schwellwerte symmetrisch zum Nullpunkt der Wechselgröße liegen.

Wird die Zeitdauer durch Impulszählung einer festen weite­ ren Frequenz digitalisiert, so ergibt sich hiermit als wei­ terer Vorteil eine Unempfindlichkeit der Meßmethode gegen­ über großen Wechselgrößen, d. h. z. B. hohen Strömen, da ober­ halb eines Maximalstromes - gegeben durch die Zählfrequenz - der Zählerstand eines Zählers zur Impulszählung 0 oder 1 beträgt und damit das Überschreiten einer oberen Überstrom­ grenze anzeigt.

Wird diese Meßmethode in einem Überstromauslöser, beispiels­ weise zur Steuerung der Abschaltverzögerung verwendet, so ist es nicht notwendig, den wahren Stromwert zu bestimmen, sondern die gewünschten Auslösezeiten können auch dem Rezi­ prokwert zugeordnet werden. Die Zuordnung kann fest vorgege­ ben sein, durch eine logische Verarbeitung bestimmt werden oder frei programmierbar sein.

Ein besonders zweckmäßig ausgestaltetes Verfahren ist gege­ ben, wenn die zu erfassende Meßgröße einer Schwellwertstufe zugeführt wird, die beim Durchlauf der beiden Schwellwerte jeweils einen Schwellwertimpuls erzeugt und diesen einer Kippstufe zuführt, die daraufhin einen der Zeitdauer zwi­ schen den Schwellwertimpulsen entsprechend breiten Impuls erzeugt und wenn der Impuls und ein von einem Oszillator erzeugtes Impulssignal fester Frequenz einem UND-Gatter zugeführt wird, an dessen Ausgang eine Folge von einer der Zeitdauer entsprechenden Anzahl von Impulsen ansteht, die von einem Zähler aufgenommen werden und als Digitalwert an seinem Ausgang anstehen.

Zur Durchführung obengenannten Verfahrens ist im Hinblick auf einfache und kostengünstige Realisierung eine Einrich­ tung geeignet mit einer Schwellwertstufe zur Aufnahme der zu erfassenden Meßgröße und dazu in Reihe geschaltet eine Kipp­ stufe, ein UND-Gatter sowie ein Zähler, wobei an das UND-Gatter eingangsseitig zusätzlich ein Oszillator geschaltet ist und der Zähler zur Synchronisation eingangsseitig mit einem Ausgang der Schwellwertstufe verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung erhält man, wenn die Wechselgröße ein sinusförmiger Wechselstrom ist und die Schwellwertstufe zur Erzeugung von Schwellwerten einen Stromwandler umfaßt, dessen Eisenkern eine Z-Charakte­ ristik aufweist.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung wiedergege­ benen Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen sinusförmigen Stromverlauf,

Fig. 2 eine Schaltung zur digitalen Erfassung des sinusför­ migen Stromverlaufs nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Z-förmigen Magnetisierungsverlauf eines Eisen­ kerns.

Fig. 1 zeigt den Verlauf einer Wechselgröße, hier als Beispiel den eines sinusförmigen Stroms i = I · sin (2·π·F·t) mit der konstanten Frequenz F und mit der Amplitude I, wobei der Stromverlauf über der veränderlichen Zeit t aufgetragen ist. Die Steilheit des Stromes i im Strom-Nulldurchgang beträgt

Näherungsweise entspricht dieser Steilheit die Differenz zweier Schwellwerte S2-S1 bezogen auf eine Zeitdauer T, wobei folgendes gilt:

Demzufolge bietet es sich an, zur näherungsweisen Erfassung eines sinusförmigen Stroms i mit fester Frequenz F die Zeit­ dauer T zu messen, da diese umgekehrt proportional der zu messenden Stromamplitude I ist.

Die Zeitdauer T als Maßzahl zur näherungsweisen Erfassung vom Amplitudenänderungen läßt sich auch mit Hilfe von zwei beliebigen, während der Messung konstant gehaltenen Schwell­ werten S1, S2 ableiten. Jedoch wird die Messung durch Wahl zweier zur Zeitachse symmetrisch liegender Schwellwerte S1, S2 vereinfacht.

In Fig. 2 ist eine Schaltung zur digitalen Erfassung der ge­ nannten Zeitdauer T dargestellt. Der zu messende Strom i konstanter Frequenz F wird einer Schwellwertstufe 1 zuge­ führt, die bei Durchlaufen der Schwellwerte S1, S2 jeweils einen Schwellwertimpuls A bzw. B erzeugt, die beide vonein­ ander im zu messenden zeitlichen Abstand T auseinanderliegen. Eine Kippstufe 2, ein UND-Gatter 3 und ein Zähler 4 sind in der genannten Reihenfolge der Schwellwertstufe 1 in Reihe geschaltet. Vom Ausgang der Schwellwertstufe 1 werden die Schwellwertimpulse A, B an die Kippstufe 2 weitergeleitet, die daraufhin einen in seiner Breite der Zeitdauer T zwischen den Schwellwertimpulsen A, B entsprechenden Impuls C an das UND-Gatter 3 führt. Dieses ist eingangsseitig noch mit einem Oszillator 5 verbunden, von dem es ein Impulssignal D fester Frequenz F0 erhält, und übergibt als Ausgangssignal E an den Zähler 4 eine Folge von einer der Zeitdauer T entsprechenden Anzahl von Impulsen. Im Zähler 4 werden diese Impulse für jede Messung summiert und die Summe als Digitalwert aus­ gangsseitig für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung ge­ stellt. Zu Beginn jeder Messung wird der Zähler 4 aufgrund des ihm ebenfalls zugeführten, jeweils erstauftretenden Schwellwertimpulses auf 0 zurückgesetzt.

Abweichend von der Schaltung nach Fig. 2 können die Schwell­ wertimpulse A, B auch gleich einem Mikroprozessor zugeführt werden, in welchem auf diese oder ähnliche Weise der Rezi­ prokwert des Stromes I oder der Strom I selbst errechnet werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Z-förmigen Magnetisierungsverlauf eines Eisenkerns, wie er beispielsweise bei Speicherkernen in der Rechentechnik verwendet wird. Hierin ist Is der Strom-Schwell­ wert, dem die magnetische Feldstärke Hs entspricht, bei der die magnetische Induktion B sich sprunghaft ändert. Mit Hilfe eines Stromwandlers mit einem solchen Eisenkern lassen sich aus dem Überschreiten der Schwellwerte S1, S2 besonders einfach Spannungsimpulse u ableiten.

Claims (7)

1. Verfahren zur genäherten Erfassung der Amplitude sowie deren Änderung einer im wesentlichen sinusförmigen Wechsel­ größe mit konstanter Frequenz F durch Messung der Zeitdauer T, die zwischen zwei Zeitpunkten T1, T2 vergeht, in denen die Wechselgröße zwei konstant gehaltene Schwellwerte S1, S2 durchläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselgröße ein im wesentlicher sinusförmiger Strom ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwellwerte S1, S2 symmetrisch zum Nullpunkt der Wechselgröße liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer T durch Impulszählung einer festen weiteren Frequenz F0 digitali­ siert ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erfassende Meßgröße einer Schwellwertstufe (1) zugeführt wird, die beim Durchlauf der beiden Schwellwerte S1, S2 je­ weils einen Schwellwertimpuls A, B erzeugt und diesen einer Kippstufe (2) zuführt, die daraufhin einen der Zeitdauer T zwischen den Schwellwertimpulsen A, B entsprechend breiten Impuls C erzeugt und daß der Impuls C und ein von einem Os­ zillator (5) erzeugtes Impulssignal D der Frequenz F0 einem UND-Gatter (3) zugeführt wird, an dessen Ausgang eine Folge von einer der Zeitdauer T entsprechenden Anzahl von Impulsen E ansteht, die von einem Zähler (4) aufgenommen werden und als Digitalwert an seinem Ausgang anstehen.

6. Einrichtung zur genäherten Erfassung der Änderung der Amplitude einer sinusförmigen Wechselgröße mit konstan­ ter Frequenz gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Schwellwertstufe (1) zur Aufnahme der zu erfassenden Meßgröße und dazu in Reihe geschaltet eine Kippstufe (2), ein UND-Gatter (3) sowie ein Zähler (4), wobei an das UND-Gatter (3) eingangsseitig zusätzlich ein Oszillator (5) ge­ schaltet ist und der Zähler (4) zur Synchronisation eingangs­ seitig mit einem Ausgang der Schwellwertstufe (1) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wechselgröße ein sinus­ förmiger Wechselstrom ist und die Schwellwertstufe zur Er­ zeugung von Schwellwerten einen Stromwandler umfaßt, dessen Eisenkern eine Z-Charakteristik aufweist.