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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines
elektronischen Elektrizitätszählers mit
einem Wandler, der geeignet ist, mindestens ein analoges Eingabesignal
zu empfangen und ein digitales Ausgabesignal zu liefern, welches mindestens
von dem Wert des Eingabesignals abhängt.
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Wandler
dieser Art, die in der Messtechnik benutzt werden, umfassen beispielsweise
einen Gegenwirkleitwandler, der geeignet ist, Spannungs- und Stromeingabesignale
zu empfangen und ein die Momentanleistung darstellendes Pulssignal
auszugeben. In diesem Fall hängt
die Frequenz des Pulssignals von den multiplizierten Spannungs-
und Stromwerten ab. Ein ähnlicher
Wandler ist der, der als Raum-Markier-Größenordnung oder MSA-Wandler bekannt
ist. Noch kürzlicher
sind elektronische Elektrizitätszähler vorgeschlagen
worden, welche Sigma-Delta-Wandler anwenden, um eine der gemessenen
Spannung und dem Strom entsprechende digitale Ausgabe zu liefern,
entweder als einzelne isolierte Werte oder wie bei der Gegenwirkleit-
oder MSA-Vorrichtung, als einen der zusammen multiplizierten Spannung
und Strom darstellenden Wert.
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Ein
Beispiel eines Elektrizitätszählers mit
einem MSA Wandler wird in den europäischen Patentschriften
EP 0296968 ,
EP 0296966 gezeigt. Auf gleiche Weise
werden Beispiele eines doppelten Sigma-Delta-Wandlers zur Lieferung
von multiplizierter Spannungs- und Stromausgabe in den Patentschriften
EP 0607711 ,
EP 0607712 und in der französischen
Patentschrift FR 2570854 beschrieben.
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Herkömmlicherweise
wurde das Kalibrieren solcher Wandler innerhalb des Zählers auf
verschiedene Arten durchgeführt.
In dem einfachsten und geläufigsten
Kalibrierverfahren wird der analoge Eingabewert der online Spannung über einen
Spannungsteiler geführt,
wobei der Wert einer der Widerstände in
dem Teiler während
des Kalibrierschritts eingestellt wird, beispielsweise durch Lasertrimmen
des Widerstandes. Andere Verfahren umfassen die Anwendung von EE-Potentiometern
(wesentlich ein elektronisches Potentiometer) und R-2R Leitern,
welche entweder von einem Mikroprozessor gesteuert werden oder durch
Bohrspuren eingestellt werden. Von diesen Verfahren ist das Lasertrimmen
relativ preisgünstig
und am geläufigsten,
leidet aber an Präzisionsmangel,
wobei die Anwendung von spezifischen elektronischen Teilen in den
anderen Verfahren die Kosten der Vorrichtung stark erhöhen.
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Alternative
Kalibrierverfahren sind auf die Verarbeitung der pulsierten Ausgabe
in einem Mikroprozessor innerhalb des Zählers gerichtet. In dem Falle
einer solchen Nachbearbeitung kann die Verzögerung, die aufgrund der benötigten Zeit,
die zur Ansammlung der pulsierten Ausgabe eingeführt wird, zu Präzisionsproblemen über kurze
Zeitspannen führen, insbesondere
wenn die Frequenz der Pulsausgabe des Wandlers nicht sehr hoch ist,
was oft der Fall ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kalibrierverfahren zu liefern,
welches die Nachteile der Verfahren des bisherigen Standes der Technik überwältigt und
sie gewährleistet
eine einfache und kostengünstige
Art, eine Kalibrierung des Eingabesignals durchzuführen.
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das analoge
Eingabesignal dem Wandler über
ein Gatewiderstandteil zugeführt
wird, wobei das Widerstandteil einem Betriebssignal entsprechend
ein- und ausgestellt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Ein- und
Auszeiten aufgrund eines äußeren Vergleichs
zwischen den Eingabe- und Ausgabewerten ausgewählt wird, um den digitalen Ausgabewert
hinsichtlich der analogen Eingabe zu kalibrieren.
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Der äußere Vergleich
zwischen der Eingabe und Ausgabe und die entstehende Einstellung
des Betriebszyklus kann von einem Techniker oder einem automatischen
Standgerät
durchgeführt
werden. Was geschätzt
wird, ist, dass der umschlagende Betriebszyklus den Eingabewert
zwischen einem Grundwert und einem zweiten Wert schaltet, wenn er über das
Widerstandteil geführt
wird, und die über eine
Zeitdauer von dem Wandler ermittelte Spannung ein Durchschnitt dieser
beiden Werte sein wird. Das Erzeugen eines solchen Betriebssignals
ist relativ einfach und kann von den einfachsten Mikroprozessoren
durchgeführt
werden.
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Gleicherweise
sind die Hardwareteile, die zur Durchführung der Erfindung benötigt sind
recht einfach. In einer Ausführungsform
kann das Eingabesignal über
einen Widerstandteiler zugeführt
werden, mit einem ersten und zweiten zusammen gereihten Widerstand
mit einem dritten Gatewiderstand parallel zu dem zweiten Widerstand,
wobei die Spannung über
den zweiten und dritten Widerständen
in den Wandler eingegeben werden.
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Vorzugsweise
kann das Betriebssignal von einem Mikroprozessor geliefert werden,
der geeignet ist, ein oder mehrere Betriebssignalschemen zu speichern.
Typischerweise werden eine Serie von Betriebssignalschemen in einem
dedizierten PC gespeichert, wobei eins dieser Schemen als Betriebssignal ausgewählt wird
und während
der Kalibrierung des Zählers
in den Mikroprozessor programmiert wird.
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Vorzugsweise
entspricht das analoge Eingabesignal der vom Zähler gemessenen Spannung. Zu Kalibrierzwecken
ist die Spannung der praktischste Wert, da sie relativ konstant
ist. Die vorliegende Erfindung lässt
sich dennoch auf gleiche Weise zur Kalibrierung des von dem Zähler gemessenen
Stroms anwenden.
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In
einer Ausführungsform
kann die Schaltfrequenz des Gatesignals (d. h. die einem ganzen
EIN und AUS Zyklus des Signals entsprechende Frequenz) so der Leitungsspannungsfrequenz
entsprechen und mit ihr synchronisiert sein, dass beispielsweise
ein Schaltübergang
bei der Null-Kreuzung der Leitungsspannung bewirkt wird. Synchronisierung dieser
Art bietet bestimmte Vorteile hinsichtlich der Einschaltungen, induzierten
sinusförmigen
Bewegungen, usw.. In vielen Fällen
kann auf Synchronisierung verzichtet werden ohne Probleme zu schaffen.
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In
den meisten Kalibriervorrichtungen des bisherigen Standes der Technik
wird der Zähler
nur einmal kalibriert, typischerweise mit Bezug auf den Verbrauch
für eine
normale oder Standardbelastung. Auf gleiche Weise kann in der vorliegenden
Erfindung ein einziges Betriebssignal zu allen Zeiten eingesetzt
werden. Unter manchen Umständen,
beispielsweise wo eine sehr niedrige Belastung abwärts von
dem Zähler
verbunden ist, kann diese allerdings zu Ungenauigkeiten führen und
es kann in diesen Fällen
vorteilhaft sein, die Kalibrierung neu zu kalkulieren.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrzahl von Betriebszyklen
in einem Mikroprozessor innerhalb des Zählers gespeichert, wobei der
Mikroprozessor angepasst wird, um einen oder mehrere Betriebszyklen
in Abhängigkeit
von der Größenordnung
des Ausgabesignals von dem Wandler einzusetzen.
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Im
Gegensatz zu solchen Verfahren wie das Lasertrimmen eines Widerstands,
wo ein einziger Kalibrierwert für
die ganze Zeit festgelegt ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung
die Kalibrierung des Zählers
in Abhängigkeit
von der verbrauchten Elektrizitätsmenge,
wie es durch das Ausgabesignal des Wandlers dargestellt wird. Dieses
erlaubt es dem Zähler,
Nicht-Linearitäten
in der Messschaltung, die beispielsweise bei Bedingungen mit niedriger
Belastung erscheinen können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Mikroprozessor angepasst werden, um zwei Betriebszyklen,
welche zwei Kalibriereinstellungen darstellen, einzusetzen, wobei
die Ausgabe des Wandlers benutzt wird, um den Anteil an der Zeit,
für den jeder
Betriebszyklus eingesetzt wird, zu bestimmen.
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Mittels
eines sozusagen zweiten Betriebskontrollverfahrens bietet diese
Ausführungsform
eine besonders einfache und elegante Art, mit zwei Belastungsbedingungen
umzugehen (z. B. niedrig und normal), so wie mit Bedingungen zwischen
den beiden. Beispielsweise wird bei sehr niedrigen Belastungen ein
Betriebszyklus eingesetzt, bei normalen Belastungen ein zweiter
Betriebszyklus, und für
dazwischenliegende Belastungen eine Mischung der zwei Betriebszyklen.
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Vorzugsweise
ist das Betriebszyklussignal durch ein binäres Bitschema bestimmt. In
einer Ausführungsform
der zwei oben beschriebenen Betriebszyklusrealisierungen kann der
Mikroprozessor angepasst werden, um ein erstes Binärschema- Betriebssignal (z.
B. normale Belastung) zu liefern, es sei denn, es wird von einem
Puls von dem Wandler unterbrochen, in welchem Fall das zweite Binärschemasignal
(z. B. normale Belastung) eingesetzt wird.
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Dadurch
wird die Länge
des Binärschemasignals
selbst benutzt, um die relativen Belastungsbedingungen zu messen
und der Betriebszyklus für
normale Belastung wird eingesetzt, es sein denn, die Pulsgeschwindigkeit
von dem Wandler fällt
unter eine von der Paketlänge
des binären
Signals bestimmte Schwelle.
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In
dieser ganzen Anwendung soll der Begriff „Wandler" sowohl analoge als auch digitale Wandler decken,
welche einen Wert, der unmittelbar proportional zu dem Einzeleingabewert
ist und Vorrichtungen, welche eine Ausgabe erzeugen, die eine Kombination
von Eingabewerten ist, z. B. wie mit einem MSA- oder Gegenwirkleitwandler.
Die Ausgabe kann eine digitale Ausgabe oder ein pulsiertes Signal
sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist obenstehend bezüglich eines Kalibrierverfahrens
eines Zählers
beschrieben worden. Die Erfindung umschließt ferner einen Zähler, welcher
die für
eine solche Kalibrierung nötigen
Elemente umfasst, wie obenstehend beschrieben.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun, nur als Beispiel, mit Bezug auf die beigefügten Figuren
beschrieben, es zeigen
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1 ein
Schema der Elemente eines Zählers,
der geeignet ist, Kalibrierung gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung durchzuführen;
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2 das
in 1 benutzte Betriebszyklussignal, welches über die
der Eingabe des Wandlers eingesetzte Spannung gesetzt ist.
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1 zeigt
schematisch die mit der Messungs- und Kalibrierfunktionen eines
Elektrizitätszählers verbundenen
Elemente, mit einem Wandler 1, zum Beispiel ein Gegenwirkleit-, MSA-
oder Sigma-Delta-Wandler des bekannten Typs, zusammen mit einem
Mikroprozessor 2, welcher geeignet ist, die Ausgabe von
dem Wandler 1 zu empfangen und ein Betriebssignal auszugeben,
das benutzt wird, eine Eingabekalibrierschaltung 3 zu steuern.
Der Mikroprozessor 2 bietet ferner ein Leistungsausgabesignal P,
welches die verbrauchte Leistung darstellt und an ein Register und/oder
eine Anzeige gesandt werden kann, um die verbrauchte Leistung anzuzeigen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Elemente, die nötig sind,
Kalibrierung gemäß der vorliegenden
Erfindung durchzuführen.
Von daher bieten wir nicht an, die anderen herkömmlichen Elemente (Register,
Anzeige, Spannungszähler,
usw.), welche normalerweise in einem elektronischen Zähler vorhanden
sind, zu bestimmen. Weitere Einzelheiten bezüglich solcher Vorrichtungen
(falls notwendig) können
in den in der Einführung
erwähnten
Patentschriften gefunden werden.
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Bezüglich der 1 werden
folgende Abkürzungen
benutzt:
I = Strom
V = Unkalibrierte Spannung
V1 = Kalibrierte Spannung
Fclock = Uhrsignal
zum Wandler
Fout = Pulsierte Ausgabe, welche die Leistung darstellt,
von dem Wandler geliefert
P = Stromausgabemessung, von dem
Mikroprozessor geliefert.
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In
der Schaltung 3 der 1 wird das
unkalibrierte Spannungssignal auf einen Widerstandteiler eingesetzt,
welcher einen ersten und zweiten Widerstand 4, 5 umfasst,
welche gereiht verbunden sind, zusammen mit einem dritten Gatewiderstand 6,
welcher parallel zu dem zweiten Widerstand 5 ist. Der Gatewiderstand
wird mittels eines FET-Schalters 7, welcher ein Betriebszyklus-Ausgabesignal
von dem Mikroprozessor 2 empfängt, EIN und AUS geschaltet.
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Das
von dem Mikroprozessor ausgegebene Betriebszyklussignal ist als
Binärschema
wie 00000000, 10001000, 10101010, 11111111 ausgebildet. In der Praxis
können
Schemen einer annehmbaren Länge,
beispielsweise bis zu 256 Bits benutzt werden, um eine gegebene
Kalibrierauflösung
zu liefern. Die hohen und niedrigen Bits in den Schemen sollten
gleichmäßig verteilt
werden, um die Konvergenzzeit für
jedes Schema zu verbessern. Ein Satz dieser Schemen kann in dem
Mikroprozessor gespeichert werden und ein oder mehrere ausgewählte Schemen
benutzt werden, wenn der Zähler
kalibriert ist.
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Wie
es erscheinen wird, hängt
die von der Eingabeschaltung 3 ausgegebene Spannung V1 von dem auf den FET-Schalter eingesetzten
Betriebszyklus ab. Für
ein 00000000 Bitschema ist der FET-Schalter permanent AUS und die
auf den Wandler eingesetzte Spannung V1 wird
allein von dem Widerstand 4, 5 bestimmt und entspricht
einem maximalen Wert Vmax. Ähnlicherweise
für ein
Bitschema 11111111 ist der FET-Schalter permanent EIN und die Spannung
V1 entspricht einer minimalen Vein. Bei Mischbitschemen,
wie 10101010 wird über
die Zeit eine Durchschnittsspannung mit einem Wert zwischen den
beiden gefunden.
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2 ist
eine graphische Darstellung des Einsatzes des 10101010 Signals (50%
Betriebsverhältnis),
um die Spannung V1 zu erzeugen, welche der
Eingabe des Wandlers 1 gesandt wird. Wie ersichtlich wird,
wechselt die Spannung zwischen den minimalen und maximalen Werten,
was zu einem zeitdurchschnittlichen Wert V1,
welcher (Vmax + Vmin)/2 entspricht, führt.
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In 2 sind
die Schaltübergänge des
Betriebszyklus synchronisiert dargestellt, mit den Nullkreuzungen
des a. c.
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Signals.
Dennoch, wenn auch vorteilhaft, ist dies nicht wesentlich für die wirksame
Durchführung der
Erfindung.
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In
der einfachsten Ausführung
wird eine Leistungsmessung während
der Kalibrierung des Zählers vorgenommen,
mit einem bekannten Wert des Stroms und der Spannung und einem einzigen
Betriebszyklusschema, welches die richtige Leistungsausgabe abgibt,
welche von einer Anzahl von in einem dedizierten, dem Zähler zugeordneten
PC gespeicherten Schemen ausgewählt
ist, die in den Mikroprozessor programmiert sind. Die Kalibrierung wird
bezüglich
eines integrierten Wertes der Ausgabe durchgeführt, um die Wirkungen des Betriebszyklus auf
das Eingabesignal zu assimilieren. Dieses Schema wird von dem Moment
an zu allen Zeiten eingesetzt, bis entschieden wird, dass der Zähler neukalibriert
werden muss.
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Die
Auswahl des zu gebrauchenden Schemas wird von dem Betriebspersonal,
das die Kalibrierung durchführt,
getroffen oder bei Automatisierung von der geeigneten Kalibriereinrichtung
(z. B. einem PC, geeignet, den Mikroprozessor zu steuern und alle
Schemen durchzulaufen, bis das Schema, welches den präzisesten
Zwischenwert angibt, gefunden wird).
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In
komplizierteren Ausführungsformen
kann der Zähler
für eine
Reihe von Belastungen kalibriert werden, so dass zwei oder mehr
Betriebszyklen je nach dem Belastungswert, wie von dem Ausgabesignal
Fout von dem Wandler 1 dargestellt, gebraucht werden. In
einer besonders einfachen Ausführungsform
kann der Mikroprozessor ein erstes Betriebszyklusschema (A) umfassen,
welches im Fall von niedriger Belastung eingesetzt wird und einen
zweiten Betriebszyklus, welcher bei normaler Belastung eingesetzt
wird. Die Länge
des Bitschemas selber kann als Schwellenbedingung zur Bestimmung
des einzusetzenden Betriebszyklusschemas benutzt werden.
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Insbesondere
kann der folgende Algorithmus von dem Mikroprozessor benutzt werden,
um den Einsatz der beiden Betriebszyklussignals zu steuern:
WENN
Pulsausgabe von dem Wandler während
des Schemas empfangen, DANN nächstes
Schema = Schema B
SONST
Nächstes Schema = Schema A
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In
diesem Fall, wo die Pulsausgabe beständig ist (d. h. mehr als ein
Puls pro Schema) wird stets Schema B (normale Belastung) eingesetzt.
Für dazwischenliegende
Belastungen schaltet das Ausgabepulssignal automatisch zwischen
den beiden Schemen, so dass beide in größer- oder kleinerem Verhältnis eingesetzt
werden. Dadurch ermöglicht die
Erfindung einen gleitenden Einsatz der beiden Schemen, was zu einer
Kalibrierkurve führt,
welche mit Belastungsschwankungen Spur hält. Die Betriebssteuerung zweiter
Ebene ist eine besonders einfache und elegante Art, einen variablen
Kalibrierwert zu erhalten.
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Obwohl
die Beschreibung durchweg auf die Anwendung eines Mikroprozessors
verweist, wird der Fachmann natürlich
verstehen, dass andere Mittel, geeignet, dem Gatewiderstand ein
angemessenes Betriebssteuerungssignal zu liefern, benutzt werden
können,
darunter Hardware- und/oder Software-Elemente. Diese können einen
EEPROM umfassen, welcher ein geeignetes Bitschema speichern kann
oder gar, in der einfachsten Ausführung der Erfindung, ein Satz
manuell zu steuernder Schalter, die geeignet sind, das einzusetzende
Betriebsverhältnis einzustellen.