FI90144C - Elektronisk elmaetare - Google Patents

Description

1 ο Γ’ ί /, 4

Elektroninen sähkömittari

Keksintö koskee elektronista sähkömittaria, jossa on aikajakomenetelmällä toimiva kertoja ensimmäistä ja toista 5 sisääntulosuuretta varten, jolloin ensimmäinen sisääntulo-suure on johdettu kertojan komponenttina toimivalle modulaattorille, ja jossa on kertojan jälkeen kytketty kvanti-soija, joka toimii latauskompensointimenetelmällä ja on varustettu integraattorilla ja sen jälkeen kytketyllä kompa-10 raattorilla.

Tällainen elektroninen sähkömittari tunnetaan aikakausjulkaisusta "Technisches Messen atm" 1978, vihko 11, sivut 407 - 411. Tällöin kertoja sisältää modulaattorin, joka muodostaa impulssijonon, jonka pulssitaukosuhde on 15 verrannollinen ensimmäiseen sisääntulosuureeseen. Tällöin vakiosuuruisen vertailuvirran ja kuluttajavirtaan verran nollisen mittavirran summalla tai erotuksella ladataan, vastaavasti puretaan kondensaattoria. Peräänkytketty kyn-nysarvokytkin reagoi, kun kondensaattorijännite on saavut-20 tanut ylemmän, vastaavasti alemman raja-arvon. Kynnysarvo- kytkin ohjaa kondensaattorin lataamista, vastaavasti purkamista. Käytännössä kondensaattorin sijalla käytetään aina integraattoria, jossa on operaatiovahvistin, johon kondensaattoriin nähden lisäyksenä liittyy vastuskytkentä.

25 Kvantisoija on yllä mainitun kirjallisuusviitteen yhteydessä esitetyssä suoritusmuodossa toteutettu ns. la-tauskompensointimenetelmän mukaisesti, jossa jännitteestä johdettu mittavirta lataa kondensaattoria, kunnes raja-arvoasteen ylempi liipaisujännite on saavutettu. Raja-ar-30 voaste rajoittuu tällöin kvartsikideohjattuun aika-astee-seen, joka kytkee vakioajaksi vertailuvirran kondensaattorille. Kondensaattori purkautuu tällöin tietyllä määrällä. Lopulta lataa jännitteestä johdettu mittavirta kondensaattorin jälleen liipaisujännitteeseen asti. Saavutettu ulos-35 tulotaajuus on tällöin verrannollinen kertojan ulostulovir- 2 r\ fi -1 ^ taan. Myös kvantisoija korvataan käytännössä vastus- ja kondensaattorikytkennällä varustetulla operaatiovahvistuk-sella.

Tähänastisissa elektronisissa sähkömittareissa vaa-5 ditut vastukset ovat vaikeasti valmistettavissa vaadittavalla tarkkuudella ja lämpötilariippumattomuudella integroitujen piirien yhteydessä. Keksinnön tehtävänä on täten toteuttaa edellä mainitun tyyppinen elektroninen sähkömit-tari siten, että käytetään mahdollisimman harvoja vastuk-10 siä, jos lainkaan.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien mukaisesti. Tällöin kertojaa ja kvantisoijaa varten ei tarvita laisinkaan vastuksia, vaan operaatiovahvistimen lisäksi ainoastaan kon-15 densaattoreita ja kytkin. Kondensaattorit voidaan kuiten kin integroiduissa piireissä toteuttaa oleellisesti lämpö-tilastabiilimpina kuin vastukset. Lisäksi ensimmäisen si-sääntulosuureen invertointia varten ei vaadita invertte-riä, joten voidaan säästyä yhdeltä operaatiovahvistimelta. 20 Patenttivaatimuksen 2 mukaisessa elektronisen säh- kömittarin suoritusmuodossa toteutetaan myös modulaattori täysin ilman vastuksia ainoastaan käyttämällä kondensaattoreita, kytkimiä ja operaatiovahvistimia.

Toisen sisääntulosuureen tunnustelu jännitteenseu-25 raajakytkennän avulla patenttivaatimuksen 3 mukaisesti sallii toisen sisääntulosuureen korkeaohmisen tunnustelun. Sitä paitsi tämä kytkentä viivästyttää toista sisääntulosuu-retta yhdellä tahdilla ja tasaa siten ensimmäisen sisääntulosuureen viivästyksen yhdellä tahdilla modulaattorissa. 30 Toisen sisääntulosuureen vahvistaminen voidaan saa vuttaa yksinkertaisesti kondensaattorien mitoituksen avulla patenttivaatimuksen 4 mukaisesti. Tällöin on vahvistus sama kuin molempien kondensaattorien suhde.

Keksinnön suoritusmuotoesimerkkiä kuvataan seuraa-35 vassa lähemmin viitaten piirustukseen.

Il 3 Q Γ· 1 / 4

Elektronisen sähkömittarin modulaattori on ympäröity kuviossa katkoviivalla ja merkitty viitenumerolla 1. Modulaattorilla 1 johdetaan vastuksessa 34 putoava, verkkojän-nitteeseen verrattava jännite U. Kondensaattori 11 on lii-5 tetty vaihtokytkimen 10 kautta valinnaisesti jännitteeseen U tai operaatiovahvistimen 4 invertoituun sisääntuloon. Edelleen voidaan operaatiovahvistimen 4 invertoituun sisääntuloon vielä kuvattavan kytkennän kautta johtaa ver-tailuvaraus. Operaatiovahvistimen 4 invertoimaton sisään-10 tulo on liitetty vertailupotentiaaliin. Operaatiovahvistimen 4 ulostulo on kytketty kondensaattorilla 5 takaisin invertoivaan sisääntuloonsa ja liitetty komparaattorin 6 sisääntuloon, jonka vertailusisääntulo on vertailupoten-tiaalissa. Komparaattorin 6 ulostulo on liitetty D-kiikun 15 7 D-sisääntuloon. D-kiikun 7 tahtisisääntuloa ohjataan tahtigeneraattorilla 8. D-kiikun 7 ulostulo muodostaa samalla modulaattorin 1 ulostulon ja ohjaa joukkoa vielä selitettäviä kytkimiä 19, 20, 28 ja 32.

Piiri vertailuvarauksen kehittämiseksi sisältää kon-20 densaattorin 30, jonka yksi liitin vaihtokytkimen 29 kautta on valinnaisesti liitettävissä toiseen vaihtokytkimeen 28 tai operaatiovahvistimen 4 invertoivaan sisääntuloon ja jonka toinen liitin on vaihtokytkimen 31 kautta valinnaisesti liitettävissä vaihtokytkimeen 32 tai vertailupoten-25 tiaaliin. Vaihtokytkin 28 liittää kondensaattorin 30 ensimmäisen liittimen valinnaisesti vertailu jännitteeseen Uref tai vertailupotentiaaliin ja vaihtokytkin 32 liittää kondensaattorin 30 toisen liittimen vertailupotentiaaliin tai vertailu jännitteeseen Uref. Täten on kondensaattori 30 sa-30 manaikaisesti käytettävien vaihtokytkimien 28 ja 32 asennon mukaisesti valinnaisesti liitettävissä molemmista navoistaan vertailu jännitteeseen Ure{. Tahtigeneraattori 8 ohjaa vaihtokytkimiä 9, 10, 29 ja 31 ja D-kiikun 7 ulostulo ohjaa vaihtokytkimiä 28 ja 32.

35 Piirin toiminnan valaisemiseksi on ensiksi oletetta- 4 Q fM / 4 va, että tahtigeneraattorin 8 ja D-kiikun 7 ulostulosignaalit ovat nollia. Tällöin ovat kaikki kytkimet kuvatussa asennossa. Kondensaattori 11 latautuu jännitteeseen U nähden verrannolliseen jännitteeseen ja siten verrannolliseen 5 varaukseen ja kondensaattori 30 latautuu vertailujännit-teeseen Uref ja täten vertailuvarauksella.

Kun tahtigeneraattorin 8 ulostulo vaihtuu nyt "1", niin vaihtokytkimet 10, 29 ja 31 vaihtavat tilaansa. Tällöin ovat nyt molemmat kondensaattorit 11 ja 30 liitetyt 10 operaatiovahvistimen 4 invertoivaan sisääntuloon, jolloin kondensaattorilla 30 on positiivinen vertailuvaraus ja kondensaattorilla 11 jännitteeseen U verrannollinen varaus. Kondensaattoreilla 11 ja 30 olevat varaukset siirretään nyt integrointikondensaattoriin 5.

15 Seuraavassa tahtivaiheessa kondensaattori 11 varau tuu jälleen jännitteeseen U verrannolliseen varaukseen ja kondensaattori 30 vertailuvaraukseen. Tämä jakso etenee jaksoittaisesti niin pitkään, kunnes komparaattori 6 reagoi ja seuraavalla tahtigeneraattorin 8 tahdilla kiikku 7 muut-20 taa ulostulosignaaliaan. Tällöin kondensaattorin 30 napaisuus vaihtuu ja se varautuu siten negatiiviseen vertailuva-raukseen.

Kun tähän asti varausaikana Τχ vertailuvarauksen ja jännitteestä riippuvaisen varauksen summa integroitiin, 25 niin nyt varausajan T2 aikana integroidaan jännitteestä riippuvaisen varauksen ja vertailuvarauksen erotus. Koska integraattorin 4 ulostulosignaali aina uudelleen palaa samaan potentiaaliin, täytyy keskellä varauksen varausajan TA aikana olla sama kuin varaus purkausajan T2 aikana. Koska 30 vastaavat varaukset ovat verrannolliset lataustoimintojen esiintymistaajuuteen ja siten vastaavien latausvaiheiden aikaan ja lataukset vakiosuuruisen kapasitanssin johdosta ovat verrannolliset jännitteeseen, pätee täten

II

35 5 ο Γ' ι / 4 nl T1 - T2 u nl T1 - T2 = Uref 5 jossa ηχ = positiivisten tahtien lukumäärä ja n2 = negatiivisten tahtien lukumäärä.

Täten on siis kytkentäsuhde kiikun 7 ulostulossa verrannollinen suhteeseen U/Ure£. Modulaattori 1 toimii siis delta-sigma-menetelmällä, kuten on myös kuvattu jul-10 kaisussa EP-A2-0 084 353.

Seuraavassa kuvataan nyt samoin katkoviivalla kehystettyä kertojan toista osaa 2.

Virta I toisena sisääntulosuureena kehittää vastukselle 9 verrannollisen jännitteen Uj. Operaatiovahvistin 13 15 on kytketty jännitteenseuraajaksi, ts. sen ulostulo on kytketty suoraan takaisin invertoivaan sisääntuloon. Operaatiovahvistimen 13 invertoimaton sisääntulo on vaihtokytki-men 13 kautta valinnaisesti liitettävissä tähän jännitteeseen Uj tai kondensaattorin 23 ensimmäiseen napaan. Operaa-20 tiovahvistimen 13 invertoiva sisääntulo on liitettävissä kondensaattorin 14 ja vaihtokytkimen 15 kautta valinnaisesti vertailupotentiaaliin tai invertoimattomaan sisääntuloon.

Kondensaattorin 23 ensimmäinen napa on kytkimen 21 25 ja vaihtokytkimen 19 kautta liitettävissä valinnaisesti operaatiovahvistimen 17 invertoivaan sisääntuloon tai vertailupotentiaaliin. Kondensaattorin 23 toinen napa on vaihtokytkimen 22 kautta valinnaisesti liitettävissä vertailu-potentiaaliin tai toisen vaihtokytkimen 20 toiseen liitti-30 meen. Vaihtokytkin 20 liittää tämän liittimen joko operaatiovahvistimen 17 invertoivaan sisääntuloon tai vertailupotentiaaliin. Operaatiovahvistimen 17 ulostulo on kondensaattorin 18 kautta liitetty invertoivaan sisääntuloonsa ja suoraan komparaattorin 26 invertoivaan sisääntuloon. Kompa-35 raattorin 26 invertoimaton sisääntulo on liitetty vertailu-jännitteeseen U f. Komparaattorin 26 ulostulo on liitetty 6 Qn-w. 4 D-kiikun 27 sisääntuloon, jonka tahtisisääntuloa tahtigene-raattori 8 ohjaa. D-kiikun 27 ulostulo ohjaa vaihtokytkintä 24. Tämä kytkee kondensaattorin 25 navan vertailujännittee-seen, kun D-kiikun 27 ulostulosignaali on "0" tai operaa-5 tiovahvistimen 20 invertoivaan sisääntuloon, kun tämä ulostulosignaali on "1". Kondensaattorin 25 toinen napa on k i inteästi verta ilupotentiaa1issa.

Piirin toiminnan kuvaamiseksi oletetaan aluksi, että tahtigeneraattorin 8 ja D-kiikun 27 ulostulosignaalit ovat 10 ”0" ja siten kaikki kytkimet ovat esitetyissä asennoissaan.

Tällöin kondensaattori 14 varautuu vaihtokytkimen 16, operaatiovahvistimen 13 ja vaihtokytkimen 15 kautta virtaan I nähden verrannolliseen varaukseen. Kondensaattori 23 on vielä edeltävästä tahtivaiheesta varautunut virtaan I näh-15 den verrannollisella varauksella ja antaa tämän kytkimien 19, 21, 22, 20 ja operaatiovahvistimen 17 kautta kondensaattorille 18. Tällöin riippuu vaihtokytkiroien 19 ja 20 asennosta, ts. modulaattorin 1 ulostulosignaalista, integroiko kondensaattori 18 varausta positiiviseen vaiko nega-20 tiiviseen suuntaan. Ajalliselta keskiarvoltaan on tällöin integroitu varaus verrannollinen virran I ja jännitteen U tuloon.

Seuraavassa tahtivaiheessa vaihtavat vaihtokytkimet 15, 16 ja 22 ja kytkin 21 asentoaan. Tällöin kondensaatto-25 rin 14 varaus siirtyy kondensaattorille 23 siten, että tällä on jälleen virtaan I nähden verrannollinen varaus. Tämä tapahtuma toistuu jaksoittaisesti.

Kun joukon tahtivaiheita jälkeen operaatiovahvistimen 17 ulostulo jännite saavuttaa komparaattorin 26 reagoin-30 tikynnyksen ja seuraavalla tahtivaiheella D-kiikun 24 ulostulosignaali vaihtuu, kytkee vaihtokytkin 24 aiemmin ver-tailujännitteeseen Uref latautuneen kondensaattorin 25 operaatiovahvistimelle 17.

Kondensaattori 25 on mitoitettu siten, että sen va-35 raus on aina suurempi kuin kondensaattorin 23 tuoma varaus I! 7 °Γ ^ /4 siten, että kondensaattori 18 aina purkautuu tietyllä määrällä. Tämän jälkeen kondensaattori 18 varautuu jälleen kondensaattorin 23 kautta. Tällöin täytyy yhden jakson aikana siirtyneen varausmäärän olla yhtä suuri kuin poisjoh-5 dettu latausmäärä Qr. Johdettu latausmäärä on verrannollinen virtaan I ja positiivisen ja negatiivisen tahtipituuden erotukseen

niTl - n2T2 = T

Tästä seuraa, että 10 T · I = Q

ja siten kiikun 27 ulostulotaajuus fA on aikakeskiarvol-taan

15 f» - L

0,

Kiikun 27 ulostulotaajuus on siten suoraan verrannollinen tehtyyn työhön. Kun summataan nämä ulostuloimpuls-20 sit, niin saadaan suoraan mitta sähköteholle.

Täten tuli esitetyksi, että keksinnön mukaisella ratkaisulla sähköteho voidaan määrittää ilman mittakytken-nässä olevia vastuksia. Esitetty kytkentä voidaan siten realisoida yksinkertaisesti ja ilman lämpötilastabiilisuu-25 teen liittyviä ongelmia integroituna piirinä.

Claims (5)

1. Elektroninen sähkömittari, jossa on aikajakoperi-aatteella toimiva kertoja (1,2) ensimmäistä ja toista si-5 sääntulosuuretta (U,I) varten, jolloin ensimmäinen sisään-tulosuure (U) on johdettu kertojan (1,2) komponenttina toimivalle modulaattorille (1) ja kertojan (1,2) peräänkytke-tylle kvantisoijalle (3) , joka toimii varauskompensointime-netelmällä ja on toteutettu integraattorilla (17,18) ja sen 10 perään kytketyllä komparaattorilla (26), tunnettu siitä, että kertojalla (1,2) ja kvantisoijalla (3) on seu-raavat tunnusmerkit: a) tahtigeneraattorin (8) kunkin ensimmäisen tahti-vaiheen aikana kondensaattori (23) kytketään integraattorin 15 (17,18) sisääntuloon, b) tahtigeneraattorin (8) kunkin toisen tahtivaiheen aikana kondensaattori (23) ladataan toiseen sisääntulosuu-reeseen I verrannollisella varauksella, c) napaisuus, jolla kondensaattori (23) kytketään 20 integraattorin (17) sisääntuloon, määräytyy delta-sigma- menetelmällä toteutetun, tahtigeneraattorin (8) ohjaaman modulaattorin (1) ulostulosignaalista, d) kondensaattori (25) ladataan vertailuvarauksella kun kvantisoijän (3) ulostulo on "0" ja kytketään integ- 25 raattorin (17,18) sisääntuloon silloin kun kvantisoijan (3) ulostulo on "1", ja e) komparaattorin (26) perään on kytketty tahtigeneraattorin (8) ohjaama kiikku (27), jonka ulostulo muodostaa kvantisoijan (3) ulostulon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektroninen säh kömittari, jossa on delta-sigma-menetelmällä toimiva modulaattori (1), tunnettu siitä, että modulaattorilla (1) on seuraavat tunnusmerkit: a) tahtigeneraattorin (8) kunkin ensimmäisen tahti-35 vaiheen aikana kondensaattori (11) varataan ensimmäiseen li 9 0 Γ Ί / 4 sisääntulosuureeseen U nähden verrannolliseen jännitteeseen ja kondensaattori (30) vertailujännitteeseen, jonka napaisuus on riippuvainen modulaattorin (1) ulostulosignaalista, b) kunkin toisen tahtivaiheen aikana kondensaattorit 5 (11,30) liitetään keskenään rinnan integraattorin sisääntu loon, joka koostuu operaatiovahvistimesta (4), jossa on kondensaattori (5) takaisinkytkentähaarassa, c) integraattorin (4,5) ulostulo on liitetty komparaattoriin (6) , jonka perään on kytketty tahtiohjattu muis- 10 tiväline (7), jonka tahtisisääntuloa tahtigeneraattori (36) ohjaa, ja d) tahtiohjatun muistivälineen (7) ulostulo muodostaa modulaattorin (1) ulostulon.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektroninen 15 sähkömittari, tunnettu siitä, että tahtigeneraatto- rin (8) ensimmäisen tahtivaiheen aikana toiseen sisääntulosuureeseen (I) verrannollinen jännite latautuu jännitteen-seuraajakytkennässä olevan operaatiovahvistimen (13) kautta kondensaattorille (14), joka toisen tahtivaiheen aikana 20 lataa kondensaattoria (23).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elektroninen sähkömittari, tunnettu siitä, että toisen sisääntulo-suureen (I) vahvistus aikaansaadaan siten, että operaatio-vahvistimen (13) kautta latautuneella kondensaattorilla 25 (14) on suurempi kapasitanssi kuin kondensaattorilla (23) .

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen elektroninen sähkömittari, tunnettu siitä, että kaikki vertailuvaraukset otetaan vertailujännitelähteestä <Uref) * ίο c ' * / 4