FI90595B - Menetelmä ja mittausjärjestely sähkötehon ja/tai -energian mittaamiseksi - Google Patents

Description

1 90595

MENETELMÄ JA MITTAUSJÄRJESTELY SÄHKÖTEHON JA/TAI -ENERGIAN MITTAAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osassa määritelty menetelmä sähkötehon ja/tai -energian mittaamiseksi.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 7 johdanto-osassa määritelty mittausjärjestely sähkötehon ja/tai -energian mittaamiseksi.

10 Ennestään tunnetaan elektronisia sähkösuurei den mittalaitteita, kuten jännite- ja virtamittareita, joissa mitattava sähkösuure muunnetaan analogia-digi-taali eli A/D-muuntimen avulla analogiamuodosta digitaaliseen ja ilmaistaan näytössä. Tällaisissa mitta-15 laitteissa A/D-muuntimelta edellytetään nopeutta ja tarkkuutta. Tästä seuraa, että A/D-muuntimen tulee olla korkealaatuinen ja se on kallis. Tämä nostaa huomattavasti mittalaitteen hintaa. Ongelmana on lisäksi se, että mittarin tarkkuus saattaa ajan myötä vaihdella. 20 Myöskään mittarin kuntoa ei automaattisesti valvota millään tavalla.

Edelleen ennestään tunnetaan elektronisia sähkötehon mittauslaitteita, joissa mittausjännitteen avulla muutetaan pulssijonon korkeutta, kun taas mit-25 tausvirran avulla moduloidaan pulssien pituutta. Pulssijonon aikakeskiarvosta saadaan pätötehoon verrannollinen signaali.

- ' ' Edellä esitetty tehon mittausmenettely ei mahdollista loistehon, virtojen tai jännitteiden tehol-30 lisarvojen samanaikaista mittaamista. Loisteho mitataan yleensä erillisellä wattimittarilla käyttämällä keino-kytkentää.

. . Laboratorioissa on kehitetty tarkkoja digitaa- lisiä sähkötehon mittauslaitteita, joissa käytetään 35 A/D-muuntimia. Epäkohtana näissä mittauslaitteissa on, että esim. kolmivaiheisen sähkövirran mittauksessa tarvitaan kuitenkin 6 kappaletta nopeita ja tarkkoja 2 90595 A/D-muuntimia, jolloin laitteesta tulee erittäin kallis. Lisäksi nopean A/D-muuntimen käyttö edellyttää myös tehokasta mikroprosessoria mittaustiedon käsittelyä varten. On todettava, että sarjatuotannossakin täl-5 laisten mittalaitteiden tuotantokustannukset nousevat erittäin korkeiksi.

Perinteisesti pätöteho ja energia mitataan sähkömekaanisilla wattimittareilla. Nykyisten wattimit-tareiden suurena heikkoutena on kalibroinnin kalleus; 10 ne sisältävät useita mekaanisia säätövastuksia tai säädettäviä jarrumagneetteja. Lisäksi ajan myötä näiden mittarien mittaustarkkuus heikkenee.

Keksinnön tarkoituksena on mm poistaa edellä mainitut epäkohdat. Keksinnön tarkoituksena on myös 15 tuoda julki uusi parannettu menetelmä ja mittausjärjestely sähkösuureen mittaamiseksi.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaiselle mittausjärjestelylle on 20 tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 7 .

Keksinnön mukaisessa menetelmässä sähkötehon ja/tai -energian mittaamiseksi, jännite- ja virtasig-naalit mitataan ja niiden perusteella lasketaan vastaa-25 va sähköteho ja/tai -energia, virtasignaali muutetaan siihen verrannolliseksi toiseksi jännitesignaaliksi; mitattavaan ensimmäiseen jännitesignaaliin ja virtasig-naaliin verrannolliseen toiseen jännitesignaaliin summataan tasajännitesignaali, jonka arvoa muutetaan jak-30 soittaisesti, ja johon ensimmäiseen jännitesignaaliin tasajännitesignaali suoraan summataan, kun taas toiseen jännitesignaaliin se summataan vaimennettuna? toisen jännitesignaalin ja vaimennetun tasajännitesignaalin summasignaali vahvistetaan siten, että vahvistuksen ja 35 edellä mainitun tasajännitesignaalin vaimennuksen tulo on vakio, edullisesti likipitäen yksi; ensimmäinen jännitesignaali ja toinen edellä esitetyllä tavalla 3 90595 käsitelty jännitesignaali muunnetaan analogiamuodosta digitaaliseen muotoon siten, että yhden jännitesignaa-lin muuntamisen aikana toisen jännitesignaalin arvo pidetään muuttumattomana, jonka jälkeen tämä jännite-5 signaali muunnetaan; ja digitaaliset jännitesignaalit syötetään tietojenkäsittely-yksikköön, jossa teho-ja/tai energia-arvot lasketaan sinänsä tunnetulla tavalla ja ilmaistaan ja/tai tallennetaan muistiin jatkokäsittelyä varten.

10 Menetelmän eräässä sovellutuksessa vaimennuk sen ja vahvistuksen tulo (ab) määritetään ennen varsinaisia mittauksia erilaisilla virtasignaalin voimakkuuksilla ja tallennetaan muistiin; ja vaimennuksen ja vahvistuksen tulo säädetään mitattavan virtasignaalin 15 suuruuden mukaan siten, että se on vakio, edullisesti likipitäen yksi.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa tasajänni-tesignaali, jonka arvoa muutetaan jaksoittaisesti kahden tasajännitteen välillä, summataan mitattavaan en-20 simmäiseen ja toiseen jännitesignaaliin.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa tasajänni-tesignaalin, jonka arvoa muutetaan jaksoittaisesti, todelliset jännitearvot ja/tai niiden erotus tallennetaan muistiin ennen varsinaista mittausta, mainittujen 25 todellisten jännitearvojen erotus mitataan, ja mitattua tasa jännite-erotusta ja todellista tallennettua jännite-erotusta verrataan ja tämän perusteella päätellään mittausmenettelyn luotettavuus.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa sähkösuu-30 reen näytteenotto tahdistetaan mitattavan vaihtosäh-kösuureen taajuuteen ja siihen summattavan tasajännitesignaalin tasajännitteiden vaihtelutaajuuteen; tasa-jännitesignaalin vaihtelutaajuuden puolijakson aikana otettujen sähkösuurenäytteiden keskiarvo lasketaan; ja 35 keskiarvo edustaa mittausarvoa, joka ilmaistaan ja/tai tallennetaan jatkokäsittelyä varten.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa sellainen 4 90595 kohinasignaali, jonka tehollinen arvo on asetettu suuruusluokaltaan A/D-muuntimen erotuskyvyn mukaiseksi, summataan kuhunkin mitattavaan jännitesignaaliin.

Keksinnön mukaiseen mittausjärjestelyyn sähkö-5 tehon ja/tai -energian mittaamiseksi kuuluu välineet näytteiden peräkkäiseksi ottamiseksi mitattavasta säh-kösignaalista; A/D-muunnin näytteiden muuntamiseksi analogisesta muodosta digitaaliseen; ja välineet mittauksen suorittamisen ohjaamiseksi, tulosten laskemi-10 seksi ja ilmaisemiseksi. Keksinnön mukaisesti mittausjärjestelyyn kuuluu sovitin mitattavan virtasignaalin muuttamiseksi toiseksi jännitesignaaliksi, tasajännitelähde, josta saadaan ainakin kaksi tasajännitesignaa-lia, kytkentäelin, kaksi summauselintä, joiden avulla 15 mitattavat ensimmäinen ja toinen jännitesignaali summataan kytkentäelimen kautta tasajännitelähteen jännitesignaaliin, vaimennin, jonka kautta tasajännitelähteen jännitesignaali siirretään toisen jännitesignaalin summausyksikölle, vahvistin, johon summatut toinen 20 jännitesignaali ja tasajännitelähteen jännitesignaali syötetään ja josta ne edelleen syötetään valitsimeen, A/D-muuntimeen ja tehon/energian laskentavälineisiin, jossa järjestelyssä vaimentimen ja vahvistimen vaimennuksen ja vahvistuksen tulo on vakio, edullisesti liki-25 pitäen 1.

Mittausjärjestelyyn kuuluu eräässä sovellutuksessa ainakin yksi tasajännitelähde, josta saadaan joukko vertailujännitteitä, muistiyksikkö, johon vertailu jännitteiden todelliset jännitearvot on tallennet-30 tu, valitsin, johon vertailujännitteet on yhdistetty ja johon myös mitattava jännitesignaali on yhdistetty, vertailuvälineet, joilla A/D-muuntimesta valitsimen kautta saatavia vertailujännitelähteiden mittausarvoja verrataan todellisiin muistiyksikköön tallennettuihin 35 vertailujännitteen arvoihin, jotka vertailuvälineet sisältävät edullisimmin muunnostaulukon, jonka perusteella mitattuja jännitesignaalien arvoja korjataan, 5 90595 muistiyksikkö, johon tallennetaan vertailuvälineiltä saatavat vertailujännitteiden todellisten arvojen ja mitattujen arvojen poikkeamat, sekä välineet mitattavan jännitesignaalin arvon korjaamiseksi, jossa jännitteen 5 A/D-muuntimelta saatua mittausarvoa korjataan ottaen huomioon A/D-muuntimen muunnospoikkeamat.

Mittausjärjestelyyn kuuluu eräässä sovellutuksessa tasajännitesignaalien muistiyksikkö, johon tasa-jännitelähteen todelliset arvot on tallennettu, ja 10 valvontayksikkö, jossa järjestelyssä summauselimen avulla mitattavaan jännitesuureeseen summataan tasajän-nitesignaali, jonka jännitearvo muutetaan kytkentäeli-mellä jaksoittaisesti tasajännitelähteen jännitteiden välillä ja joiden jännitteiden erotusta verrataan val-15 vontayksikössä muistiyksikköön tallennettuihin todellisiin arvoihin ja poikkeamat tallennetusta todellisesta arvosta ilmoitetaan.

Mittausjärjestelyn eräässä sovellutuksessa tasa jännitelähde on muodostettu jännitteen jakajasta, 20 jossa on joukko sarjaan kytkettyjä, edullisemmin identtisiä vastuksia ja näiden rinnalle on sovitettu tasa-jännitelähde. Identtisten vastusten etuna on, että tällöin vastukset tunnetaan eikä niitä tarvitse erikseen kalibroida.

25 Mittausjärjestelyn eräässä sovellutuksessa toinen tasa jännitelähde on muodostettu mittausjärjestelyyn liittyvästä ensimmäisestä tasajännitelähteestä.

Mittausjärjestelyn eräässä sovellutuksessa mittausjärjestelyyn kuuluu kohinalähde, jonka kohina-30 signaalin tehollinen arvo on asetettu suuruusluokaltaan A/D-muuntimen erotuskyvyn mukaiseksi, ja summauselin kohinasignaalin summaamiseksi kuhunkin mitattavaan jännitesignaaliin.

Keksinnön ansiosta sähkösuureiden mittauksissa 35 voidaan käyttää suhteellisen epätarkkaa ja halpaa A/D-muunninta.

Edelleen keksinnön ansiosta sähkösuureiden 6 90595 mittausjärjestelyissä voidaan käyttää yksinkertaisia mikroprosessoripalapiirejä, johon on integroitu A/D-muunnin.

Edelleen keksinnön ansiosta sähkösuureiden 5 mittauksessa järjestelyn toimintaa ja tulosten tarkkuutta voidaan valvoa.

Lisäksi keksintö mahdollistaa monipuoliset sähkösuureiden mittausmahdollisuudet.

Edelleen keksinnön ansiosta digitaalista mit-10 taustekniikkaa voidaan taloudellisesti soveltaa sähkö-suureiden mittaukseen.

Lisäksi keksinnön ansiosta kotitalouksien ja muiden kulutuskohteiden sähkön kulutuksen mittauksessa voidaan siirtyä yksinkertaiseen, toimintavarmaan ja 15 taloudellisesti edulliseen digitaalitekniikkaan.

Edelleen keksinnön etuna on, että mittausjärjestelyt voidaan helposti kytkeä ulkopuolisiin laitteisiin.

Lisäksi keksinnön etuna on, että se mahdollis-20 taa taloudellisesti edulliset automaattiset kaukomit-taukset sähkön kulutuksessa.

Edelleen keksinnön etuna on, että sähkön kulutustietojen lisäksi voidaan järjestelmällä kerätä myöskin muita tarvittavia tietoja kulutuskohteista.

25 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskoh taisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista mittausmenetelmää, jossa mitattavaan sähkösuureeseen summataan kohinaa; 30 kuva 2 esittää kaaviomaisesti toista keksinnön mukaista mittausmenetelmää, jossa käytetään hyväksi vertailujännitteitä; kuva 3 esittää havainnollisesti erästä A/D-muuntimen muunnosvastetta; 35 kuva 4 esittää kaaviomaisesti kolmatta keksinnön mukaista mittausmenetelmää, jossa mitattavaan sähkösuureeseen summataan tasajännitesignaali; 7 90595 kuva 5 esittää havainnollisesti jännitesignaalia, johon on summattu kahden tason välillä vaihteleva tasajänni-te; kuva 6 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön mukaista 5 mittausjärjestelyä sähkötehon mittaamiseksi; kuva 7 esittää lohko- ja piirikaaviona erästä keksinnön mukaista mittausjärjestelyä tehon mittaamiseksi kolmivaiheisessa sähköverkossa; ja kuva 8 esittää havainnollisesti näytteiden ottoa jänni-10 te- ja virtasignaaleista.

Kuvassa 1 on esitetty lohkokaavion muodossa mittausjärjestely vaihtovirtasuureen, kuten vaihtojännitteen V tai vaihtovirran I, mittaamiseksi. Mittausjärjestelyyn kuuluu näyttöönotto- ja pitopiiri 1, sum-15 main 2 ja A/D-muunnin 3. Vaihtosähkösuure V; I syötetään tulonavan A kautta sisään ja siitä otetaan sopivin välein näytteitä, joiden arvo pidetään vakiona piirillä 1, jonka jälkeen tähän signaaliin summataan kohinasig-naali Vn kohinalähteestä 3. Summasignaali syötetään 20 edelleen A/D-muuntimeen 4, jossa analoginen summasignaali muunnetaan digitaaliseksi. A/D-muuntimelta 4 signaali syötetään tietojenkäsittely-yksikköön 5, jonka yhteydessä olevaan muistiyksikköön 5a mittaustulokset voidaan tallentaa ja tarpeen vaatiessa jatkokäsitellä 25 ja/tai ilmaista järjestelyn ulkopuolella. Tulonavan A kautta syötetystä sähkösuureesta suoritetaan useita mittauksia, joiden keskiarvo lasketaan tietojenkäsittely-yksikössä 5 ja ilmaistaan mittaustuloksena.

Kuhunkin mittausarvoon on näin summattu ko-30 hinasignaali, joka kunkin mittausarvon kohdalla eroaa ajallisesti toisen mittausarvon kohinasignaalista eikä näin ollen korreloi sen kanssa. Samasta kohinalähteestä saadaan siis toisistaan riippumattomat kohinasignaalit, jotka summataan mittaussignaaliin. Kohinasignaali ei 35 keskimäärin muuta mittaustulosta, vaan sen keskiarvo on nolla. Mittaussignaalin tehollisarvoon kohinasignaali tuo vakiotekijän, joka voidaan laskennallisesti ottaa 8 90595 huomioon lopputuloksessa.

Mittausjärjestelyn ensimmäisenä vaiheena voidaan käyttää edullisesti sovitinta 6. Tämän avulla mitattava sähkösuure sovitetaan suuruusluokaltaan sopi-5 vaksi mittausjärjestelyyn. Mikäli mitattava sähkösuure on virtasignaali, se muunnetaan edullisesti jännitesig-naaliksi V , jossa tapauksessa kohinasignaali on jänni-tesignaali.

Kohinasignaalin Vn tehollinen arvo asetetaan 10 edullisesti suuruusluokaltaan A/D-muuntimen 4 erotuskyvyn mukaiseksi. Tämä merkitsee sitä, että kohinaa lisätään summaelimen 2 kautta signaaliin siten, että sen tehollinen arvo on n. 1 bittiä A/D-muuntimesta katsottuna. Tämän menettelyn ansiosta A/D-muuntimelle 15 asetettuja vaatimuksia voidaan lieventää. Tällöin voidaan käyttää suhteellisen epätarkkaa muunninta, joka edullisimmin on vielä integroitu tietojenkäsittely-yksikköön, kuten mikroprosessoriin, yhdeksi yhteiseksi yksiköksi.

20 Kuvassa 2 esitetään toinen keksinnön mukainen mittausjärjestely. Tässä tapauksessa mitattava sähkösuure V, I syötetään tulonavan A kautta sovittimeen 6 ja tästä edelleen jännitesignaalina V1 valitsimeen 7. Mittausjärjestelyyn kuuluu tasajännitelähde 8, josta 25 saadaan ulos joukko vertailu jännitteitä V : vrefll/ vren2' Vrefi3> ’ ’ ’' vrem (k= 1/2,3...). Vertailujännitteet V , joita tässä tapauksessa on viisi kappaletta, on yhdistetty valitsimen 7 tulonapoihin mitattavan jänni-tesignaalin νχ rinnalle. Valitsimen 7 lähtönäpä on 30 yhdistetty summaimeen 2, johon kohinajännitelähde 3 on myös yhdistetty. Summaimesta 2 summasignaali syötetään A/D-muuntimelle 4 ja edelleen tietojenkäsittely-yksikköön 5. Mittausjärjestelyn jälkiosa siis vastaa kuvan 1 mittausjärjestelyä.

35 Tasa jännitelähteen 8 vertailu jännitteiden Vreflk (k= 1, 2, 3...) todelliset arvot VtR (k= 1, 2, 3) on tallennettu tietojenkäsittely-yksikön 5 muistiin 5a.

9 90595 Tämä voidaan tehdä esim. mittausjärjestelyä kalibroitaessa. Valitsimen 7 avulla sen tulonapoihin yhdistettyjä vertailujännitteitä V luetaan sopivin aikavälein yhdessä varsinaisen mitattavan sähkösignaalin V kanssa.

5 Vertailu jännitteet V_eflk mitataan tällä tavalla aikavälein ja muunnetaan digitaaliseen muotoon A/D-muuntimel-la 4.

Vertailujännitteiden todellisia arvoja Vtk (k = 1, 2, 3,...) ja mitattuja arvoja Vreflk (k = 1, 2, 3,...) 10 verrataan keskenään. Mitattujen sähkösuureiden digitaalista arvoa korjataan ottaen huomioon vertailujännitteiden mitattujen arvojen ja todellisten arvojen väliset poikkeamat.

Mitattujen sähkösuureiden arvon korjaaminen 15 voidaan toteuttaa siten, että vertailujännitteiden todellisten arvojen Vtk (k = 1, 2, 3,...) ja mitattujen arvojen Vreflk (k = 1, 2, 3,...) perusteella muodostetaan A/D-muuntimelle muunnosvaste ja korjaamalla mitattuja sähkösuureita muunnosvasteen avulla. Tätä menettelyä on 20 havainnollistettu kuvan 3 avulla. Tässä kuvassa on esitetty Vt, Vrefl-koordinaatistossa vertailu jännitteiden * todellisten arvojen ja mitattujen arvojen vastaavuus.

Mikäli nämä arvot vastaavat täysin toisiaan, on kysymys ideaalisesta tilanteesta. Tätä vastaa katkoviivalla 25 piirretty suora a. Todellisessa tilanteessa mitatut arvot Vre£lk poikkeavat ideaaliselta suoralta ja vastinpisteitä ai, a2, a3,..., ak (k= 1, 2, 3,...) voidaan yhdistää interpoloidulla käyrällä a’. Tätä käyrää voidaan pitää A/D-muuntimen muunnosvasteena. Muunnosvaste 30 voidaan taulukoida ja tallentaa tietojenkäsittely-yksikön 5 muistiin 5a. Muunnosvaste voidaan tarkistaa säännöllisesti ja siihen voidaan tehdä muutoksia, jos em mittausten perusteella siihen on aihetta.

Mitatun sähkösuureen V, kuvassa 2 arvon kor-35 jääminen muunnosvasteen a' avulla tapahtuu periaatteessa siten, että mitatun arvon perusteella etsitään käyrältä tai taulukosta ideaaliseen vasteeseen a nähden 10 90595 korjattu arvo Vt, jota pidetään lopullisena mitattuna arvona mittausarvojen jatkokäsittelyssä. Kuvan 2 mukaisessa mittausjärjestelyssä A/D-muuntimen tarkkuutta on parannettu lukemalla säännöllisesti joukkoa ennalta 5 määrättyjä vertailujännitteitä V , (k = 1, 2, 3, ...).

Tasajännitelähde 8 voidaan toteuttaa esim. joukosta identtisiä vastuksia, jotka on kytketty sarjaan. Tasajännitelähde 8 on vuorostaan kytketty vastusten sarjakytkennän yli. Koska vastukset ovat samanlai-10 siä, niiden avulla saadaan rakennettua erittäin luotettava jännitteen jakaja, josta saadaan halutut vertailu-jännitteet Vrem (k = 1, 2, 3,...), jotka ovat yhtä suurien jännitevälien päässä toisistaan.

A/D-muuntimen 4 muunnosvaste tehdään edulli-15 simmin siten, että tasajännitelähteestä 8 saadut vertailu jännitteiden Vreilk (k = 1, 2, 3,...) arvot tallennetaan muistiin 5a käyttämällä rekursiivista keskiarvois-tamista. Uusi muunnosvaste muodostetaan näistä jänni-tearvoista säännöllisin välein. Näin toimimalla eli-20 minoidaan A/D-muuntimen 4 lämpötilan muutokset ja vanhenemisen vaikutus mittaustuloksiin. Jos muunnosvasteen kertoimet poikkeavat merkittävästi alkuperäisistä kertoimista, jotka mittausjärjestelyllä on saatu välittömästi sen kokoamisen jälkeen, voidaan olettaa A/D-muun-25 timen 4 tai joidenkin muiden mittausjärjestelmän osien olevan vikaantumassa ja voidaan suorittaa hälytys.

Kuva 4 esittää kaaviomaisesti kolmatta keksinnön mukaista mittausjärjestelyä. Tähän järjestelyyn kuuluu toinen tasajännitelähde 9, kytkentäelin 10, 30 summauselin 11 ja valvontayksikkö, jona toimii yleensä tietojenkäsittely-yksikkö 5.

Lisäksi tähän mittausjärjestelyyn kuuluu olennaisena osana kuvan 2 mukainen mittausjärjestely. Kuvan 4 mittausjärjestelyn vastaavista osista on käytetty 35 samoja viitenumerolta kuin kuvassa 2.

Mitattava sähkösuure V syötetään sisään tulo-navan A kautta. Sähkösuureeseen V summataan summaelimen n 90595 11 kautta vertailujännite V2. Vertailujännite V2 saadaan toisesta tasajännitelähteestä 9, jossa on kaksi tasa-jännitelähtöä 9a, 9b, kytkentäelimen 10 kautta. Kytken-täelimellä 10 kytketään ennalta määrätyin aikavälein 5 tasajännitelähteen 9 tasajännitelähdöt 9a, 9b vuorotel len summaelimeen 11. Tällöin vertailujännitteen V2 arvoa muutetaan jännitetasojen Vref2: Vref21, Vref22 välillä. Kuvassa 5 on esitetty havainnollisesti summasignaali V1 V2. jossa mitattava sähkösuure νχ on vaihtojännite tai 10 -virtasignaali.

Toisen tasajännitelähteen 9 jännitetasojen V , V todelliset arvot on tallennettu tietojen-

reC21 ref22 J

käsittely-yksikön 5 muistiin 5a. Tämä tehdään esim. mittausjärjestelyä testattaessa tai kalibroitaessa. 15 Vertailu jännitteen V2 tasa jännitetaso jen erotusta Vret2, -Vref2i tarkkaillaan tietojenkäsittely-yksiköllä 5 ja poikkeamat tallennetusta todellisesta jännitetasojen arvosta ilmoitetaan. Mahdolliset poikkeamat heijastavat järjestelmän osien, kuten valitsimien, vahvistimien ja 20 muuntimien kuntoa sekä tarkkuutta.

Tasajännitelähteet 8 ja 9 voidaan yhdistää yhdeksi tasajännitelähteeksi 90, kuten katkoviivoin kuvassa 4 on havainnollisesti esitetty. Tämä tasajän-nitelähde voidaan muodostaa identtisistä vastuksista, 25 kuten edellä jo esitettiin, joiden napojen välille yhdistetään sopiva tasajännite Vref Vastukset muodostavat jännitteen jakajan, jonka eri väleistä saadaan joukko vertailujännitteitä. Näistä valitaan kaksi, jotka yhdistetään kytkentäelimeen 10 ja jotka edustavat 30 jännitteitä V ja V .

J re£21 J ref22

Kuvassa 6 on esitetty keksinnön mukainen mittausjärjestely erityisesti sähkötehon ja/tai energian mittaamiseksi. Tähän mittausjärjestelyyn syötetään tulonapojen A ja B kautta jännitesignaali V ja virta-35 signaali I. Jännite- ja virtasignaali V, I johdetaan sovittimien 6a ja 6b kautta edelleen summauselimiin 11a, 11b vastaavasti. Virtasignaali I muutetaan sovit- 12 90595 timessa 6b jännitesignaaliksi V . Jännitesignaali V sovitetaan mittausjärjestelyyn sopivaksi jännitesignaaliksi V10 sovittimella 6a.

Mittausjärjestelyyn kuuluu edelleen tasajän-5 nitelähde 9 ja kytkentäelin 10 aivan kuten kuvan 4 mukaisessa mittausjärjestelyssä. Tasajännitelähteen 9 tasajännitelähdöt 9a, 9b on yhdistetty kytkentäelimen 10 tulonapoihin. Vertailujännite V2 saadaan tasajännitelähteestä 9 kytkentäelimen 10 kautta. Tasajänniteläh-10 teen 9 jännitelähdöt 9a, 9b, joiden kautta syötetään ulos jännitteet Vref21 ja Vra£22, kytketään vuorotellen ennalta määrätyin aikavälein kytkentäelimen 10 avulla tämän lähtönapaan. Vertailujännitteen V2 arvoa muutetaan tällöin jännitteiden V ,,,, V välillä.

15 Kytkentäelimen 10 lähtönäpä on kytketty ensim mäiseen summauselimeen 11a ja vaimentimen 13 kautta toiseen summaelimeen 11 b. Ensimmäiseltä summauselimel-tä 11a jännitesignaali V + V2 syötetään valitsimen 7 yhteen tulonapaan. Vaimentimesta 13 saadaan jännitesig-20 naali aV2, jossa a on vaimentimen vaimennuskerroin, joka on suuruudeltaan pienempi kuin 1. Toiselta summaelimel-tä 11b syötetään signaali V + aV2 vahvistimeen 14. Vahvistimen 14 vahvistuskerroin b on verrannollinen vaimentimen 13 vaimennuskertoimeen siten, että em ker-25 toimien tulo ab on ainakin likipitäen 1. Vahvistimelta 14 signaali bvu + V, syötetään näytteenotto- ja pito-piiriin 1 ja siitä edelleen valitsimen 7 yhteen tulonapaan .

Tasajännitelähde 8 on yhdistetty valitsimen 7 30 tulonapoihin aivan kuten kuvan 4 toteutusesimerkissä. Valitsimen 7 lähtönäpä on yhdistetty summaelimen 2 kautta edelleen näytteenotto- ja pitopiiriin 12. Summaelimeen 2 on yhdistetty kohinajännitelähde 3. Näyt-- teenotto- ja pitopiiriltä 12 valitsimen 7 kautta tule- 35 vat signaalit, joihin on summattu kohinajännitettä syötetään A/D-muuntimelle 4 ja sieltä edelleen tietojenkäsittely-yksikköön 5. Kuvan 6 mittausjärjestelyn 13 90 595 jälkimmäinen osa vastaa siis kuvan 2 mittausjärjestelyä .

On huomattava, että kohinajännite summataan eriaikaisesti sekä virta- että jännitesignaaliin. Täl-5 löin kohinajännitteet eivät korreloi keskenään eivätkä vaikuta mitattavaan tehoon tai vastaavaan suureeseen.

Kuvan 6 mukainen mittausjärjestely toimii periaatteessa seuraavasti. Järjestely kalibroidaan asettamalla vaimentimen 13 ja vahvistimen 14 vaimennus-10 ja vahvistuskertoimien tulo ab vakioarvoksi, joka on esim. likipitäen yhtä suuri kuin 1 halutulla mittausalueella. Mikäli mitattava virtasignaali vaihtelee voimakkaasti, mittausalueita saattaa olla useita, jolloin kullekin alueelle säädetään vaimennus- ja vahvis-15 tuskertoimien tulo ab sopivaan vakioarvoon. Tämän menettelyn tarkoituksena on, että mittausarvot osuvat sopivasti A/D-muuntimen muunnosalueelle.

Ensimmäisen tulonavan A kautta mitataan jänni-tesignaalia V, joka sovitetaan mittausjärjestelylle 20 sopivaksi sovittimessa 6a ja johon summaelimessä 11a summataan vertailujännite V2, jonka arvoa muutetaan kytkentäelimen 10 avulla tasajännitelähteen 9 jännitetasojen V , vref22 välillä. Summasignaali syötetään edelleen valitsimeen 7,

25 Samanaikaisesti mitataan toisen tulonavan B

kautta virtasignaalia I, joka sovitetaan ja muunnetaan mittausjärjestelylle sopivaksi sovittimessa 6b, josta saadaan ulos mitattavaan virtaan I verrannollinen jän-nitesignaali Vn. Toisessa summaelimessä 11b jännitesig-30 naaliin V summataan vaimentimen 13 kautta saatu vertailu jännite aV2, jonka arvoa muutetaan kytkentäelimen 10 avulla samalla tavalla ja samassa tahdissa kuin ensimmäiselle summaelimelle 11a syötettävän vertailu-jännitteen V2 arvoa. Summasignaali V + aV2 vahvistetaan 35 vahvistimella 14 sopivalle tasolle ja vahvistimesta saatava jännitesignaali bVn + V. syötetään näytteenottoja pitopiiriin 1, jossa mitattavaan virtasignaaliin I

14 90 595 verrannollista vahvistettua jännitesignaalia ja siihen lisättyä tasajännitekomponenttia pidetään yllä niin kauan, että valitsimella 7 ehditään sen arvo lukea ja siirtää mittausjärjestelyssä eteenpäin. Näytteenotto-5 ja pitopiirin 1 tarkoituksena on varmistaa, että sekä jännitesignaali V että virtasignaali I luetaan samanaikaisesti, jotta näytteenottohetken teho ja/tai energia voidaan laskea oikein.

Valitsimen 7 avulla luetaan vuorotellen tasa-10 jännitelähteen 8 vertailu jännitteiden Vrefk (k = 1, 2, 3, . . . ) arvoja sekä mitattavaan jännitteeseen V verrannollista jännitettä V + V2 ja mitattavaan virtaan I verrannollista jännitettä bVu + V2. Valitsimen 7 lähdön kautta saataviin signaaleihin summataan summaelimessä 2 15 kohinajännitesignaali Vn kohinajännitelähteestä 3. Tämä summasignaali syötetään toiseen näytteenotto- ja pito-piiriin 12, jota luetaan edelleen A/D-muuntimen 4 avulla. Tästä muuntimesta 4 saatua signaalia käsitellään edelleen tietojenkäsittely-yksiköllä 5.

20 Tietojenkäsittely-yksikön 5 muistiin 5a voi daan tallentaa sopivaan taulukkoon mitattujen jännitteiden V ja virtojen I arvot. Mittaustuloksista lasketaan pätöteho ja energia sinänsä tunnetulla tavalla. Tarpeen vaatiessa mahdolliset jännitteen ja virran 25 vaihe-erot voidaan ottaa huomioon ja laskea esim. lois-tehon arvo. Mitatut suureet ja lasketut arvot voidaan tallentaa muistiin 5a esim. mahdollista mittausjärjestelyn ulkopuolista käsittelyä varten.

Kuvassa 7 on esitetty osittain piiri- ja osit-30 tain lohkokaaviomuodossa verraten yksityiskohtaisesti eräs edullinen toteutusesimerkki tehonmittausjärjestelystä kolmivaiheisessa sähköverkossa. Tämä mittausjärjestely vastaa monelta osiltaan kuvan 6 mukaista mittausjärjestelyä ja siinä käytetään samoista osista 35 samoja viitenumerolta.

Kunkin vaiheen jännitteet tuodaan tulonapojen AI, A2, A3 kautta ja kunkin vaiheen virrat tulonapojen is 90595

Bl, B2, B3 kautta mittausjärjestelyyn. Navan C kautta mittausjärjestely on maadoitettu. Kunkin mitattavan vaihejännitteen tulonavat AI, A2, A3 on yhdistetty omaan sovittimeensa 6a, jotka on muodostettu vastuksis-5 ta 6al ja 6a2. Sovittimen 6a avulla mitattavat jännitteet pudotetaan noin yhden voltin tasolle. Kukin sovitin 6a on yhdistetty edelleen valitsimen 15 tulonapoi-hin.

Kunkin vaiheen virtatulonavat Bl, B2, B3 on 10 yhdistetty sovittimen 6b kautta muuhun mittausjärjestelyyn. Kukin sovitin 6b sisältää virtamuuntajän 6bl ja vastuksen 6b2. Sovittimen 6b avulla mitattavat virrat pienennetään muulle mittausjärjestelylle sopiviksi. Kunkin vaiheen muuntimet 6b on yhdistetty valitsimen 16 15 tulonapoihin.

Valitsimien 15, 16 avulla valitaan yksi vaihe kerrallaan mitattavaksi. Valitsimien 15, 16 lähtönavat on yhdistetty edelleen muuhun mittausjärjestelmään periaatteessa samalla tavalla kuin kuvan 6 mittausjär-20 jestelyssä.

Kuvan 7 mittausjärjestelyyn kuuluu mikroprosessori, erityisesti palaprosessori 17. Tämä pala-prosessori 17 sisältää valitsimen 7, näytteenotto- ja pitopiirin 12, A/D-muuntimen 4, keskusyksikön eli tie-25 tojenkäsittely-yksikön 5, tulo- ja lähtöpiirin 18 ja liitäntäpiirin 19. Palaprosessorin 17 sisäiset yksiköt on yhdistetty toisiinsa tiedonsiirtoväylällä 20 ja vastaavasti tulo- ja lähtöyksikkö 18 on yhdistetty ulkoisella tiedonsiirtoväylällä 21 valitsimiin 15, 16, 30 vaimentimeen 13, vahvistimeen 14, kytkentäelimeen 10 ja näytteenotto- ja pitopiiriin 1.

Kohinalähde 3 on tässä tapauksessa muodostettu Zener-diodin avulla. Kohinalähde 3 on yhdistetty pala-prosessorin 17 valitsimen 7 yhteen tulonapaan, joka on 35 yhdistetty suoraan valitsimen 7 lähtönapaan. Ensimmäinen tasajännitelähde 8 on toteutettu identtisten vastusten 8a avulla, jotka on järjestetty sarjaan ja joi- 16 90595 den yli on kytketty vakiotasajännite V sopivasta vakiojännitelähteestä, joka tässä tapauksessa on muodostettu toisen Zener-diodin 8b avulla. Ensimmäisestä tasajännitelähteestä 8 saadaan viisi vertailujännitettä 5 Vre£K (k= 1, 2, ...5), jotka on yhdistetty palaprosesso-rin 17 valitsimen 7 tulonapoihin.

Ensimmäisen tasajännitelähteen 8 avulla on muodostettu myös toinen tasajännitelähde 9 (vert. kuva 6) eli ne muodostavat yhdessä tasajännitelähteen 90. 10 Tässä tapauksessa tasajännitelähteestä 8 otetaan kaksi eritasoista jännitettä Vref21 ja Vref22, jotka on yhdistetty kytkentäelimen 10 tulonapoihin.

Ensimmäisen tasajännitelähteen 8 yli vaikuttava jännite Vref, joka saadaan Zener-diodista 8b, syöte-15 tään myös palaprosessorin 17 A/D-muuntimelle 4.

Palaprosessorin 17 avulla ohjataan valitsimia 15, 16 siten, että järjestelyn tulonapojen AI, A2, A3; Bl, B2, B3 kautta mitataan kolmivaihevirran samaa vaihetta yhtäaikaisesti. Palaprosessorin 17 keskusyksikön 20 5 ja tiedonsiirtoväylien 20, 21 kautta ohjataan sekä sisäistä näytteenotto- ja pitopiiriä 12 että ulkoista näytteenotto- ja pitopiiriä 1 samanaikaisesti. Toisesta näytteenotto- ja pitopiiristä 12 luetaan A/D-muuntimen 4 kautta yhden vaiheen jännitearvo, jonka jälkeen näyt-25 teenotto- ja pitopiiristä 1 luetaan vastaavan vaiheen virta-arvo, joka on muutettu jännitemuotoon, valitsimen 7 kautta A/D-muuntimeen 4. Saadut digitaaliset jännite-ja virta-arvot on tällöin luettu samalla hetkellä tl, t2, t3,... yhtäaikaisesti vastaavista mittausvaiheista 30 AI, A2, A3; Bl, B2, B3, kuten kuvassa 8 on havainnollisesti esitetty. Saadut mittausarvot käsitellään keskusyksikössä 5 ja/tai tallennetaan muistiin 5a.

Tässä mittausjärjestelyssä napojen AI, A2, A3 kautta tulevat vaihejännitteet eivät vaihtele merkit-35 tävästi, kun taas napojen Bl, B2, B3 kautta mitattavat eri vaiheiden virrat saattavat vaihdella suuresti. Tästä johtuen vahvistimen 14 vahvistusta b säädetään 17 90595 palaprosessorin 17 ohjauksen avulla siten, että näytteenotto- ja pitopiirin 1 kautta edelleen palaprosessorin 17 A/D-muuntimelle syötettävä jännitesignaali on mahdollisimman suuri. Vastaavasti vaimentimen 13 vai-5 mennusta a säädetään päinvastaiseen suuntaan siten, että vaimentimen 13 ja vahvistimen 14 vaimennus- ja vahvistuskertoimien a, b tulo ab on likimain 1 kaikissa tilanteissa.

Eri vaiheiden mitattaviin jännite- ja vir-10 tasignaaleihin summataan kytkentäelimen 10 kautta jännite V2, jonka arvoa muutetaan tässä tapauksessa noin sekunnin välein. Jännite V2 vaihtelee tällöin kahden arvon V „ , V „„„ välillä aivan kuten edellä kuvan 4 mit-taus järjestelyn yhteydessä selostettiin. Tämän kahden 15 jännitearvon välissä heilahtelevan suorakaidesignaalin V, avulla valvotaan valitsimen 7, vaimentimen 13, vah-vistimen 14 ja A/D-muuntimen 3 kuntoa sekä tarkkuutta mittaamalla mainittujen jännitetasojen Vref21, Vref22 erotusta (vert. kuva 5).

20 Jännite V, summataan vaimentimen 13 kautta tulonapojen Bl, B2, B3 eri vaiheiden kautta tuleviin mitattaviin virtasignaaleihin. Vaimentimen 13 ja vahvistimen 14 vahvistuksien tulo on likimain 1 kaikissa tilanteissa, jolloin palaprosessoriin 17 syötettävä 25 virtasignaali sisältää aina yhtä suuren erojännitteen kuin jännitesignaalikin. Palaprosessorin 17 yhteydessä olevaan muistiyksikköön on tallennettu jännitteen V2 jännitearvojen V , Vref22 erotus. Mitattavista jännite- ja virtasignaaleista erotetaan signaali V2 ja sen arvoa 30 verrataan palaprosessorin 17 muistiin tallennettuun arvoon. Tämän perusteella tehdään johtopäätöksiä mittausjärjestelyn kunnosta.

Kohinalähde 3 on yhdistetty palaprosessorin 17 valitsimen 7 tulonavan kautta pysyvästi lähtönapaan. 35 Näin valitsimen 7 jokaiseen kanavaan saadaan summattua kohinaa, kuten edellä kuvan 1 yhteydessä esitettiin. Kohinalähteenä 3 käytetään edullisesti Zener-diodia 3a.

is 90595

Zener-diodeille on tyypillistä erittäin suuri kohina, jota voidaan edelleen tarvittaessa vahvistaa. Valitsimeen 7 syötettävän kohinajännitteen tehollinen arvo on noin 1 bittiä, joka vastaa A/D-muuntimen 4 resoluu-5 tiota. Tämä menettely edellyttää usean mittauksen kes-kiarvoistamista.

Palaprosessoreissa on nykyisin enintään 10 bitin A/D-muunnin. Tällaisen muuntimen resoluutio ja tarkkuus eivät sellaisenaan ole riittäviä virran tai 10 jännitteen tai niiden perusteella laskettavien suureiden mittaamiseen. Tällöin muuntimen resoluutiota parannetaan syöttämällä sopivaa kohinajännitettä mitattavan jännitteen ohella A/D-muuntimeen, kuten edellä kuvan 1 yhteydessä on esitetty. Vastaavasti A/D-muuntimen tark-15 kuutta voidaan parantaa lukemalla säännöllisesti sopivia vertailujännitteitä, kuten edellä kuvan 2 yhteydessä on selostettu.

Kuvan 7 mittausjärjestelyssä ensimmäinen tasa-jännitelähde 8 on toteutettu jännitteenjakajana, jossa 20 on identtisiä vastuksia 8a. Identtisten vastusten 8a sarjakytkennästä saadaan sopivasti vertailujännitteet Vre£k, joita on viisi kappaletta, jotka syötetään pala-prosessorin 17 valitsimen 7 tulonapoihin ja edelleen A/D-muuntimeen 4. Vertailujännitteiden V (k = 1, 2, 25 3, 4, 5) avulla muodostetaan A/D-muuntimen 4 vaste, joka virta- ja jännitesignaaleja mitattaessa otetaan korjauksena huomioon.

Vasteen mallin valinta riippuu A/D-muuntimen 4 ominaisuuksista; mitä yksinkertaisempi malli sitä vä-30 hemmän tarvitaan laskentaa. Malli tehdään edullisimmin siten, että vastusten 8a sarjakytkennästä saatavat vertailujännitemittausarvot tallennetaan muistiin käyttämällä rekursiivista keskiarvoistamista ja uusi malli muodostetaan näistä lukemista säännöllisin välein. Näin 35 toimimalla eliminoidaan A/D-muuntimen 4 lämpötilan muutoksen ja vanhenemisen vaikutus tuloksiin. Jos mallin kertoimet poikkeavat merkittävästi tehtaalla saa- 19 90595 duista tuloksista, voidaan olettaa muuntimen tai joidenkin muiden piirien olevan vikaantumassa ja voidaan suorittaa hälytys.

Kohinalähdettä 3 erityisesti Zener-diodia 3a 5 käytetään hyväksi myös toisella tavalla. Zener-diodin 3a yli vaikuttava jännite luetaan palaprosessorin 17 avulla säännöllisin välein ja sen avulla valvotaan tasa jännitelähteen 8 yli vaikuttavaa jännitettä Vref eli tässä tapauksessa toisen Zener-diodin 8b tarkkuutta. 10 Jos Zener-diodin 3a arvo muuttuu jännitteeseen Vref verrattuna enemmän kuin mittausjärjestelyn epätarkkuus, suoritetaan hälytys. Mitattua Zener-diodin 3a yli vaikuttavaa jännitettä verrataan säännöllisesti pala-prosessorin 17 muistissa olevaan lukemaan, joka on 15 tallennettu muistiin esim. tehtaalla suoritetussa mittausjärjestelyn kalibroinnissa.

Palaprosessorin 17 A/D-muuntimen 4 tarkkuus perustuu tässä tapauksessa olennaisesti ensimmäiseen tasajännitelähteeseen 8 eli vastusjakajaan. Vastusjaka-20 jassa tapahtuvat muutokset voidaan myös havaita seuraa-valla menettelyllä; valitaan kohinalähteen 3 Zener-diodin 3a kynnysarvo puolet pienemmäksi kuin ensimmäisen tasa jännitelähteen 8 yli järjestetyn jännitteen Vref eli toisen Zener-diodin 8b kynnysarvo. Näiden kynnysarvojen 25 vertailu tehdään ensimmäisen tasajännitelähteen 8 puo-liarvopisteen kautta. Jos tämän tasajännitelähteen 8 yksikin vertailu jännitteen Vrefk (k= 1, 2, 3, 4, 5) arvo muuttuu esim. 0,1 - 0,2 %, se havaitaan välittömästi. Havaittu muutosprosentti riippuu laitteesta, ja sen 30 tarkkuudesta yleensä.

Mitattavat kolmivaihevirrat on kytketty sovittamien 6b virtamuuntajien 6bl kautta muuhun mittausjärjestelyyn. Tällöin niiden keskiarvojen on oltava 0. Toisaalta taas eri vaiheiden jännitteet on kytketty 35 ilman muuntajia mittausjärjestelyyn ja ne saattavat sisältää jännitetasakomponentteja. Kuitenkaan jännitteiden tasakomponenteilla ei ole merkitystä mitattavan 20 90595 tehon ja/tai energian kannalta. Tämä siksi, että teho muodostetaan mitattavan virran ja jännitteen tulosta ja virrassa ei voi olla tasakomponenttia muuta kuin mahdollisesti mittausjärjestelystä aiheutunutta. Toisin 5 sanoen ennen tehon tai energian laskentaa voidaan kol-mivaihevirtojen ja jännitteiden lukemista vähentää mittaussignaaleista niiden tasakomponentit. Näin voidaan kokonaan eliminoida mittausjärjestelyn aiheuttamien tasajännitekomponenttien vaikutukset varsinaiseen 10 mittaukseen.

Synkronoimalla näytteenotto sekä kolmivaihe-verkon taajuuteen että kytkentäelimen 10 toistotaajuu-teen voidaan mittausjännitteen keskiarvo tarkasti mitata ottamalla keskiarvo kaikista jännitteen V2 puolijak-15 son aikana kertyneistä näytteistä. Laskennan nopeuttamiseksi mittaussignaaleista voidaan vähentää keskiarvo, joka on saatu edellisellä laskentakierroksella. Tällä tavoin vältytään tallentamasta yksittäisten mittauspis-teitten arvoja erikseen.

20 Periaatteessa edellä mainittua synkronointia on kuvattu kuvassa 5; näytteenottoa (pisteet e) liuotetaan siten, että testausjännitteen V2 puoli jaksojen c ja d aikana mittaussignaaliin kohdistuu tasainen näytteenotto. Toisin sanoen periodisen signaalin jokainen 25 kohta tulee mitattua samalla painolla. Jos jokaisesta jaksosta mitataan 2-4 näytettä ja testaus jännitteen V2 puolijakso on noin 500 ms saadaan kutakin mittaus jaksoa kohti efektiivisesti 50 - 100 näytettä, joka on täysin riittävä säröytyneenkin kolmivaihejännitteen ja -virran 30 mittaamiseen. Jännitteestä V2 johtuen mittausvirtaan ja -jännitteeseen liittyy kaksi tasajännitekomponenttia V , V . Päivittämällä molemmat keskiarvot jokaiselle mittaussignaalille saadaan mittaussignaaleista poistettua tasakomponentit sekä keskiarvon erotuksena saadaan 35 jännite mittausjärjestelyn valvontaan. Koska piirien aiheuttamat erojännitteet eivät haittaa mittauksia ja koska vahvistimen ja vaimentimen 13, 14 vahvistus ja 2i 90595 vaimennus voidaan kalibroida esim. valmistuksen yhteydessä ja vastaavat kertoimet a, b asetetaan muistiin, yhtään säädettävää vastusta tai vastaavaa ei tarvita. Säädettävien komponenttien eliminointi alentaa 5 mittausjärjestelyn komponenttikustannuksia sekä pienentää mittausjärjestelyn kalibroinnista aiheutuvia kustannuksia .

Kuvan 7 mittausjärjestelyä kalibroitaessa asetetaan vahvistimen 14 ja vaimentimen 13 vastaavat 10 vahvistus- ja vaimennuskertoimet a, b periaatteessa kaikkiin mahdollisiin arvoihin. Jokaista arvoa kohti tallennetaan muistiin luku, joka kuvaa siirtokerrointa mittausjärjestelyn tulonavoista A, B A/D-muuntimelle 4 asti. Lisäksi kalibroitaessa muistiin tallennetaan 15 kytkentäelimen 10 kautta mittausjännitteeseen ja -virtaan summattavan testausjännitteen V2 amplitudi eli vertailu jännitteiden ero Vref21 - Vref22 vahvistimen 14 eri vahvistuskerrointen a arvoilla myöhempää mittausjärjestelyn valvontaa silmällä pitäen. Edelleen kalibroin-20 timenettelyn yhteydessä mitataan kohinalähteen 3 arvo, jota arvoa voidaan myöhemmin käyttää ensimmäisen tasa-jännitelähteen 8 yli vaikuttavan kokonais jännitteen Vref ____ tarkkuuden valvontaan. On huomattava, että mittausjärjestelyssä eri valvontamenettelyiden tehtävänä ei ole 25 niinkään saada selville, mikä mittausjärjestelyn osa tai komponentti on vikaantunut tai arvo muuttunut, vaan varmistaa se, että mitattavan kolmivaihevirran teho-tai vastaavat lukemat ovat tarkkoja.

Mittausjärjestelyn kanssa voidaan kommunikoida 30 palaprosessorin 17 yhteyteen sovitetun liitäntäyksikön 19, erityisesti sar jaliikennepiirin, kautta. Kaikkia palaprosessorissa 17 olevia yksiköitä ohjataan keskusyksikön 5 avulla. Mittausjärjestelyn laskureita ja muunnosten ajastusta ohjataan palaprosessorin tulo/läh-;5 töliitynnän 18 kautta. Tarvittaessa palaprosessorin 17 sisäiseen väylään 20 voidaan liittää muistiyksiköitä tai toinen prosessori erikoismittauksia silmällä pitä- 22 90595 en.

Kuvan 7 mittausjärjestelyn epätarkkuus riippuu oleellisesti sovittimista 6a, 6b. Näiden sovittamien toimintaa ei kyetä kuin osittain valvomaan edellä kuva-5 tuilla itsekalibrointi- ja valvontamenettelyillä. Jos jokin sovittimista 6a tai yleensä tulojohtimista katkeaa esim. salaman seurauksena, jännitteen V2 kulku keskeytyy, eikä se enää siirry sellaisenaan A/D-muuntimel-le 4, joten tällainen vika havaitaan. Pieniä prosentin 10 luokkaa olevia muutoksia ei kuitenkaan havaita. Muut mittausjärjestelyn kytkennät ja yksiköt ovat kuitenkin valvonnassa mukana. Koska suurin osa yksiköistä, esim. vahvistin 14, kalibroidaan ja tarkistetaan säännöllisesti, ei yksiköiltä vaadita suurta absoluuttista tark-15 kuutta.

Edellä esitetyistä seikoista johtuen keksinnön mukainen mittausjärjestely voidaan toteuttaa suhteellisen edullisesti. Vaikka esim. kuvan 7 mukaisella mittausjärjestelyllä voidaan mitata samanaikaisesti 20 kolmivaihevirtaa kutakin erikseen, ja loistehoja, virtojen tehollisarvoja ja edelleen jännitteiden tehol-lisarvoja varsinaisen tehomittauksen lisäksi, mittausjärjestelyn perusteella valmistetun laitteen tuotantokustannukset eivät nouse merkittävästi nykyisten 25 yksivaiheisten kilovattituntimittareiden tuotantokustannuksia suuremmaksi. Lisäksi keksinnön mukaisella mittausjärjestelyllä päästään helposti alle 0,2 % mit-tausepätarkkuuteen.

Keksinnön mukaisessa mittausjärjestelyssä 30 A/D-muunnin 4 voidaan korvata yhdellä tai kahdella prosessorin 17 ulkopuolisella muuntimella, jonka erotuskyky on luokkaa 16 - 20 bittiä. Tällöin kuvan 6 tai 7 mukaisen mittausjärjestelyn periaatteita noudattaen voidaan rakentaa erittäin tarkka, mutta tuotantokustan-35 nukeiltaan edullinen kilowattituntimittari, joka soveltuu kalibrointitarkoituksiin. On selvää, että tässä tapauksessa muut kriittiset komponentit, kuten sovit- 23 90595 timet 6a, 6b jne on valittava mittausjärjestelyn tarkkuuden mukaan.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muun-5 nokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (12)

24 90 595

1. Menetelmä sähkötehon ja/tai -energian mittaamiseksi, jossa menetelmässä jännite- (V) ja vir- 5 tasignaalit (I) mitataan ja niiden perusteella lasketaan vastaava sähköteho ja/tai -energia, tunnet-t u siitä, että - virtasignaali (I) muutetaan siihen verrannolliseksi toiseksi jännitesignaaliksi (V ) ; 10. mitattavaan ensimmäiseen jännitesignaaliin (V10) ja virtasignaaliin verrannolliseen toiseen jännitesignaaliin (V ) summataan tasajännitesignaali (V2), jonka arvoa muutetaan jaksoittaisesti, ja johon ensimmäiseen jännitesignaaliin (V10) tasa jännitesignaali (V2) 15 suoraan summataan, kun taas toiseen jännitesignaaliin (V ) se summataan vaimennettuna (aVn; a<l); - toisen jännitesignaalin ja vaimennetun tasajänni-tesignaalin summasignaali (Vn + aV2) vahvistetaan siten, että vahvistuksen (b) ja edellä mainitun tasa- 20 jännitesignaalin (V2) vaimennuksen (a) tulo on vakio, edullisesti likipitäen yksi; - ensimmäinen jännitesignaali (V10) ja toinen edellä esitetyllä tavalla käsitelty jännitesignaali [b(Vn + aV2)] muunnetaan analogiamuodosta digitaaliseen muo- 25 toon siten, että yhden jännitesignaalin muuntamisen aikana toisen jännitesignaalin arvo pidetään muuttumattomana, jonka jälkeen tämä jännitesignaali muunnetaan; - digitaaliset jännitesignaalit syötetään tietojenkä-30 sittely-yksikköön (5), jossa teho- ja/tai energia-arvot lasketaan sinänsä tunnetulla tavalla ja ilmaistaan ja/tai tallennetaan muistiin jatkokäsittelyä varten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että - vaimennuksen ja vahvistuksen tulo (ab) määritetään ennen varsinaisia mittauksia erilaisilla virtasig- 25 90595 naalin voimakkuuksilla ja tallennetaan muistiin; - vaimennuksen ja vahvistuksen tulo asetetaan vakioksi, edullisesti likipitäen ykköseksi, mitattavan vir-tasignaalin suuruuden mukaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mene telmä, tunnettu siitä, että tasajännitesig-naali (V2), jonka arvoa muutetaan jaksoittaisesti kahden tasa jännitteen (V , Vraf22) välillä, summataan mitattavaan ensimmäiseen (V1Q) ja toiseen (Vu) jännitesig-10 naaliin.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - mainitun tasajännitesignaalin (V,; V , V ), jonka 2 re£21 Γ6Ι24 arvoa muutetaan jaksoittaisesti, todelliset jännite-15 arvot (Vtl, V ) ja/tai niiden erotus tallennetaan muistiin ennen varsinaista mittausta; - mitataan tasa jännitteiden (V 21, Vre£2z) erotus mittauksen yhteydessä; ja - mitattua tasajännite-erotusta ja todellista tallen-20 nettua jännite-erotusta verrataan ja tämän perusteella päätellään mittausmenettelyn luotettavuus.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen mene- ____ telmä, tunnettu siitä, että - mitattavien jännitesignaalien (V , Vn) näytteenotto 25 tahdistetaan mitattavan vaihtosähkön taajuuteen ja siihen summattavan tasajännitesignaalin tasajännit-teiden (Vref21, VreC22) vaihtelutaajuuteen; - tasajännitesignaalin vaihtelutaajuuden puoli jakson (c, d) aikana otettujen jännitenäytteiden keskiarvo : 30 lasketaan; -’’’· - keskiarvo edustaa jännitteiden mittausarvoa, joka ilmaistaan ja/tai tallennetaan jatkokäsittelyä varten .

6. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sel- lainen kohinasignaali (V ) summataan kuhunkin mitattavaan jännitesignaaliin (V13, V ), jonka tehollinen 26 90595 arvo on asetettu suuruusluokaltaan A/D-muuntimen (4) erotuskyvyn mukaiseksi.

7. Mittausjärjestely sähkötehon ja/tai energian mittaamiseksi, johon mittausjärjestelyyn syötetään 5 sekä jännite- että virtasignaali, johon mittausjärjestelyyn kuuluu - välineet näytteiden peräkkäiseksi ottamiseksi mitattavasta sähkösignaalista (1); - A/D-muunnin (4) näytteiden muuntamiseksi analogisesta 10 muodosta digitaaliseen; ja - välineet mittauksen suorittamisen ohjaamiseksi, tu losten laskemiseksi ja ilmaisemiseksi (5); tunnettu siitä, että mittausjärjestelyyn kuuluu - sovitin (6b) mitattavan virtasignaalin muuttamiseksi 15 toiseksi jännitesignaaliksi (Vu); - tasajännitelähde (9), josta saadaan ainakin kaksi tasajännitesingaalia (Vref21, Vref22); - kytkentäelin (10); - kaksi summauselintä (11a, 11b), joiden avulla mitat- 20 tavat ensimmäinen ja toinen jännitesignaali (V1Q, Vu) summataan kytkentäelimen (10) kautta tasajännitelähteen (9) jännitesignaali in (Vref21, Vref22); - vaimennin (13), jonka kautta tasajännitelähteen (9) jännitesignaali siirretään toisen jännitesignaalin 25 summausyksikölle (11b); - vahvistin (14), johon summatut toinen jännitesignaali (Vn) ja tasajännitelähteen jännitesignaali syötetään; ja josta ne edelleen syötetään valitsimeen (7), A/D-muuntimeen (4) ja tehon/energian laskentavälineisiin 30 (5); ja - jossa järjestelyssä vaimentimen (13) ja vahvistimen (14) vaimennuksen (a) ja vahvistuksen (b) tulo (ab) on vakio, edullisesti likipitäen yksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mittausjär-35 jestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestelyyn kuuluu - ainakin yksi tasajännitelähde (8), josta saadaan 27 90595 joukko vertailu jännitteitä: [Vre£k (k = 1, 2, 3, ...)]; - muistiyksikkö (5a), johon vertailujännitteiden todelliset jännitearvot [V (k = 1, 2, 3, . . . ) ] on tallennettu; 5. valitsin (7), johon vertailujännitteet on yhdistetty ja johon myös mitattava jännitesignaali on yhdistetty; - vertailuvälineet (5), joilla A/D-muuntimesta (4) valitsimen (7) kautta saatavia vertailujännitelähtei- 10 den mittausarvoja verrataan todellisiin muistiyksik-köön tallennettuihin vertailujännitteiden arvoihin, jotka vertailuvälineet (5) sisältävät edullisimmin muunnostaulukon, jonka perusteella mitattuja jännite-signaalien arvoja korjataan; 15. muistiyksikkö (5a), johon tallennetaan vertailuväli- neiltä (5) saatavat vertailujännitteiden todellisten arvojen ja mitattujen arvojen poikkeamat; - välineet (5) mitattavan jännitesignaalin arvon korjaamiseksi, jossa jännitteen A/D-muuntimelta (4) 20 saatua mittausarvoa korjataan ottaen huomioon A/D-muuntimen muunnospoikkeamat.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen mittausjärjestely, tunnettu siitä, että järjestelyyn kuuluu 25 tasajännitesignaalien (V , V ) muistiyksikkö (5a), retil ΓΘΣ«< johon tasajännitelähteen (9) todelliset arvot (VJ on tallennettu; ja - valvontayksikkö (5); jossa järjestelyssä summauselimen (11; 11a, 11b) avulla 30 mitattavaan jännitesuureeseen summataan tasajännitesignaali (V,), jonka jännitearvoa muutetaan kytkentäelimellä (11) jaksoittaisesti tasajännitelähteen (9) jännitteiden (V , . V ) välillä ja joiden jännitteiden erotusta verrataan valvontayksikössä (5) muistiyksik- 35 köön (5a) tallennettuihin todellisiin arvoihin ja poik-____ keamat tallennetusta todellisesta arvosta ilmoitetaan.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen mittaus- 28 90595 järjestely, tunnettu siitä, että tasajännite-lähde (8) on muodostettu jännitteen jakajasta, jossa on joukko sarjaan kytkettyjä, edullisimmin identtisiä vastuksia (8a) ja näiden rinnalle on sovitettu tasajän-5 nitelähde (8b).

11. Patenttivaatimuksen 8, 9 tai 10 mukainen mittausjärjestely, tunnettu siitä, että toinen tasajännitelähde (9) on muodostettu mittausjärjestelyyn liittyvästä ensimmäisestä tasajännitelähteestä (8).

12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mu kainen mittausjärjestely, tunnettu siitä, että mittausjärjestelyyn kuuluu - kohinalähde (3), jonka kohinasignaalin (Vn) tehollinen arvo on asetettu suuruusluokaltaan A/D-muuntimen (4) 15 erotuskyvyn mukaiseksi; ja - summauselin (2) kohinasignaalin (VJ summaamiseksi kuhunkin mitattavaan jännitesignaaliin. 29 90595