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Elektronischer Wirkverbrauchszähler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen auch als elektronischer Wattstundenmesser
zu bezeichnenden elektronischen Wirkverbrauchszähler.
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Da ein elektronischer Wirkverbrauchszähler keine mechanisch bewegbaren
Komponenten aufweist, ist dessen Eigenschaft über die Zeit wesentlich besser als
bei einem Wattstundenzähler vom Induktionstyp, der im wesentlichen aus mechanischen
Komponenten aufgebaut ist. Darüber hinaus umfaßt die Schaltungsanordung eines elektronischen
Wattstundenzählers integrierte Schaltungen, so daß die Größe des elektronischen
Wattstundenzählers klein ist. Der betreffende Zähler ist damit für die Massenproduktion
geeignet, und die Herstellkosten können gesenkt werden.
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Demgemäß hat es den Anschein, daß ein elektronischer Wattstunden-
bzw. Wirkverbrauchszähler letztlich den Wattstundenzähler vom Induktionstyp ersetzen
und der Haupttyp von Wattstundenzähler sein wird. Bisher ist schon eine Vielzahl
von elektronischen Wattstundenzählern vorgeschlagen worden.
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Ein herkömmlicher elektronischer Wattstunden- bzw. Wirkverbrauchszähler
weist eine Ersatzschaltung auf, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Demgemäß ist eine
Multiplikationsschaltung 10 vorgesehen, in der ein Spannungssignal ev, welches der
Last- bzw. Verbraucherspannung der NetzanschluJ3leitungen proportional ist, und
ein Spannungssignal ei, welches dem Verbraucherstrom der Netzanschlußleitungen proportional
ist, einer Multiplikation unterzogen werden, um ein Spannungssignal eO (eO = k.ev.ei,
wobei k eine Konstante ist) zu erhalten, welches der Augenblicksleistung der Speiseleitungen
proportional ist. Außerdem ist ein Spannvgs-Fr=quenz-Wandler 11 vorgesehen, in welchem
das Ausgangsspannungssignal eO der Multiplikationsschaltung 10 einer Integration
unterzogen wird, so daß ein Frequenz signal fout abgegeben wird. Demgemäß kann der
integrierte Leistungswert der Speise- bzw. Netzleitungen dadurch erzielt werden,
daß das Frequenzsignal f gezählt wird, welches von dem -Spannungs-Frequenz-Wandler
11 abgegeben wird.
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Die Genauigkeit des Wattstundenzählers wird durch den absoluten Fehler
in bezug auf einen tatsächlichen Meßwert anstatt durch den relativen Fehler in bezug
auf den gesamten Meßbereich (Nennwert) angegeben. Bei dem Wattstundenzähler sind
die Multiplikationsschaltung 10 und der Spannungs-Frequenz-Wandler 11 aus Operationsverstärkern
aufgebaut.
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Um die von einem Wattstundenzähler geforderte hohe Genauigkeit zu
erzielen, muß eine Offsetspannung der Multiplikationsschaltung und des Spannungs-Frequenz-Wandlers
auf einen extrem kleinen Spannungwert unterdrückt werden, wenn das Eingangs signal
des Wattstundenzählers klein und dessen Belastung bzw. Verbrauch schwach ist. Es
ist erforderlich, daß die Offsetspannung auf einen Wert innerhalb des absoluten
Fehlers unterdrückt sein sollte, und zwar auch dann, wenn der Eingangswert des Wattstundenzählers
1/30 (3,33 %) des Nennwertes (100 2), 1/50 (2 %) oder 1/100 ( 1 %) beträgt.
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Wenn angenommen wird, daß der Nennwert des Spannungssignals Vi, welches
dem Verbraucherstrom proportional ist, beispielsweise 5V beträgt, dann entspricht
der Fehler von 0,5 % einem Eingangssignal von 25 mV in dem Umsetzungswert bei einem
Nennwert von 100 %. Wenn das Eingangssignal in dem Umsetzungswert in der Größenordnung
von 25 mV liegt, wird somit die Genauigkeit nicht so schwerwiegend beeinflußt. Das
Eingangssignal in dem Umsetzungswert beträgt jedoch 0,5 mV im Falle eines Fehlers
von 0,5 %, bezogen auf ein 1/50 Eingangssignal. Demgemäß ist es erforderlich, daß
die durch die Operationsverstärker in der Multiplikationsschaltung 10 und dem Spannungs-Frequenzwandler
11 hervorgerufene Offsetspannung auf weniger als 0,5 mV vermindert wird. Es ist
jedoch mit erheblicher Schwierigkeit verbunden, die Offsetspannung auf einen bzw.
innerhalb eines extrem kleinen Wertebereiches herunterzubringen bzw. zu unterdrücken
oder zu eliminieren. Darüber hinaus schwankt die Offsetspannung über die Zeit und
mit der Temperatur, so daß die Genauigkeit der Leistungsmessung gering wird.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen
Wattstunden- bzw. Wirkverbrauchszähler zu schaffen, der eine Verbrauchsleistung
genau messen kann.
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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen
erfaßte Erfindung.
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Gemäß der Erfindung umfaßt ein elektronischer Wirkverbrauchszähler
erste Einrichtungen zur Ermittelung eines Spannungssignals, welches einer Verbraucherspannung
von Netzanschlußleitungen proportional ist. Außerdem sind zweite Einrichtungen vorgesehen,
die ein Spannungssignal bereitstellen, welches proportional einem Verbraucherstrom
der Netzanschlußleitungen ist. Ferner ist eine Pulsbreitenmolulationsschaltung vorgesehen,
welche das Spannungssignal
von den ersten Einrichtungen einer solchen
Pulsbreitenmodulation unterzieht, daß ein Pulsbreiten-Tastsignal bzw. -Impulssignal
erhalten wird. Darüber hinaus ist eine Multiplikationsschaltung vorgesehen, die
ein Impulssignal des Prodlktsdes Spannungssignals von den ersten Einrichtungen und
des Spannungssignals von den zweiten Einrichtungen dadurch abgibt, daß eine Umschaltoperation
durch das Pulsbreiten-Tastsignal ausgeführt wird. Außerdem ist eine Filterschaltung
vorgesehen, welche das Impulssignal von der Multiplikationsschaltung her zu positiven
und negativen Gleichspannungen integriert.
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Ferner ist ein Strom-Frequenz-Wandler vor~sehell, der ein Impulssignal
mit einer Frequenz abgibt, die proportional den Gleichspannungen ist. Schließlich
ist eine automatisch Offset-Kompensationsschaltung vorgesehen, die an den Spannungs-Freguenz-Wandler
ein Rückkopplungssignal abgibt, welches durch eine Integrationsspannung eines Ausgangssignals
des Spannungs-Frequenz-Wandlers gegeben ist.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das oben bereits erläuterte Ersatzschaltbild eines konventionellen
elektronischen Wirkverbrauchszählers; Fig. 2 zeigt in einem Schaltplan ein Ausführungsbeispiel
eines elektronischen Wirkverbrauchszählers gemäß der Erfindung; Fig. 3 zeigt ein
Signaldiagramm, welches zur Beschreibung des Betriebs einer in Fig. 2 dargestellten
Pulsbreitenmodulationsschaltung herangezogen wird; Fig. 4 zeigt ein Signaldiagramm,
welches zur Beschreibung des Betriebs der in Fig. 2 dargestellten Pulsbreitenmodulationsschaltzg
und einer ebenfalls in
Fig. 2 dargestellten Multiplikationsschaltung
herangezogen wird, Fig. 5 zeigt eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie bezüglich zweier
Spannungssignale eOp und eon; Fig. 6 zeigt in Signaldiagrammen den Signalverlauf
in verschiedenen Teilen eines in Fig. 2 vorgesehen Spannungs-Frequenz-Wandlers;
Fig. 7 zeigt in einem Schaltplan ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektronischen
Wirkverbrauchszählers gemäß der Erfindung.
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Bei dem in Fig. 2 als ein Ausführungsbeispiel dargestellten elektronischen
Wattstunden- bzw. Wirkverbrauchszähler wird ein Spannungssignal ev, welches einer
Verbraucher- bzw. Lastspannung an Speise- bzw. Netzanschlußleitungen 12 proportional
ist, mit Hilfe eines Spannungstransformators 13 ermittelt.
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Mit dem Transformator 13 ist eine Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 verbunden, die nachstehend näher beschrieben wird. Ein Anschluß eines Widerstands
15 ist dabei mit einem Ausgang des Spannungstransformators 13 verbunden. Der andere
Anschluß des betreffenden Widerstands ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
16 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 16 liegt
an Erde bzw. Masse. Ein Kondensator 17 liegt zwischen dem invertierenden Eingang
und dem Ausgang des Operationsverstärkers 16. Der nicht-invertierende Eingang eines
Operationsverstärkers 18 ist am Ausgang des Operationsverstärkers 16 angeschlossen.
Zwischen dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 16 und dem Ausgang
des Operationsverstärkers 18 liegt ein Widerstand 19. Der Eingang einer Inverterschaltung
20 ist am Ausgang des Operationsverstärkers 18
angeschlossen. Zwischen
dem Ausgang der Inverterschaltung 20 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
18 ist ein Widerstand 21 eingefügt. Zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
18 und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 ist ein Widerstand
22 eingefügt. Der Eingang eines Inverters 23 ist am Ausgang des Operationsverstärkers
18 angeschlossen.
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Die Pulsbreitenmodulationsschaltung 14 umfaßt die Widerstände 15,
19, 21 und 22, die Verstärker 16 und 18, den Kondensator 17 und die Inverter 20
und 23.
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Das Ausgangssignal der Pulsbreitenmodulationsschaltung 14 ist ein
Pulsbreiten-Tastsignal bzw. Impulssignal D, und das invertierte Signal ist ein Pulsbreiten-Impulssignal
D. Diese Signale D und D können wie folgt angegeben werden:
Dabei-bedeuten er die Bezugs- bzw. Referenzspannung, die dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 18 der Pulsbreitenmodulationsschaltung 14 zugeführt wird,
ev das Ausgangsspannungssignal des Spannungstransformators 13, die Zeitspanne ta
die Dauer des Verknüpfungssignals 1" des Pulsbreiten-Tastsignals D, die Zeitspann
tb die Dauer des Verknüpfungssignals "0" des Signals 5 und die Zeitspanne. T-die
Zykluszeit des Signals D.
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Die Gleichungen (1) und (2) stimmen, wenn die Offsetspannung des Operationsverstärkers
16 im Idealfall 0 ist. In einer praktischen Schaltungsanordnung ist jedoch eine
Offsetspannung
des Operationsverstärkers 16 vorhanden. Wenn die
Offsetspannung des Operationsverstärkers 16 gegeben ist mit eOsO, dann sind die
Pulsbreiten-Tastsignale D und D in der Praxis durch folgende Gleichungen bestimmt:
Der Op-erationsverstärker 18 gibt das Pulsbreiten-Tastsignal D ab,und das Pulsbreiten-Tastsignal
D wird vom Ausgang der Inverterschaltung 23 abgegeben. In Fig. 3(a) ist der Signalverlauf
des von dem Spannungstransformator 13 abgegebenen Spannungssignals ev gezeigt. In
Fig. 3(b) ist der Signalverlauf des Pulsbreiten-Tastsignals D gezeigt. Gemäß Fig.
3(b) ist die Zeitspanne ta die Dauer des Verknüpfungssignals "1", und die Zeitspanne
tb.ist die Dauer des Verknüpfungssignals "0" .
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Ein Stromsignal i, welches einem Last- bzw. Verbraucherstrom an bzw.
in den Netzleitungen 12 proportional ist, wird mit Hilfe eines Stromtransformators
24 ermittelt.
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Nachstehend wird ein Strom-Spannungs-Wandler 25 beschrieben.
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Ein Ausgang des Stromtransformators bzw. Stromwandlers 24 ist mit
dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 26 verbunden. Der andere
Anschluß des Stromwandlers ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
26 verbunden und geerdet. Ein Widerstand 27 liegt zwischen dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 26 und dessen Ausgang. Der Ausgang des Operationsverstärkers
26 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
29
über einen Widerstand 28 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
29 ist geerdet. Ein Widerstand 30 liegt zwischen dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 29 und dessen Auscang. Der Wandler 25 umfaßt die Verstärker
26 und 29 und die Widerstände 27, 28 und 30.
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Das von dem Stromwandler 24 abgegebene Stromsignal i wird mit Hilfe
des Operationsverstärkers26 in ein Spannungssignal (-ei) umgesetzt. Dieses Spannungssignal
(bei) ist einem Absolutwert des Stromsignals i proportional. Das Spanr':ngsignal
(-ei) wird in ein Spannungssignal (+ei) umgesetzt, welches dem Stromsinal i proportional
ist. Diese Umsetzung erfolgt mit Hilfe des Operationsverstärkers 29, der eine Verstärkung
von (-1) aufweist. Der Widerstandswert des Widerstands 28 ist gleich dem des Widerstands
30, so daß der Operationsverstärker 29 eine Verstärkung von (-1) aufweist. Das Stromsignal
i des Stromwandlers 24 wird direkt dem Operationsverstärker 26 zugeführt. Entsprechend
der Rückkopplungswirkung des Operationsverstärkers 26 ist die Ausgangs spannung
des Stromwandlers 24 nahezu 0. Infolgedessen kann ein Stromwandler mit einem Kern
verwendet werden, dessen Permeabilitätp niedrig ist und bei dem die Phasendifferenz
zwischem dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal gering ist.
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Nachstehend wird eine Multiplikationsschaltung 31 beschrieben, die
vier Analog-Schalter umfaßt. Zwei Analog-Schalter 31a und 31b sind dabei am Ausgang
des Operationsverstärkers 29 angeschlossen. Zwei Analog-Schalter 31c und 31d sind
am Ausgang des Operationsverstärkers 26 angeschlossen. Die Steuereingänge bzw. Toreingänge
der Analog-Schalter 31a und 31d sind an dem Operationsverstärker 18 angeschlossen.
Die Steuereingänge bzw. Torelektroden der Analogschalter 31b und 31c sind an dem.
Ausgang der Inverterschaltung 23 angeschlossen. Die Ausgänge der Analog-Schalter
31a und 31c sind miteinander
verbunden. Die Ausgänge der Analog-Schalter
31b und 31d sind ebenfalls miteinander verbunden.
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Die Analog-Schalter 31a, 31b, 31c und 31d sind durch Halbleitereinrichtungen,
wie durch Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren oder MOS-Feldeffekt-Transistoren
gebildet.
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Das Pulsbreiten-Tastsignal D wird den Steuereingängen der Analog-Schalter
31 a und 31d zugeführt. Ein Verknüpfungssignalpegel 1 des Pulsbreiten-Tastsignals
D steuert die Analog-Schalter 31a und 31d aus. Die Spannungssignale (-ei) und (+ei),
die dem Laststrom der Speisespannungsleitungen proportional sind, werden von den
Operationsverstärkern 26 bzw. 29 her den Eingängen der Analog-Schalter 31a bzw.
31d zugeführt. Das Pulsbreiten-Tastsignal D von der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 her wird den Steuereingängen der Analog-Schalter 31b und 31c zugeführt. Ein Verknüpfungssignalpegel
"1" des Pulsbreiten-Tastsignals D steuert die Analog-Schalter 31b und 31c aus. Die
Spannungssignale (-ei) und (+ei) werden den Eingängen der Analog-Schalter 31b und
31c zugeführt. Demgemäß geben die Analog-Schalter 31b und 31d ein Augenblicks-Spannungssignal
eop ab. Dies bedeutet, daß die Pulsbreiten-Tastsignale D und D. der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 die Analog-Schalter 31a, 31b, 31c und 31d aussteuern. Das Augenblicks-Spannungssignal
eOp oder eon ist das Produkt des Spannungssignal ev, welches der Last- bzw.
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Verbraucherspannung der Spannungsversorgungsleitungen proportional
ist, und der Spannungssignale (+ei) und (-ei), die dem Verbraucherstrom proportional
sind. Die Spannungssignale eOp und eon können wie folgt ausgedrückt werden: eop
= ei . D + (-ei ) . D ... (5) eon = ei . D + (-ei) . D ... (6)
Wenn
der Operationsverstärker 26 eine Offset-Gleichspannung von eos1 und der Operationsverstärker
29 eine Offset-Spannung von eos2 aufweist, dann können die Spannungssignale eOp
und eon wie folgt angegeben werden: °P = (ei + os2). D + (-ei + eos1) . D ... (7>
eon = (ei + eos2) . D + (-ei + eos2) . D ... (8) Wenn dieGleichungen (3) und (4)
in die Gleichungen (7) und (8) eingesetzt werden, erhält man folgende Beziehungen:
Wie aus den Gleichungen (9) und (10) hervorgeht, ist der erste Term der Wert der
Augenblicksleistung, und der zweite Term ist der Fehler, der durch die Offset-Gleichspannung
der Operationsverstärker 16, 26 und 29 in der Pulsbreitenmodulationsschaltung 14
und in dem Strom-Spannungs-Wander 25 hervorgerufen wird.
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In Fig. 4(a) ist der Signalverlauf des Spannungssignals ev veranschaulicht,
welches von dem Spannungstransformator 13 abgegeben wird und welches der Verbraucherspannung
der Spannungsversorgungsleitungen proportional ist. In Fig. 4(b) und 4(c) ist der
Signalverlauf der Spannungssignale (+ei) bzw.
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(-ei) gezeigt, die von dem Strom-Spannungs-Wandler 25 abgegeben werden
und die dem Verbraucherstrom der Spannungsversorgungsleitungen proportional sind.
In Fig. 4(d) ist der Signalverlauf eines Teiles des Spannungssignals ev während
der Periode S gemäß Fig. 4(a) veranschaulicht. In Fig. 4(e) und 4(f) sind die Verläufe
der Pulsbreiten-Tastsignale D und D veranschaulicht. Fig. 4(g) zeigt den Signalverlauf
des Augenblicks-Leistungssignals eon. In Fig. 4(d) ist mit T die Periode der Pulsbreiten-Tastsignale
D und D bezeichnet.
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Im folgenden wird eine Tiefpaßfilterschaltung 32 beschrieben, die
Widerstände 33a und 33b sowie Kondensatoren 34a und 34b enthält. Ein Anschluß des
Widerstands 33a ist dabei mit den Ausgängen der Analogschalter 31a und 31c verbunden.
Der andere-Anschluß des Widerstands 33a ist mit einer Belegung des Kondensators
34a verbunden. Ein Anschluß des Widerstands 33b ist mit dem Ausgang der Analog-Schalter
31 b und 31d verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands33b ist mit einer Belegung
des Kondensators 34b verbunden. Die anderen Belegungen der Kondensatoren 34a und
34b sind geerdet.
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Der Widerstandswert des Widerstands 33a ist gleich dem des Widerstands
33b. Die Kapazität des Kondensators 34a ist gleich jener des Kondensators 34b.
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Die Augenblicks-Spannungssignale es und eon der Multiplikationsschaltung
31 werden durch die Tiefpaßfilterschaltung32 integriert. Die Tiefpaßfilterschaltung
32 gibt Gleichspannungssignale eop und eon ab, die zwei Komponenten der Augenblicksspannung
und der inherenten Offsetspannungen eOsO, e051 und eos2 der Pulsbreiten-Modulationsschaltung
14 und des Strom-
Spannungs-Wandlers 25 umfassen. Die Anzahl der
Zeitunterteilungen in der Pulsbreitenmodulationsschaltung 14 beträgt m. Durch die
Ein- und Aus-Steuerung der Pulsbreitenmodulationsschaltung 14 sind die Augenblicks-Spannungssignale
zum jeweiligen Zeitpunkt 1,2...m der Zeitunterteilung gegeben mit eOp1, eOp2 eopm
sowie eon1, eon2 ... onm. Die Ausgangsgleichspannungen der Tiefpaßfilterschaltung
32 können wie folgt angegeben werden:
Tatsächlich wird die Anzahl m der Zeitunterteilungen als unendlich groß betrachtet,
und die unendliche Integration des Spannungssignals ev wird als 0 betrachtet. Dies
bedeutet, daß folgende Beziehung erfüllt ist:
Aus den Gleichungen (9) und (13) können die Spannungssignale eOp und eon wie folgt
angegeben werden:
Aus den Gleichungen (14) und (15) ergibt sich, daß die ersten
Terme im Absolutwert gleich sind und positive bzw.
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negative Gleichspannungssignale sind. Die zweiten Terme dieser Gleichungen
sind die den Operationsverstärkern 16, 26 und 29 anhaftenden Offsetspannungen.
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In Fig. 5 ist eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Gleichspannungssignale
e und eon op on gemäß den Gleichungen(14) und (15) gezeigt. In dieser Kennlinie
stellt die Abszisse die Größe e. e p 1 ( ie. v ) dar, und die Ordinate gibt die
Ausgangsspannuner LOP -gen eOp bzw. eon an. Die Konstante K ist die der Anordnung
anhaftende Offsetspannung:
Im folgenden wird ein Spannungs-Frequenz-Wandler 35 beschrieben. Ein Eingang eines
Analog-Schalters 36a ist an dem Verbindungspunkt des Widerstands 33a und des Kondensators
34a der Tiefpassfilterschaltung 32 angeschlossen. Ein Eingang eines Analog-Schalters
36b ist an dem Verbindungspunkt des Widerstands 33b und des Kondensators 34b der
Tiefpaßfilterschaltung 32 angeschlossen. Die Ausgänge der Analog-Schalter 36a und
36b sind miteinander verbunden. Ein Anschluß eines Widerstands 37 ist mit dem Verbindungspunkt
der Analog-Schalter 36a und 36b verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 37
ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 38 verbunden, dessen
nicht-invertierender Eingang geerdet ist. Zwischen dem invertierenden Eingang und
dem Ausgang des Operationsverstärkers 38 ist ein Kondensator 39 vorgesehen. Der
nicht-invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 40 ist mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers 36 verbunden. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 38 und dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
40 ist ein Widerstand 41 vorgesehen. Der Eingang einer Inverterschaltung 42 ist
mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 40 verbunden. Zwischen dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 40 und dem Ausgang der Inverterschaltung 42 ist
ein Widerstand 43 vorgesehen. Der Eingang einer Inverterschaltung 44 ist mit dem
Ausgang des Operationsverstärkers 40 verbunden. Der Ausgang der Inverterschaltung
44 ist mit einem Steuereingang bzw. der Torelektrode des Analog-Schalters 36b verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 40 ist mit einem Steuereingang bzw. der Torelektvcde
des Analog-Schalters 36a verbunden. Ein Anschluß eines Widerstands 45 ist mit dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 verbunden. Der Spannungs-Frequenz-Wandler
35 umfaßt somit die Analog-Schalter 36a und 36b, die Widerstände 37, 41, 43 und
45, die Verstärker 38 und 40, den Kondensator 39 und die Inverter 42 und 44.
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Der Widerstandswert des Widerstands 37 ist wesentlich größer als der
Widerstandswert der Widerstände 33a und 33b des Tiefpaßfilters 32. Der Widerstandswert
des Widerstands 41 ist gleich dem Widerstandswert des Widerstands 43.
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Die Einschalt-Ausschalt-Operationen der Analog-Schalter 36a und 36b
, die am Eingang des als Integrationsschaltung betriebenen Operationsverstärkers
38 angeschlossen sind, werden durch das Ausgangsspannungssignal des Operationsverstärkers
50 gesteuert, der als Vergleicherschaltung betrieben ist. Die Einschalt-Ausschalt-Operationen
der Analog-Schalter 36a und 36b erfolgen asynchron zu den Operationen der Analog-Schalter
31a, 31b, 31c und 31d der Multiplikationsschaltung 31.
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In Fig. 6(a) ist ein SignaUrerlauf für den Fall gezeigt, daß der Analogschalter
36a geschlossen ist. In Fig. 6(b) ist
ein Signalverlauf eines Spannungssignals
em gezeigt, welches am Verbindungspunkt der Ausgänge der Analog-Schalter 36 a und
36b auftritt. In Fig. 6(c) ist ein Signalverlauf eines Spannungssignals eg gezeigt,
welches von dem Operationsverstärker 38 geliefert wird. In Fig. 6(d) ist ein Signalverlauf
der Normalspannung e gezeigt, die dem invertierenden c Eingang des Operationsverstärkers
40 zugeführt wird. In Fig.
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6(a) bezeichnen die Zeitspannen tc und Td die Einschaltzeit der Analog-Schalter
36 b zw. 36a. In Fig. 3 (b) aind mit eOp eop2 bzw. mit eon1' eon2, .... die Gleichspannung
der Tiefpaßfilterschaltung 32 durch die Einschalt- und Ausschalt-Steuerung der Analog-Schalter
36b bzw. 36a bezeichnet. In Fig. 6.Cc) und 6(d) sind (+ep/2) und ('es/2) die Normalspannungen,
die dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 zugeführt werden. In
Fig. 6(d) ist mit To die Zeitspanne (tc + td) bezeichnet.
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Durch die in Fig. 6(a) veranschaulichten Einschalt- und Ausschaltoperationen
der Analog-Schalter 36a und 36b wird vom Ausgang der Analog-Schalter 36 a und 36b
das Spannungssignal em erhalten, wie es in Fig. 6(b) veranschaulicht ist. Das in
Fig. 6(c) dargestellte Spannungssignal wird von dem Operationsverstärker 38 als
Integrationsschaltung erhalten.
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Dieses dreieckförmige Signal wird dem nicht-invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 40 zugeführt. Das Spannungssignal e c wird dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 40 zum Vergleich zugeführt. Wie in Fig. 6(d) gezeigt,
beträgt das Spannungssignal ec in dem Intervall tc, wenn der Analog-Schalter 36b
eingeschaltet ist, (-ep/2). '2)' Das Spannungssignal ec beträgt (+ep/2) in dem Intervall
td.t wenn der Analog-Schalter 36a eingeschaltet ist. Demgemäß zeigt die Ausgangs
spannung des Operationsverstärkers 38 dann einen abfallenden Verlauf, wie dies in
Fig. 6c gezeigt, wenn die positive Gleichspannung e dem Operationsverstärker 38
in op dem Intervall tc zugeführt wird. Wenn die Integrations-
Ausgangs
spannung eq den Wert ( es/2) erreicht, wird das Ausgangsverknüpfungssignal ef invertiert.
Danach wird der Analogschalter 36b ausgeschaltet, und der Analog-Schalter 36a wird
eingeschaltet. Damit beginnt die Operation in dem Intervall td. In dem Intervall
td wird die negative Gleichspannung dem Operationsverstärker 38 zugeführt, und die
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zeigt einen ansteigenden Verlauf, wie
dies Fig. 6(c) zeigt. Wenn die Integrations-Ausgangsspannung eQ den Wert (+ep/2)
erreicht, wird das Ausgangsverknüpfungssignal ef invertiert. Demgemäß wird der Analogschalter
36a ausgeschaltet, und der Analog-Schalter 36b wird wieder eingeschaltet. Damit
beginnt die Operation im Intervall tc Demgemäß kann die Umsetzungsperiode To des
Ausgangsverknüpfungssignals ef des Operationsverstärkers 40 wie folgt ausgedrückt
werden: To = tc + td ... (16) Dabei bedeutet tc das Einschalt-Intervall des Analog-Schalters
36b, und td bedeutet das Einschaltintervall Analog-Schalters 36a. Damit kann die
Ausgangsfrequenz f 0 des Verknüpfungssignals e£ wie folgt angegeben werden:
Die Einschaltintervalle tc und td werden nachstehend noch näher erläutert werden.
Während des Intervalls tc gibt der
Operationsverstärker 38 eine
Ausgangsspannung eQ(t ) ab, und c während des Intervalls td beträgt die Ausgangsspannung
eQ(t ).
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d Der Widerstandswert des Widerstands 37 ist gegeben mit R2, und
der Kapazitätswert des Kondensators 39 ist gegeben mit C2. Die Offsetspannung des
Operationsverstärkers 38 beträgt e05 . Die Ausgangsspannung eQ(to) kann wie folgt
angegeben werden
Damit dürfte ersichtlich sein, daß - wie dies in Fig. 6(c) gezeigt ist - das Ausgangsspannungssignal
eQ(tc) von (+ep/2) auf (-epZ2) abnimmt.
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-eQ(tc) = ep ... (20) Aus den Gleichungen (19) und (20) kann das
Intervall tc wie folgt angegeben werden:
In entsprechender Weise können folgende Beziehungen angegeben werden:
Aus den Gleichungen (23) und (24) kann das Intervall td wie folgt angegeben werden:
Wenn die Gleichungen (14) und (15) in die Gleichungen (21) buw. (25) eingesetzt
werden, gelangt man zu:
Aus den Gleichungen (26) und (27) folgt für den Fall, daß die Komponente der Offsetspannung
gegeben ist mit eosT e
Aus den Gleichungen (26), (27) und (28) folgt, daß die Intervalle
tc und td wie folgt ausgedrückt werden können:
Die Frequenz f0 des Verknüpfungssignals ef des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 beträgt
1/(tcatd). Wenn die Offsetspannung eosT 0 ist, dann kann die Frequenz fo wie folgt
ausgedrückt werden:
Aus der Gleichung (31) geht hervor, daß die Ausgangsfrequenz f0 genau proportional
der Gleichspannung ei.eV, d.h. dem Leistungsverbrauch ist, da er, ep, R2 und C2
konstante Größen sind.
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Aus den Gleichungen (29) und (30) geht folgendes hervor: A) Wenn die
Offsetspannung eosT 0 ist, dann ist tc gleich td.
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B) Wenn die Offsetspannung eosT positiv ist, dann ist t c kleiner
als td.
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C) Wenn die Offsetspannung eosT negativ ist, dann ist t c größer als
td.
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Wenn die Offsetspannung nicht 0 ist, kann die Frequenz f 0 wie folgt
ausgedrückt werden:
Unter der Bedingung
umfaßt die Frequenz fo kaum den Fehler. Wenn
klein ist, dann ruft zum Zeitpunkt einer schwachen Belastung die Offsetspannung
eosT den Frequenzfehler hervor.
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Nachstehend wird eine automatische Offset-Kompensations-Schaltung
46 beschrieben, die einen Verstärker, einen Widerstand und einen Kondensator aufweist.
Ein Anschluß eines Widerstands 47 ist mit dem Ausgang der Inverterschaltung 42 des
Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 47
ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 verbunden. Der nicht-invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 48 ist geerdet. Zwischen dem invertierenden Eingang
und dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist ein Kondensator 49 vorgesehen.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 48 ist mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 38 über den Widerstand 45 des Spannungs-Frequenz-Wandlers
35 verbunden.
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Der Operationsverstärker 48 arbeitet als Integrationsschaltung. Die
Zeitkonstante dieser Integrationsschaltung ist dabei wesentlich größer als die des
Operationsverstärkers 38, der als Integrationsschaltung des Spannungs-Frequenz-Wandlers
35 arbeitet. Demgemäß nimmt der Operationsverstärker 38 eine
Kompensation
vor, um die Offsetspannung des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 zu O zu machen.
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Aus den oben erwähnten Punkten A), B) und C) ergibt sich, daß der
Kompensationsbetrieb durch die Rückkopplungsschleife in dem Spannungs-Frequenz-Wandler
35 ausgeführt wird.
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Das Verknüpfungssignal ef wird zu dem Spannungssignal e q der Inverterschaltung
42 des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 umgesetzt. Das Spannungssignal e weist eine
positive oder negative Amplitude auf. Der Widerstandswert des Widerstands 47 ist
mit R4 gegeben. Der Kapazitätswert des Kondensators 49 ist mit C3 gegeben. Die Einschaltzeit
des Analog-Schalters 36b beträgt tc. Die Einschaltzeit des Analog-Schalters 36a
beträgt td. Die Ausgangs spannung enf des Operationsverstärkers 48 kann wie folgt
ausgedrückt werden:
Wenn die Bedingung R4. C3»tc, td td erfüllt ist, dann wird aus der Gleichung (33)
folgende Beziehung: = = -(-tc-eq + td,eq) /R4C3 = tc.eq - td.eg )/R4C3 ... (34)
Wenn die Gleichungen (29) und (30) in die Gleichung (34) eingesetzt werden, dann
erhält man:
Aus der Gleichung (35) ergibt sich folgendes: D) Wenn die Offsetspannung e05 gleich
0 ist, ist das Spannungssignal enf O. T E) Wenn die Offsetspannung eos positiv ist,
dann ist das Spannungssignal enf negativ.
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F) Wenn die Offsettspannung eOST negativ ist, dann ist das Spannungssignal
enf positiv.
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Die Rückkopplungsspannung enf wird dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 38 zugeführt. Obwohl die Offset-Spannung eOST hoch ist, hebt
die Spannung enf automatisch die Offsetspannung e05 auf. Demgemäß ist das Intervall
T tc stets gleich dem Intervall td.
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Bine Anzeigeeinrichtung 50 zeigt die Frequenz f des Ver-0 knüpfungssignals
ef des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 an.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise des beschriebenen Ausführungsbeispiels
erläutert. Wie in Fig. 4(a) gezeigt, wird die Last- bzw. Verbraucherspannung der
Spannungsversorgungsleitungen mit Hilfe des Spannungstransformators 13 in das Spannungssignal
ev umgesetzt, welches der Last- bzw. Verbraucherspannung proportional ist. Wie in
Fig. 4(d), (e) und (f) gezeigt, wird dieses Spannungssignal ev in ein Pulsbreiten-Tastsignal
D umgesetzt, welches der Amplitude des Spannungssignals
ev proportional
ist. Die betreffende Umsetzung erfolgt mit Hilfe der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14. Dieses Pulsbreiten-Tastsignal D wird in das Pulsbreiten-Tastsignal D invertiert.
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Andererseits wird der Last- bzw. Verbraucherstrom der Spannungsversorgungsleitungen
mit Hilfe des Stromwandlers24 in ein Stromsignal i umgesetzt, welches dem betreffenden
Verbraucherstrom proportional ist. Wie in Fig. 4(b) und 4(c) gezeigt, wird das Stromsignal
i in das Spannungssignal (+ei) umgesetzt, welches von dem Spannungssignal (-ei)
um 180° verschieden ist. Diese Umsetzung erfolgt mit Hilfe des Strom-Spannungs-Wandlers
25.
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Das Spannungssignal (+ei) wird den Analog-Schaltern 31a und 31b der
Multiplikationsschaltung 31 zugeführt. Andererseits wird das Spannungssignal(e.)
den Analog-Schaltern 31c und 31d zugeführt. Das Pulsbreiten-Tastsignal D der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 wird den Steuereingängen bzw.Torelektroden der Analog-Schalter 31a und 31d zugeführt.
Das Pulsbreiten-Tastsignal D wird den Steuereingängen der Analog-Schalter 31b und
31c zugeführt. Wie in Fig. 3(g) gezeigt, kann das Augenblicks-Spannungssignal e
an dem Veron bindungspunkt der Ausgänge der Analog-Schalter 31a und 31c erhalten
werden. Und das Augenblicks-Spannungssignal eop kann an den Ausgängen der Analog-Schalter
31b und 31d der Multiplikationsschaltung 31 erhalten werden.
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Gemäß dem Vorgehen bei dieser Arbeitsweise kann die Multiplikation
des Spannungssignals Cv und (+ei) vorgenommen werden.
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Die Augenblicks-Spannungssignale eon und e umfassen die Komponente
ei . 4ei, ev r die der AugenblicksSeistun-g proportional ist, sowie die Komponente
der Offset-Gleichspannung. Das Augenblicks-Spannungssignal eon wird dem Widerstand
33a der Tiefpaßfilterschaltung 32 zugeführt, und das Spannungssignal C0p wird dem
Widerstand 33b der Filterschaltung 32 zugeführt.
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Demgemäß werden die Augenblicks-Spannungssignale eOp und eon durch
die Filterschaltung 32 integriert, und die Schwankungskomponenten der Offsetspannung
sind eliminiert. Die Integrationsspannung der Spannungs signale C0p und Con umfassen
die Komponente der vorhandenen Offsetspannung. Infolge~cessen kann das Gleichspannungssignal
Con an dem Verbindungspunkt des Widerstands 33a und des Kondensators 34a der Tiefpaßfilterschaltung
32 erhalten werden, und das Gleichspannungssignal C0p kann an dem Verbindungspunkt
des Widerstands 33b und des Kondensators 34a der Filterschaltung 32 erhalten werden.
Diese Gleichspannungskomponenten Con und e umfassen die Leistungskomponente:
sowie die vorhandene Offsetkomponente.
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Das Gleichspannungssignal eon wird dem Analog-Schalter 36a des Spannungs-Frequenz-Wandlers
35 zugeführt. Das Gleichspannungssignal eop wird dem Analog-Schalter 36b des Spannungs-Frequenz-Wandlers
35 zugeführt. Das Analogsignal ef des Operationsverstärkers 40 als Vergleicherschaltung
steuert den Steuereingang bzw. die Torelektrode des Analogschalters 36a.
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DenLgegenüber wird der Steuereingang bzw. die Torelektrode des Analogschalters
36b durch das invertierte Verknüpfungssignal der Inverterschaltung 42 gesteuert.
Diese beiden Schalter 36a und 36b arbeiten nicht zur selben Zeit. Infolgedessen
kann das in Fig. 6(b) dargestellte Spannungssignal em an dem Verbindungspunkt der
beiden Analogschalter 36a und 36b erhalten werden.
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Dieses Spannungssignal Cm wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
38 zugeführt. Demgemäß kann am Ausgang des Operationsverstärkers 38 das dreieckförmig
verlaufende Signal CQ erhalten werden, wie in Fig. 6(c) veranschaulicht ist.
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Dieses Spannungssignal eQ wird dem invertierenden Eingang des als
Vergleicherschaltung betriebenen Operationsverstärkers 40 zugeführt. Wie in Fig.
6(d) gezeigt, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 40 durch die Inverterschaltung
42 invertiert, wenn das Spannungssignal ec das Norm- bzw. Standard-Spannungssignal
(+ep/2) oder (-ep/2) erreicht. Das Ausgangssignal der Inverterschaltung 42 wird
dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 zugeführt, der als Integrationsschaltung
der automatischen Offset-Kompensationsschaltung 46 betrieben ist. Infolgedessen
gibt der Operationsverstärker 48 das Rückkopplungsspannungssignal 3nf ab, welches
die Offset-Gleichspannung e des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 eliminiert. Das 05T
Rückkopplungsspannungssignal e enf wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
38 zugeführt. Die Offset-Gleichspannung Cos ist automatisch beseitigt. Der Operations-T
verstärker 40 des Spannungs-Frequenz-Wandlers 35 gibt das Verknüpfungssignal ef
ab, welches mit der Frequenz f0 auftritt, die folgender Beziehung genügt.
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Damit ist der aus der Offset-Gleichspannung eOST abgeleitete Fehler
eliminiert. Der Wert 1/2.er.epSR2.C2 ist konstant. Wenn dieser Wert konstant ist,
dann kann die Frequenz f0 wie folgt ausgedrückt werden: = = K , ... (36)
Gemäß
der Gleichung (36) ist die Frequenz f0 genau proportional der Verbraucherleistung
e. e . Die Anzeigeeinrichtung 50 zählt 1. v die Frequenz f0 und zeigt den Wert der
integrierten Leistung an.
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Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist die Offsetspannung der Pulsbreitenmodulationsschaltung
und des Strom-Spannungs-Wandlers 25, wie sie durch das Tiefpaßfilter 32 erhalten
wird, diejenige Offsetspannung, die beseitigt werden kann. Die automatische Offset-Kompensationsschaltung
46 gibt das Rückkopplungssignal ab, welches die Offsetspan^>ng des Spannungs-Frequenz-Wandlers
35 beseitigt. Das Rückkopplungssignal wird dem Spannungs-Frequenz-Wandler 35 zugeführt.
Der Spannungs-Frequenz-Wandler 35 kann das Frequenzsignal f abgeben, 0 welches genau
proportional der Verbrauchsleistung ist, und zwar ohne den Einfluß der Offsetspannung.
Wenn die Offsetspannung die Genauigkeit der Messung stark beeinflußt und wenn die
Belastung schwach ist, dann kann gemäß diesem Beispiel der Wert der Verbrauchsleistung
erhalten werden. Die betreffenden Schaltungen umfassen einen Operationsverstärker,
der aus einer monolithischen integrierten Schaltung (IC) besteht. Dieser elektronische
Wattstundenzähler kann in der Massenproduktion hergestellt werden, wobei seine Größe
minimiert werden kann.
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Das erste Ausführungsbeispiel ist unter Bezugnahme auf einen Einphasen-Zwei
Leiter-Wattstundenzähler beschrieben worden.
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Unter Verwendung einer Vielzahl von Spannungsdetektorbereichen, einer
Vielzahl von Stromdetektorbereichen und einer Vielzahl von Multiplikationsschaltungen
kann die Erfindung jedoch auch auf einen Mehrphasen-Wattstundenzähler angewandt
werden. Bei einem derartigen Mehrphasen-Wattstundenzähler ist die elektrische Energie
die Summe der Phasenleistungen. Die Spannungssignale, die den Verbraucherspannungen
der jeweiligen Netzleitung proportional sind,
sind gegeben mit
eV1 ev2 . -. Cvn Die Spannungssignale, die dem Verbraucherstrom der jeweiligen Netz
leitung proportional sind, sind ei1 ei2 .. ein, und die Proportionalitätskonstanten
skd K1 K2 ... Kn Demgemäß wird die Leistung Po wie folgt ausgedrückt.
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Entsprechend der Arbeitsweise der Multiplikationsschaltung bei dem
ersten Ausführungsbeispiel werden die Ausgangssignale der jeweiligen Multiplikationsschaltung
durch das Tiefpaßfilter addiert. Infolgedessen kann die Leistung Po erhalten werden,
welche der Gleichung (37) genügt.
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In Fig. 7 ist ein Schaltplan des zweiten Ausführungsbeispiels der
Erfindung in Anwendung auf einen Mehrphasen-Wattstundenzähler bzw. -Wirkverbrauchszähler
gezeigt. In Fig. 7 sind solche Komponenten, die zuvor unter Bezugnahme auf Fig.
2 beschrieben worden sind, in entsprechender Weise bezeichnet, und die Arbeitsweisen
dieser Komponenten sind ähnlich der zuvor beschriebenen Arbeitsweise. Bei der vorliegenden
zweiten Ausführungsform sind Spannungstransformatoren 13, Pulsbreitenmodulationsschaltungen
14, Stromwandler 24, Strom-Spannungswandler 25 und Multiplikationsschaltungen 31
in einer Vielzahl vorgesehen. Uber den Widerstand 33a und den Kondensator 33b des
Tiefpaßfilters 51 wird das Ausgangssignal der jeweiligen Multiplikationsschaltung
31 an den Spannungs-Frequenz-Wandler 35 abgegeben.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann eine ähnliche bzw.
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entsprechende Wirkung erzielt werden wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung ist nun nicht auf die oben beschriebenen ersten und
zweiten Ausführungsbeispiele beschränkt. Bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen
wird das Spannungssignal des Spannungstransformators 13 mit Hilfe der Pulsbreitenmodulationsschaltung
moduliert. Die Pulsbreiten-Tas -signale D und D der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 steuern die Multiplikationsschaltung Es ist jedoch möglich, daß das Spannungssignal
ei des Strom-Spannungs-Wandlers 25 anstelle des Spannungssignals e mit Hilfe der
Pulsbreitenmodulationsv schaltung moduliert wird. Eine entsprechende Betriebsweise
wie bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen kann somit erzielt werden.
Infolgedessen kann eine entsprechende Wirkung erreicht werden. Im übrigen sind viele
Modifikationen und Abwandlungen der Erfindung ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken
möglich.
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Die Erfindung ist oben zwar beispielsweise in Anwendung auf einen
elektronischen Wattstundenzähler bzw. Wirkverbrauchszähler erläutert worden. Bei
den Beispielen wird über das Tiefpaßfilter 32 die Offsetspannung der Pulsbreitenmodulationsschaltung
14 und des Strom-Spannungs-Wandlers 25 als die der Schaltungsanordnung anhaftende
Offsetspannung erhalten, die beseitigt werden kann. Das Rückkopplungssignal der
automatischen Offset-Kompensationsschaltung 46 wird dem Spannungs-Frequenz-Wandler
35 zugeführt, um die Offsetspannung des Spannung-Frequenz-Wandlers 35 und die der
Schaltungsanordnung anhaftende Offsetspannung zu beseitigen.
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Demgemäß kann der Einfluß der Offsetspannung beseitigt werden. Obwohl
die Offsetspannung den starken Einfluß bei einer schwachen Belastung bzw. bei einem
schwachen Verbrauch hat, kann die Leistung mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Da die Schaltungsanordnung durch eine integrierte Schaltung IC bereitgestellt werden
kann, kann die Größe des Wirkverbrauchszählers minimiert und der betreffende Zähler
in Massenproduktion hergestellt werden.
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