CH460170A - Verfahren zur Messung elektrischer Wirkenergie und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

  
 



   Verfahren zur Messung elektrischer Wirkenergie und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektrischer Wirkenergie durch Produktbildung aus Spannung und Strom, wobei eine erste Impulsfolge und eine zweite Impulsfolge je einem Eingang eines UND Tores zugeführt werden, so dass an dessen Ausgang zeitlich statistisch verteilte Impulse entstehen.



   Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine Schaltungsanordnung zur   Durchführung    dieses Verfahrens.



   Es ist bekannt, das Produkt aus Spannung und Strom mittels einer statistischen Koinzidenzmethode zu bilden. Dabei werden eine Rechteckimpulsfolge mit einer der Spannung proportionalen Impulsbreite und eine Rechteckimpulsfolge mit einer dem Strom proportionalen Impulsbreite in einer elektronischen Koinzidenzschaltung miteinander verglichen. Am Ausgang dieser Schaltungsanordnung erscheint eine Impulsfolge, deren Spannungsmittelwert der Leistung proportional ist.



   Zur Ermittlung der Energie muss eine Impulsfolge gebildet werden, deren Frequenz diesem Spannungsmit  telwert    proportional ist. Dazu ist ein Spannungs-Frequenzwandler erforderlich, der zusätzliche Messfehler mit sich bringt. Auch ist der Aufwand zur   Durchführung    des bekannten Verfahrens gross.



   Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass genaue Spannungs-Frequenzwandler eine relativ grosse Ausgangsfrequenz aufweisen. Der Im  puiszähler,    welcher die Impulse des zusätzlichen Spannungs-Frequenzwandlers zählt, muss deshalb über eine grosse Speicherkapazität verfügen.



   Die Nachteile des bekannten Verfahrens werden erfindungsgemäss dadurch behoben, dass das Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite der ersten Impulsfolge der Spannung oder dem Strom und die Impulsfrequenz der zweiten Impulsfolge dem Strom bzw. der Spannung proportional ist, dass die konstante Impulsbreite der zweiten Impulsfolge sehr klein ist gegenüber der Impulsbreite der ersten Impulsfolge, und dass durch fortlaufendes Zählen der Ausgangsimpulse des UND-Tores, deren mittlere Frequenz proportional der Leistung ist, der Betrag der zu messenden Wirkenergie ermittelt wird.



   Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des   Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungs- oder ein Strom-Impuls-Wandler, der eine erste Impulsfolge mit der Spannung bzw. dem Strom proportionalem Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite abgibt, und ein Strom- bzw. Spannungs-Frequenzwandler, der eine zweite Impulsfolge mit einer dem Strom bzw. der Spannung proportionalen Impulsfrequenz abgibt, an je einen Eingang eines UND Tores angeschlossen ist, wobei die konstante Impulsbreite der zweiten Impulsfolge sehr klein ist gegenüber der Impulsbreite der ersten Impulsfolge, und dass der Ausgang des UND-Tores mit einem Impulszähler ver-    bunden ist.



   Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Impulsdiagramm,
Fig. 2 ein UND-Tor und
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Energiemessers.   



   In der Fig. 1 ist eine erste Impulsfolge mit der Frequenz fj, der Periodendauer T1 und der Impulsbreite dl und eine zweite Impulsfolge mit der Frequenz f2, der Periodendauer T2 und der Impulsbreite 82 dargestellt.   



   Es gilt die Beziehung
82           < 31       Für die ersten allgemeinen Betrachtungen sei die Impulsbreite 82 unendlich klein. Ferner sei angenommen, dass die Frequenz f1 zur Frequenz f2 in einem irrationalen Verhältnis steht.



   Die Wahrscheinlichkeit p, dass ein Impuls der zweiten Impulsfolge mit einem Impuls der ersten Impulsfolge    zeitlich koinzidiert, ist nach der Definition der Wahrscheinlichkeit     #1 p = - = #1 # f1 T1     
In der Fig. 2 werden die erste Impulsfolge dem Eingang 1 und die zweite Impulsfolge dem Eingang 2 eines UND-Tores 3 zugeführt. An dessen Ausgang 4 erscheint dann und nur dann ein Impuls, wenn an beiden Eingängen gleichzeitig ein Impuls vorhanden ist.



   Die mittlere Frequenz f der am Ausgang 4 entstehenden zeitlich statistisch verteilten Impulse ist der Wahrscheinlichkeit p der Koinzidenz und der Frequenz   f2    pro  portional:    f =   p    f2 =   61f,      fi      f,    Wenn nun das Produkt aus Impulsfrequenz   f1    und Im pulsbreite   81    der ersten Impulsfolge proportional der Spannung U und die Impulsfrequenz   f2    der zweiten Impulsfolge proportional dem Strom   1 ist,    so gilt, wenn man vorerst Spannung und Strom als konstant annimmt:

      #1 # f1 = k1 # U    f2 = k2 # I    und # = k1 # k2 # U # I    Die mittlere Ausgangsfrequenz f ist also der Leistung U    I    proportional. Durch fortlaufendes Zählen der Ausgangsimpulse, d. h. durch Integration der Leistung über die Zeit, kann der Betrag der zu messenden Energie ermittelt werden. Das Resultat ist nach dem Theorem von Bernoulli um so genauer, je länger die Messung dauert.



   Bis jetzt wurde angenommen, Spannung und Strom seien konstante Grössen. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass das beschriebene Messverfahren ohne Einschränkung auch dann angewendet werden kann, wenn Spannung und Strom zeitlich veränderliche Grössen sind. Insbesondere kann das vorgeschlagene Verfahren auch zur Messung der Wirkenergie bei Wechselstrom herangezogen werden, wenn die statistisch verteilten Impulse bei negativem Momentanwert des Produktes aus Strom und Spannung rückwärts gezählt werden.



   Bedeuten U den Effektivwert der Spannung, I den Effektivwert des Stromes,    < pden    Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom und t die Zeit, so erhält man als Resultat der Integration die Wirkenergie
W = U   1      cos      q7       t    Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass die Impulsbreite 81 der ersten Impulsfolge konstant ist, wobei gilt:    f1    = k3 # U f2 = k4   1       und # = #1 # k3 # k4 # U # I    Im folgenden wird anhand des letztgenannten Falles erläutert, wie der Erfindungsgedanke praktisch angewendet werden kann.



   In der Fig. 3 sind gleiche Teile wie in der Fig. 2 mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Der Ausgang 5 eines Spannungs-Frequenzwandlers 6, an dessen Eingang 7 die Spannung U liegt, ist über einen monostabilen Multivibrator 8 am Eingang 1 des UND-Tores 3 angeschlossen. Der Ausgang 9 eines Strom-Frequenzwandlers 10, an dessen Eingang 11 der Strom I geführt wird, ist über einen monostabilen Multivibrator 12 an den Eingang 2 des UND-Tores 3 gelegt. Die Spannung U bzw. der Strom I ist an den Eingang 13 bzw. 14 eines Nullschwellenschalters 15 bzw. 16 geführt, dessen Ausgang 17 bzw. 18 mit dem Eingang 19 bzw. 20 eines Antivalenz-Tores 21 verbunden ist. Das Antivalenz-Tor 21 befindet sich im logischen Zustand L, wenn beide Eingänge 19 und 20 den gleichen logischen Zustand aufweisen.

   Der Ausgang 4 des UND-Tores 3 ist an den Kontaktarm 22 eines Umschalters 23 angeschlossen, von welchem eine Wirkverbindung 24 zum Antivalenz-Tor 21 führt. Der Umschalter 23, dessen Funktion hier symbolisch dargestellt ist, kann selbstverständlich durch elektronische Schaltelemente gleicher Wirkung ersetzt werden. Der Kontakt 25 des Umschalters 23 ist an den Vorwärtszähleingang 27 und der Kontakt 26 an den Rückwärtszähleingang 28 eines Impulszählers 29 angeschlossen.



   Am Eingang 1 des UND-Tores 3 erscheint eine Impulsfolge, deren Frequenz   f1    proportional der Spannung U und deren Impulsbreite   81    konstant ist. Am Eingang 2 des UND-Tores 3 tritt eine Impulsfolge auf, deren Frequenz   f2    proportional dem Strom I und deren Impulsbreite   82    konstant und gegenüber der Impulsbreite   81    sehr klein ist. Der Mittelwert der Frequenz f der am Ausgang 4 des UND-Tores 3 auftretenden statistisch verteilten Impulse ist dem Momentanwert der Leistung proportional.



   Der Ausgang 17 des Nullschwellenschalters 15 befindet sich im logischen Zustand L, wenn der Momentanwert seiner Eingangsgrösse positiv, und im logischen Zustand 0, wenn derselbe negativ ist. Das gleiche gilt für den Ausgang 18 des Nullschwellenschalters 16. Das Antivalenz-Tor 21 betätigt den Umschalter 23 so, dass er in der Stellung positiver Zählrichtung steht, wenn beide Eingänge 19 und 20 den gleichen logischen Zustand aufweisen. Somit werden die Ausgangsimpulse des UND-Tores 3 im Impulszähler 29 addiert, wenn der Momentanwert des Produktes aus Strom und Spannung positiv ist. Bei negativem Momentanwert des Produktes werden die Ausgangsimpulse subtrahiert, so dass aus dem jeweiligen Zählerstand des Impulszählers 29 die Wirkenergie ermittelt werden kann.



   In dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Impulsbreite   82    sehr klein gegenüber der Impulsbreite   dl.    Selbstverständlich kann auch die Impulsbreite    < 31    gegenüber der Impulsbreite 82 sehr klein gehalten werden.



   Für die Betrachtung der Entstehung der statistisch verteilten Impulse wurde angenommen, dass die Frequenzen   fl    und   f2    bzw. deren Mittelwerte zueinander in einem irrationalen Verhältnis stehen. Bei rein ohmscher Belastung einer starren Spannungsquelle mit reellem Innenwiderstand besteht zwischen den Frequenzen   fX    und f2 eine eindeutige Korrelation, so dass es nicht immer möglich ist, diese Annahme einzuhalten. Weil jedoch in einem Verteilnetz durch das Zu- und Abschalten von Speichern verschiedenster Art und Zusammensetzung statistische Schwankungen der Phase zwischen Spannung und Strom erzeugt werden, wird eine momentane Abhängigkeit sofort wieder aufgelöst. Deshalb ist die Einhaltung dieser Forderung gar nicht notwendig.



   Die Unabhängigkeit zwischen den Frequenzen   f1 und      f2 kann    zusätzlich gesichert werden, indem die eine der beiden stochastisch moduliert wird.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zur Messung elektrischer Wirkenergie durch Produktbildung aus Spannung und Strom, wobei eine erste Impulsfolge und eine zweite Impulsfolge je einem Eingang eines UND-Tores zugeführt werden, so dass an dessen Ausgang zeitlich statistisch verteilte Impulse entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite der ersten Impulsfolge der Spannung oder dem Strom und die Impulsfrequenz der zweiten Impulsfolge dem Strom bzw. der Spannung proportional ist, dass die konstante Impulsbreite der zweiten Impulsfolge sehr klein ist gegen über der Impulsbreite der ersten Impulsfolge, und dass durch fortlaufendes Zählen der Ausgangsimpulse des UND-Tores (3), deren mittlere Frequenz proportional der Leistung ist, der Betrag der zu messenden Wirkenergie ermittelt wird.

   PATENTANSPRUCH II Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungs- oder ein Strom-Impuls-Wandler (6, 8), der eine erste Impulsfolge mit der Spannung bzw. dem Strom proportionalem Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite abgibt, und ein Strom- bzw. Span nungs-Frequenzwandler (10, 12) der eine zweite Impulsfolge mit einer dem Strom bzw. der Spannung proportionalen Impulsfrequenz abgibt, an je einen Eingang (1; 2) eines UND-Tores angeschlossen ist, wobei die konstante Impulsbreite der zweiten Impulsfolge sehr klein ist gegenüber der Impulsbreite der ersten Impulsfolge, und dass der Ausgang (4) des UND-Tores (3) mit einem Impulszähler (29) verbunden ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Impulsbreite der ersten Impulsfolge konstant ist.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpulse des UND Tores (3) rückwärts gezählt werden, wenn das Produkt aus Spannung und Strom negativ ist.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Mittelwert der Frequenz der ersten Impulsfolge unabhängig ist vom Mittelwert der Frequenz der zweiten Impulsfolge.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der einen Impulsfolge zusätzlich stochastisch moduliert wird.

   5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- bzw.

   Strom-Frequenzwandler (6, 8 bzw. 10, 12) einen monostabilen Multivibrator (8 bzw. 12) aufweist.

   6. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulszähler (29) einen Umschalter (23) für positive und negative Zählrichtung aufweist, und dass je ein Spannungs- und ein Strom-Nullschwellenschalter (15; 16) angeordnet ist, dessen Ausgang (17; 18) mit je einem Eingang (19; 20) eines Antivalenz-Tores (21) verbunden ist, das den Umschalter (23) so betätigt, dass dieser auf die Stellung negativer Zählrichtung schaltet, wenn die Nullschwellenschalter (15; 16) nicht im gleichen logischen Zustand sind.