DE2539344A1

DE2539344A1 - Elektronischer wattstundenzaehler mit automatischem messbereichsucher

Info

Publication number: DE2539344A1
Application number: DE19752539344
Authority: DE
Inventors: Miran Milkovic
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-13
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1976-04-01
Also published as: CA1035840A; US3976941A; JPS5154469A; CH600344A5

Description

3. September 1975

Dr. Horst Schüler ^Schu/Vo·

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1
Nidda»tr. 52

3714-5D-5O51

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N. Y. /U .-S-. A.

Elektronischer Wattstundenzähler mit automatischem Meßbereichsucher

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Wattstundenzähler/ der mit einer automatischen Meßbereichseinstellung bzw. einem automatischen Meßbereichsucher ausgebildet ist und nachfolgend auch als Automatikbereichseinrichtung bezeichnet werden kann.

In der Vergangenheit erfolgte das Messen der beispielsweise in häusliche Bereiche fließenden elektrischen Energie mit elektromechanischen Vorrichtungen, die wegen ihrer Größe ziemlich lästig uno wegen ihrer sich bewegenden mechanischen Teile relativ teuer bzw. aufwendig zu warten sind. Kürzlich wurden elektronische Festkörperzähler zum Messen der in einem Leistungssystem fließenden elektrischen Energie bzw. Leistung vorgeschlagen, wie es sich aus den US-Patenten 3 875 5o8 und 3 875 5o9 ergibt. Diese Patente beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Stromflusses durch zumindest eine Leitung und der Spannung der Leitung, wobei diese Parameter geeignet multipliziert und in ein Impulsfolgesignal umgewandelt werden, das in einem Anzeigemechanismus gezählt wird, um eine Anzeige der verbrauchten elektrischen Energie zu bilden. Diese elektronischen Festkörper-Energiemesser haben jedoch einen kritischen Nachteil, der darin besteht, daß ihr Dynamikbereich be-

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grenzt ist und daß das Signal-Abweichungs-Verhältnis oder der Signalrauschabstand verbessert werden muß, um ein genaueres Meßgerät zum Messen eines großen Bereiches der über einen vorgegebenen Punkt fließenden Leistung zu bilden.

In der Vergangenheit wurden Anstrengungen zum Verbessern des Dynamikbereichs und des Signalrauschabstands von elektrischen Festkörper-Ene.rgiemessern unternommen, wie es durch die Automatikbereichsvorrichtung veranschaulicht wurde, die von Friedl und Seyfried im September 1972 in London auf einer internationalen IEE Konferenz zum Thema 'Messen und Tarif vorgeschlagen wurde. Bei dieser Vorrichtung werden zwei Stromwandler benutzt, und zwar einer zum Zuführen einer zum erfaßten Strom proportionalen Spannung zu einem Multiplizierer, der die stromproportionale Spannung und die erfaßte Spannung an der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers im Leistungssystem multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers wird zu einer Impulsfolge umgesetzt und dann über einen Frequenzteiler an einen ausgangsseitigen Anzeigemechanismus angekoppelt. Ein zweiter Stromwandler liefert ein Strompegelsignal an einen Bereichsdetektor, der seinerseits den Pegel der stromproportxonalen Spannung so eicht, daß die stromproportionale Spannung stufenweise abnimmt, wenn der Strompegel über jeden einer Vielzahl diskreter Pegel ansteigt. Um eine konstante Übertragungsfunktion des Gesamtsystems zu bilden, das heißt um die Tir.puIsgeschwindigkeit am Ausgang des Systems zum Leistungseingang konstant zu halten, erzeugt der an den zweiten Stromwandler angekoppelte Bereichsdetektor ein Signal zum stufenweisen Verändern des Frequenzteilers, so daß dann, wenn das Stromeingangssignal über jeden der diskreten Pegel ansteigt, der Teilungsfaktor des Frequenzteilers um einen Faktor abnimmt, der ausreicht, um die Übertragungsfunktion des Festkörperzählers über einen großen Bereich konstant zu halten. Diese Kompensationsvorrichtung erfordert einen zweiten Stromwandler, der die Kosten des elektrischen Festkörper-Energiemessers vergrößert und zusätzlich die Kosten für die Installation des Zählers an einer bestimmten Stelle ansteigen läßt. Außerdem ist ein Frequenzteiler erforderlich, der den Aufwand bezüglich eines wirtschaftlichen und doch genauen Meßsystems weiter vergrößert.

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Die Aufgabe·, der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer genauen und verläßlichen elektrischen Festkörper-Energiemeßvorrichtung mit einem großen Dynamikbereich. Der elektrische Energiezähler soll wirtschaftlich sowie verläßlich sein und einen relativ großen Signalrauschabstand sowie einen großen Dynamikbereich haben.

Der erfindungsgemäße elektronische Wattstundenzähler mit automatischem Meßbereichsucher weist einen Stromwandler zum Messen des elektrischen Stroms in zumindest einer Leitung eines elektrischen Verbrauchersystems auf. Das Ausgangssignal des Stromwandlers wird zu einer zu dem Strom proportionalen Spannung umgesetzt. Es sind auf das Ausgangssignal des Stromwandlers ansprechende Mittel zum stufenweisen inversen Verändern des Wertes der stromproportionalen Spannung vorgesehen, wenn der gemessene Strom jeden einer Vielzahl von sukzessive größer werdenden diskreten Strompegeln erreicht. Die stromproportionale Spannung wird wie auch das Ausgangssignal der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers, der die Spannung an der Leitung mißt, zu einem Multiplizierer geführt. Dieser bildet an seinem Ausgang ein Spannungssignal, das proportional zum Produkt der stromproportionalen Spannung und dos Ausgangssignals an der Sekundärwicklung des Spannungswandlers ist. Dieses Signal wird zu einer Impulsfolge umgesetzt, deren Frequenz proportional zur Amplitude der Ausgangsspannung des Multiplizierers ist. Ein in Übereinstimmung mit dem vom Stromwandler erfaßten Strompegel gesteuerter Kreis verändert stufenweise die Impulsgeschwindigkeit der Impulsfolge, wenn der gemessene Strom jeden der Vielzahl der diskreten Pegel erreicht. Der die Impulsgeschwindigkeit verändernde Kreis kompensiert die Abnahme der stromproportionalen Spannung, wenn der erfaßte Strom jeden der Vielzahl der diskreten Pegel erreicht, so daß die Impulsgeschwindigkeit zur erfaßten Leistung über einen großen Dynamikbereich weitgehend konstant bleibt. Während ein Strom-Spannung-Umsetzer für die Erzeugung des stromproportionalen Signals zuständig ist, wird ein Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer für die Erzeugung der Impulsfolge benutzt. Die in Abhängigkeit vom Erreichen der Strompegel die Impulsgeschwindigkeit verändernden Mittel kompensieren die Verstärkungsänderung des Strom-Spannung-Um-

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setzers. Auf· diese Weise wird ein Wattstundenzähler gebildet, der eine weitgehend konstante Verstärkung und einen sehr großen Dynamikbereich hat.' Es werden C-MOS bzw. komplimentäre Metalloxid-Silizium-Kreise benutzt, so daß sich eine kompakte Meßanordnung ergibt, während gleichzeitig die Herstellungs- und Installationskosten für das Meßgerät minimal gehalten werden.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer zeichnerisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsform. Es zeigen: Figur 1- in einem schematischen Blockschaltbild eine Einrichtung mit automatischer Bereichseinstellung für einen elektrischen Energiemesser bzw. Wattstundenzähler, Figur 2- in einer graphischen Darstellung den Verlauf der Spannung V beim Ansteigen des erfaßten Stromflusses und

Figur 3- in einem detaillierten schematischen Schaltbild eine praktische Ausführungsform der in Figur 1 dargestellten Einrichtung mit automatischer Bereichseinstellung.

In Figur 1 ist in einem schematischen Blockschaltbild die bevorzugte Ausführungsform der mit automatischer Bereichseinstellung versehenen Einrichtung für einen elektrischen Energiemesser bzw. Wattstundenzähler nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der in einem Leistungsverbrauchssystem fließende Strom wird durch geeignete Mittel erfaßt, wie beispielsweise durch einen Stromwandler (nicht dargestellt) üblichen Aufbaus. Der erfaßte Strompegel gelangt zu einem Strom-Spannung-Wandler 11, der die Form eines Gegen-Wirkwiderstandsverstärkers annehmen kann, wobei das Stromsignal zu einer Spannung umgewandelt wird, deren Amplitude proportional zum Eingangsstrompegel ist. Der Ausgang des Strom-Spannung-Umsetzers, der einer Phasenspaltung bzw. -teilung ausgesetzt ist, um zwei gegenseitig um I8o° verschobene Signale zu bilden, ist an einen Multiplizierer bzw. Vervielfacher 13 angeschlossen, wie er in den zuvor genannten US-Patenten 3 875 5o8 und 3 875 5o9 offenbart ist. Der Multiplizierer 13 empfängt auch als Eingangssignale die angegebene Normal-Referenzgleichspannung V_R und die angegebene Sägezahnspannung. In seinem Inneren enthält der Multiplizierer bzw.

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Vervielfacher!einen Stromwandler (in Figur 3: Stromwandler 27). Ferner wird dem Vervielfacher die Spannung zugeleitet, die von der Leitung abgenommen wurde, durch die der erfaßte Strom fließt. Diese Spannung kann durch irgendwelche einer Vielzahl geeigneter Mittel abgeleitet werden, wie beispielsweise durch einen Spannungswandler herkömmlichen Aufbaus (in Figur 3: Wandler 25).

Der Multiplizierer 13 erzeugt ein in der Impulsbreite amplitudenmoduliertes Ausgangssignal mit einem Mittelwert, der proportional zum Produkt der erfaßten Spannung und des durch das Leistungssystem fließenden erfaßten Stroms ist. Dieses Signal wird in einem Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 in eine Impulsfolge umgesetzt, deren Frequenz proportional zur Amplitude des Produktsignals am Ausgang des Multiplizierers 13 ist. Die Multiplikation erfolgt auf einer momentanen bzw. augenblicklichen Basis, so daß der Leistungsfaktor berücksichtigt wird. Das Produktsignal der Multiplikation wird gefiltert, um ein gleichstromartiges Signal zu erzeugen, das repräsentativ für die mittlere vom System verbrauchte Leistung ist. Die vom Umsetzer 15 hat dann eine zum mittleren Leistungssignal proportionale Frequenz. Auf diese Weise wird eine Impulsfolge abgeleitet, deren Impulsfrequenz proportional z-u der durch das System fließenden Leistung ist. Die Impulsfolge wird dann zu einer Kilowattstundenanzeige 17 geleitet, die die Form eines Zählers oder einer anderen geeigneten digitalen Anzeigeeinrichtung annehmen kann. Die Impulsfolge wird durch die Kilowattstundenanzeige 17 integriert, um ein sichtbares Ausgangssignal zu erzeugen, das das Integral des Leistungsflusses im System wiedergibt, das heißt den elektrischen Energiefluß durch das System. Alternativ kann die Anzeige einen Ausgang aufweisen, der mit einem geeigneten Steuersystem zum Steuern der Größe der durch das System fließenden Leistung verbindbar ist. +) (pulse width amplitude modulated)

Um das Signal-Abweichungs-Verhältnis oder den Rauschabstand und den Dynamikbereich des Kilowattstundenzählers zu vergrößern, ist ein Strompegelfühler 19 vorgesehen, der den Strompegel am Ausgang des im Umsetzer 11 angeordneten Stromwandlers erfaßt. Unter 'Pegel¹ wird der Mittelwert oder Spitzenwert oder Effektivwert des Stroms

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verstanden. Welcher der drei Werte angewendet wird, ist nicht besonders bedeutend, da diese drei Werte einander proportional sind. Ähnliche Betrachtungen gelten für den 'Pegel der Spannung¹ V am Ausgang des Umsetzers II. Das Ausgangssignal des Strompegelfühlers 19 (Steuerspannung V ) gelangt zu einem Paar von Analogschaltern 21 und 23. Der Analogschalter 21 steuert den Gewinn bzw. die Verstärkung des Strom-Spannung-Umsetzers 11 in der Weise, daß er die Verstärkung desselben um einen bestimmten Wert absenkt, wenn der erfaßte Eingangsstrom einen Pegel einer vorbestimmten Vielzahl von sukzessive ansteigenden Strompegeln erreicht. Dies ist am besten aus Figur 2 ersichtlich, bei der die Abszisse den vom Fühler 19 erfaßten Strompegel und die Ordinate den Pegel der Spannung V am Ausgang des Strom-Spannung-Umsetzers 11 wiedergeben. Es wird zunächst angenommen, daß ein Schwellwertstrompegel von o,l Ampere durch das Leistungsverbrauchssystem fließt und vom Strompegelfühler 19 erfaßt wird. Bei diesem Pegel (o,l Ampere) des Stromflusses hat der Strom-Spannung-Umsetzer 11 seine maximale Verstärkung, und er erzeugt eine Spannung V„ maximalen Ausgangspegels. Wenn dann der Strompegel bis beispielsweise 1 Ampere ansteigt, senkt der Analogschalter 21 die Verstärkung des Umsetzers 11 um einen vorgewählten Sprung, so daß die Ausgangspegelspannung des Umsetzers von Vv auf eine Spannung V-, kleinen Pegels absinkt. Wenn dann der Strom im Leistungsverbrauchssystem auf Io Ampere ansteigt, werden V. erneut.erreicht und der Analogschalter 21 wiederum erregt, um die Verstärkung des Umsetzers 11 abzusenken, so daß dessen Spannungspegelausgang von V, auf V-. abfällt. Dieser Vorgang setzt sich mit so viel Verstärkungssprüngen fort, wie es praktisch erwünscht ist. In diesem Sinne werden die Verstärkung des Umsetzers '11 und daher die Größe des den Strom repräsentierenden Signals V automatisch in inversen bzw. reziproken Sprüngen (invers proportional) verändert, wenn der Strompegel nacheinander bestimmte Pegel erreicht. Demzufolge befindet sich der Pegel des Eingangssignals für den Multiplizierer 13 ständig in einem Bereich zwischen V-, und V, . Dadurch werden die inneren Dynamikbereichserfordernisse des Multiplizierers vermindert, während gleichzeitig der Dynamikbereich des gesamten Wattstundenzählersystems beträchtlich vergrößert wird.

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Der Analogschalter 23 steuert die Verstärkung bzw. den Gewinn oder die Übertragungsfunktion des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers 15. Wenn daher der vom Fühler 19 erfaßte Strompegel jeden der bestimmten Pegel von 1 Ampere, Io Ampere usw. erreicht, ergibt sich eine Vergrößerung der Geschwindigkeitder Impulse am Ausgang des Umsetzers 15 zur Spannung am Eingang, wobei diese Vergrößerung unmittelbar (in geradem Verhältnis) in bestimmten Schritten erfolgt, um die verkleinerte Verstärkung des Strom-Spannung-Umsetzers 11 zu kompensieren. Daher bleibt die Anzahl der in einer Sekunde vom Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 pro erfaßtem Stromfluß durch das Leistungsverbrauchssystem erzeugten Impulse über einen großen Dynamikbereich eine Konstante.

In Figur 3 ist ein detaillierteres schematisches Schaltbild des Kilowattstundenzählers und seiner Einrichtung mit automatischer Bereichseinstellung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Figur 3 sind die Kreisblöcke, die den in Figur 1 dargestellten Blöcken entsprechen, mit denselben Hinweiszahlen wie in Figur 1 bezeichnet. In diesem Zusammenhang sind insbesondere der Strompegelfühler 19, die Analogschalter 21 und 23, der Multiplizierer 13 und der Umsetzer 15 beachtenswert. Ein Spannungswandler 2 5"erfaßt die Spannung an einer vorgegebenen Leitung eines elektrischen Leistungsverbrauchssystems (nicht dargestellt). Die Sekundärseite des Spannungswandlers 2 5 ist direkt an einen Multiplizierer 13 mit einer Impulsbreitenamplitudenmodulation angeschlossen, der in den zuvor genannten US-Patenten 3875 5o8 und 3 875 5o9 beschrieben ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Multiplizierer 13 irgendeinen herkömmlichen Aufbau haben kann, weshalb er vorliegend nicht detailliert dargestellt ist, um die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung klarer und kürzer zu beschreiben.

Ein Stromwandler 27 erfaßt den im LeistungsVerbrauchssystem fliessenden Strom, wobei die Sekundärseite des Stromwandlers an Operationsverstärker 29 und 31 angeschlossen ist. Die Sekundärseite des Stromwandlers 27 ist geschützt, und der in dieser erzeugte Strom wird mittels parallel geschalteter Dioden 33 und 35 begrenzt. Diese Dioden begrenzen den Strom- bzw. Spannungspegel in der Sekundär-

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wicklung, um die.Operationsverstärker 29 und 31 wie auch die Sekundärwicklung zu schützen.

Der Ausgang des Verstärkers 29 ist an ein Paar von C-MOS (komplementäre Metalloxid-Silizium) Übertragungspaaren 37 und 39 angeschlossen. Das Übertragungspaar 37 enthält einen P-Kanal MOS Feldeffekttransistor 41 und einen N-Kanal MOS Feldeffekttransistor 43, deren SOURCE- und DRAIN-Anschlüsse verbunden sind. Das Übertragungspaar 39 enthält einen P-Kanal Feldeffekttransistor 45 und einen N-Kanal Feldeffekttransistor 47, deren SOURCE- und DRAIN-Anschlüsse ebenfalls verbunden sind. Die SOURCE-Anschlüsse des Transistors des Übertragungspaares 37 sind über einen Rückkopplungswiderstand 49 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 29 verbunden, während die SOURCE-Anschlüsse des Übertragungspaares 39 über einen zweiten Rückkopplungswiderstand 51 an den Eingang des Operationsverstärkers 29 angeschlossen sind. Zusätzlich sind die SOURCE-Anschlüsse jedes dieser Übertragungspaare über Eingangswiderstände 53 und 55 mit einem Operationsverstärker 57 verbunden. Der Verstärkungsgrad des letzteren wird durch das Verhältnis eines über den Operationsverstärker geschalteten Rückkopplungswiderstandes 59 zu den entsprechenden Eingangswiderständen 53 und 55 bestimmt.* Der Ausgang des Operationsverstärkers 57 ist direkt mit einem Eingang des Multiplizierers 13 und über einen Eingangswiderstand 61 mit dem Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers 63 verbunden. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers 63 wird durch das Verhältnis ßines Rückkopplungswiderstandes 65 zum Eingangswiderstand 61 gesteuert. Der Operationsverstärker 63 sorgt daher für eine Phasenumkehrung oder Phasenteilung, so daß die zwei Signale -V und V über Leitungen 67 und 69 zum Multiplizierer 13 gelangen, wobei diese zwei Signale im wesentlichen dieselbe Amplitude haben und aber um I8o phasenverschoben sind. An den Multiplizierer 13 ist ferner die Normal-Referenzspannung V₀ und eine Io Kilohertz

κ.

Sägezahnwellenform gemäß Darstellung angekoppelt. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 13 wird geeignet gemittelt und durch ein Tiefpaßfilter 71 herkömmlichen Aufbaus zu einem Gleichstromsignal umgesetzt. Der Ausgang des Tiefpaßfilters ist über einen Widerstand 75 an den Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 angekoppelt.

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Dieser erzeugt, wie es bereits erwähnt wurde, an seinem Ausgang eine Impulsfolge mit einer Frequenz, die direkt proportional zum Produkt des Signals am Ausgang des Multiplizierers 13 ist;. Wenn die Spannung im System konstant ist, wird eine Impulsfolge erzeugt, deren Frequenz direkt proportional zum Strom I in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 27 ist. Der Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 kann irgendeinen bekannten Aufbau haben.

Der Operationsverstärker 31 sorgt für eine geeignete Verstärkung des in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 2 7 induzierten Stroms und für eine Polaritätsumkehrung dieses Stromsignals. Der Ausgang des Operationsverstärkers 31 ist über eine Tn nndiode 77 an einen allgemein mit der Hinweiszahl 79 belegten Hysteresekomparator angekoppelt. Dieser enthält ein Tiefpaßfilternetzwerk mit Widerständen 81 sowie 83 und einem Kondensator 85. Der Ausgang des Filters ist über einen Eingangswiderstand 89 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 87 angekoppelt. Der andere Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 87 ist über einen Widerstand mit einer Quelle konstanter Spannung V verbunden. Der so angeschlossene Operationsverstärker 87 stellt einen Komparator dar, der ein Ausgangssignal (Steuerspannung V) ausgewählter Polarität erzeugt, was davon abhängt, ob das Eingangssignal über den Widerstand 89 einen von der Spannung V_R vorgegebenen Pegel übersteigt. Der Ausgang des Komparators 79 ist über einen Rückkopplungswiderstand 93 zu seinem Eingang zurückgeführt und zusätzlich mit dem GATE des N-Kanal Feldeffekttransistors 47 sowie über einen Inverter 95 mit dem GATE des P-Kanal Feldeffekttransistors 45 verbunden. Der Ausgang des Komparators 79 ist ferner über einen Inverter 97 mit dem GATE des N-Kanal Transistors 43 und über einen zweiten Inverter mit dem GATE des P-Kanal Transistors 41 verbunden. Und schließlich ist der Ausgang des Komparators 79 direkt an den Basisanschluß eines P-Kanal Feldeffekttransistors lol und an das GATE eines N-Kanal Feldeffekttransistors Io3 über einen Inverter Io5 angekoppelt. Die Transistoren Io3 und lol bilden ein C-MOS (komplementäres Metalloxid-Silizium) übertragungspaar, das in Reihe mit einem Widerstand Io7 parallel zum Widerstand 75 geschaltet ist^.

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- Io -

Um die Betriebsweise des oben beschriebenen Kreises zu verstehen, wird daran erinnert, daß für·einen P-Kanal Verstärkungsbetrieb ein SOURCE-DRAIN-Leitungspfad für kleine GATE-Spannungen besteht. Eine Vergrößerung der GATE-Spannung vermindert die Leitfähigkeit und führt schließlich zu einem Abschalten bzw. Sperren des Transistors, wenn eine ausreichende GATE-Spannung erreicht ist. Andererseits besteht für einen N-Kanal Verstärkungsbetrieb kein Leitfähigkeitspfad bei kleinen GATE-Spounungen, sondern ein solcher Pfad entsteht erst dann, wenn die GATE-Spannung eine positive GATE-Minimumschwelle übersteigt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird der Zustand eines jeden Übertragungspaares als 'EIN' bezeichnet, wenn beide Transistorkomponenten leitend sind, während der Zustand als ¹AUS' bezeichnet wird, wenn beide Transistorkomponenten nicht leitend sind.

Zunächst wird angenommen, daß kein Strom im Leistungsverbrauchssystem fließt, so daß in der Sekundärwicklung ci^s Stromwandlers 27 kein Stromfluß induziert wird. Daher nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers 31 ein niedriges Potential an, und dementsprechend liegt auch am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 87 ein niedriges Potential. Somit liegt der Ausgang des Operationsverstärkers 87 auf einer positiven hohen Spannung, und zwar wegen des Anlegens der Referenzspannung V an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Dieses hochliegende Potential wird an die Basis des N-Kanal Transistors 47 angekoppelt, um diesen Transistor anzuschalten. Gleichzeitig wird das Signal durch den Inverter 95 umgekehrt und an die Basis des P-Kanal Transistors 45 angekoppelt, um diesen Transistor einzuschalten. Dementsprechend ist der Ausgang des Operationsverstärkers 2 9 direkt mit dem Rückkopplungswiderstand 51 und über den Eingangswiderstand 55 mit dem Operationsverstärker 57 verbunden. Gleichzeitig wird das hochliegende Ausgangssignal des Operationsverstärkers 87 durch den Inverter 97 umgekehrt und an den N-Kanal Transistor 43 angekoppelt, um diesen auszuschalten. Der niedrigliegende Ausgang des Inverters 97 wird durch den Inverter 99 umgekehrt, um ein hochliegendes Ausgangssignal zu erzeugen, das in bekannter Weise den P-Kanal Transistor 41 ausschaltet. Somit ist die Kreisverbindung zwischen dem Ausgang des

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Operationsverstärkers 29 und dem Rückkopplungswiderstand 49 geöffnet bzw. unterbrochen. Und schließlich wird das hochliegende Au.sgangssignal über den Inverter Io5 zum N-Kanal Transistor Io3 und direkt zum P-Kanal Transistor lol geleitet. Entsprechend werden die Transistoren lol und Io3 ausgeschaltet, wodurch der Kreis vom Ausgang des Tiefpaßfilters 71 zum Analogwert-Impulsgeschwindigkeitümsetzer 15 über den Widerstand Io7 geöffnet wird.

Wenn der Pegel des durch das Leistungsverbrauchssystem fließenden Stromes ansteigt, wächst der Strom I in der Sekundärwicklung des Stromwandlers, und entsprechend steigt auch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 29. Diese vergrößerte Spannung wird über das Ubertragungspaar 39 und den Eingangswiderstand 55 zum Operationsverstärker 57 geleitet. Das Ausgangssignal des letzteren wird direkt an den Multiplizierer 13 angekoppelt und durch den Inverter 63 umgekehrt sowie zum Multiplizierer 13 geführt. Gleichzeitig gelangt die vom Spannungswandler 2 5 erfaßte Leitungsspannung zum Multiplizierer 13, der an seinem Ausgang ein Produktsignal erzeugt, welches dem Produkt des erfaßten Stroms und der Spannuna im Leistungssystem entspricht. Die Ausgangsspannung wird durch ein Tiefpaßfilter 71 zu einem Gleichspannungssignal umgesetzt, dess'en Amplitude dem mittleren Ausgangssignal des Multiplizierers 13 entspricht. Dieses Signal wird direkt über den Widerstand 75 an den Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 angekoppelt, der eine Ausgangsimpulsfolge erzeugt, deren Frequenz direkt proportional zum Produkt des Stroms und der Spannung des Leistungssystems ist. In dem Fall, bei dem die Spannung des Systems konstant ist, ist die Frequenz direkt proportional zu dem im Leistungssystem fliessenden Strom.

Es sei nun beispielsweise angenommen, daß der Strompegel im Leistungsverbrauchssystem über 1 Ampere ansteigt. In diesem Fall ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 31 ausreichend, um den Komparator 79 zu schalten, so daß das Ubertragungspaar 39 ausgeschaltet und das Übertragungspaar 37 eingeschaltet werden. An dieser Stelle ist zu bemerken, daß das zum Komparator 79 gehörige Tiefpaßfilter, welches die Widerstände 81 sowie 83 und den Konden-

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sator 85 enthält,· dazu dient, eine Oszillation des Systems um den Pegel von 1 Ampere zu vermeiden, so daß der Komparator 79 nach einem Schaltvorgang umgeschaltet bleibt, bis der Strompegel unter 1 Ampere fällt, und zwar für eine vorbestimmte Zeitperiode oder um einen vorbestimmten Wert.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 29 ist nunmehr über den Eingangswiderstand 53 mit dem Verstärker 57 und über den Rückkopplung swide rs tand 49 mit seiner Eingangsklemme verbunden. Gleichzeitig wird die Verbindung des Ausgangs des Operationsverstärkers 29 mit dem Rückkopplungswiderstand 51 unterbrochen, da das Ubertragungspaar 39 ausgeschaltet ist. Wenn beispielsweise der Widerstand 51 zehnmal so groß wie der Rückkopplungswiderstand 49 ist, fällt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 2 9 beispielsweise von Io Volt auf 1 Volt, was natürlich vom Spannungsmaßstab am Ausgang des Operationsverstärkers 29 abhängt, Somit ist gemäß der Darstellung aus Figur 2 das Ausgangssignal des Operationsverstärkers dasselbe, wie wenn sich der erfaßte Strompegel auf einem vorbestimmten Verschiebungspegel befindet, beispielsweise auf einem Pegel von o,l Ampere.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 29 gelangt nun über den Verstärker 57 zum Multiplizierer 13 und zum Inverter 63. Das Ausgangssignal des Miltiplizierers 13 wird entsprechend um den Faktor Io vermindert, wie es auch für das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 71 gilt. Da jedoch die zehnfache Leistung im System gegenüber dem Fall verbraucht wird, bei dem nur ein Strom mit einem Pegel von o,1 Ampere fließt, muß eine Kompensationseinrichtung vorgesehen sein, um automatisch die Tatsache zu berücksichtigen, daß der relativ kleine Widerstand 49 an den Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers 29 angeschaltet ist. Diese Berücksichtigung erfolgt dadurch, daß das niedrigliegende Ausgangssignal des Komparators 79 an den GATE-Anschluß des P-Kanal Transistors lol und über den Inverter Io5 an den GATE-Anschluß des N-Kanal Transistors Io3 gelangt. Daher wird das von den Transistoren lol und Io3 gebildete Ubertragungspaar eingeschaltet, wodurch der Widerstand Io7 parallel zum Widerstand"75 geschaltet wird.

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um die Gesamtverstärkung des Systems konstant zu machen, das heißt, um das Verhältnis der Ausgangsimpulse pro Sekunde zum erfaßten Leistungspegel zu einer Konstanten zu machen, muß folgende Beziehung eingehalten werden:

R₇₅

^R51^/R49 "

R₇₅Rlo7/(R₇₅+Rlo7)

Daher muß die Parallelschaltung der Widerstände 75 und Io7 den Widerstandswert von l/lo des Widerstands 75 haben, wenn das Verhältnis des Widerstands 49 zum Widerstand 51 l:lo beträgt. Somit ist es ersichtlich, daß die Dämpfung des vom Tiefpaßfilter 71 zum Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 gekoppelten Signals tatsächlich um einen Faktor Io vermindert wird, um hierdurch die Tatsache zu kompensieren, daß die Verstärkung des Operationsverstärkers 29 um einen Faktor Io vermindert wurde. Somit bleibt die Gesamtverstärkung des Systems oder die Übertragungsfunktion desselben konstant, und zwar trotz der Tatsache, daß die Verstärkung des Operationsverstärkers 29 wie auch der Dämpfungsfaktor zwischen dem Ausgang des Tiefpaßfilters 71 und dem Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 15 in bestimmter Weise verändert wird.

Während der Kreis zum stufenweisen Umschalten der Verstärkung des Operationsverstärkers 29 und der Dämpfung am Eingang des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers 15 so dargestellt ist, daß in der Ausführungsform aus Figur 3 nur eine Inkrementstufe gebildet wird, ist die vorliegende Erfindung jedoch so zu verstehen, daß so viele Inkrementstufen wie praktisch erwünscht vorgesehen werden können, indem weitere Rückkopplungswiderstände bezüglich des Rückkopplungskreises des Verstärkers 29 ein- und ausgeschaltet und weitere Widerstände parallel zum Widerstand 75 zugefügt werden. Ferner ist es ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Meß- bzw. Zähleinrichtung mit der automatischen Bereichseinstellung durch Verwendung von C-MOS Kreisen leicht durch integrierte Schaltkre:' stechnik hergestellt werden kann, um eine kompakete Meßeinrichtung mit sehr kleinem Leistungsverbrauch zu erzeugen.

- Patentansprüche -

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Claims

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*■ " Patentansprüche

1,/Elektronischer Wattstundenzähler zum Messen der in einem elektrischen Verbrauchersystem verbrauchten Leistung mit einer Strommeßeinrichtung zum momentanen Bilden eines den im System fliessenden Strom darstellenden Signals, mit einer Spannungsmeßeinrichtung zum momentanen Bilden eines die Spannung des Systems repräsentierenden Signals, mit Mitteln zum Multiplizieren der gemessenen Strom- und Spannungssignale, um ein Produktsignal zu erzeugen, das ständig der im System verbrauchten Leistung proportional ist, und mit Mitteln zum Umsetzen des Produktsignals zu einer Impulsfolge, deren Impulsgeschwindigkeit proportional zur Größe des Produktsignals ist, gekennzeichnet durch Mittel (19) zum Erfassen des Pegels des im System fließenden Stroms, durch auf die Strompegelerfassungsniittel ansprechende Mittel (21, 11) zum automatischen, stufenweisen und inversen Verändern des Wertes des gemessenen Stromsignals, wenn der erfaßte Strompegel einen Pegel einer Vielzahl diskreter Pegel erreicht, und durch auf die Strompegelerfassungsinittel ansprechende Mittel (23, 15) zum automatischen, stufenweisen und direkt proportionalen Verändern der Impulsgeschwindigkeit der Impulsfolge," wenn der Strompegel jeden der zahlreichen diskreten Pegel erreicht, um hierdurch das Verhältnis der erzeugten Impulse zur gemessenen Leistung im wesentlichen konstant zu halten.
2. Wattstundenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (23, 11) zum stufenweisen Verändern des Wertes des gemessenen Stroms Mittel (11) zum Umsetzen des gemessenen Stroms zu einer hierzu proportionalen Spannung und Mittel (29, 49, 51) zum stufenweisen, inversen Verändern der Verstärkung der Strom-Spannung-Omsetzungsmittel aufweisen, wenn der gemessene Strom einen einer Vielzahl diskreter Pegel erreicht.
3. Wattstundenzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum stufenweisen Verändern des Wertes des gemessenen Stromsignals einen verstärkungsvariablen Verstärker (29) aufweisen, ferner eine Vielzahl von wählbaren elektroni-

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sehen Tor-kanälen (37, 39), die dem Verstärker jeweils eine verschiedene individuelle Verstärkungscharakteristik geben können, und beim Erreichen eines diskreten Pegels des erfaßten Stroms ansprechende elektronische Mittel (31, 79) zum selektiven Ein- und Ausschalten der Kanäle, um hierdurch stufenweise die Verstärkung des verstärkungsvariablen Verstärkers (29) zu verändern.
4. Wattstundenzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkungsvariable V.-rstärker (29) mit einer Vielzahl von Rückkopplungswiderständen (49, 51) versehen ist, von denen jeder durch einen der Torkanäle (37, 39) schaltbar ist, um einen entsprechenden Rückkopplungspfad über einen solchen Widerstand zu schließen oder zu öffnen, wodurch die Verstärkung des Verstärkers verändert wird.
5. Wattstundenzähler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompegelfühler (19) einen Hysteresekomparator

(79) aufweist, der für jeden der diskreten Pegel ein bestimmtes Torsignal erzeugen kann und von einem Torsignal zu einem anderen Torsignal übergeht, wenn ein solcher diskreter Pegel erreicht wird.
6. Wattstundenzähler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum stufenweisen Verändern der Impulsgeschwindigkeit der Impulsfolge Mittel (75, Io7) zum stufenweisen Verändern des Ausgangssignals der Multipliziereinrichtung (13) aufweisen, wobei das Ausgangssignal stufenweise vergrößert wird, wenn der Wert des gemessenen Stroms abfällt, und umgekehrt, um hierdurch das Verhältnis der erzeugten Impulse zur gemessenen Leistung konstant zu halten.
7. Wattstundenzähler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum stufenweisen Verändern des Ausgangssignals der Multipliziereinrichtung (13) eine Vielzahl von zwischen der Multipliziereinrichtung (13) und den Mitteln (15) zum Umsetzen des Produktsignals zu einer Impulsfolge parallelgeschalteten Widerständen (75, Io7) und in Reihe mit zumindest einem

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der Widerstände (Io7) einen schaltbaren elektronischen Torkanal (lol, Io3) aufweisender auf den Übergang der erzeugten Torsignale anspricht, um zumindest den einen Widerstand selektiv einsowie auszuschalten und hierdurch die Dämpfung des Produktsignals zu verändern, bevor dieses an den Produktsignal-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer (15) gelangt.
8. Wattstundenzähler nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Torkanal ein Paar komplementärer Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistoren enthält.

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