Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Elektrizitätszähler für die Messung des Verbrauchs von elektrischer Energie, mit einem einen magnetischen Stromwandler enthaltenden Messteil und mit einem Auswerteteil.
Für die Erfassung des elektrischen Energieverbrauchs ist es bekanntlich erforderlich, die Leiterströme vor dem jeweiligen Verbraucher zu messen, wobei die dabei interessierenden Grössen vor allem Betrag und Phase der Grundschwingung und einiger weniger Oberwellen sind.
Wenn nun für statische Elektrizitätszähler in mehrphasigen Netzen ein magnetischer Stromwandler verwendet wird, dann ist die an sich naheliegende direkte Messung der Ströme mittels Shunt nicht möglich. Denn einerseits muss die Magnetisierungsimpedanz gegenüber der Streuimpedanz gross sein, was einen grossen Eisenkern erfordert, andererseits zirkuliert aber im Zähler bei Vorhandensein einer Diode im Messteil ein Gleichstrom, wodurch der Kern des spaltfreien Wandlers gesättigt wird. Diese Sättigung führt aber zu unzulässigen Messfehlern auf der Wechselstromseite.
Es ist aus dem U.S. Patent Nr. 3 546 565 bekannt, die genannte unerwünschte Sättigung des Kerns durch Einbau eines Luftspalts zu vermeiden und das dadurch verursachte Absinken der Magnetisierungsimpedanz mit einem Kondensator zu kompensieren. Da aber der kapazitive Widerstand frequenzabhängig ist, wird ein derartiger Elektrizitätszähler immer nur eine bestimmte Strom komponente, und zwar die Grundschwingung, richtig, die Harmonischen aber falsch zählen. Daher ist diese bekannte Lösung nachteilig.
Durch die Erfindung soll nun ein Elektrizitätszähler angegeben werden, bei dessen magnetischem Wandler keine unzulässigen, durch Sättigung verursachten Messfehler auftreten und der auch bei unterschiedlichen Frequenzen eine exakte Verbrauchszählung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein offener Stromwandler von der Art eines nicht belasteten Transformators vorgesehen und dass diesem eine Integrationsstufe nachgeschaltet ist.
Die erfindungsgemässe Lösung enthält also einem unbelasteten, magnetischen Stromwandler, bei dem es zu keiner Sättigung des Kerns durch den primär zirkulierenden Strom kommt. Am Ausgang des Stromwandlers ist ein Signal dI/dt erhältlich, aus welchem der Integrator den Strom I bestimmt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Elektrizitätszählers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteteil einen Mikrorechner aufweist, in welchem eine Skalen Bemessung des Ausgangssignals des Messteils unter Berücksichtigung der charakteristischen Zeitkonstanten der Integrationsstufe erfolgt.
Integratoren haben bekanntlich unter anderem die Eigenschaft, dass ihre charakteristischen Zeitkonstanten durch Temperaturänderungen und Alterung starken Schwankungen unterworfen sind. Dabei sind insbesondere die verwendeten Kondensatoren sehr kritische Elemente, deren Stabilisierung auf die geforderte Genauigkeit hohe Kosten verursacht. Dieses Problem der Langzeitgenauigkeit analoger Integratoren wird durch die erfindungsgemässe Berücksichtigung der charakteristischen Zeitkonstante des Integrators bei der Skalen-Bemessung des Signals des Messteils auf einfache Weise gelöst.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Elektrizitätszählers ist dadurch gekennzeichnet, dass im Auswerteteil ein mittels einer über eine definierte Zeit an die Integrationsstufe angelegten definierten Referenzspannung gewonnener Referenzwert für das Ausgangssignal des Messteils gespeichert ist und dass aus dem Verhältnis zwischen diesem Referenzwert und einem im Betrieb des Elektrizitätszählers ge wonnenen Kalibrierwert der Skalierungsfaktor für die genannte Skalen-Bemessung ableitbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungswesentlichen Teile eines Elektrizitätszählers;
Fig. 2 eine Detailvariante des Blockschemas von Fig. 1;
Fig. 3 das Beispiel von Fig. 2, etwas detaillierter;
Fig. 4 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 5 ein Diagramm zur Funktionserläuterung.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem statischen Elektrizitätszähler, bestehend aus einem Messteil 1 und aus einem Auswerteteil 2. Der Messteil 1 enthält einen magnetischen Stromsensor 3, mit welchem Leiterströme potentialfrei erfasst werden können. Da wegen des Gleichstromanteils im Verbraucherstrom nicht direkt mittels eines Stromwandlers gemessen werden kann, besteht der Stromsensor aus einer linearen Drosselspule 4, welche vom Laststrom I durchflossen wird, und aus einer Hilfswicklung 5, in welcher durch die Spule 4 eine Spannung induziert wird. Diese in der Hilfswicklung 5 induzierte Spannung wird einem analogen Integrator 6 zugeführt, in welchem durch Integration der genannten induzierten Spannung eine stromproportionale Spannung erzeugt wird. Diese wird als transformier tes Stromsignal weiterverarbeitet.
Die eigentliche Messung erfolgt in einem Mikrorechner 7 mit vorgeschaltetem Analog/Digital-Wandler 8. Am Ausgang 9 des Mikrorechners 7 ist somit ein Stromsignal oder eine davon abgeleitete Grösse, wie Energie oder Leistung, erhältlich. Mit UN ist die dem Mikrorechner 7 zugeführte Lastspannung bezeichnet.
In der EP-A 0 201 019 ist ein statischer Elektrizitätszähler mit einem elektronischen Messwerk beschrieben, welcher einen Mikrorechner für die Signalverarbeitung unter Berücksichtigung von Korrekturwerten für die verschiedenen Elemente der Schaltung aufweist. Dabei stellen die Korrekturwerte jeweils einen integralen Wert für den betreffenden Messbereich dar und sind in im Zähler gespeicherten Zählerkenngrössen enthalten, von denen jede einen einer definierten Energiemenge entsprechenden Zahlenwert repräsentiert. Auf die Offenbarung dieser EP-A wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Der in Fig. 1 der vorliegenden Patentanmeldung dargestellte Messteil 1 mit dem Stromsensor 3 und dem Integrator 6 würde bei dem bekannten Elektrizitätszähler nach der EP-A 0 201 109 Bestandteil von dessen Eingangsmodul 1 (Fig. 1) bilden, die Funktion des Mikrorechners 7 würde vorzugsweise vom Microcomputer 8 (Fig. 1) dieses bekannten Elektrizitätszähler übernommen.
Wie schon erwähnt wurde, sind die charakteristischen Zeitkonstanten von analogen Integratoren von der Art des Integrators 6 starken Schwankungen unterworfen, welche durch Temperaturänderungen und Alterung verursacht sind. Daher können derartige Integratoren nur dann sinnvoll in der Praxis eingesetzt werden, wenn ihre charakteristischen Zeitkonstanten in den erforderlichen Abständen überprüft werden und wenn dafür Sorge getragen ist, dass etwaige Änderungen und Schwankungen das Messergebnis nicht verfälschen können. Üblicherweise würde letzteres durch eine entsprechende Nachregelung des Integrators erfolgen; beim vorliegenden Elektrizitätszähler wird dafür der folgende Weg vorgeschlagen:
Es wird im Betrieb des Elektrizitätszählers die Integratorzeitkonstante gemessen und zur Skalierung, das heisst, zur Skalen-Bemessung oder Skalen-Gewichtung des Stromsignals oder der von diesem abgeleiteten Grösse, wie beispielsweise Energie oder Leistung, verwendet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der Mikrorechner 7 bei der Berechnung der verbrauchten Energie aus dem Übertragungswert des ihm zugeführten Signals diesen Übertragungswert mit einem anhand der Messung der Integrationszeitkonstante gewonnenen "Skalierungsfaktor" multipliziert und dadurch etwaige Schwankungen der Integratorzeit konstante ausgleicht. Es findet also im Betrieb des Elektrizitätszählers eine fortwährende Selbstkalibrierung statt.
Diese Selbstkalibrierung erfolgt in der Praxis dadurch, dass von einer geeigneten Steuerung, vorzugsweise durch den Mikrorechner 7, einerseits via eine Leitung 10 ein Schalter 11 von der voll ausgezogenen in die gestrichelt eingezeichnete Stel- lung umgeschaltet, und andererseits (Leitung 12) der Ausgang des Integrators 6 auf null gesetzt wird. Durch die Betätigung des Schalters 11 wird an den Eingang des Integrators 6 anstatt der induzierten Spannung der Hilfswicklung 5 eine Referenz- Gleichspannung UR angelegt, wodurch die Spannung am Integratorausgang rampenförmig ansteigt. Nach einer definierten Zeit wird diese Spannung gemessen und dadurch ein Kalibrierwert gewonnen, wobei eventuell zur Ausschaltung von Störungen mehrere Messungen mit Mittelwertbildung durchgeführt werden können.
Nun wird der Kalibrierwert mit einem unter Eichbedingungen auf gleiche Weise gemessenen und archivierten, vorzugsweise im Mikrorechner 7 gespeicherten, Referenzwert verglichen. Dieser Vergleich ergibt unmittelbar den schon genannten Skalierungsfaktor.
Der beschriebene Kalibrierungsvorgang wird vom Mikrorechner 7 in grösseren Abständen von beispielsweise Tagen oder Wochen selbst ausgelöst. Er beträgt jeweils nur wenige Sekunden, so dass der Betrieb des Elektrizitätszählers nicht beeinträchtigt wird.
Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Variante wird statt eines idealen Integrators 6 ein Tiefpass 13 mit tiefer Grenzfrequenz verwendet. Dies entschärft die Probleme, die aus eventuellen Eingangs-Fehlspannungen des Verstärker-Elements im Integrator resultieren können. Allerdings muss der Tiefpass 13 für den Kalibriervorgang als idealer Integrator beschaltet werden, was durch \ffnen eines über eine Steuerleitung 14 betätigbaren Schalters 15 (Fig. 3) erfolgt. Die anderen Vorgänge bei der Kalibrierung verlaufen ähnlich wie schon beschrieben: Abstellen des Tiefpasses 13 von der Hilfswicklung 5 via Schalter 11 und Steuerleitung 16 (Fig. 3) und Anlegen der Referenzspannung UR via Schalter 17 und Steuerleitung 18.
Durch schwache Belastung der Hilfswicklung 5 mit einem hochohmigen Widerstand 19 (Fig. 2, 3) kann eine Bandpass-Charakteristik des Messkreises erzeugt werden. Dies hat den Vorteil der Dämpfung höherfrequenter Anteile im Eingangsstrom und reduziert damit die Anforderungen an den Tiefpass-Verstärker 20. Weiter kann zur zusätzlichen Korrektur von Offsetspannungen vom Mikrorechner 7 über einen Digital/Analog-Wandler 21 am Eingang des Tiefpass-Verstärkers ein Offsetkorrektursignal hinzugefügt werden.
Eine andere Variante besteht darin, für die Kalibrierung als Referenzspannung anstatt einer Gleichspannung UR eine Wechselspannung UR min zu verwenden. Diese Variante ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen wird durch Umlegen des Schalters 11 das reguläre Eingangssignal vom Eingang des Tiefpasses 13 abgetrennt und stattdessen die Referenz-Wechselspannung UR min angelegt (vgl. Fig. 5, Zeile a); am Ausgang des Tiefpasses 13 wird eine Wechselspannung UA erzeugt (Fig. 5, Zeile b), deren Effektivwert oder, vorteilhafter, deren gleichgerichteter Mittelwert UM (Fig. 5, Zeile c) über eine bestimmte Zeitdauer T gemessen wird. Ein Vergleich des Ergebnisses dieser Messung mit einem auf gleiche Art bei der Eichung gemessenen und archivierten Referenzwert liefert einen Wert, der der Änderung der Messkonstante des Messteils direkt proportional ist.
Messteil bezeichnet hier in Analogie zu Fig. 1 den aus Drosselspule 4 mit Hilfswicklung 5 (Stromsensor 3) und aus dem Tiefpass 13 bestehenden Strom-Messkreis. Mit Messkonstante ist das Amplitudenverhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung am Tiefpass 13 bezeichnet.
Zur Verringerung des Schaltungsaufwands kann als Referenz-Wechselspannung UR min die ohnehin vorhandene Referenz-Gleichspannung des Analog/Digital-Wandlers 8 verwendet werden, indem diese mittels Analog-Schaltern abwechselnd positiv und negativ an den Eingang des Tiefpasses 13 angelegt wird.
The present invention relates to a static electricity meter for measuring the consumption of electrical energy, with a measuring part containing a magnetic current transformer and with an evaluation part.
As is known, for the detection of electrical energy consumption it is necessary to measure the conductor currents in front of the respective consumer, the quantities of interest being above all the amount and phase of the fundamental oscillation and a few harmonics.
If a magnetic current transformer is now used for static electricity meters in multiphase networks, then the obvious direct measurement of the currents by means of a shunt is not possible. On the one hand, the magnetization impedance must be large compared to the stray impedance, which requires a large iron core, on the other hand, however, a direct current circulates in the meter if a diode is present in the measuring part, which saturates the core of the gap-free converter. However, this saturation leads to impermissible measurement errors on the AC side.
It is from the U.S. Patent No. 3 546 565 known to avoid the undesired saturation of the core by installing an air gap and to compensate for the resulting decrease in the magnetization impedance with a capacitor. However, since the capacitive resistance is frequency-dependent, such an electricity meter is only ever a certain current component, namely the fundamental, correct, but the harmonics count incorrectly. This known solution is therefore disadvantageous.
The invention is now intended to provide an electricity meter whose magnetic transducer does not give rise to inadmissible measurement errors caused by saturation and which enables an exact consumption count even at different frequencies.
This object is achieved according to the invention in that an open current transformer of the type of an unloaded transformer is provided and that an integration stage is connected downstream of this.
The solution according to the invention therefore contains an unloaded, magnetic current transformer, in which there is no saturation of the core by the primary circulating current. A signal dI / dt is available at the output of the current transformer, from which the integrator determines the current I.
A preferred embodiment of the electricity meter according to the invention is characterized in that the evaluation part has a microcomputer in which a scaling of the output signal of the measuring part takes place taking into account the characteristic time constants of the integration stage.
As is well known, integrators have the property, among other things, that their characteristic time constants are subject to strong fluctuations due to temperature changes and aging. The capacitors used in particular are very critical elements whose stabilization to the required accuracy causes high costs. This problem of the long-term accuracy of analog integrators is solved in a simple manner by the inventive consideration of the characteristic time constant of the integrator when measuring the scale of the signal of the measuring part.
A further preferred embodiment of the electricity meter according to the invention is characterized in that a reference value for the output signal of the measuring part obtained by means of a defined reference voltage applied to the integration stage over a defined time is stored in the evaluation part and that the relationship between this reference value and a value during operation of the electricity meter obtained calibration value, the scaling factor for the named scale dimensioning can be derived.
The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments and the drawings; it shows:
Figure 1 is a block diagram of a first embodiment of the parts of an electricity meter essential to the invention.
FIG. 2 shows a detailed variant of the block diagram of FIG. 1;
Figure 3 shows the example of Figure 2 in somewhat more detail;
4 shows a diagram of a second exemplary embodiment; and
Fig. 5 is a diagram for explanation of function.
1 shows a section of a static electricity meter, consisting of a measuring part 1 and an evaluation part 2. The measuring part 1 contains a magnetic current sensor 3, with which conductor currents can be detected potential-free. Since it is not possible to measure directly by means of a current transformer because of the direct current component in the consumer current, the current sensor consists of a linear choke coil 4 through which the load current I flows and from an auxiliary winding 5 in which a voltage is induced by the coil 4. This voltage induced in the auxiliary winding 5 is fed to an analog integrator 6, in which a current-proportional voltage is generated by integrating the induced voltage mentioned. This is processed as a transformed current signal.
The actual measurement is carried out in a microcomputer 7 with an upstream analog / digital converter 8. A current signal or a variable derived therefrom, such as energy or power, is thus available at the output 9 of the microcomputer 7. The load voltage supplied to the microcomputer 7 is denoted by UN.
EP-A 0 201 019 describes a static electricity meter with an electronic measuring mechanism, which has a microcomputer for signal processing, taking correction values for the different elements of the circuit into account. The correction values each represent an integral value for the relevant measuring range and are contained in meter parameters stored in the meter, each of which represents a numerical value corresponding to a defined amount of energy. Reference is hereby expressly made to the disclosure of this EP-A.
The measuring part 1 shown in FIG. 1 of the present patent application with the current sensor 3 and the integrator 6 would form part of the input module 1 (FIG. 1) in the known electricity meter according to EP-A 0 201 109, which would function as the microcomputer 7 preferably from the microcomputer 8 (FIG. 1) of this known electricity meter.
As already mentioned, the characteristic time constants of analog integrators of the type of integrator 6 are subject to strong fluctuations, which are caused by temperature changes and aging. Therefore, such integrators can only be put to practical use if their characteristic time constants are checked at the required intervals and if care is taken to ensure that any changes and fluctuations cannot falsify the measurement result. The latter would normally be done by adjusting the integrator accordingly; The following route is proposed for this electricity meter:
During the operation of the electricity meter, the integrator time constant is measured and used for scaling, that is, for scale measurement or scale weighting of the current signal or the quantity derived from it, such as energy or power. In other words, this means that when calculating the energy used from the transmission value of the signal supplied to it, the microcomputer 7 multiplies this transmission value by a "scaling factor" obtained by measuring the integration time constant, thereby constantly compensating for any fluctuations in the integrator time. So there is a constant self-calibration in the operation of the electricity meter.
In practice, this self-calibration takes place in that a suitable control, preferably by the microcomputer 7, switches on the one hand via line 10 a switch 11 from the fully extended position to the dashed line, and on the other hand (line 12) the output of the Integrators 6 is set to zero. By actuating the switch 11, a reference DC voltage UR is applied to the input of the integrator 6 instead of the induced voltage of the auxiliary winding 5, as a result of which the voltage at the integrator output rises in a ramp. After a defined period of time, this voltage is measured and a calibration value is obtained, it being possible to carry out several measurements with averaging to eliminate faults.
Now the calibration value is compared with a reference value measured and archived in the same way under calibration conditions and preferably stored in the microcomputer 7. This comparison immediately gives the scaling factor already mentioned.
The calibration process described is triggered by the microcomputer 7 itself at larger intervals, for example days or weeks. It is only a few seconds each, so that the operation of the electricity meter is not affected.
In the variant shown in FIGS. 2 and 3, a low-pass filter 13 with a low cut-off frequency is used instead of an ideal integrator 6. This alleviates the problems that can result from possible input fault voltages of the amplifier element in the integrator. However, the low-pass filter 13 must be connected as an ideal integrator for the calibration process, which is done by opening a switch 15 (FIG. 3) which can be actuated via a control line 14. The other processes during the calibration are similar to those already described: switching off the low-pass filter 13 from the auxiliary winding 5 via switch 11 and control line 16 (FIG. 3) and applying the reference voltage UR via switch 17 and control line 18.
A bandpass characteristic of the measuring circuit can be generated by weakly loading the auxiliary winding 5 with a high-resistance resistor 19 (FIGS. 2, 3). This has the advantage of damping higher-frequency components in the input current and thus reduces the demands on the low-pass amplifier 20. Furthermore, an offset correction signal can be added for additional correction of offset voltages by the microcomputer 7 via a digital / analog converter 21 at the input of the low-pass amplifier .
Another variant consists in using an alternating voltage UR min as the reference voltage instead of a direct voltage UR for the calibration. This variant is shown in FIGS. 4 and 5. As in the other exemplary embodiments, the regular input signal is separated from the input of the low pass 13 by flipping the switch 11 and instead the reference alternating voltage UR min is applied (cf. FIG. 5, line a); At the output of the low-pass filter 13, an alternating voltage UA is generated (FIG. 5, line b), the RMS value or, more advantageously, the rectified mean value UM (FIG. 5, line c) of which is measured over a certain period of time T. A comparison of the result of this measurement with a reference value measured and archived in the same way during the calibration provides a value which is directly proportional to the change in the measuring constant of the measuring part.
In analogy to FIG. 1, measuring part here designates the current measuring circuit consisting of choke coil 4 with auxiliary winding 5 (current sensor 3) and low-pass filter 13. The measurement constant denotes the amplitude ratio between the output and input voltage at the low pass 13.
To reduce the circuit complexity, the reference DC voltage of the analog / digital converter 8, which is present in any case, can be used as the reference AC voltage UR min, in that this is applied alternately positively and negatively to the input of the low-pass filter 13 by means of analog switches.