DE1591999B1

DE1591999B1 - Schaltungsanordnung zum Messen des Effektivwertes oder des Quadrates des Effektivwertes einer Spannung

Info

Publication number: DE1591999B1
Application number: DE19671591999
Authority: DE
Inventors: Ley Anthony John; Eric Metcalf
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1966-01-18
Filing date: 1967-01-17
Publication date: 1970-08-20
Also published as: NL142239B; NL6700618A; US3564407A; FR1508539A; GB1167331A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gangsspannung ist, so daß die Integratorausgangszum Messen des Effektivwertes oder des Quadrats des ■ spannung dem Quadrat des Effektivwertes der Meß-Effektivwertes einer Spannung, bei der der Meßwert spannung entspricht.

der Meßspannung durch eine proportionale Gleich- Vorzugsweise enthält die Schaltungsanordnung zur

spannung dargestellt wird, mit einer den Augenblicks- S Vermeidung einer Kohärenz der Abtastfrequenz mit wert der Meßspannung wiederholt abtastenden Vor- der Frequenz der Eingangsspannung eine die Abstände richtung, mit einer Vorrichtung, die eine Folge von zwischen den Zeitpunkten, in denen die Meßspannung einseitig gerichteten Impulsen erzeugt, deren Höhe abgetastet wird, ändernde Vorrichtung, jeweils einem Abtastwert entspricht, und mit einem Vorzugsweise kann die Schaltungsanordnung auch

Integrator, der eine Gleichspannung erzeugt, deren io eine die Zeitpunkte, in denen die Eingangsspannung Betrag proportional dem Mittelwert der Impulse ist. abgetastet wird, statistisch willkürlich ändernde Vor-Eine derartige Anordnung ist aus der britischen richtung enthalten.

Patentschrift 730 028 bekannt. Bei dieser Anordnung Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im

wird die zu messende Spannung periodisch abgetastet, folgenden an Hand von in Zeichnungen dargestellten so daß eine Folge von Impulsen entsteht, deren Ein- 15 bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, hüllende dem Verlauf der zu messenden Spannung Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Ausführung desjeni-

entspricht. Diese Impulsfolge wird differenziert und gen Teils der Schaltungsanordnung, der eine Meßeinweggleichgerichtet. Die gleichgerichteten Impulse spannung abtastet und eine Folge vonlmpulsenerzeugt, werden integriert, so daß der Mittelwert der am Inte- deren Höhe und Länge jeweils proportional dem abgegratorausgang auftretenden Impulse proportional dem 20 tasteten Augenblickswert der Meßspannung ist, so daß Quadrat der abgetasteten Werte und mithin der zu die Fläche jedes Impulses proportional dem Quadrat messenden Spannung ist. Bei dieser Anordnung ist des abgetasteten Wertes der Meßspannung ist; nachteilig, daß der Mittelwert der Integratorausgangs- F i g. 2 ist ein Schaltbild einer Ausführung eines

impulse proportional der Abtastfrequenz ist. Denn je Vollweggleichrichters, der in einigen Ausführungen der größer die Abtastfrequenz ist, um so geringer ist auch 25 Schaltungsanordnung verwendet werden kann; der Abstand der Integratorausgangsimpulse, so daß F i g. 3 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausf üh-

der Mittelwert der über mehrere Perioden integrierten rung einer erfindungsgemäßen Schaltung, und Impulse bei gleichem Flächeninhalt jedes Impulses F i g. 4 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausf üh-

ebenfalls zunimmt. Wenn daher die Abtastfrequenz rung einer erfindungsgemäßen Schaltung, schwankt, ändert sich auch das Meßergebnis. Das 3° Eine erste Ausführung der Erfindung wird an Hand Meßergebnis wird auch verfälscht, wenn die Abtast- von Fig. 3 beschrieben.

frequenz kleiner, gleich oder ein ganzzahliges Viel- Die Meßspannung Vi, die zu messende Spannung,

faches der Frequenz der zu messenden Spannung ist. wird einem Trennverstärker 10 zugeführt, der eine

Der Erfindungrliegt daher die Aufgabe zugrunde, das hohe Eingangs- und eine niedrige Ausgangsimpedanz Meßergebnis von der Abtastfrequenz unabhängig zu 35 hat. In bestimmten Zeitabständen führt ein Abtaster 11 machen. das Ausgangssignal des Verstärkers einem Dreieck-

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch impulsgenerator 12 zu, der einen Dreieckimpuls ergelöst, daß dem Integrator ein weiterer Abtaster zeugt, dessen Fläche proportional dem Augenblicksnachgeschaltet ist, der die Ausgangsspannung des wert der Meßspannung ist. Eine Schaltung des Abta-Integrators mit derselben mittleren Frequenz abtastet, 40 sters und Dreieckimpulsgenerators ist in Fig. 1 darmit der die Meßspannung abgetastet wird, und daß gestellt.

dem Integrator eine Folge von Rückführimpulsen mit Der Abtaster enthält eine aus Dioden gebildete

entgegengesetztem Vorzeichen wie die erstgenannte Begrenzerbrücke 13. Wenn den Anschlüssen 14 und 15 Folge einseitig gerichteter Impulse und jeweils einer der Brücke entgegengesetzt gleiche Impulse zugeführt zum Abtastwert der Integratorausgangsspannung pro- 45 werden, wird der Augenblickswert der Meßspannung portionalen Höhe von einer Vorrichtung zugeführt am Eingangsanschluß löüber den Ausgangsanschluß 17 wird, um die Integratorausgangsspannung von der einem Anschluß eines Kondensators 18 zugeführt, mittleren Abtastfrequenz unabhängig zu machen. dessenanderer Anschluß geerdet ist oder auf Masse liegt.

Um zu erreichen, daß die Integratorausgangsspan- Einer zweiten Begrenzerbrücke 19 werden über zwei

nung dem Effektivwert der Meßspannung proportional 50 Anschlüsse 20 und 21 konstante, entgegengesetzt geist, ist die Erfindung dadurch weitergebildet, daß die richtete Ströme zugeführt. Der Kondensator ist mit Länge jedes der erstgenannten einseitig gerichteten dem Eingangsanschluß 22 dieser Brücke verbunden Impulse jeweils einem Abtastwert der Meßspannung und entlädt sich mit konstanter Geschwindigkeit über und die Länge jedes Rückführimpulses jeweils einem den Ausgangsanschluß 23 nach Masse. Abtastwert der Integratorausgangsspannung propor- 55 Das Ausgangssignal wird am Kondensator 18 abgetionalist. griffen und ist eine Folge von Dreieckimpulsen 24

Um zu erreichen, daß die Integratorausgangsspan- mit gleichförmiger Steigung und mit Flächen, die nung dem Effektivwert der Meßspannung entspricht, jeweils proportional den Quadranten der Augenblickshaben die Folge der erstgenannten einseitig gerichteten werte der Meßspannung sind und die gleiche Richtung Impulse und die Folge der Rückführimpulse die Form 60 wie diese Spannungswerte haben. Die Abtastfrequenz rechtwinkliger Dreiecke. hat beispielsweise etwa 1000 Hz und kann größer oder

Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die kleiner sein als die Frequenz der Meßspannung, vorerstgenannten einseitig gerichteten Impulse die Form ausgesetzt, daß die Dauer der dem Abtaster zugeführrechtwinkliger Dreiecke, deren Dauer jeweils einem ten Impulse wesentlich kleiner als die Periodendauer Abtastwert der Eingangsspannung proportional ist, 65 der Meßspannung ist. Bei einer Meßspannung mit und die Rückführimpulse die Form rechtwinkliger einer Frequenz von 100 MHz sollten die Impulse eine Dreiecke haben, deren Hypotenusensteigung jeweils maximale Dauer von etwa einer Nanosekunde (10~⁹ Seproportional einem Abtastwert der Integratoraus- künden) haben.

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, Das vom Dreieckimpulsgenerator erzeugte Span- Abtastern die gleichen Abtastimpulse zugeführt nungssignal wird dann einem Vollweggleichrichter 25 werden.

mit linearer Kennlinie zugeführt. Ein ausführliches Sorgt man dafür, daß der Integrierverstärker eine

Schaltbild einer bevorzugten Ausführung des Gleich- hohe Verstärkung hat und sich bei der Rückführung richters ist in F i g. 2 gezeigt. 5 das Vorzeichen umkehrt, dann ist die Summe der

Der Gleichrichter enthält einen Verstärker 26 mit Ausgangsspannung des Gleichrichters 25 und der einer nachgeschalteten Diode 27 und einem parallel- Rückführspannung etwa gleich Null. In diesem Falle geschalteten Widerstand 28. ist die Ausgangsspannung F₀ proportional dem Effek-

Der parallelgeschaltete Widerstand 28 überträgt tivwert der Eingangsspannung, d. h. sowohl positive als auch negative Impulse. Der Ver- io

stärker ist so geschaltet, daß er das Vorzeichen der V₀ f + Fj²/ = 0, (1)

Impulse umkehrt, und die Diode überträgt nur den .'._„..

positiven Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers, V₀ = — vCj ²· (2)

d. h. die ursprünglich negativen Impulse. Mit HiKe von

Widerständen 29 und 30, die in Reihe mit dem Ver- 15 Die Ausgangsspannung ist jetzt also unabhängig von •stärker26 liegen, und mit Hilfe eines Rückführwider- der Abtastfrequenz. Ein Teil der Ausgangsspannung Standes 31 wird der Leitwert des Gleichrichters gegen- wird zu den Konstantstromgeneratoren der beiden über dem des parallelgeschalteten Widerstandes 28 - Dreieckimpulsgeneratoren zurückgeführt, die dafür verdoppelt. Die Ausgangsspannung 32 des Gleich- sorgen, daß der Strom und mithin auch die Entladegerichters besteht also aus einer Folge von Impulsen der 20 schwindigkeit der Kondensatoren proportional V₀ sind, gleichen Form wie die Impulse 24, die jedoch jetzt Die Steigung der Impulse 24, die von den Dreieck-

gleichgerichtet sind. Die Fläche eines jeden Impulses impulsgeneratoren erzeugt werden, ist dann proporist deshalb immer noch proportional dem Quadrat des tional V₀, und die Flächen sind umgekehrt proportio-Augenbhckswerts der Meßspannung Fi, dem er züge- nal F₀. Dann ist ν

hört. Die mittlere Fläche unter der Impulsfolge ist 25 —

deshalb proportional dem Quadrat des Effektivwertes ° J _j_ ^{ J _ q (3)

der Meßspannung und der Abtastfrequenz, also Fi² ·/, . V₀ V₀

vorausgesetzt, daß die Abtastfrequenz nicht mit der und

Frequenz der Meßspannung kohärent ist. Um diese γ _ Ιψ&Η (α\

Inkohärenz zu gewährleisten, wird die Abtastfrequenz 3° ° \ * / · w

in einem kleinen Bereich geändert. Die Änderungen des Stroms während der Beruhi-

Das Quadrat des Effektivwertes der Meßspannung gungszeit von F₀ entsprechen wiederum einem Effek- oder der arithmetische Mittelwert des Quadrats der tivwert. Der dem Verstärkereingang zugeführte, durch Spannung wird in einem Funktionsgenerator 33 durch Unsymmetrie verursachte Strom hat jetzt an Stelle Teilen der Höhe der Impulsfolge durch die Zeit, die 35 eines parabolischen Verlaufs einen linearen, wodurch seit Beginn der Messung vergangen ist, und durch die Beruhigungszeit verringert wird, anschließende Integration mit HiUe eines Integrierver- Um das Quadrat des Effektivwertes der Meßspan-

stärkers 34 gebildet. nung zu bilden, wird die Entladegeschwindigkeit des

Ein derartiger Funktionsgenerator ist in der deut- Kondensators im zweiten Dreieckimpulsgenerator 37 sehen Patentschrift 1 883 371 beschrieben und kann 4P in der beschriebenen Weise proportional F₀ gemacht, einen Spannungsteiler enthalten, der aus einem festen während die Entladegeschwindigkeit des Kondensators Widerstand in Reihe mit einer Anordnung von Wider- im ersten Dreieckimpulsgenerator 12 konstant gehalten ständen besteht, die derart ein- und ausschaltbar sind, wird. Auf diese Weise ist die Gleichrichterausgangsdaß die Größe des Ausgangssignals des Spannungs- spannung proportional Vf f und die Rückführungsteilers linear mit der Zeit abnimmt. 45 spannung proportional F₀ · /, so daß gilt: V₀ = Fj².

Der Rückführkondensator des Integrierverstärkers Eine zweite Ausführung der Erfindung wird jetzt an

ist so bemessen, daß sich auch bei niedrigen Frequen- Hand von F i g. 4 beschrieben, zen eine gleichbleibende Ausgangsspannung F₀ ergibt. In der zweiten Ausführung der Erfindung werden

Die Ausgangsspannung wird mit Hilfe eines Gleich- Dreieckimpulse 40, die Augenblickswerten der Meßspannungsvoltmeters gemessen. 50 spannung entsprechen, in der gleichen Weise wie bei

Die Ausgangsspannung V₀ dieser Anordnung würde der ersten Ausführung gebildet. Jedoch haben der dann proportional F«² sein. Die Abtastfrequenz / wird Verstärker 41, der Abtaster 42 und der Triangulator 43 jedoch während der Messung verändert, um eine eine niedrige Kapazität gegen Erde oder Masse. Inkohärenz zwischen dieser Frequenz und der Frequenz Die Dreieckimpulse 40 werden dem Eingang eines

der Meßspannung zu gewährleisten. Eine andere 55 Impulsgenerators 44 zugeführt, dessen Ausgangssignal Möglichkeit, die Abtastfrequenzen wahllos zu machen, ein pulsierendes Signal 45 ist, wobei der Beginn eines wäre beispielsweise die, die Impulse aus den Nulldurch- Dreieckimpulses einen positiven und das Ende des gangen einer wahllosen Wellenform abzuleiten. Dreieckimpulses einen negativen Impuls am Ausgang

Die Frequenzabhängigkeit wird dadurch beseitigt, des Impulsgenerators 44 hervorruft. Der Abstand daß ein Teil der Ausgangsspannung über einen zweiten 60 zwischen aufeinanderfolgenden positiven und nega-Abtaster 36 und einen zweiten Dreieckimpulsgenera- tiven Impulsen ist somit proportional der Länge der tor 37 zurückgeführt und die Ausgangsspannung des Dreiecke und mithin dem entsprechenden Augenzweiten Dreieckimpulsgenerators zur Ausgangsspan- blickswert der Meßspannung. Der Puls wird vom nung des Gleichrichters 25 hinzuaddiert wird. Die potentialfreien Teil der Meßschaltung über einen· Ausgangsspannung des zweiten Dreieckimpulsgenera- 65 kapazitätsarmen Transformator 46 zum geerdeten Teil! tors ist entsprechend proportional dem Ausdruck F₀ ²/, übertragen und dem Eingang eines Sägezahngenerawobei / die Abtastfrequenz ist, die dadurch gleich tors 47 zugeführt. Das Ausgangssignal des Sägezahnder des ersten Abtasters gemacht wird, daß beiden generators besteht aus einseitig gerichteten Impulsen 48.

Ein dem Sägezahngenerator zugeführter positiver Impuls läßt die Ausgangsspannung des Generators linear ansteigen, und ein negativer Impuls läßt sie senkrecht abfallen. Die Flächen der Dreieckimpulse sind mithin proportional den Flächen der entsprechenden Impulse am Ausgang des Dreieckimpulsgenerators 43, nur daß nunmehr die Hypotenuse dieser Dreiecke der Senkrechten vorauseilt. Da das Ausgangssignal einseitig gerichtet ist, ist keine Gleichrichtung erforderlich, und das Ausgangssignal wird in der gleichen Weise wie das Ausgangssignal des Gleichrichters 25 in der ersten Ausführung verarbeitet.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Messen des Effektivwertes oder des Quadrats des Effektivwertes einef⁵ Spannung, bei der der Meßwert der Meßspannung durch eine proportionale Gleichspannung dargestellt wird, mit einer den Augenblickswert der Meßspannung wiederholt abtastenden Vorrichtung, mit einer V orrichtung, die eine Folge von einseitig gerichteten Impulsen erzeugt, deren Höhe jeweils einem Abtastwert entspricht, und mit einem Integrator, der eine Gleichspannung erzeugt, deren Betrag proportional dem Mittelwert der Impulse ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (34, 35) ein weiterer Abtaster (36) nachgeschaltet ist, der die Ausgangsspannung (F₀) des Integrators mit derselben mittleren Frequenz (/) abtastet, mit der die Meßspannung (Vt) abgetastet wird, und daß dem Integrator eine Folge von Rückführimpulsen mit entgegengesetztem Vorzeichen wie die erstgenannte Folge einseitig gerichteter Impulse (32) und jeweils einer zum Abtastwert der Integratorausgangsspannung (V₀) proportionalen Höhe von einer Vorrichtung (37) zugeführt wird, um die Integratorausgangsspannung von der mittleren Abtastfrequenz (/) unabhängig zu machen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes der erstgenannten einseitig gerichteten Impulse jeweils einem Abtastwert der Meßspannung und die Länge jedes Rückführimpulses jeweils einem Abtastwert der Integratorausgangsspannung proportional ist, so daß die Integratorausgangsspannung dem Effektivwert der Meßspannung proportional ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der erstgenannten einseitig gerichteten Impulse und die Folge der Rückführimpulse die Form rechtwinkliger Dreiecke haben, deren Hypotenusensteigungen proportional den Abtastwerten der Integratorausgangsspannung sind, so daß die Integratorausgangsspannung dem Effektivwert der Meßspannung entspricht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannten einseitig gerichteten Impulse die Form rechtwinkliger Dreiecke, deren Dauer jeweils einem Abtastwert der Eingangsspannung proportional ist, und die Rückführimpulse die Form rechtwinkliger Dreiecke haben, deren Hypotenusensteigung jeweils proportional einem Abtastwert der Integratorausgangsspannung ist, so daß die Integratorausgangsspannung dem Quadrat des Effektivwertes der Meßspannung entspricht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Vermeidung einer Kohärenz der Abtastfrequenz mit der Frequenz der Eingangsspannung eine die Abstände zwischen den Zeitpunkten, in denen die Meßspannung abgetastet wird, ändernde Vorrichtung enthält.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine die Zeitpunkte, in denen die Eingangsspannung abgetastet wird, statistisch willkürlich ändernde Vorrichtung enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen