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Vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung
der Geräte für die Überwachung des Energieverbrauchs.
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Die Energieversorgungsunternehmen benutzen zumeist
Allzweckmeßgeräte für die Kilowattstundenzahl, die in den
Verbrauchsstellen der Abnehmer angebracht sind.
Üblicherweise handelt es sich bei diesen Meßgeräten um
elektromechanische Geräte auf der Basis der "Ferraris-
Scheibe", deren Funktionsweise und Konstruktion
hinlänglich bekannt sind. Wird zusätzlich Warmwasser
aufbereitet, sind gewöhnlich zwei derartige Meßgeräte, ein
Zeitgeber oder eine Fernsteuerung vorgesehen, die den
Betrieb des Warmwassergerätes oder anderer elektrischer
Geräte während des günstigeren Nachttarifs steuert.
Manchmal ist zusätzlich ein Überbrückungsschalter
erforderlich, um Wasser bei Bedarf auch zum Normaltarif zu
erhitzen. Diese Meßgeräte, Zeitgeber, Fernsteuerungen
und Schalter beanspruchen recht viel Platz und können
kostenintensiv sein.
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Daher beabsichtigt die vorliegende Erfindung für den
Einbau in ein elektronisches Strombewirtschaftungssystem
einen elektrischen Energieverbrauchsanalysator (im
folgenden Analysator genannt) mit nur wenigen mechanischen
Teilen vorzustellen. Ferner soll hiermit ein
elektronischer Analysator vorgestellt werden, der die Merkmale
von doppelten Meßgeräten, Überbrückungsschalter und
Zeitgeber oder Fernsteuerung in einem Kompaktgerät
vereint.
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WO 83/03011 beschreibt einen elektrischen Festkörper-
Meßwertumformer mit Mehrfachfunktion, der für das bei
der Verbrauchsmessung erforderliche Höchstmaß an
Präzision bei der Mengenmessung konstruiert ist. In dieser
Vorrichtung werden Spannungen und Ströme in einem
Energieverteilernetz abgetastet. Um die Auflösung der
analog-zu-digital Umwandlung dieser Strom- und
Spannungsabtastungen zu verbessern, werden die Schritte einer
digital generierten schrittweisen Annäherung an eine
Sägezahnwellenform vor der Digitalisierung zu den
sequentiellen Analog-Abtastungen hinzuaddiert und dann nach
der Digitalisierung aus dem digitalen Wert entfernt. Die
Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Sägezahns soll dem
Abstand zwischen den einzelnen Steigerungsstufen des
Analog-Digital-Umsetzers für den Spitzenwert des Signals
entsprechen.
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EP 0 161 447 beschreibt einen elektronischen digitalen
Strommesser, der Spannungssignale proportional zur
Lastspannung bzw. zum Laststrom unter Verwendung eines
Analog-Digital-Umsetzers generiert. Dieser bekannte
elektrische Energieverbrauchsanalysator enthält mindestens
ein Stromerkennungsmittel, ein
Spannungserkennungsmittel, mindestens einen Analog-Digital-Umsetzer, der auf
ein Meßsignal zur Digitalisierung der erkannten Strom-
und Spannungswerte reagiert, Rechnermittel zur ständigen
Überwachung des elektrischen Energieverbrauchs ausgehend
von den genannten digitalisierten Strom- und
Spannungswerten, Datenspeichermittel zur Speicherung der Rechner-
und anderer erforderlicher Daten und Anzeigemitteln zur
Anzeige ausgewählter Daten, wobei jedes der
Stromerkennungsmittel einen Shunt aufweist.
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Im elektrischen Energieverbrauchsanalysator nach der
Erfindung wird die Spannung in jedem Shunt verstärkt und
über einen Analogschalter mindestens einem
Analog-Digital-Umsetzer zur Verarbeitung zugeführt; jede
Shuntspannung wird mit einem Differentialverstärker mit einem
rechteckwellen-geschalteten Verschiebesignal verstärkt,
das auf eine nicht invertierende Eingabe dieses
Differentialverstärkers anwendbar ist, die Verschiebung der
Rechteckwelle beträgt 1/2 LSB und das verstärkte Signal
von jedem Differentialverstärker ist begrenzt filterbar,
um ein willkürliches Signal auf das Meßsignal, das in
mindestens einen Analog-Digital-Umsetzer gelangt, auf
zulegen.
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Vorzugsweise beinhaltet der Analysator nach der
Erfindung zwei Stromerkennungsmittel zur Überwachung zweier
getrennter Stromleitungen, wovon eine durch das genannte
Rechnermittel geschaltet wird. In seiner bevorzugten
Ausführung ist dieses Rechnermittel an einen
Echtzeitgeber ankoppelbar und schaltet diese eine Leitung in
Abhängigkeit von der Tageszeit oder der Befehle von
Fernkontakten. Falls erforderlich, kann der Analysator im
genannten Speichermittel zur Speicherung der in einer
Vielzahl von Tagesperioden verbrauchten Energie eine
Vielzahl von Registern enthalten.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend
eine bevorzugte Ausführung derselben beispielhaft
erläutert. Im Verlaufe der Beschreibung wird auf die
beiliegenden Zeichnungen bezug genommen. Diese stellen
folgendes dar:
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines entsprechend der
Erfindung gefertigten Analysators;
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Fig. 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 und 2.5 zeigen Teile der
elektronischen Schaltkreise des in Fig. 1
schematisch gezeigten Analysators;
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Fig. 3 stellt die Auswirkungen des
Quantisierungsfehlers für einen 7-Bit-Analog-Digital-Umsetzer
grafisch dar;
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Fig. 4 stellt die Auswirkungen des
Quantisierungsfehlers für einen 7-Bit-Analog-Digital-Umsetzer
unter Anwendungen der Techniken dieser Erfindung
grafisch dar;
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Fig. 5 zeigt die Vorderansicht eines Kontaktgebers;
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Fig. 6 zeigt die Seitenansicht des Kontaktgebers der
Fig. 5;
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Fig. 7 stellt die mit den Techniken der vorliegenden
Erfindung rekonstruierte Leistungskurve grafisch
dar.
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Betrachtet man nun Fig. 1 und 2, so ist hier ein
elektronischer Analysator dargestellt, der die Aufgaben von
zwei herkömmlichen Meßgeräten, einem Zeitgeber und einem
Überbrückungsschalter wahrnimmt. Der Analysator kann
nicht nur die verbrauchte Menge, sondern auch den
Verbrauchszeitpunkt messen. Die vorliegende Ausführung ist
ausschließlich für Benutzung mit Einphasenstrom bestimmt
und verfügt über eine geschaltete Leitung für die
Erwärmung eines Warmwasserspeichers. Die Arbeitsweise der
Schaltung wird in nachstehenden Abschnitten beschrieben:
1. Stromversorgung
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Die Stromversorgung verwendet allgemein bekannte
Regeltechniken. Die ankommende Netzleitung A, N wird
durch Widerstand R75 und Kondensator C41 gefiltert.
Spannungskurzimpulse werden vom Varistor VR6
unterdrückt. Der Netzstromtransformator senkt die
Netzspannung auf eine Windung von 10 V RMS und eine
weitere von 20 V RMS ab. Die 10 V-Windung wird
gleichgerichtet,
gefiltert und für die Logik-Versorgung auf
5 V geregelt. Die 20 V-Windung wird gleichgerichtet,
gefiltert und (mit Zener-Dioden VR8 und VR7) auf +10 V
bzw. -4,7 V geregelt.
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Der Referenzwert für den Analog-Digital-Umsetzer, der
Bestandteil der Mikrocomputereinheit U4 ist, wird von
der digitalen Versorgungsschiene abgenommen und mit
den Widerständen R71 und R72 sowie der Diode D34
entsprechend wärmekompensiert.
2. Stromeingabeverstärker
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Die im Haupt- und den aktivierten Stromkreisen fließenden
Ströme, durchlaufen zwei Shunts (SHUNT 1 und
2). Die in den Shunts entwickelten Spannungen werden
durch die Differentialverstärker (U5) verstärkt. Es
sind drei derartige Verstärker vorhanden - einer (C)
für den eingeschalteten Schaltkreis (SL) und zwei für
den Hauptkreis (ML); einer (A) für hohe Ströme und
einer (B) für niedrige Ströme (B). Zur Erweiterung
des dynamischen Analog-zu-digital-Bereichs sind zwei
Bereiche erforderlich. Nach der Verstärkung werden
die Signale kapazitiv in analoge Schalter (U7)
gekoppelt, deren Eingaben mit einer Polarisationsspannung
beaufschlagt wurden. Zum Abtast-Zeitpunkt werden die
Analogschalter (U7) von Port PB1 mittels eines
Pegelschalters/Verstärkers U6 des Mikrocomputers (U4)
gescannt. Jedes Signal wird an eine andere
Analog/Digital-Eingabe des Mikrocomputers (U4) weitergeleitet
und dort digitalisiert.
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Die Auflösung des A/D wird durch die Verwendung von
Rauschen und Verschiebezittern verbessert. Das Signal
wird durch die Beschränkung der Filterung des
verstärkten Signals willkürlich verteilt. Somit
verbleibt
ca. 1/2 bis 1 LSB Überlagerung mit
willkürlichem Geräusch über dem Stromsignal. Die Verschiebung
erfolgt durch einen Schaltungsaufbau mit einem
operationalen Verstärker D und einem Schalter U7. Diese
Schaltung nimmt lediglich eine quadratische Welle und
schaltet damit den Referenzpegel der Verstärker
(bestehend aus A, B, C) von V RH/2 bis 1/2 LSB weniger
als V RH/2 unter Verwendung von
Pegelschalter/Verstärker U5D.
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Die Genauigkeit des Analog-Digital-Umsetzers leidet
(u. a.) durch einen Quantifizierungsfehler. Fig. 3
zeigt die Auswirkungen des Quantifizierungsfehlers
für einen 7-Bit-Umsetzer. Somit können Fehler von
0,6% bei 11% der Gesamtamplitude beobachtet werden.
Aufgrund dieser Einschränkung schienen drei
Analogbereiche erforderlich, um den dynamischen Bereich des
Meßgeräts abzudecken. Wie zuvor erwähnt, wurde
festgestellt, daß sich der Quantifizierungsfehler auf
zweierlei Art vermindern läßt:
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a) Durch Addition eines willkürlichen Signals zum
tatsächlichen Signal und Mittelung des
Ergebnisses, kann die durchschnittliche Reaktion laut Fig.
3 (gekennzeichnet mit ------- ) erreicht
werden.
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b) Experimente haben gezeigt, daß durch Hinzufügen
einer 1/2 LSB-Verschiebung zum Eingabesignal, die
gesamte Grafik in Fig. 3 horizontal um 1/2 LSB
verschoben wurde. Fig. 4 zeigt die Ergebnisse
dieser Versuche. Hierdurch wurde bestätigt, daß
die einfache Schaltung der Verschiebung zwischen
zwei 1/2 LSB voneinander entfernten Pegeln zu
einer durchschnittlichen Reaktion mit einem
niedrigeren absoluten Fehler führen würde.
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Der Gesamteffekt von a) und b) ist eine Glättung der
"Buckel" in Fig. 3 und 4. Dadurch wurde die
Verwendung von 2 analogen Bereichen möglich. Die "Buckel"
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in Fig. 3 wurden aufgrund des eingeschränkten
durchschnittlichen Schaltens und des Pegelschaltens nicht
völlig geglättet. Man stellte jedoch eine drei- bis
vierfache Verbesserung der Auflösung fest.
Feldergebnisse mit +/- 0,5% Fehler bei einem Zehntel der
Gesamtamplitude bedeuten eine
Analog/Digital-Auflösung von 11 Bit, wenn tatsächlich nur 7 Bit verwendet
werden (7 für den positiven 1/2-Zyklus, 7 für den
negativen 1/2-Zyklus, bedeutet insgesamt einen 8-bit-
Umsetzer).
3. Spannungseingabeschaltkreis
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Die Überwachung der Netzspannung erfolgt mittels eines
einfachen Spannungsteilers (R76, R77, R45). Die
verminderte Spannung wird von U6, D zwischengespeichert
und dann von der Analogeingabe AN3 abgetastet. Alle
Analogeingaben werden mit Klemmdioden zu Vcc und Erde
abgesichert.
4. Nichtflüchtiger Speicher
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Im NOVRAM (Non-volatile Memory Device -
nichtflüchtiges Speichergerät U1) können u. a. solche Daten wie
Eichung, Umschaltzeiten für Nachttarif, Feiertage,
Energiesicherheitsregister und Fernsteuerungskodes
gespeichert sein. Die Daten, die während des
regulären Betriebs im RAM vorgehalten werden, werden mit
E²Prom (im gleichen Chip) abgesichert, wenn ein
bevorstehender Stromausfall erkannt wird. Sind die
Daten erst einmal im E²Prom gespeichert, können sie
ohne weitere Stromzufuhr für über 10 Jahre aufbewahrt
werden. Die Kommunikation zwischen dem Mikrocomputer
(U4) und dem NOVRAM (U1) läuft über Ports A und C des
Mikrocomputers.
5. Taktgeber und Reserveschaltung
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Zur Wahrung der Taktzeit bei Stromausfall wird ein
CMOS-Taktgebergerät (U3) eingesetzt. Die
Kommunikation mit dem Mikrocomputer (U4) läuft wiederum über
Ports A und C. Ein Supercap (C40) versorgt den
Zeitgeber (U3) während des Stromausfalls mit Strom. Die
Verwendung einer Supercap (C40) bringt gegenüber den
herkömmlichen Reservestromquellen Lithium oder Ni-Cd-
Zellen erhebliche Vorteile. Die Lebensdauer einer
Supercap ist genauso lang wie die der meisten
Bauelemente, denen er zugeordnet ist, da er sich nicht
abnutzt wie eine Lithiumzelle und im Gegensatz zu Ni-
Cd-Zellen ohne negative Nebenwirkungen so oft geladen
und entladen werden kann, wie nötig. Der grundlegende
Unterschied zwischen der Methode zur Bereitstellung
einer Ausfallsicherheit laut Fig. 2 und anderen Arten
von CMOS-Reservetaktgebern, ist der, daß anstatt der
Spannungsquelle die Stromquelle für die
Energieversorgung des Taktgeberchips (U3) benutzt wird. Somit
wird die gespeicherte Energiereserve besser
ausgenutzt. Das ermöglicht die Überbrückung längerer
Ausfallzeiten als mit der Spannungsquelle. Ein weiteres
kennzeichnendes Merkmal dieser Reserveschaltung ist
die "Erdungsisolation" des Taktgeberchips (U3) vom
restlichen Schaltkreis. Dies geschieht mittels zweier
Transistoren des Transistorpakets U2.
6. Tasteneingabe
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Zwei Druckknöpfe (BOOST und DISPLAY) an der
Vorderseite des Analysatorgehäuses (nicht gezeigt)
aktivieren magnetisch Zungenschalter (S1, S2). Die
Portleitungen PA1 und PA2 des Mikrocomputers (U4)
erkennen
die Aktivierung. Die Zungenschalter und die
zugehörigen Schaltungen sind im Bereich E12 der Fig. 2
gezeigt.
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In gleicher Weise wird die Stellung des "Mode
"-Schalters (Betriebsart) (S3) erkannt. Der Modus Setup wird
für die Einstellung der Zeitgeberdaten über die
Display- und Boost-Schalter benutzt. Im Setup-Modus
kann auch über den optischen Port kommuniziert
werden, ohne, daß ein Passwort erforderlich ist.
7. Optische Kommunikationsverbindung
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Die optische Kommunikation wird durch eine infrarote
lichtemittierende Diode (Q2) und einen
Infrarot-Phototransistor (Q1) ermöglicht. Q2 wird direkt vom
Mikrocomputer-Port PB4 aus gesteuert. Die Ausgabe des
Phototransistors wird direkt von Port PD6 überwacht.
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Der Zeittakt für die seriellen Daten wird von dem in
den Mikrocomputer (U4) eingebauten Zeitgeber
gewonnen.
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Der serielle Port kann zum Einstellen und Ablesen des
Taktgebers/Kalenders (U3) und Lesen/Schreiben des
nichtflüchtigen Speichers (U1) verwendet werden.
Obwohl der Betrieb des Analysators auch ohne diese
Einrichtung durchaus möglich ist, wird der Einsatz eines
Datenterminals (nicht gezeigt) empfohlen, wenn man
auch die vorgeschritteneren Fähigkeiten des
Analysators voll ausnutzen will.
8. Kontaktgeber und zugehörige Schutzvorrichtungen
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Der Kontaktgeber K1 in Fig. 2 wird von Port B0 des
Mikrocomputers U4 über den Transistor Q5 angetrieben.
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Der stärkste zulässige Gleichstrom für diesen Kontakt
ist ein Strom mit 30 amp. Der Kontaktgeber KI muß den
möglichen Ausfällen von 1KA und 3KA sowie 1KA
möglichen "make" Störungen ohne größere Schäden und ohne
klebenzubleiben widerstehen. Um eine derartige
Leistung zu erhalten, wurde in Serie mit den Kontakten
ein spezielles magnetisches Durchbrenngerät
vorgesehen. In Fig. 5 und 6 wird ein geeigneter
Kontaktgeber 10 gezeigt. Er wird jedoch 1000 und 3000 Amp
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Fehlerströmen nicht so lange widerstehen können wie
es dauert bis eine abklemmbare 16 Amp-Sicherung oder
eine 20 Amp HRC-Sicherung (3KA) zum Durchbrennen
braucht.
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Kontaktgeber 10 ist auf der Leiterplatte 12 mit den
Klemmen 14, 16, 17, 18 und 20 montiert. Klemmen 16
und 17 steuern den Strom zur Spule 24, Klemme 18 ist
mit dem beweglichen Armkontakt 26 verbunden und
Klemme 20 mit dem unteren stationären Kontakt 28. In der
Praxis hat man festgestellt, daß die Kontakte 26, 28
den Fehlerstrom überstanden, wenn sie direkt zusammengepreßt
waren. Dies bedeutete, daß die Kontakte
26, 28 während der Fehlerprüfungen (als nichts
vorhanden war, das sie zusammengepreßt hätte)
auseinandergezwungen wurden. Die elektromagnetischen Kräfte,
die durch den starken Stromfluß hervorgerufen wurden
bewirkten dieses Auseinanderzwingen der Kontakte.
Wenn sie auseinandergezogen werden, bilden sich
Lichtbogen und die Kontakte werden zerstört.
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Zur Überwindung der magnetischen "Durchbrennkräfte",
wird parallel zum beweglichen Arm 34 eine Platte 32
auf die Leiterplatte 12 montiert. Die Platte 32
verfügt über einen Schlitz (nicht gezeigt), mit dem sie
über den Kontaktgeber 10 positioniert werden kann.
Ein Kupferband 36 auf der Leiterplatte 12 verbindet
den stationären Kontakt 28 mit der Platte 32 über
Klemme 20. Die Leiterplatte 32 ist an einem Ende mit
der Eingabeklemme 38 und am anderen mit der
Ausgabeklemme 40 versehen. Wenn die Kontakte 26,28
geschlossen sind fließt der durch den beweglichen Arm 34
fließende Strom in Gegenrichtung zu dem der
Leiterplatte 32, wie die Pfeile in Fig. 5 zeigen. Es ist
eine grundlegende physikalische Lehre, daß zwischen
der Leiterplatte und dem beweglichen Arm eine Kraft
entstehen wird, die beide auseinanderzwingen will.
Die Größe dieser Kraft ist proportional zum Quadrat
des Stromes. Der Kontaktgeber übersteht die
Fehlerprüfung, wenn die Platte vorhanden ist, da die
Kontakte 26, 28 von den entstehenden Kräften weiter zusammengepreßt
werden. Somit bilden sich keine
Lichtbogen und die Kontakte werden nicht beschädigt.
9. Flüssigkristallanzeige (LCD) und sichtbare lichte
mittierende Dioden (LED)
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Die Portleitungen PB3, PA7, PA6 und PB7 des
Mikrocomputers (U4) steuern den Displaydriver (U10) und somit
die Anzeige (LCD). Der Mikrocomputer (U4)
kommuniziert mit der Anzeige (LCD) über einen seriellen Bus.
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Die Anschlußbelegung der spezialangefertigten Duplex-
Anzeige (DS1) wurden so ausgewählt, daß sie zu denen
des Driver (U10) paßt. Allgemein gesagt, besteht der
Driver (U10) aus einem Silizium-Gate-CMOS-Schaltkreis
auf einem einzigen Chip, der konstruiert ist, um eine
LCD mit bis zu 64 Segmenten duplex anzutreiben. Wird
die Anzeige nicht verwendet, wird sie von Port PB7
über einen Transistor von U2 abgeschaltet.
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Bei DS2 und DS3 handelt es sich zum einen um die
Impuls-LED für die KWh und die LED für den Ladedruck.
DS2 wird direkt vom Mikrocomputer (U4) aus gesteuert
und die Boost-LED wird über einen Transistor (Q5)
angeschaltet,
der seinerseits den Kontaktgeber (K1)
einschaltet. Die Diode DS4 zeigt an, ob Brummtöne in
der Netzleitung vorhanden sind.
10. Mikrocomputer mit Analog/Digital
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Der Mikrocomputer besteht aus einer Zentraleinheit,
einer Quarzuhr auf einem Chip, Benutzer-ROM, RAM,
fest zugeordneten Speicherplätzen für Ein- und
Ausgabe, Analog-Digital-Umsetzer und einem Zeitgeber.
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Zur Vermeidung des falsches Rücksetzens beim
Einschalten des Stroms, unterdrückt das Netz (D10, VR2
und R52) die Rücksetzleitung, bis die
Versorgungsspannung weit genug angestiegen ist, um ein richtiges
Rücksetzen zu garantieren. Liegt eine ausreichend
hohe Netzspannung vor, hält der Kondensator C23 U4
ca. 100 mSec im Rücksetz-Modus; wird der
Rücksetzzustand durch die Ladung des Kondensators C23 auf
gehoben, initialisiert U4 sein RAM und ruft vom NOVRAM
(U1) ab. Ein mit internem Kristall gesperrter (durch
Kristall X1, Kondensator C10) Zeitgeber wird
aktiviert und U4 geht auf Normalbetrieb.
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Der Mikrocomputer hat zweierlei Aufgaben zu erfüllen;
solche im Vordergrund und solche im Hintergrund.
Vordergrundaufgaben werden über den internen
Zeitgeberunterbrecher angetrieben. Die wichtigste
Vordergrundaufgabe ist der Energiemeß/-abtast-Algorithmus. Die
Hintergrundaufgaben (z. B. Anzeigenerneuerung) werden
in der "Freizeit" des Mikrocomputers abgewickelt,
d. h. immer dann, wenn er sich nicht im
Unterbrechungszustand befindet. Die Energiemessung beginnt mit
einer Zeitgeberunterbrechung, wodurch der Computer in
den Abtastalgorithmus eintritt. Spannung und Strom
werden in einem Abstand von ca. 5 -sec. nacheinander
durch die Analogeingaben AN0, AN1 und AN3 abgetastet.
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Diese nahe beieinanderliegende Abtastung wird durch
die Abtast- und Haltekondensatoren C6, C7 und C8
ermöglicht. Der Umsetzer im Mikrocomputer digitalisiert
die Abtastergebnisse für Spannung und Strom, danach
werden sie multipliziert und dann in einen Maßstab
gebracht, um Leistung darzustellen. Die Kumulierung
vieler solcher momentaner Leistungsangaben im Verlauf
der Zeit, gibt den kumulierten Energiefluß an. Der
Vergleich des angegebenen Energieflusses mit einer
Konstanten, die als die Entsprechung für eine
Wattstunde Energie bekannt ist, definiert die
Energiemessung. Die vorgenannte Konstante ist die
Eichkonstante, die bei Eichung des Meßgerätes eingestellt wird.
Der Algorithmus zur Energiemessung wird weiter unten
in dieser Beschreibung noch detaillierter erläutert.
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Im RAM (und im NOVRAM U1) sind Register zur
Kumulierung der derart festgestellten Einheiten von
Wattstunden vorhanden. Wenn die Funktion
"Verbrauchszeitpunkt" (Time of Use - T.O.U.) aktiviert ist (d. h. der
Taktgeber verwendet wird), wird das entsprechende
Register (d. h. entweder das Register für den teuren
Tarif, für den mittleren Tarif oder für den
Billigtarif) erhöht. Die Energieregister können auf Befehl
auf der Anzeige (LCD) angezeigt werden.
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Zur Unterstützung der Eichung und zur Information des
Kunden, blinkt die LED DS2 jeweils auf, wenn eine
Wattstunde durch den Hauptstromkreis geflossen ist.
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Der Mikrocomputer überprüft den Taktgeber (U3) jede
Sekunde. Ist der Zeitpunkt für bestimmte Handlungen
gekommen (z. B. zum Anschalten des Kontaktgebers für
die Warmwasserversorgung), wird diese Handlung
ausgeführt.
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Der Mikrocomputer erkennt einen Stromausfall über den
analogen Eingabekanal der Netzspannung (AN3). Da der
Kondensator C36 über einen großen Speicher verfügt,
hat der Mikrocomputer mindestens 25 mSec Zeit, um
wichtige Informationen zu sichern und ordnungsgemäß
abzuschalten. Alle zu sichernden Informationen werden
im RAM-Teil des NOVRAM (U1) abgespeichert. Die
Sicherung geschieht einfach dadurch, daß man PC6
herunternimmt. Nach der Herunternahme von PC6 muß der
Strom jedoch für mindestens 10 mSec vorhanden sein.
Wenn die Logikversorgung abfällt, hält der
Superkondensatorspeicher (C40) die Taktgeberversorgung über
2,2 V und somit den Betrieb des Taktgebers (U3)
aufrecht.
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Im folgenden werden die Energiemeßmethode und der
Meßalgorithmus erläutert.
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Die Analogeingabesignale (AN0, AN1, AN2, AN3) werden
mit einer konstanten Frequenz, die ohne jeden Bezug
zu der Netzfrequenz ist, abgetastet. Die Abtastrate
wurde so gewählt, daß die gewonnenen momentanen
Stromwerte eine Leistungskurve von gleicher Form wie
die tatsächliche Leistungskurve darstellen, wobei die
Fläche proportional zu der der tatsächlichen Kurve
ist. Wichtig ist, daß eine ausreichend große Anzahl
von Stromabtastwerten einen Zyklus der
"nachgebildeten" Kurve darstellt, damit ein harmonischer Inhalt
beibehalten wird. Fig. 7 zeigt die Leistungskurve bei
einem Abtastintervall von 9 mSec. In diesem Fall
erstreckt sich die Leistungskurve zeitlich über 180
mSec; (90 mSec, falls die Wellenformen von Spannung
und Strom symmetrisch sind). Verglichen mit den
wahrscheinlichen Veränderungen der Eingabe-Wellenformen
ist dies eine recht kurze Zeitspanne. Diese
Veränderungen
könnten durch das An- und Ausschalten von
Elektrogeräten verursacht werden. Die in der
Leistungskurve enthaltene Energie erhält man, indem man die
Leistungsabtastergebnisse addiert und die Summe
jedesmal, wenn eine Addition vorgenommen wurde, mit der
Konstanten vergleicht. Übersteigt die Leistungssumme
die Konstante, wird das Energieregister
(kWh-Register) erhöht und die Konstante von dieser Summe
subtrahiert. Dieser Ansatz hat verschiedene Vorteile:
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1. Weniger RAM-Speicher erforderlich
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2. Da die Energieregister in BCD-Arithmetik sein können
und lediglich einfache
Inkrementierungen/Dekrementierungsoperationen erforderlich sind, braucht man
weniger Arithmetik
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3. Die "Konstante" beinhaltet Veränderungen der Eichung
und wird so zu einer der "Eichkonstanten".
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Nachstehend wird das im Analysator verwendete Verfahren
skizziert. Diese Routine wird, wenn sie von einem
Zeitgeber-Unterbrecher veranlaßt wird, einmal alle 9 mSec
durchgeführt.
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1. Auswahl der AMPS-Eingabe und ADC abtasten.
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2. Auswahl der VOLTS-Eingabe und ADC abtasten.
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3. Umwandlung von AMPS und VOLTS in die Form "Größe +
Zeichen".
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4. Multiplizieren von VOLTS x AMPS für
LEISTUNGS-Abtastergebnis.
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5. Falls Zeichen der LEISTUNG = Zeichen der LEISTUNGS-
SUMME, Leistung zu Leistungssumme addieren; ansonsten
LEISTUNG von LEISTUNGSSUMME subtrahieren.
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6. Falls die LEISTUNGSSUMME > = KCAL, KCAL von der LEI-
STUNGSSUMME subtrahieren, ENERGIE-Register (kWh)
hochsetzen.
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7. Ende
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Die "Eichkonstante", KCAL, wird so gewählt, daß die
Summe der Leistungsabtastergebnisse, die einer Wattstunde
an Energie entsprechen gleich KCAL ist.
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In der Praxis wird der grundlegende Algorithmus so
erweitert, daß er mehr als nur einen Strombereich (im
Falle der oben erläuterten bevorzugten Ausführung sind dies
zwei) und einen zweiten (geschalteten) Schaltkreis (SL)
erfassen kann. Die Verarbeitung der beiden Schaltkreise
ist verzahnt, so daß die Routine in jedem 9
mSec-Intervall zweimal aufgerufen wird. Mehrfache Eingabebereiche
des Hauptstromkreises werden dadurch abgedeckt, daß
getrennte "LEISTUNGSSUMMEN-" und "KCAL-" Register für
jeden Strombereich vorhanden sind.
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Die Energie in der Leistungskurve ergibt sich wie folgt
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E = ts/3600 * Vp, Ip/Pmax * Pi
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Hierbei gilt:
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ts = Abtastintervall
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Pi = "normalisierte" Leistungsabtastergebnisse
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Pmax = Wert, auf den Pi normalisiert wird
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Vp, Ip = erkannte Spitzenwerte für Volt und Ampere bei (P
= Pmax)
Beispiel
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Angenommen, der Strombereich ist ca. 0 bis 100 A rms
Wähle Ip = 150 A (d. h. ADC ergibt $FF bei 150A
Spitzeneingabe).
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Wähle Vp = 375 V (d. h. ADC ergibt $FF bei 375 V
Spitzeneingabe)
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und ts = 9 * 10&supmin;³ sec.
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Angenommen, die Leistungsabtastergebnisse werden auf 8
Bit gerundet; dann . . .
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Pmax = $FE = 254
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Die Eichkonstante ist der Wert von Pi, der eine
Wattstunde Energie ergibt.
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P = 3600/9 * 10&supmin;³ * 254/375 * 150
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P = KCAL = 1806
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= $070E
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Andere Bereiche werden proportionale KCALs ergeben.
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Wie in Abschnitt 4 erläutert, unterstützt der Analysator
die Fernsteuerung, wenn Zeitsignale an das Netz gegeben
werden, um die Aktivierung von Wärmespeichergeräten,
meistens über Nacht, zu steuern. In Bereichen, in denen
eine Fernsteuerung arbeitet, bietet der Analysator
gegenüber herkömmlichen Geräten gewisse Vorteile. Der
Empfänger sitzt im Analysator und hat die Stromversorgung
und den Mikrocomputer mit diesem gemein. Hierdurch
lassen sich erhebliche Kosten- und Platzeinsparungen
erreichen.
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Ein 10-Bit-Kodesystem wird mit Ausnahme von
"Kombinationskodes" (20-Bit-Befehlssequenzen) voll unterstützt.
Im praktischen Einsatz können die Analysatoren so
programmiert werden, daß sie auf zwei (2) getrennte "CN"-
Befehle (und deren "OFF"-Gegenstücke) reagieren können,
um die Last der aktivierten Schaltung zu steuern. Somit
lassen sich "Master-Befehle" ausführen (und noch einiges
mehr), d. h. der zweite Kanal kann einen "Master-Befehl"
darstellen oder auch nicht. Außerdem kann man das
Prinzip des "Master-Befehls", falls gewünscht, zugunsten
einer flexibleren Gruppierung aufgeben.
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Zusätzlich zur Steuerung des Kontaktgebers der
aktivierten Schaltung (K1) oder anstatt dieser, besteht die
Option, den Verbrauchszeittarif (d. h. "teuer", "mittel",
"billig") durch Fernsteuerungsbefehle auszuwählen. Jedem
der drei Tarife wird ein Befehlskode zugewiesen. Mit
dieser Technik, könnte man auf Wunsch verschiedene
Tarife und Schaltzeiten für die einzelnen Verbrauchsbereiche
verwenden.
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Die beiden Befehlskodes der aktivierten Schaltung können
entweder am Einsatzort eingestellt werden oder mit dem
Datenterminal, der am Opto-Port angebracht ist. Die
Befehle für die Verbrauchszeittarife sind nur über den
Opto-Port einstellbar.
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Falls die Welligkeit für die aktivierte Schaltung (SL)
konfiguriert ist, werden die beiden Befehlskodes ("ON"-
Kodes) auf dem LCD angezeigt. Diese Kodes werden
eingegeben und als 3-stellige Hexadezimalzahlen entsprechend
der 10-Bit Binärbefehlssequenz dargestellt. Hierbei gibt
es einen leichten Nachteil, weil die Kanalnummer nicht
direkt angezeigt wird. (Die Beziehung zwischen den
Standard-Kanalnummern und den entsprechenden 10-Bit-Kodes
ist recht undurchsichtig.) Die hexadezimale Darstellung
ist jedoch nicht an irgendeinen Standard gebunden und
schützt somit gegen technische Veralterung, falls die
Kanalzuweisungen geändert werden.
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Zur Vervollständigung der Beschreibung wird im folgenden
die Teileliste für die in Fig. 1 und 2 gezeigten
integrierten Schaltungen aufgeführt:
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U1 : X2212D
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U2 : LM3045J
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U3 : MM 58274
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U4 : MC 68705R5S
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US : MC 35084AL
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U6 : LM324J
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U7 : MC 14066BCL
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U10 : PCF2111
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U13 : LM 309KC
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Man nimmt an, daß die Erfindung und viele der Vorteile,
die sie mit sich bringt, aufgrund der vorstehenden
Beschreibung verständlich sind und daß ferner
offensichtlich ist, daß verschiedene Änderungen in Form,
Konstruktion und der Anordnung der Teile möglich sind, denn die
beschriebene Form ist lediglich die bevorzugte
Ausführung der Erfindung.
Zeichnung 2.1
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to ripple rec. - zu Welligkeitsgleichrichter
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to relay board - zur Relaisleiterplatte
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Link - Verbindung
Zeichnung 2.2
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Display board - Display-Leiterplatte
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High - teuer)
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Mid - mittel) (Stromtarif)
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Low - billig)
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DATA - Daten
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CLK - Taktgeber
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to ripple rx - zu Welligkeitsgleichrichter
Zeichnung 3
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Quantization error - Quantifizierungsfehler
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Average response - durchschnittliche Reaktion
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Error - Fehler
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Amplitude (normalized) - Amplitude (normalisiert)
Zeichnung 4
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Error - Fehler
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Volt. randomization - willkürliche Spannungsverteilung
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Offset - Verschiebung
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reference - Referenz/Bezug
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Mean calibration level at 10 Amp - Durchschnittlicher
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Eichpegel bei 10 Amp