ELECTRONIC ELECTRIC-ENERGY METER WITH AUTOMATIC OFFSET REGULATION

Abstract: 1. An electronic electricity meter comprising a multiplier (5) whose output is connected to an integrator (6), and comprising a device for offset correction which controls a first controllable switch (3) connected in series with an input of the multiplier (5), characterised in that at least one input of the multiplier (5) can be connected to reference potential by the first controllable switch (3) ; that the integration capacitor (6b) of the integrator (6) can be bridged by a second controllable switch (6c) ; that a controllable compensation device (10, 11) is provided to compensate offset voltages and offset currents of the multiplier (5) and integrator (6) ; that the output of the integrator (6) is connected to a zero-voltage comparator (14) whose output is connected to the control input of the compensation device (10, 11) ; and that a control unit (13) closes the two switches (3, 6c) at specific intervals of time for a period DELTA t, and during this period of time DELTA t the zero-voltage comparator (14) controls the compensation device (10, 11) such that the output voltage of the integrator (6) becomes zero.

Description: Elektronischer Elektrizitätszähler mit automatischem Offsetarössen-Abaleich Die Erfindung betrifft einen elektronischen Elektrizitätszähler mit einem Multiplizierer und einem nachgeschalteten Integrator. Bei elektronischen Zählern wird ein Lastbereich zwischen einem kleinstem Messstrom und einem zulässigen Grenzstrom festgelegt. Der kleinste Messstrom ergibt sich aus der geforderten Genauigkeit, da bei kleinen Messströmen der Messfehler durch Störgrössen - das sind im wesentlichen Offsetspannungen und Offsetströme der an der Multiplikation und Integration beteiligten Bauelemente ansteigt. Bei üblichen elektronischen Zählern umfasst der Lastbereich in der Regel einen Bereich kleinster flessstrom zu Grenzstrom von 1:100. Wenn man den Lastbereich z.B. auf 1:1000 nach unten erweitern will, so beeinträchtigen insbesondere veränderliche Störgrössen, wie z.B. temperaturabhängige Offsetspannung und Offsetstrom und Langzeitdrift die Genauigkeit. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektronischen Elektrizitätszähler der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Messgenauigkeit auch durch veränderliche Offsetgrössen möglichst wenig beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein Eingang des Multiplizierers durch einen ersten steuerbaren Schalter mit dem Bezugspotential verbindbar ist, dass der Integrationskondensator des Integrators durch einen zweiten steuerbaren Schalter überbrückbar ist, dass eine steuerbare Kompensationseinrichtung zur Kompensation von Offsetspannungen und und Offsetströmen des Multiplizierers und des Integrators vorgesehen ist, dass der Ausgang des Integrators mit einem Nullspannungskomparator verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Kompensationseinrichtung verbunden ist und dass eine Steuereinheit in bestimmten Zeitabständen für eine Zeit b t die beiden Schalter schliesst, wobei während dieser Zeit b t der Nullspannungskomparator die Kompensationseinrichtung so steuert, dass die Ausgangsspannung des Integrators Null wird. In regelmässigen Zeitabständen werden also die Offsetgrössen des elektronischen Elektrizitätszählers wieder neu kompensiert. Damit führen Änderungen der Offsetgrössen nicht zu einem wesentlichen Messfehler, so dass der Lastbereich des Zählers nach unten erweitert werden kann. Die Kompensationseinrichtung kann einen Vor- Rückwärtszähler aufweisen, dessen Ausgänge mit einem Widerstandsnetzwerk so verbunden sind, dass der Gesamtwiderstand des Widerstandsnetzwerks vom Zählerstand des Vor- Rückwärtszählers abhängt, wobei ein Anschlusspunkt des Widerstandsnetzwerks mit einem Eingang des Integrators verbunden ist, wobei der Takteingang des Vor- Rückwärtszählers über eine Verriegelungsstufe mit einem Taktgeber verbunden ist und wobei der Vor- Rückwärtssteuereingang des Vor- Rückwärtszählers vom Nullkomparator angesteuert wird. Mit einer derartigen Schaltungsanordnung kann mit handelsüblichen Bauelementen eine steuerbare Kompensationseinrichtung aufgebaut werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Taktgeber in festen Zeitabständen ein erstes Flip-Flop setzen, dessen Setzausgang die beiden Schalter und die Verriegelungsstufe steuert. Dieses Flip-Flop bleibt während des Kompensationsvorgangs gesetzt und hält damit die beiden Schalter geschlossen und gibt die Verriegelungsstufe frei. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform setzt ein Taktgeber in festen Zeitabständen ein erstes Flip Flop, wobei dem Nullspannungskomparator ein Flankendetektor nachgeschaltet ist, wobei der Ausgang des ersten Flip-Flops und der Ausgang des Flankendetektors mit den Eingängen eines UND-Gatters verbunden sind und wobei der Ausgang des UND-Gatters mit einem Eingang eines zweiten Flip-Flops verbunden ist, das die beiden Schalter ansteuert. Damit wird erreicht, dass ein vom Taktgeber ausgelöster Kompensationsvorgang erst dann ausgeführt wird, wenn die Ausgangsspannung des Integrators durch Null geht. Damit wird erreicht, dass das Kurzschliessen des Integrationskondensators keinen Fehler verursacht. Der Flankendetektor kann mit einem ersten Eingang eines dritten Flip-Flops verbunden sein, dessen zweiter Eingang über ein Verzögerungsglied mit einem Ausgang des zweiten Flip-Flops verbunden ist, wobei der dem ersten Eingang zugeordnete erste Ausgang des dritten Flip-Flops die Verriegelungsstufe steuert und wobei der dem zweiten Eingang zugeordnete zweite Ausgang mit den Rücksetzeingängen des ersten und des zweiten Flip-Flops verbunden ist. Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird der Kompensationsvorgang sofort abgebrochen, sobald die Ausgangsspannung des Integrators auf Null eingestellt ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Elektrizitätszählers mit einem automatischen Offsetabgleich. Der Messstrom I wird dem Elektrizitätszähler über einen Stromwandler 1 zugeführt, dessen Sekundärseite mit einem Bürdenwiderstand 2 beschaltet ist. Damit wird der zur Verfügung stehende Messstrom I in eine für die Elektronik geeignete Spannung umgesetzt. Diese Spannung wird einem Umschaltkontakt eines Umschalters 3 zugeführt, dessen zweiter Umschaltkontakt über einen Widerstand 4 an Bezugspotential liegt. Der Umschalter 3 verbindet je nach seiner Schaltstellung den Stromwandler 1 oder den Widerstand 4 mit dem Stromeingang eines Multiplizierers 5, an dessen zweitem Eingang die Messspannung U ansteht. Im Normalbetrieb steht der Umschalter 3 in der dargestellten Stellung, wobei der Multiplizierer 5 durch Multiplikation von Strom und Spannung die Leistung bildet. Der Ausgang des Multiplizierers 5 ist mit einem Integrator 6 verbunden. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker 6d, der in einem Rückkopplungszweig die Reihenschaltung eines Widerstandes 6a und eines Kondensators 6b aufweist. Über einen Umschalter 6c ist entweder der Widerstand 6a oder der Kondensator 6b überbrückbar. Im Messbetrieb ist der Umschalter 6c in der dargestellten Position, d.h. der Widerstand 6a ist kurzgeschlossen und die Anordnung arbeitet als reiner Integrator. Dem Integrator 6 ist ein Komparator 7 mit einer Zähleinrichtung 8 nachgeschaltet. Der Komparator 7 bildet zusammen mit dem Integrator 6 einen Quantisierer, mit dem das leistungsproportionale Ausgangssignal des Multiplizierers 5 in eine proportione Frequenz umgewandelt wird. Die Funktionsweise von Multiplizierer 5 und Quantisierer 6, 7 sind in der Zeitschrift Technisches Messen atm" 1978, Heft 11, Seiten 407 bis 411, näher erläutert, so dass sich ein näheres Eingehen auf diese Schaltungen hier erübrigt. Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt einen einphasigen Elektrizitätszähler. Bei einem dreiphasigen Elektrizitätszähler ist der Eingangskreis bis einschliesslich zum Multiplizierer 5 dreifach vorhanden. Wie bereits erwähnt, haben die im Multiplizierer 5 und im Integrator 6 enthaltenen Operationsverstärker Offsetspannungen, und -ströme die die Messgenauigkeit bei kleinen Messströmen beeinträchtigen. Diese Offsetgrössen können zwar durch Abgleich des elektronischen Elektrizitätszählers kompensiert werden, sie sind jedoch temperaturabhängig und unterliegen einer Langzeitdrift. Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäss ein automatischer, sich ständig wiederholender Offsetabgleich vorgesehen. Die dafür benötigte Abgleichvorrichtung 9 ist in Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Abgleichvorrichtung 9 wird von einer Steuereinheit 13 gesteuert. Dabei löst ein Taktgeber 12 in bestimmten Zeitabschnitten über die Steuereinheit 13 einen Impuls aus, der die Schalter 3 und 6c umschaltet. Der Messvorgang wird also damit unterbrochen und dem Stromeingang des Multiplizierers 5 die Spannung Null zugeführt. Ausserdem wird der Operationsverstärker 6 als Proportionalverstärker geschaltet. Am Ausgang des Operationsverstärkers 6 kann damit der durch Offsetgrössen des Multiplizierers 5 und des Operationsverstärkers 6 verursachte Nullpunktsfehler erfasst werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 6 wird einem Nullspannungskomparator 14 zugeführt, dessen Ausgangssignal davon abhängt, ob die anstehende Spannung grösser oder kleiner Null ist. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Nullspannungskomparators 14 wird über die Steuereinheit 13 ein Zähler 10 in Vorwärts- oder Rückwärtszählrichtung umgeschaltet. Der Takteingang des Zählers 10 ist mit dem Taktgeber 12 verbunden. An den Zählausgängen des Zählers 10 ist ein Widerstandsnetzwerk 11 angeschlossen, dessen Gesamtwiderstand durch den Zählerstand in entsprechenden Stufen veränderlich ist. Mit Hilfe des Widerstandsnetzwerks 11 wird wiederum ein Strom erzeugt, die dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6 zugeführt wird. Dieser Strom wird über den Zähler 10 und das Widerstandsnetzwerk 11 solange verändert, bis am Ausgang des Operationsverstärkers 6 die Spannung Null ansteht. Damit sind also die Offsetgrössen des Multiplizierers 5 und des Integrators 6 kompensiert. Die Steuereinheit 13 schaltet die Umschalter 3 und 6c wieder in ihre Normalstellung, so dass wieder der Messbetrieb aufgenommen wird. Der Zeitabstand zwischen zwei Kompensationsvorgängen wird so gewählt, dass in diesen Zeitabständen weder durch Temperaturabhängigkeit noch durch Langzeitdrift der Offsetgrössen wesentliche Fehler entstehen können. Beispielsweise kann alle 10 Sekunden ein Messvorgang stattfinden. Um nicht vernachlässigbare Fehler durch Unterbrechung des Messvorgangs zu vermeiden, muss die Dauer eines Kompensationsvorgangs kurz sein gegenüber der Zeitspanne zwischen zwei Kompensationsvorgängen. Durch die laufende Kompensation von Störgrössen kann bei gleichbleibenden Fehlergrenzwerten der Messbereich des elektronischen Elektrizitätszähler deutlich, z.B. um den Faktor 10 nach unten erweitert werden. Bei niedrigen Lastpunkten zeigt ein derartig ausgestatteter elektronischer Elektrizitätszähler eine bessere Langzeitstabilität. Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer automatischen Offsetabgleichvorrichtung 9 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Taktgeber 12 ist über einen Frequenzteiler 13a mit dem Setzeingang eines ersten taktflankengesteuerten RS-Flip-Flops 13b verbunden. Das Flip-Flop 13b wird also periodisch gesetzt, wobei die Periode von der Frequenz des Taktgebers 12 und dem Teilerverhältnis des Frequenzteilers 13a abhängt. Mit dem Setzen des Flip Flops 13b wird jeweils ein Offsetabgleichvorgang eingeleitet. Um einen Messfehler durch Kurzschliessen des aufgeladenen Integrationskondensators 6b zu vermeiden, soll jedoch der Offsetabgleichvorgang erst erfolgen, wenn die Ausgangsspannung des Integrators 6 durch Null geht. Die Schalter 3 und 6c werden daher nicht über das erste Flip-Flop 13b direkt, sondern über ein zweites Flip- Flop 13d angesteuert. Das Flip-Flop 13d wird über die im folgenden beschriebene Schaltung gesetzt. Das Ausgangssignal des Integrators 6 wird dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 14 zugeführt, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der Operationsverstärker 14 wirkt damit als Nullkomparator. Dem Operationsverstärker 14 ist ein Flankendetektor nachgeschaltet. Dieser besteht aus zwei Kondensatoren 13k und 131, die einerseits mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 14 und andererseits mit je einem Eingang eines Exclusiv-ODER-Gatters 13g verbunden sind. Ferner ist ein Eingang des Exclusiv ODER-Gatters 13g über einen Widerstand 13h an Bezugspotential und der zweite Eingang über einen Widerstand 13i an eine positive Spannung u gelegt. Am Ausgang des Exclusiv-ODER- Gatters 13e steht im stationären Zustand eine i an, da nur einer der beiden Eingänge auf ¯1" liegt. Wenn jedoch am Ausgang des Operationsverstärkers 14 ein Signalwechsel stattfindet, so erhalten über die Kondensatoren 13k und 131 kurzzeitig beide Eingänge dasselbe Signal. Damit steht also bei jedem Signalwechsel am Ausgang des Komparators 14, d.h. bei jedem Nulldurchgang des Ausgangssignals des Integrierers 6 am Ausgang des Exclusiv-ODER-Gatters 13g für kurze Zeit ein ¯O"-Signal an. Dieses wird dem invertierenden Eingang eines UND- Gatters 13c zugeführt, dessen zweiter Eingang mit dem Setzausgang des ersten Flip-Flops 13b verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gatters 13c ist mit dem Setzeingang des zweiten taktflankengesteuerten Flip-Flops 13d verbunden. Der Setzausgang des zweiten Flip-Flops 13d steuert die Schalter 3 und 6c. Eine Umschaltung des elektronischen Elektrizitätszählers auf einen Offsetspannungsabgleich wird also immer dann vorgenommen, wenn erstens eine durch den Taktgeber 12 und den Frequenzteiler 13a vorgegebene Zeit abgelaufen ist und wenn zweitens die Ausgangsspannung des Integrators 6 Null ist. Da diese Ausgangsspannung stets zwischen positiven und negativen Werten wechselt, findet ein solcher Nulldurchgang immer statt. Gegebenenfalls muss dies mit einer Kompensationsschaltung sichergestellt werden, wie sie in der DE-PS 2 128 883 in Spalte 5 und 6 beschrieben ist. Mit dem Setzausgang des zweiten Flip-Flops 13d ist ausserdem über eine Verzögerungsstufe 13e der Setzeingang eines dritten taktflankengesteuerten Flip-Flops 13f verbunden. Der Setzausgang des dritten Flip-Flops 13f ist mit einem Eingang eines UND-Gatters 13m verbunden, mit dessen zweiten Eingang der Taktgeber 13 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gatters 13m ist schliesslich mit dem Takteingang eines Zählers 10 verbunden. Kurze Zeit nach Umschaltung der Schalter 3 und 6c werden also Zählimpulse für den Zähler 10 freigegeben. Über diesen erfolgt eine Kompensation der Offsetspannungen, wie im folgenden erläutert wird. Der Zähler 10 weist einen Vor- Rückwärts-Steuereingang auf, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 14 verbunden ist. Je nachdem ob die Offsetspannungen einen positiven oder negativen Fehler verursachen, werden also die Impulse des Taktgenerators 12 vorwärts oder rückwärts gezählt. Es ist eine Reihenschaltung von Widerständen 11d vorgessehen, wobei die Verbindungspunkte der Widerstände 11d jeweils über weitere Widerstände ile mit den Ausgängen des Zählers 10 verbunden sind. Diese Reihenschaltung ist einerseits über einen Widerstand 11f an das Bezugspotontial und andererseits über Widerstände 11a und 11b direkt an das Bezugspotential angeschlossen. Die Widerstandswerte der Widerstände Ile und 11f sind doppelt so gross wie die Widerstände iie. Der Verbindungspunkt der Widerstände 11a und lib ist über einen Widerstand 11c mit dem Eingang des Integrators 6 verbunden und speist in diesem einen Strom IK. Dieser Strom 1K ist von den an den Ausgängen des Zählers 10 anstehenden Signalen, d.h. also vom Zählerstand des Zählers 10 abhängig. Durch die oben angegebene Dimensionierung der Widerstände Ile und 11f wird ein linearer Zusammenhang zwischen dem Zählerstand des Zählers 10 und dem Strom IK erreicht. Wenn beispielsweise nach Umschaltung der Schalter 3 und 6c am Ausgang des Integrators 6 eine positive Fehlerspannung auftritt, so wird der Zähler 10 in Vorwärtszähleinrichtung geschaltet. Durch Erhöhung des Zählerstandes wird auch der Strom I erhöht, bis die Fehlerspannung auf Null zurückgeht, d.h. die Offsetgrössen kompensiert sind. Der Abgleichvorgang muss dann beendet werden. Dies erfolgt über das dritte Flip-Flop 13f. Dessen Rücksetzeingang ist mit dem Ausgang des Exclusiv-ODER-Gatters 13g verbunden. Das Flip-Flop 13f wird zurückgesetzt, sobald das Ausgangssignal des Exclusiv-ODER-Gatters 13g eine negative Flanke aufweist, d.h. sobald das Ausgangssignal des Integrators 6 Null wird. Das Flip-Flop 13f wird also zurückgesetzt, sobald die Offsetspannungskompensation durchgeführt ist, wobei das Eins-Signal am Setzausgang des Flip-Flops 13f verschwindet und damit die Taktimpulse für den Zähler 10 blockiert werden. Dieser bleibt damit auf seinem Zählerstand, mit dem gerade eine Kompensation der Offsetspannungen erreicht worden ist, stehen. Der Rücksetzausgang des Flip-Flops 13f ist mit den Rücksetzeingängen der Flip-Flops 13b und 13d verbunden, so dass diese nach Beendigung des Abgleichvorgangs zurückgesetzt werden. Die erreichte Kompensation der Offsetspannungen bleibt erhalten, bis diese sich beispielsweise durch Temperatureinflüsse oder Langzeittrift wieder ändern. Da der beschriebene Abgleich jedoch in verhältnismässig kurzen Zeitabständen, beispielsweise im Abstand von 10 Sekunden, erfolgt, ändern sich die Offsetspannungen zwischen zwei Abgleichvorgängen allenfalls geringfügig. Der durch Offsetspannungen insbesondere bei kleinen Lastpunkten verursachte Fehler bleibt daher klein, so dass der Lastbereich des Zählers nach unten erweitert werden kann. 5 Patentansprüche 2 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Elektronischer Elektrizitätszähler mit einem Multiplizierer (5) und einem nachgeschalteten Integrator (6), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Eingang des Multiplizierers (5) durch einen ersten steuerbaren Schalter (3) mit dem Bezugspotential verbindbar ist, dass der Integrationskondensator (6b) des Integrators (6) durch einen zweiten steuerbaren Schalter (6c) überbrückbar ist, dass eine steuerbare Kompensationseinrichtung (10, 11) zur Kompensation von Offsetspannungen bzw. Offsetströmen des Multiplizierers (5) und des Integrators (6) vorgesehen ist, dass der Ausgang des Integrators (6) mit einem Nullspannungskomparator (14) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Kompensationseinrichtung (10, 11) verbunden ist und dass eine Steuereinheit (13) in bestimmten Zeitabständen für eine Zeit# A t die beiden Schalter (3, 6c) schliesst, wobei während dieser Zeit# t der Nullspannungskomparator (14) die Kompensationseinrichtung (10, 11) so steuert, dass die Ausgangsspannung des Integrators (6) Null wird. 2. Elektronischer Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (10, 11) einen Vor Rückwärtszähler (10) aufweist, dessen Ausgänge mit einem Widerstandsnetzwerk (11) so verbunden sind, dass der Gesamtwiderstand des Widerstandsnetzwerks (11) vom Zählerstand des Vor- Rückwärtszählers (10) abhängt, dass ein Anschlusspunkt des Widerstandsnetzwerks (11) mit einem Eingang des Integrators (6) verbunden ist, dass der Takteingang des Vor- Rückwärtszählers (10) über eine Verriegelungsstufe (13m) mit einem Taktgeber (12) verbunden ist und dass der Vor- Rückwärts-Steuereingang des Vor- Rückwärtszählers vom Nullkomparator (14) angesteuert wird. 3. Elektronischer Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass ein Taktgeber (12) in festen Zeitabständen ein erstes Flip-Flop (13b) setzt, dessen Setzausgang die beiden Schalter (3, 6c) und die Verriegelungsstufe (13m) steuert. 4. Elektronischer Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass ein Taktgeber (12) in festen Zeitabständen ein erstes Flip-Flop (13b) setzt, dass dem Nullspannungskomparator (14) ein Flankendetektor (13g bis 131) nachgeschaltet ist, dass der Ausgang des ersten Flip-Flops (13b) und der Ausgang des Flankendetektors (13g bis 131) mit den Eingängen eines UND-Gatters (13c) verbunden sind und dass der Ausgang des UND-Gatters (13c) mit einem Eingang eines zweiten Flip-Flops (13d) verbunden ist, das die beiden Schalter (3, 6c) ansteuert. 5. Elektronischer Elektrizitätszähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flankendetektor (13g bis 131) mit einem ersten Eingang eines dritten Flip Flops (13f) verbunden ist, dessen zweiter Eingang über ein Verzögerungsglied mit einem Ausgang des zweiten Flip Flops (13d) verbunden ist, dass der dem ersten Eingang zugeordnete erste Ausgang des dritten Flip-Flops (13f) die Verriegelungsstufe (13m) steuert und dass der dem zweiten Eingang zugeordnete zweite Ausgang mit den Rücksetzeingängen des ersten und des zweiten Flip-Flopr (13b, 13d) verbunden ist.

Inventors: SCHWENDTNER, MANFRED, DIPL.-ING., STEINMULLER, GUNTER, DIPL.-ING., Steinmüller, Günter, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G01R21
IPC codes: G01R21, G01R22, G01R17