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Verfahren zur Bestimmung des Wertes einer mit einer
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störenden Wechselspannung überlagerten Gleichspannung und Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Bestimmung des Wertes einer mit einer störenden Wechselspannung überlagerten Gleichspannung,
wobei eine Aufintegration der zu bestimmenden Spannung vorgenommen wird.
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Bei derartigen Meßverfahren können Wechselspannungsanteile, die während
der Aufintegrationszeit vorhanden sind, mehr oder weniger stark mit in das Meßergebnis
eingehen. Je nach Phasenlage des Beginns und des Endes der Meßzeit ist der Einfluß
dieser Fehlergröße unterschiedlich groß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß der Einfluß der unerwünschten Wechselspannungsanteile
auf das Meßergebnis möglichst gering gehalten werden kann. Gemäß der Erfindung wird
dies dadurch erreicht, daß die Aufintegration bei einem bestimmten Phasenwert der
störenden Wechselspannung begonnen und für eine Grundzeit fortgeführt wird und daß
innerhalb eines nachfolgenden Zeitfensters durch einen des erneute Erreichen des
gleichen Phasenwertes der störenden Wechselspannung signalisierenden Steuerimpuls
die Aufintegration beendet wird.
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Auf diese Weise ist die Aufintegrationszeit praktisch immer gleich
einem ganzzahligen Vielfachen von vollen Wechselspannungsperioden. Diese ergeben
somit bei der Integration zusammengefaßt den Wert Null, da sich positive und negative
Anteile kompensieren. Der so erhaltene resultierende Integrationswert ist frei von
Anteilen der störenden Wechselspannung. Durch die Verwendung eines Zeitfensters
läßt sich auch bei frequenzmäßig nicht stabilen Störspannungen eine sichere und
wirksame Störungsunterdrückung erreichen. Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil
bei relativ niederfrequenten Störspannungen mit Vorteil einsetzbar, weil hier erst
bei sehr langen Integrationszeiten ohne Anwendung der Erfindung eine gewisse Kompensation
erreichbar wäre.
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Durch die Erfindung ist dagegen die Kompensation bereits innerhalb
einer oder weniger Perioden der Störspannung sicher und zuverlässig erzielbar.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein mit dem Eingang verbundener
Phasendetektor, insbesondere Nulldurchgangsdetektor, für die Bestimmung des bestimmten
Phasenwertes und die Ausgabe des zugehörigen Steuerimpulses aus der störenden Wechselspannung
vorgesehen ist, daß der Phasendetektor ausgangsseitig mit einem Steuerwerk verbunden
ist, das nur den in das Zeitfenster fallenden Steuerimpuls an die Integrationseinrichtung
weiterleitet.
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Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen en werden anhand von Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 im Blockschaltbild erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung; Fig. 2 ein Zeitdiagramm zu der Schaltung
nach Fig. 1; Fig. 3 im Blockschaltbild ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit Auf- und Rückintegra tion und Fig. 4 das Zeitdiagram für die Schaltung nach
Fig. 3.
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Bei dem Blockschaltbild nach Fig. 1 wird die aus einer Gleichspannung
UM und einer störenden Wechselspannung US bestehende Gesamtspannung an die Eingangsklemmen
K1, K2 Meßschaltung gelegt. Für die Durchführung der Spannungsmessung ist ein Integrator
INT vorgesehen, dessen Ausgang mit einem Analog/Digital-Wandler ADW verbunden ist,
dessen digitale Ausgangssignale einem Steuerwerk STW zugeleitet werden. Weiterhin
ist vom Eingang über eine abgezweigte Leitung ein Phasendetektor PHD angeschlossen,
dessen Ausgang ebenfalls zu dem Steuerwerk STW geführt ist. Das Steuerwerk STW,
bevorzugt als Mikroprozessor ausgebildet, enthält unter anderem die Funktion eines
Rechenwerks SRW und eines Zählers SZL.
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Die vom Steuerwerk STW ermittelten Ergebnisse der Spannungsmessung
werden in einer Anzeige-Einrichtung ANZ dargestellt.
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Der Integrator INT besteht aus einem an die Eingangsklemme K1 angeschlossenen
ohmschen Serienwiderstand R1, der an den invertierten Eingang eines ersten Differenzverstärkers
DIF1 angeschlossen ist, dessen nichtinvertierter Eingang auf Masse liegt. Der invertierte
Eingang des Differenzverstärkers DIF1 ist über einen Kondensator C mit dem Ausgang
verbunden, wobei dieser Kondensator C durch einen Schalter S kurzgeschlossen werden
kann. Der Ausgang des Differenzverstärkers DIF1 ist über einen ohmschen Widerstand
R2 mit dem invertierten Eingang eines weiteren Differenzverstärkers
DIF
2 verbunden, dessen nichtinvertierter Eingang ebenfalls auf Masse liegt. Der invertierte
Eingang dieses Differenzverstärkers DIF2 ist über einen ohmschen Widerstand R3 mit
dem Ausgang verbunden, der gleichzeitig an den Eingang des Analog/Digital-Wandlers
ADW geführt ist. Der im Ausführungsbeispiel angegebene Integrator INT stellt die
einfachste Ausführung eines nichtinvertierenden Integrators dar, wobei der zweite
Differenzverstärker DIF2 dazu dient, die Invertierung der ersten Stufe wieder aufzuheben.
Es sind bessere Integratoren z.B. mit automatischem Nullpunktabgleich, sowie höherem
Esngangswiderstand bekannt, die anatelle der dargestellten Integrationsschaltung
ebenfalls verwendet werden können. Die vom Integrator erhaltene, den Meßwert UM
bestimmende Spannung UX wird durch den Wandler ADW in den digitalen Wert UX' umgeformt
und so dem Steuerwerk STW zur Auswertung zur Verfügung gestellt.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung läßt sich wie folgt
erklären: In der ersten Zeile der Fig. 2 ist die Störspannung US dargestellt, wobei
angenommen ist, daß es sich um eine sinusförmige Spannung handelt. Die Anwendung
der Erfindung ist 3edoch nicht auf die Kompensation von sinusförmigen Wechselspannungen
beschränkt, vielmehr lassen sich alle sonstigen periodisch verlaufenden Wechselspannungen
im Rahmen der Erfindung kompensieren. Der Phasendetektor PHD gibt bei einem bestimmten
Phasenwert der Steuerspannung Impulse ab, wobei im rorliegenden Beispiel angenommen
ist, daß diese Impulse ND1, ND2, ND3, ND4 usw. jeweils bei der Anfangsphase # =
0 der Störspannung US auftreten. Es wäre auch möglich, andere Phasenwerte zu wählen,
z.B. bei Maximum # = 90 bzw. bei Minimum # = 270°. Wesentlich ist, daß die in
der
zweiten Zeile der Fig. 2 dargestellten, den jeweiligen Phasenwert signalisierenden
Impulse genau den Abstand der Periodendauer TP der Störspannung US aufweisen. Diese
Impulse NDn werden dem Steuerwerk STW zugeführt, wobei der erste Impuls ND1 eine
gewisse Zeit nach dem Einschalten der Meßschaltung ausgegeben wird und zwar jeweils
festgelegt durch den Wert der gewählten Anfangsphase. Der erste, so erhaltene Impuls
ND1 wird als Steuerimpuls dem Integrator INT zugeführt und öffnet den zu Beginn
der Messung geschlossenen Schalter S. Damit beginnt die Aufladung des Kondensators
C auf Grund des über den Widerstand R1 zufließenden und am invertierenden Eingang
von DIF1 vorbeifließenden Stromes, wobei die Steilheit des Spannungsverlaufes am
Kondensator und somit auch des Verlaufs der Ausgangsspannung U1 zu jedem Zeitpunkt
gegeben ist durch
Die Integrations-Zeitkonstante t = R1#C bestimmt somit neben der Eingangsspannung
die Schnelligkeit des Aufladevorganges. Die Aufladung der Integrationsschaltung
wird über mindestens eine Periode der störenden Wechselspannung fortgesetzt. Es
ist aber in der Praxis zweckmäßfg, mindestens drei derartige Perioden für die Messung
aufzuintegrieren, um die Genauigkeit zu verbessern. Im vorliegenden Beispiel ist
zur Vereinfachung der Darstellung angenommen, daß bereits nach zwei Perioden die
Aufintegration beendet werden soll. Die eigentliche Meßzeit während der die Integration
läuft, ist mit TA bezeichnet, wobei im vorliegenden Beispiel TA zwei Perioden umfaßt.
Die Aufintegrationszeit TA setzt sich aus zwei Teilzeiten zusammen, von denen die
erste als Grundzeit mit TG bezeichnet ist, wobei auf diese Grundzeit ein Zeitfenster
TF folgt. Die Einführung einer Grundzeit TG hat den Vorteil, daß in dieser Zeit
die
Auswertung von Impulsen, d.h. im vorliegenden Beispiel des
Impulses ND2, nicht vorgenommen werden muß, so daß diese Impulse vom Steuerwerk
STW unterdrückt werden können bzw. nicht zur Auswertung zugelassen werden brauchen.
Erst am Ende der Grundzeit TG wird durch das Zeitfenster TF das Steuerwerk STW wieder
so aktiviert, daß der nachfolgende nächste Impuls (im vorliegenden Beispiel der
Impuls ND3) als weiterer, die Aufintegration beendender Schlußimpuls durchgelassen
wird. Das in diesem Augenblick, d.h. beim Erscheinen des Impulses ND3 vorhandene
Spannungsergebnis UX wird im Steuerwerk zur Berechnung der zu bestimmenden Gleichspannung
herangezogen und zwar gilt die Beziehung UX = UM #### (2) Daraus ergibt sich durch
Umwandlung die in der Anzeigeeinrichtung ANZ darzustellende Spannung UM nach folgender
Beziehung UM = UX # #### (3) Die Messung wird somit stets genau während ganzzahliger
Vielfacher von Perioden TP der Störspannung US vorgenommen, so daß bei der Aufintegration
deren positive und negative Spannungs-Zeit-Flächen sich kompensieren und somit der
gemessene Wert UM frei von den Anteilen der Störspannung US gehalten werden kann.
Der Zeitwert TA wird von dem Zähler SZL des Steuerwerkes STW bestimmt, welcher beim
Auftreten des ersten Steuerimpulses ND1 gestartet und bei dem im Zeitfenster TF
auftretenden Schlußimpuls ND3 angehalten wird. Der Spannungswert UX welcher das
Endergebnis der Integration über die Zeit TA anzeigt, wird vom Ausgang des Integrators
INT über den Analog/Digital-Wandler ADW dem Steuerwerk STW zugeführt, so daß hier
die Berechnung der anzuzeigenden Gleichspannung UM vorgenommen werden kann. Der
Wert
von #= R1 . C ist im Steuerwerk STW gespeichert.
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Die Dauer des Zeitfensters TF ist zweckmäßig einstellbar gemacht,
wofür beim Steuerwerk STW entsprechende Einstelleinrichtungen vorzusehen sind. Als
allgemeine Regel kann angesehen werden, daß die Dauer des Zeitfensters in Abhängigkeit
von etwaigen Frequenzschwankungen der Störer und etwaigen Fehlern im Rahmen der
Zeitmessung auszulegen ist. Im allgemeinen genügt es, die Dauer des Zeitfensters
TF zu etwa 5%, vorzugsweise jedoch nur zwischen 0,5 und 2% der Grundzeit TG zu wählen.
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Die Grundzeit TG beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer
der zu erwartenden störenden Wechselspannung US, verringert etwa um die halbe Dauer
des Zeitfensters TF. Dadurch liegt der das Ende der Aufintegra- .
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tion angebende Impuls ND3 etwa in der Mitte des Zeitfensters und Schwankungen
in der Frequenz der Störspannung sind so besonders unkritisch.
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Beim Messen an Objekten, bei denen die Frequenz der Störspannung US
nicht oder nicht ausreichend genau bekannt ist und somit eine Einstellung der Grundzeit
TG und des Zeitfensters TF nicht ohne weiteres durchführbar ist, läßt sich eine
Abhilfe dadurch schaffen, daß zunächst die Periodendauer TP der Störspannung US
grob gemessen wird. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, daß einige
der vom Phasendetektor PHD abgegebenen Impulse ND1, ND2 usw. dem Steuerwerk STV
zugeführt werden und dort, z.B. mittels des Zählers SZL oder mittels einer weiteren
Zählschaltung die Periodendauer der Störspannung US in bekannter Weise ermittelt
wird. Entsprechend dem eingegebenen Programm wird dann für die Bestimmung der Grundzeit
TG ein bestimmtes Vielfaches z.B. das Fünffache der Periodendauer angesetzt, wobei
am Ende die Grundzeit folgendermaßen zu
wählen ist: TG s 5 TP -
TF (4) Dann ist sichergestellt, daß der fünfte Impuls ND5 des Phasendetektors genau
in die Mitte des Zeitfensters TF fällt und die Aufintegrationszeit TA = 5TP beträgt.
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Wenn schnelle Messungen vorgenommen werden sollen, kann der Bestimmungsvorgang
für die Messung der Periodendauer TP bereits während des Meßvorganges durchgeführt
werden, in dem z.B. während dreier Perioden TP die Bestimmung der Periodendauer
vorgenommen wird und dann ein entsprechender größerer Wert (z.B. 5 TP) für die Festlegung
der Aufintwegrationszeit TA gewählt wird, und die Grundzeit TG entsprechend den
vorstehenden Überlegungen festgelegt wird.
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Am Ende des Meßvorganges, z.B. also bei dem nach der Aufintegration
folgenden nächsten Impuls ND4 wird ein weiterer Steuerbefehl erzeugt, der über die
Steuerleitung vom Steuerwerk STW, dem Schalter S zugeführt wird und diesen schließt.
Dadurch wird der Kondensator C entladen und die Meßschaltung für den Beginn eines
neuen Meßvorganges vorbereitet.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sind die mit der Ausführungsform
nach Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ergänzend
sind dabei lediglich vorgesehen ein weiterer Eingang K3, wobei der Eingang des Integrators
INT mittels eines Umschalters SU wahlweise an die Eingangsklemme K1 mit der Spannung
US+UM oder an die Eingangsklemme E3 mit der Referenzspannung UR gelegt werden kann.
Die Steuerung des Umschalters SU erfolgt vom Steuerwerk STW. Dem Integrator INT
ist als zusätzlicher Schaltungsteil ein Komparator KOM nachgeschaltet, dessen Ausgang
mit einem Eingang des Steuerwerks STW verbunden ist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 wird auf
Fig. 4 Bezug genommen. Dort ist in der ersten Zeile wie bei dem vorangegangenen
Ausführungsbeispiel die Störspannung US dargestellt, während in der zweiten Zeile
die Nulldurchgangsimpulse ND1 bis ND5 des Phasendetektors PHD gezeichnet sind. Die
Einleitung des eigentlichen Meßvorganges erfolgt in der gleichen Weise wie bei Fig.
1 beschrieben, d.h. beginnend mit dem durch ND1 ausgelösten Steuerimpuls wird nicht
nur der Schalter S geöffnet und damit die Integration beim Integrator INT eingeleitet,
sondern zugleich auch der Umschalter SU an die Eingangsklemme K1 gelegt und somit
während der Meßzeit die Spannung US+UM dem Integrator INT zugeführt. Am Ende der
Meßzeit, d.h.
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im vorliegenden Beispiel beim innerhalb des Zeitfensters TF liegenden
Nulldurchgangsimpuls ND3 wird der Umschalter SU an die Klemme K3 angelegt und dadurch
die Referenspannung UR dem Integrator INT zugeführt. Die dritte Zeile des Diagramms
nach Fig. 4 zeigt diesen Umschaltvorgang, während in der vierten Zeile der Verlauf
der Ausgangsspannung des Integrators INT dargestellt ist.
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Daraus ist ersichtlich, daß nach dem Ende der Aufintegrationszeit
TA eine Rückintegration während der Zeit TR stattfindet, bis die Spannung wieder
den Wert Null erreicht. Für die Spannung am Ende der Aufintegrationszeit TA gilt
wieder aie Beziehung nach Gleichung (2) (2) UX = UM # TA R1#C Da auch die Rückintegration
während der Zeit TR einer analogen Gleichung folgt, nämlich (5) UX = - UR # TR R1#C
ergibt sich durch Gleichsetzen der beiden Gleichungen (2) und (5) die Beziehung
(6)
UM = - UR # Das bedeutet, daß allein die Zeiten TA (Aufintegrationszeit) und TR
(Rückintegrationszeit) gemessen werden müssen, während die Spannung UR als stabilisierte
Spannung bekannt und in ihrer Größe in dem Steuerwerk STW gespeichert ist. Die Spannung
UX braucht hier nicht zum Steuerwerk STW übertragen werden, weil bereits die Aufintegrationszeit
TA und die Rückintegrationszeit TR zur Bestimmung von UM ausreichen.
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Der nachgeschaltete Komparator KOM enthält einen Differenzverstärker
DIF3, dessen nichtinvertierter Eingang mit dem Ausgang des Integrators INT verbunden
ist.
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Dieser Komparator KOM erzeugt am Ende der Rückintegrationszeit TR
einen Impuls EN, der dem Steuerwerk STW zugeführt wird. Dieser Impuls EN gibt an,
wie groß die Rückintegrationszeit TR ist, welche mit dem Impuls ND3 begonnen und
mit dem Impuls EN geendet hat.
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Die Aufintegrationszeit TA dauert, wie beim ersten Ausführungsbeispiel
von ND1 bis ND3. Entsprechend der Gleichung (6) kann die Anzeige des gesuchten Gleichspannungswertes
UM in der Anzeigeeinrichtung ANZ durchgeführt werden, wobei ebenfalls Wechselspannungsanteile
nicht in Erscheinung treten. Der Impuls EN gibt außerdem das Ende des Meßvorganges
an und bewirkt somit die Schließung des Schalters S zur Entladung des Kondensators
C und die Bereitstellung der Gesamtschaltung für die Durchführung eines neuen Meßvorganges.
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4 Figuren 12 Patentansprüche