DE3133019C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Leistungsaufnahme einer elektrischen Last gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs.

Es ist von einem derartigen Gerät bekannt (DE-OS 25 39 344) zur Leistungsmessung in einer Multipliziereinrichtung die an der Last anstehende Spannung sowie den Laststrom miteinander zu verknüpfen und in einem Wandler aus der Amplitude des Leistungssignales eine Impulsfolge mit einer entsprechenden Frequenz zu erzeu­ gen. Bei einem anderen bekannten Leistungsmeßgerät (US-PS 40 96 436) ist eine verhältnismäßig aufwendige transformatori­ sche Ankopplung vorgesehen, wenn das gemessene Leistungssi­ gnal einer Anzeigeeinrichtung zugeführt werden soll und in einem Wandler digitalisiert werden muß, wenn es in einem Mikrocomputer weiterverarbeitet werden soll. Neben anderen bekannten Ausführungsformen von Leistungsmeßgeräten (DE 25 19 668 B2 und US 37 80 273) sind auch optische Kopplungsein­ richtungen (DE 27 26 705 A1) und Mikroprozessoren (DE 27 28 355 A1) bekannt.

Ausgehend von der eingangs genannten Druckschrift liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Meßgerät so auszubilden, daß es ein der Leistungsaufnahme einer Last proportionales digitales Signal erzeugt, das einfach Meß- bzw. Regelkrei­ sen mit Mikroprozessoren zuführbar ist.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die transformatorische Ankopplung des Anzeige- bzw. Regelkreises entfällt, daß das Ausgangssignal des Leistungs­ meßgerätes gegenüber Rauschen unempfindlich ist, so daß es über verhältnismäßig weite Entfernungen übertragen werden kann und daß das Leistungsmeßgerät schnellere Ansprechzeiten als analog arbeitende Geräte aufweist, da das Impulsfolgen­ signal bei der Übertragung an die weiterverarbeitende Ein­ richtung über die optische Kupplungseinrichtung nicht gefil­ tert werden muß.

Außerdem ist das erfindungsgemäße Gerät zum Messen von Wech­ selspannungs- oder Gleichspannungsleistung ohne Änderungen verwendbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; die einzige Figur zeigt schematisch die Schaltungsanordnung des Leistungsmeßgerä­ tes.

In dieser Figur wird einer Wechselspannungs- oder Gleich­ spannungslast 101 von einer Spannungsquelle über Lei­ tungen 121 und 122 elektrische Energie zugeführt. Bei der Last 101 kann es sich beispielsweise um den Spindelmotor einer elektrisch angetriebenen Werkzeugmaschine handeln. Ein strommessender Nebenschluß 102 ist in Reihe mit der Leitung 121 und der Last 101 angeordnet.

Ein erstes Signal, welches proportional zur Spannung an der Last 101 ist, wird von einem Spannungsteilernetzwerk entwickelt, welches aus den Widerständen 132, 133 und einem Spitzenspannungs-Begrenzungskreis aus den Dioden 135 und 136 besteht.

Ein geerdeter Anschluß der Last 101 ist über den Weg 123 mit einem ersten Anschluß des Widerstandes 132 verbunden. Ein weiterer Anschluß der Last 101 ist über den Weg 124 mit einem ersten Anschluß eines Widerstandes 133 verbun­ den. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände 132 und 133 sind gemeinsam mit einem Punkt verbunden, an dem ein Ano­ denanschluß einer Diode 135 an einen Kathodenanschluß einer Diode 136 gekoppelt ist. Ein Kathodenanschluß der Diode 135 ist mit einer positiven Referenzspannungsquelle +V 1 gekoppelt; ein Anodenanschluß der Diode 136 ist mit einer negativen Referenzspannungsquelle -V 1 verbunden. Der ge­ meinsame Verbindungspunkt der Widerstände 132 und 133 so­ wie der Dioden 135 und 136 ist zusätzlich über den Fil­ terkondensator 137 mit Erdpotential und mit dem Anschluß 1 einer analogen Multipliziereinrichtung 104 über den Widerstand 139 verbunden. Das erste, der Spannung über der Last 101 proportionale Signal erscheint somit am Anschluß 1 der Multipliziereinrichtung 104.

Ein zweites, dem von der Last 101 gezogenen Strom propor­ tionales Signal wird über dem Nebenschluß 102 und den Operationsverstärker 103 entwickelt. Eine Seite des Neben­ schlusses 102 ist über den Widerstand 130 an den inver­ tierenden Eingang des Verstärkers 103 gelegt. Der inver­ tierende Eingang des Verstärkers 103 ist zusätzlich über den Widerstand 134 mit dem Ausgang des Verstärkers 103 ge­ koppelt. Der andere Anschluß des Nebenschlusses 102 ist über den Weg 123 und den Widerstand 131 mit den nichtin­ vertierenden Eingang des Verstärkers 103 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 103 ist über den Widerstand 138 an den Anschluß 6 der Multipliziereinrichtung 104 gekoppelt. Das zweite Signal erscheint demzufolge am Anschluß 6 der Multipliziereinrichtung 104.

Die Multipliziereinrichtung 104 erzeugt das Produkt des ersten Signales am Anschluß 1 mit dem zweiten Signal am Anschluß 6 und gibt das Produkt in Form eines dritten Signales am Ausgangsanschluß 4 ab.

Das Ausgangssignal der Multipliziereinrichtung 104 wird über den die Gesamtverstärkung einstellenden Widerstand 140 an eine Summiereinrichtung gelegt, welche die Eingangs­ widerstände 141 und 142, einen summierenden Operationsver­ stärker 106 und einen Rückkopplungswiderstand 143 enthält. Ein weiterer Eingang der Summiereinrichtung ist mit einer Spannungsquelle 105 eines Referenz-Offsetsignals gekoppelt. Diese erzeugt eine Präzisions-Offsetspannung, welche von der Eingangsspannungsversorgung +V 1 abgeleitet wird und an einen ersten Anschluß eines Widerstandes 142 gegeben wird. Ein Schleifer des variablen Widerstandes 140 ist über einen Widerstand 141 mit einem Summierungs­ knoten am invertierenden Eingang des Verstärkers 106 ver­ bunden. Der Widerstand 142 koppelt das Ausgangssignal der Spannungsquelle 105 an den Summierknoten am invertierenden Eingang des Verstärkers 106. Ein nichtin­ vertierender Eingang des Verstärkers 106 ist mit Erdpo­ tential gekoppelt. Der Widerstand 143 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers 106 gelegt. Somit wird ein drittes Signal am Ausgang des Ver­ stärkers 106 erzeugt, welches durch Addition des Referenz-Offset- Signals aus der Spannungsquelle 105 und des Ausgangssignales der Multipliziereinrichtung 104 gebildet wird.

Das von der Spannungsquelle 105 erzeugte Referenz-Offset-Signal wird dem Ausgangssignal der Multipliziereinrichtung 104 deshalb zuad­ diert, damit das Leistungsmeßgerät bei der Leistungsmes­ sung in dreiphasigen Wechselstromsystemen verwendet werden kann. Die Messung der Dreiphasenleistung nach der herkömm­ lichen Zwei-Wattmeter-Methode erfordert die Addition zwei­ er Ausgangssignale der beiden Leistungsmeßgeräte, wobei beide Ausgangssignale negativ werden können. Daher wird ein Referenz-Offset-Signal in dem Meßgerät bereitgestellt, mit dem ein Spannungs-Eingangsniveau eingeführt wird, welches eine Ausgangssignalfrequenz ergibt, die in der Mitte zwischen dem negativen und dem positiven Vollausschlag liegt, wenn die gemessene Leistung Null ist. Wenn also an der Last 101 keine Leistung verbraucht wird, hat das dritte Signal eine Amplitude, die im wesentlichen gleich dem Referenz­ wert der Spannungsquelle 105 ist und wird so an einen Wandler 108 gekoppelt, der ein Präzisions-Spannungs- Frequenz-Wandler ist.

Das dritte Signal wird an dem Wandler 108 über den Widerstand 144 gelegt. Der Wandler 108 benutzt einen Integrator, der aus dem Kondensator 145 und einem Operationsverstärker 107 aufgebaut wird. Hierdurch wird der Konverter-Takt­ zyklus eingeleitet. Der Wandler 108 und der In­ tegrationsverstärker 107 sind in bekannter Weise ausge­ bildet. Die interne Funktion des Wandlers 108 wird demzufolge hier nicht näher erläutert. Es reicht aus festzuhalten, daß der Wandler 108 das dritte Signal über den Widerstand 144 und den Integrationsverstärker 107 am Anschluß 7 empfängt und eine Impulsfolge am Ausgangsan­ schluß 3 erzeugt, deren Frequenz genau proportional zur Eingangsspannung am Anschluß 7 ist.

Der Widerstand 144 koppelt das Ausgangssignal des Verstärkers 106 mit dem invertierenden Eingang des Ver­ stärkers 107 und mit dem Anschluß 1 des Wandlers 108. Der nichtinvertierende Eingang des Verstär­ kers 107 ist mit Erdpotential verbunden. Der Kondensator 144 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Aus­ gang des Verstärkers 107 gelegt. Der Ausgang des Verstärkers 107 ist über den Kathoden-Anodenkreis einer Diode 147 mit Erdpotential und über den Widerstand 146 mit dem Anschluß 7 des Wandlers 108 verbunden.

Der variable, die Frequenz einstellende Widerstand 148 ist zwischen Erdpotential und den Anschluß 2 des Wandlers 108 gelegt. Der zeitbestimmende Kondensator 153 ist zwischen Erdpotential und den Anschluß 5 des Wandlers 108 gelegt. Der Anschluß 5 ist an die positive Gleichspannungsquelle +V 1 über den zeitbestimmenden Widerstand 152 gelegt. Der Anschluß des Wandlers 108 ist mit der positiven Gleich­ spannungsquelle +V 1 gekoppelt, während der Anschluß 6 des Wandlers über den Widerstand 151 mit der Spannung +V 1 und über die Parallelschaltung von Widerstand 150 und Kon­ densator 149 mit Erdpotential verbunden.

Die Impulsfolge am Anschluß 3 des Wandlers 108 wird auf den Anschluß 3 einer optischen Kopplungseinrichtung 109, durch eine lichtemittierende Diode in der optischen Kopp­ lungseinrichtung zu deren Anschluß 2 und von dort mit der Gleichspannungsquelle +V 1 über den Widerstand 154 gekop­ pelt. Die optische Kopplungseinrichtung 109 bildet eine Einrichtung, mit welcher eine der Weiterverarbeitung die­ nende Einrichtung, beispielsweise der unten erläuterte Mikrocomputer 112, von den der Last 101 zugeordneten Spannungs- und Stromwerten getrennt wird.

Das Ausgangssignal der Kopplungseinrichtung 109 wird an einen Leistungsverstärker 110 gelegt, welcher die Impuls­ folge regeneriert und formt. Der Anschluß 8 der Kopp­ lungseinrichtung 109 ist mit dem Anschluß 14 des Verstär­ kers 110 und über den Weg 129 mit der Gleichspannungs­ quelle +V 1 gekoppelt. Der Anschluß 6 der Kopplungseinrich­ tung 109 ist über den Widerstand 156 mit dem Anschluß 14 des Verstärkers 110 gekoppelt. Der Anschluß 5 der Kopp­ lungseinrichtung 109 ist mit Erdpotential gekoppelt. Der Kon­ densator 155 ist zwischen die Anschlüsse 6 und 8 der Kopp­ lungseinrichtung 109 gelegt, während der Kondensator 157 zwischen den Anschluß 6 der Kopplungseinrichtung 109 und den Anschluß 2 des Verstärkers 110 gelegt ist.

Die regenerierte, umgeformte Impulsfolge wird vom Ausgangs­ anschluß 8 des Verstärkers 110 an eine weiterverarbeitende Einrichtung gelegt, welche aus einem Zähler 111, einer auf einem Mikrocomputer 112 aufbauenden Steuereinrichtung und einer Anzeige 113 besteht. Der Anschluß 8 des Verstär­ kers 110 ist über den Weg 125 mit einem Eingang des Zäh­ lers 111 verbunden. Eine geeignete Adressen- und Da­ tenschiene 127 koppelt den Inhalt des Zählers 111 mit dem Mikrocomputer 112.

Die auf einem Mikrocomputer 112 basierende Steuereinrichtung kann programmiert den Inhalt des Zählers 111 über die Schiene 127 periodisch auslesen. Hierzu wird ein Lese- Kommandosignal über die Steuerleitung 126 eingekoppelt. Dadurch, daß der Zählerinhalt periodisch in bestimmten konstanten Zeitintervallen ausgelesen wird, kann die Fre­ quenz des Impulsfolgesignales von der Steuereinrichtung in ein die Leistungsaufnahme anzeigendes Signal umge­ wandelt werden. Dieses wird über den Weg 128 der Anzeige 113 zugeführt, welche beispielsweise eine visuell wahr­ nehmbare Anzeige der von der Last 101 aufgenommenen Leistung abgibt.

Claims (2)

1. Gerät zur Bestimmung der Leistungsaufnahme einer elektri­ schen Last mit

   • - einer Einrichtung, die widerstandsmäßig mit der Last (101) verbunden ist und zwei elektrische Signale erzeugt, die proportional zu der an der Last anliegenden Spannung und dem Strom durch die Last sind,
   • - einer Multipliziereinrichtung (104), die an die die beiden Signale erzeugende Einrichtung angeschlossen ist und ein drittes Signal erzeugt, das proportional zum Produkt der beiden Signale ist,
   • - einem Wandler (108), der an die Multipliziereinrichtung angeschlossen ist und eine Impulsfolge mit einer Frequenz erzeugt, die proportional zur Amplitude des dritten Signals ist und
   • - einer Einrichtung (111, 112), mit der aus der Impulsfolge ein die Leistungsaufnahme anzeigendes Signal erzeugt wird,
2. dadurch gekennzeichnet, daß an eine Spannungsquelle (105) für ein Referenz-Offsetsignal eine Summiereinrichtung (106, 141, 142) angeschlossen ist, deren erster Eingang mit der Spannungsquelle (105) und deren zweiter Eingang mit der Multipliziereinrichtung (104) verbunden ist und deren Ausgang an den Wandler (108) ange­ schlossen ist, wobei die Größe und Polarität des Referenz- Offsetsignals zum Erzeugen des Ausgangssignals der Summier­ einrichtung (106, 141, 142) mit einer vorbestimmten Polarität, unabhän­ gig von der Polarität des dritten Signals, bemessen ist, daß das Ausgangssignal des Wandlers (108) über eine optische Kopplungseinrichtung (109) auf einen Zähler (111) einwirkt, dessen Inhalt mittels eines Mikrocomputers (112) periodisch in bestimmten Zeitintervallen ausgelesen ist und daß aus den ausgelesenen Zählerinhalten ein die durchschnittliche Leistungsaufnahme anzeigendes Signal als Funktion der Fre­ quenz der Impulsfolge abgeleitet ist.