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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein den Bereich Zähler
von Versorgungsunternehmen zum Messen von elektrischer Energie.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere sowohl elektronische
Wattstundenzähler
als auch Zähler
zum Messen der Wirk- und Blindenergie in der Vorwärts- und
der Rückwärtsrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Zähler
zum Messen der verschiedenen Formen elektrischer Energie sind bekannt.
Es gibt drei allgemeine Typen von Stromversorgungszählern, nämlich elektromagnetisch
aufgebaute Zähler
(Ausgang wird durch eine rotierende Scheibe erzeugt), nur mit elektronischen
Komponenten aufgebaute Zähler
(Ausgangskomponente wird ohne rotierende Teile erzeugt) und einen
mechanischen elektronischen Hybridzähler. Beim Hybridzähler wird
ein so genanntes elektronisches Register gewöhnlich optisch mit einer rotierenden
Scheibe gekoppelt. Durch die rotierende Scheibe generierte Impulse,
beispielsweise durch Licht, das von einem auf die Scheibe aufgemalten
Fleck reflektiert wird, werden benutzt, um ein elektronisches Ausgangssignal
zu erzeugen.
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Es ist verständlich, dass der Einsatz elektronischer
Komponenten in Stromzählern
aufgrund ihrer Zuverlässigkeit
und ihrer großen
Umgebungstemperatur-Betriebsbereiche beträchtlichen Anklang gefunden
haben. Ferner haben moderne elektrische Signalverarbeitungsgeräte wie Mikroprozessoren
ein höheres
Genauigkeitspotential zum Errechnen des Stromverbrauchs als frühere mechanische
Geräte.
Demzufolge wurden verschiedene Formen von elektronischen Zählern vorgeschlagen,
die praktisch frei von beweglichen Teilen sind. Es wurden mehrere
Zähler
vorgeschlagen, die einen Mikroprozessor aufweisen.
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Das US-Patent Nr. 4,298,839 – Johnston,
hierin durch Bezugnahme eingeschlossen, offenbart einen programmierbaren
Wechselstromzähler
mit einer auf Strahlung ansprechenden externen Datenschnittstelle. Gemäß Darstellung
beinhaltet der Zähler
eine Messsequenzlogiksteuerschaltung, die in der bevorzugten Ausgestaltung
den Angaben zufolge von einem Einchip-Mikrocomputer, Typ MK 3870
gebildet wird, der von der Mostek Corporation aus Carrollton in
Texas erhältlich
ist. Es heißt,
die Logiksteuerschaltung berechne und akkumuliere verschiedene gemessene
Parameter einer Größe für elektrische
Energie. Strom- und Spannungskomponenten werden der Logiksteuerschaltung
von einem Konverter zugeführt,
der Strom- und Spannungsimpulse mit einer Rate erzeugt, die proportional
zur Rate der jeweiligen verbrauchten elektrischen Energie ist. Der
Konverter beinhaltet eine rotierende Scheibe.
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Das US-Patent Nr. 4,467,434 von Hurley
et al. offenbart einen Hablbeiter-Wattstundenzähler, der ein Stromerfassungsgerät und ein
Spannungserfassungsgerät
beinhaltet, die mit einem Hall-Effekt-Erfassungs- und -Vervielfachungsgerät gekoppelt
ist. Das Hall-Effekt-Gerät
ist mit einem Mikroprozessor verbunden.
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Das US-Patent Nr. 4,692,874 von Mihara
offenbart einen elektronischen Wattstundenwattzähler, der einen einzelnen Mikroprozessor
und ein Leistungsmessgerät
beinhaltet. Gemäß Beschreibung
beinhaltet das Leistungsmessgerät
eine Stromkonvertierschaltung und einen Frequenzteiler. Die Stromkonvertierschaltung erzeugt
einen Ausgangsimpuls, dessen Frequenz vom Frequenzteiler geteilt
wird. Der Frequenzteiler ist jedoch von einem vom Mikroprozessor
erzeugten Frequenzteilungsverhältniseinstellsignal
abhängig.
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Das US-Patent Nr. 4,542,469 von Brandyberry
et al. offenbart einen Hybridzähler
mit einem programmierbaren Bedarfsregister mit einem optischen Zweiweg-Kommunikationsport.
Gemäß dem Dokument
beinhaltet das Bedarfsregister eine Zentraleinheit wie z. B. den
Microcontroller des Typs NEC 7503. Der Microcontroller wird nicht
nur zum Steuern und Überwachen
des Bedarfsregisters, sondern auch zum Durchführen von Leistungs- und Energieberechnungen
verwendet.
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Das US-Patent Nr. 4,884,021 von Hammond
et al. offenbart einen Zähler
zum Messen von mehrphasigen Leistungsquellen, wobei Zyklen für jede Phase
bei jedem Grad abgetastet und in eine binäre Amplitudendarstellung umgewandelt
werden. Gemäß der Beschreibung
erfolgt die Umwandlung in zwei Schritten, zunächst einer Bereichsumwandlung,
in der die abgetastete Amplitude in Bezug auf elf mögliche Amplitudenbereiche
oder Skalierungsfaktoren beurteilt wird. Diese Bereichsdaten werden
dann gespeichert und das abgetastete Signal wird gemäß dem gewünschten
Bereichscode verstärkt
und an einen A/D-Wandler angelegt. Der Beschreibung zufolge wird
ein Universal-Digitalsignalprozessor zum Verarbeiten der von jeder
Abtastprobe abgeleiteten Parameter und zum Entwickeln von Impulsausgängen verwendet,
die von in der Industrie üblicherweise
verwendeten Geräten
verarbeitet oder angezeigt werden können. Es ist ein elektronisches
Register vorgesehen, das den Angaben zufolge von einem herkömmlichen
Mikroprozessor gesteuert wird. Die Ausführung des Hammond-Bereich-Umwandlungsschemas
hat zur Folge, dass die Energiemesskomponenten effektiv mit dem
jeweiligen Messschema „festcodiert" werden, wodurch
die Fähigkeit
des Zählers
für verschiedene
bekannte Anwendungen beträchtlich
reduziert wird. Die Verwendung eines solchen Zählers in verschiedenen Anwendungen
von Versorgungsunternehmen erfordert entweder eine Lagerhaltung
mehrerer verschiedener Zählertypen,
d. h. einem Zählertypen
für jeden
Anwendungstyp, oder von einem Zähler,
in dem alle Anwendungsformen integriert sind. Es ist klar, dass
ein Zähler,
in dem alle Anwendungstypen integriert sind, viel zu teuer wäre.
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Zähler
wie die oben beschriebenen, die Register beinhalten, können allgemein
in zwei Ebenen programmiert werden. In der ersten Ebene kann Firmware
in relativ kurzer Zeit in ein Register maskiert werden. Auf der
zweiten Ebene können
so genannte Soft-Schalter
in nichtflüchtigen
Speicher programmiert werden, d. h. in elektrisch löschbaren
programmierbaren Festwertspeicher, um der Firmware mitzuteilen,
welche Algorithmen sie durchführen
soll. Solche Systeme funktionieren für derzeit bereitgestellte Grundmessdaten
sehr gut. Solche Systeme können
jedoch keine Grundmessfunktionen ändern und sie können auch
nicht an den Gebrauch mit zusätzlicher
Hardware angepasst werden. Solche Messsysteme reichen zwar für derzeitige
Anwendungen aus, sind aber im Hinblick auf zukünftige Erfordernisse und/oder
Entwicklungen bei Hardware und Programmierbarkeit sehr unflexibel.
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Das US-Patent Nr. 4,803,632 von Frew
et al. offenbart die Verwendung eines Optionsverbinders, der jedoch
nur mit einem ersten Prozessor verbunden ist.
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Das US-Patent Nr. 4,077,061 von Johnston
et al. offenbart ein digitales Verarbeitungs- und Berechnungssystem
zum Messen von Wechselstrom. Dieses System beinhaltet eine einzelne
Zentraleinheit zum Durchführen
sämtlicher
Energieermittlungen, Systemsteuerungsvorgänge und Informationsanzeigen.
Das System erzeugt zwar Energieermittlungen als Ausgangssignale
von dem System, aber das System ist nicht für eine Modifikation von Grundmessfunktionen
von externer Hardware oder in Bezug auf externe Kommunikationssignale
geeignet.
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Demzufolge besteht Bedarf an einem
elektronischen Zähler,
der in dem Ausmaß programmiert
werden kann, dass Grundmessfunktionen relativ leicht geändert werden
können
und der auf wirtschaftliche Weise für den Einsatz mit zusätzlicher
Hardware adaptiert werden kann. Ein solcher Zähler könnte für die Handhabung verschiedener
Zählerformen,
zum Speichern von Kalibrierungskonstanten modifiziert und an zukünftige Messanforderungen
angepasst werden.
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Die vorliegende Erfindung löst die obigen
Probleme durch die Verwendung eines elektronischen Zählers mit
verteilter Verarbeitung, der einen Messprozessor beinhaltet, der
an mehrere Messanwendungen anpassbar ist und der zum Ausführen aller
Stromparameterermittlungen verwendet werden kann, und einen zweiten
Prozessor, der ein Anzeigesignal auf der Basis solcher Stromparameterermittlungen
erzeugt, zum Steuern des Gesamtbetriebs des Zählers dient und Zugang zu Verarbeitungs-,
Speicher- und Anzeigeinformationen für zukünftige Hardwareerweiterungen
bietet.
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Zur Lösung der obigen Probleme und
zum Erzielen der Vorteile der Erfindung dienen Verfahren und Vorrichtungen
zum Messen von elektrischer Energie in einem elektronischen Zähler. Ein
solcher Zähler
beinhaltet einen ersten Prozessor zum Ermitteln von elektrischer
Energie anhand von Spannungs- und Stromsignalen und zum Erzeugen
eines Energiesignals, das für
die Ermittlung der elektrischen Energie repräsentativ ist, und einen zweiten
Prozessor zum Empfangen des Energiesignals und zum Erzeugen eines
Anzeigesignals, das für
das genannte Energiesignal repräsentativ
ist. Ein Optionsverbinder ist mit dem ersten und dem zweiten Prozessor
verbunden, so dass das Energiesignal an den Optionsverbinder angelegt
wird, und es ist eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Optionsverbinder
und dem zweiten Prozessor vorgesehen.
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Es wird bevorzugt, dass an den Optionsverbinder
Leistungssignale wie solche angelegt werden, die von dem Zähler verwendet
werden, um evtl. am Optionsverbinder angeschlossene elektrische
Komponenten zu speisen. Es wird auch bevorzugt, den Optionsverbinder
mit bestimmten Betriebssignalen wie z. B. Stromausfallsignal, Master-Reset-Signal, Bedarfsendesignal
und KYZ-Signal zu versorgen. Es wird noch stärker bevorzugt, dem Optionsverbinder
das Potential zu geben, mit verschiedenen Komponenten des Zählers zu
kommunizieren, wie z. B. serielle Datenkommunikation, Kommunikationssignale,
die durch einen optischen Port gesendet und empfangen werden, und
Anzeigesignale. Es wird auch bevorzugt, dass der erste Prozessor einen
Komparator beinhaltet, der zum Empfangen einer Präzisionsspannung
und einer Referenzspannung geschaltet ist, wobei jedesmal ein Komparatorsignal
erzeugt wird, wenn die Referenzspannung die Präzisionsspannung überschreitet.
Es wird auch bevorzugt, dass der Zähler einen nichtflüchtigen
Speicher wie z. B. einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher
beinhaltet, der mit dem ersten und dem zweiten Prozessor zum Speichern
von Daten verbunden ist, die von den Prozessoren verwendet werden,
und zum Speichern von Informationen, die von den Prozessoren erzeugt
werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung
wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm eines elektronischen Zählers, der gemäß der Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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2 ein
Blockdiagramm des in 1 gezeigten
A/D & DSP-Prozessors;
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3A–3E in Kombination eine Ablauftabelle
de von dem in 1 offenbarten
Microcontroller verwendeten Primärprogramms;
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4 eine
Ablauftabelle des von dem in 1 gezeigten
Microcontroller verwendeten Download-Programms;
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5 ein
schematisches Diagramm des in 1 offenbarten
optischen Ports;
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6 ein
schematisches Diagramm des ohmschen Teilers und der Präzisionsreferenz
gemäß Offenbarung
in 1;
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7 ein
schematisches Diagramm der in 1 gezeigten
5-Volt-Linearstromversorgung;
und
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8 ein
schematisches Diagramm verschiedener elektronischer Tastenschalter,
die mit dem in 1 gezeigten
Microcontroller verwendet werden.
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Ausführliche
Beschreibung
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Ein neuer und neuartiger Zähler zum
Messen elektrischer Energie ist in 1 dargestellt
und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Es wird
von Anfang an bemerkt, dass dieser Zähler so aufgebaut ist, dass
eine zukünftige
Implementation höherer
Messfunktionen unterstützt
werden kann. Ein solches zukünftiges
Implementationsmerkmal wird hierin ausführlich beschrieben.
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Wie gezeigt, hat der Zähler 10 drei
ohmsche Spannungsteilernetzwerke 12A, 12B, 12C;
einen ersten Prozessor – einen
ADC/DSP (A/D-Wandler/ Digitalsignalprozessor), der im Schaltungschip 14 integriert
ist; einen zweiten Prozessor – eine
Mikrosteuerung 16, die in der bevorzugten Ausgestaltung
eine Mikrosteuerung vom Typ Mitsubishi Modell 50428 ist;
drei Stromsensoren 18A, 18B, 18C; eine
12V Umschaltstromversorgung 20, die Eingänge im Bereich
zwischen 96 und 528V empfangen kann; eine SV lineare Stromversorgung 22; eine
nichtflüchtige
Stromversorgung 24, die auf eine Batterie 26 umschaltet,
wenn die 5V-Versorgung 22 nicht funktioniert; eine 2,5V-Präzisionsspannungsreferenz 28;
eine Flüssigkristallanzeige
(LCD) 30; einen 32,768 kHz Oszillator 32; einen
6,2208 MHz Oszillator 34, der Zeitsteuerungssignale zum
Chip 14 sendet und dessen Signal durch 1,5 dividiert wird,
so dass sich ein 4,1472 MHz Taktsignal zur Mikrosteuerung 16 ergibt;
einen 2 KB EEPROM 35; eine serielle Kommunikationsleitung 36;
einen Optionsverbinder 38; und einen optischen Kommunikationsport 40,
der zum Lesen des Zählers
benutzt werden kann. Die spezifischen Einzelheiten jeder dieser
Komponenten sowie deren Beziehung zueinander werden nachfolgend
ausführlicher
beschrieben.
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Es ist klar, dass elektrische Energie
sowohl Spannungs als auch Stromeigenschaften besitzt. In Bezug auf
den Zähler 10 werden
Spannungssignale zu ohmschen Teilern 12A–12C gesendet,
und Stromsignale werden in einem Stromtransformator (CT) induziert
und parallelgeschaltet. Der Ausgang der CT/Nebenschluss-Kombinationen 18A–18C wird
benutzt, um die elektrische Energie zu ermitteln.
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Der erste Prozessor 14 ist
so angeschlossen, dass er die Spannungs- und Stromsignale empfängt, die von
den Teilern 12A–12C und
den Nebenschlussschaltungen 18A–18C gesendet werden.
Wie nachfolgend ausführlicher
erläutert
wird, wandelt der Prozessor 14 Spannungs- und Stromsignale
in Spannungs- und Strom-Digitalsignale um, bestimmt die elektrische
Energie anhand der Spannungs- und Strom-Digitalsignale und generiert
ein Energiesignal, das für
die Ermittlung der elektrischen Energie repräsentativ ist. Der Prozessor 14 generiert
stets Signale für
die gelieferten Wattstunden (Whr Del) und die empfangenen Wattstunden
(Whr Rec) und generiert je nach dem Typ der gemessenen Energie Signale
für die
gelieferten Volt-Ampere-Blindstunden (VARhr Del)/empfangenen Volt-Ampere-Blindstunden
(VARhr Rec) oder Signale für
die gelieferten Volt-Ampere-Stunden
(VAhr Del)/empfangenen Volt-Ampere-Stunden (VAhr Rec). In der bevorzugten
Ausgestaltung ist jeder Übergang
auf Leiter 42–48 (jeder Übergang
vom logischen L-Zustand
auf den logischen H-Zustand und umgekehrt) für die Messung einer Energieeinheit
repräsentativ.
Der zweite Prozessor 16 ist mit dem ersten Prozessor 14 verbunden.
Wie nachfolgend ausführlicher
erläutert
wird, empfängt
der Prozessor 16 das/die Energiesignale) und generiert
ein Anzeigesignal, das für
das/die Energiesignale) repräsentativ
ist.
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In Bezug auf die bevorzugte Ausgestaltung
des Zählers 10 werden
Ströme
und Spannungen mit konventionellen Stromtransformatoren (CTs) bzw.
ohmschen Spannungsteilern erfasst. Die entsprechende Multiplikation
erfolgt in einer integrierten Schaltung, d. h. im Prozessor 14.
Der Prozessor 14 ist im Wesentlichen ein programmierbarer
Digitalsignalprozessor (DSP) mit eingebauten A/D-Konvertern. Die
Konverter können drei
Eingangskanäle
gleichzeitig mit jeweils 2400 Hz und einer Auflösung von 21 Bit abtasten, worauf
der integrierte DSP verschiedene Berechnungen an den Ergebnissen
durchführt.
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Der Zähler 10 kann entweder
als Bedarfszähler
oder als so genannter Gebrauchszeit-Zähler (TOU) benutzt werden.
Es ist verständlich,
dass TOU-Zähler
aufgrund der größeren Differenzierung,
mit der elektrische Energie berechnet werden kann, immer beliebter
werden. So wird beispielsweise elektrische Energie, die in Stoßzeiten
gemessen wird, anders berechnet als elektrische Energie, die in
Nicht-Stoßzeiten
gemessen wird. Wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird,
ermittelt der erste Prozessor 14 Einheiten elektrischer
Energie, während
der Prozessor 16, im TOU-Modus, solche Energieeinheiten
in Bezug auf die Zeit qualifiziert, in der diese Einheiten ermittelt
wurden, d. h. die Jahres- sowie die Tageszeit.
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Alle Anzeigen und Prüffunktionen
werden über
die Frontseite des Zählers 10 sichtbar
gemacht, entweder auf der LCD 30 oder über den optischen Kommunikationsport 40.
Die Stromversorgung 20 für die Elektronik ist eine Umschaltstromversorgung,
die die Niederspannungs-Linearversorgung 22 speist. Eine
solche Methode ermöglicht
einen breiten Betriebsspannungsbereich für den Zähler 10.
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In der bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung befinden sich die so genannten Standard-Zählerkomponenten
und die Registerelektronik zunächst
alle auf einer einzigen Leiterplatte (nicht dargestellt), die als
Elektronikbaugruppe definiert ist. Diese Elektronikbaugruppe beherbergt
Stromversorgungen 20, 22, 24 und 28,
ohmsche Teiler 12A–12C für alle drei
Phasen, den Nebenschluss-Widerstandsteil von 18A–18C,
Oszillator 34, Prozessor 14, Prozessor 16,
die Rückstellschaltung
(siehe 8), EEPROM 35,
Oszillator 32, Komponenten des optischen Ports 40,
LCD 30 und eine Optionskartenschnittstelle 38.
Wenn diese Baugruppe zur Bedarfsmessung benutzt wird, dann werden
die Berechnungsdaten im EEPROM 35 gespeichert. Dieselbe
Baugruppe wird für
TOU-Messanwendungen verwendet, indem einfach eine Batterie 26 benutzt
wird und die Konfigurationsdaten im EEPROM 35 umprogrammiert
werden.
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Nachfolgend werden die verschiedenen
Komponenten des Zählers 10 ausführlicher
betrachtet. Der gemessene Hauptstrom wird mit konventionellen Stromtransformatoren
ermittelt. Es wird bevorzugt, dass der Stromtransformatorteil der
Bauelemente 18A–18C enge
Toleranzbereiche für
Verhältnisfehler
und Phasenverschiebung haben, um die Faktoren zu begrenzen, die
die Kalibrierung des Zählers
auf die Elektronikbaugruppe selbst beeinflussen. Eine solche Begrenzung
erleichtert das Programmieren des Zählers 10. Der Nebenschluss-Widerstandsteil
der Bauelemente 18A–18C befindet
sich in der oben beschriebenen Elektronikbaugruppe und besteht vorzugsweise
aus Metallfolienwiderständen
mit einem maximalen Temperaturkoeffizienten von 20 ppm/°C.
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Die Phasenspannungen werden unmittelbar
an die Elektronikbaugruppe angelegt, wo ohmsche Teiler 12A–12C diese
Eingänge
zum Prozessor 14 skalieren. In der bevorzugten Ausgestaltung
werden die elektronischen Bauteile auf die Vektorsumme jeder Leitungsspannung
für Dreidraht-Deltasysteme
und zu Masse für alle
anderen Versorgungen referenziert. Mit ohmscher Teilung wird die
Eingangsspannung so dividiert, dass eine sehr lineare Spannung mit
minimaler Phasenverschiebung über
einen breiten dynamischen Bereich erhalten werden kann. Dies in
Kombination mit einer Umschaltstromversorgung ermöglicht die
Implementierung eines breiten Spannungsbetriebsbereiches.
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Kurz bezugnehmend auf 6, jeder ohmsche Teiler
besteht aus zwei Widerständen 50/52, 54/56 und 58/60 jeweils
mit 1 MO, ½ Watt.
Die Widerstände 50–60 dienen
zum Reduzieren der Leitungsspannung bei einem akzeptablen Leistungsverlust.
Jedes Widerstandspaar speist jeweils einen dritten Widerstand 62, 64 und 66.
Die Widerstände 62–66 sind
Metallschichtwiderstände
mit einem maximalen Temperaturkoeffizienten von 25 ppm/°C. Diese
Kombination ist im Vergleich zu anderen Spannungserfassungstechniken
sehr kostengünstig.
Widerstände 50–60 haben
eine Nennbetriebsspannung von jeweils 300 V (Effektivwert). Diese
Widerstände
wurden individuell mit den 6 kV IEEE 587 Impulswellenformen getestet,
um zu gewährleisten,
dass der Widerstand stabil ist und dass die Bauelemente nicht zerstört werden.
Widerstände 62–66 skalieren
die Eingangsspannung auf einen Wert von weniger als 1 Volt (Spitze
zu Spitze) zum Prozessor 14. Es ist zu bemerken, dass Widerstände 62–66 in
einem Bereich von etwa 100 Ohm bis etwa 1 kOhm liegen, um diese
maximale Spitze-zu-Spitze-Spannung
zu gewährleisten
und dabei doch ein maximales Signal zu behalten.
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Bei geerdeten Dreidraht-Deltasystemen
kann an diesen Komponenten der Elektronikbaugruppe, die auf logischen
Spannungspegeln arbeiten (einschließlich des Batterieanschlusses),
eine erhöhte
Spannung anliegen. In solchen Situationen bieten die beiden 1 MO
Widerstandskombinationen (50/52, 54/56, 58/60)
eine Strombegrenzung zur Logikpegelelektronik. Der ungünstigste
Strom tritt beim Testen eines 480 V, Dreidraht-Deltazählers mit einphasiger Erregung
auf.
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Es ist klar, dass Energieeinheiten
vornehmlich durch Multiplizieren von Spannung und Strom errechnet werden.
Die in der bevorzugten Ausgestaltung verwendeten spezifischen Formeln
sind in Tabelle 1 aufgeführt. Es
ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung einen großen Spannungsbetriebsbereich
gemäß Beschreibung
in der US-Patentanmeldung
Nr. 07/839,967, eingereicht am 21. Februar 1992, ergibt. Diese besonders bevorzugte
Ausgestaltung ermöglicht
die Messung von Vierdraht-Deltaanwendungen mit einem Vierdraht-Stern-Zähler, der
die Vierdraht-Stern-Gleichungen in Tabelle 1 ausführt. Für die Zwecke
von 2 werden solche
Formeln jedoch im Prozessor 14 ausgeführt. Prozessor 14 beinhaltet
einen Analogwandler 70 und einen programmierbaren DSP 72.
Der Wandler 70 beinhaltet drei überabgetastete Dreikanal-Sigma-Delta A/D-Wandler
zweiter
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Ordnung, die als ein 9-Kanal-ΣΔ-A/D-Wandler 74 dargestellt
sind. Das 6,2208 MHz Taktsignal wird durch 3 dividiert, so dass
jeder A/D-Wandler seinen Eingang mit 2,0736 MHz abtastet. Jeder
A/D-Wandler bewirkt eine Reduzierung von 96 : 1 oder Mittelwertbildung
für jeden
Eingang, was zu einer effektiven Abtastrate von 2,4 kHz an jedem
der drei Eingänge
pro A/D-Wandler führt.
Die Auflösung
dieser Abtastungen ist äquivalent
mit 21 Bit, plus Vorzeichen. Es ist zu bemerken, dass ein solches ΣΔ-A/D-Umwandlungsschema
zu einer korrekten Konvergenz durch jeden A/D-Wandler für jede konvertierte
Abtastprobe führt.
Man erkennt, dass die Bandbreite für ein solches Umwandlungsschema
relativ gering ist, aber auch die Frequenz der/des konvertierten
Spannung und Strom ist relativ niedrig.
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In der bevorzugten Ausgestaltung
werden die drei Spannungseingänge
Va, Vb und Vc durch einen der A/D-Wandler und die drei Stromeingänge Ia,
Ib und Ic von einem zweiten A/D-Wandler abgetastet. Der dritte A/D-Wandler
dient zum Abtasten des Spannungs- oder Stromeingangs der B-Phase.
Eine solche Abtastung des Spannungs- oder Stromeingangs der B-Phase
erfolgt deshalb, weil so genannte 2½-Elemente-Zähler die Kombination
des B-Phasenstroms mit einem oder mit beiden der anderen Phasenströme erfordert.
Darüber hinaus
erfordern so genannte Zwei-Elemente-Zähler eine Kombination der B-Phasenspannung
mit den anderen Phasenspannungen, um die Leitung-zu-Leitung-Spannung zu erzeugen.
Mit einem dritten A/D-Wandler können
diese Terme gleichzeitig abgetastet werden, was die Messgenauigkeit
verbessert. Dies verbessert auch den Signalrauschabstand im Prozessor 14.
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Der DSP 72 ist ein RISC-Prozessor
(Prozessor mit eingeschränktem
Befehlsvorrat), der die gewünschten
Energiemengen anhand der umgewandelten Spannungs- und Stromabtastsignale
errechnet. Der DSP 72 beinhaltet gemäß der Darstellung einen Direktzugriffsspeicher
(RAM) 76 mit einer Kapazität von 256 Byte Daten. Der Speicher 76 dient
zum Speichern von Berechnungen und dem Subroutinenstapel. Es ist
auch ein Festwertspeicher (ROM) 78 mit einer Kapazität von 640
KB Daten zu sehen. Der Speicher 78 dient zum Speichern
derjenigen Messsubroutinen, die der gesamten Energiekalkulation
gemein sind. Es ist ein weiterer RAM 80 dargestellt, der
eine Kapazität
von 256 Byte Daten hat. Der Speicher 80 dient zum Speichern
des Hauptleitungsprogramms und spezialisierter Subroutinen des DSP 72.
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Gemäß der Darstellung beinhaltet
der DSP 72 einen Vervielfacher 82 und einen Akkumulator 84 zum Verarbeiten
der digitalen Spannungs- und Stromsignale, um dadurch Informationen über elektrische
Energie zu erzeugen. Es ist auch eine arithmatische Subtraktionseinheit 86 zwischen
dem Vervielfacher 82 und dem Akkumulator 84 vorhanden.
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Anhand des oben Gesagten ist klar,
dass der Programm-ROM, d. h. der Speicher 76, auf Oxid-Durchkontaktierungsebene
definiert ist. Da dieser Definitionsschritt relativ spät im Herstellungsprozess
des Prozessors 14 erfolgt, können Änderungen an einer solchen
Programmierung mit minimalem Aufwand erfolgen.
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Kalibrationskonstanten für jede Phase
und bestimmte Potentiallinearisierungskonstanten sind im Speicher 80 gespeichert.
Die Speicher 76 und 80 werden beim Einschalten
des Zählers 10 vom
EEPROM 35 seriell durch den Microcontroller 16 heruntergeladen.
Eine solche Ausgestaltung bietet den Nutzen, dass es möglich ist,
auf wirtschaftliche Weise verschiedene Zählerformen zu erhalten, ohne
Hardwaremodifikation zu kalibrieren, und zu einem späteren Zeitpunkt
Messfunktionen für
VAR oder VA auf der Basis von phasenweisem V (Effektivwert) und
I (Effektivwert) zu integrieren. Die Formeln für solche Vorgänge sind
aus Tabelle 1 ersichtlich. Ferner kann die Berechnung zukünftiger,
noch undefinierter, komplexer Messgrößen einfach durch Umprogrammieren
des Prozessors 14 erzielt werden.
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Prozessor 14 beinhaltet
auch einen Kristalloszillator (nicht dargestellt), eine serielle
Schnittstelle 88, einen Stromausfallerkennungsschaltkomplex 90 sowie
Potentialvorhanden-Ausgänge
B und C. Der Kristalloszillator erfordert einen externen 6,2208
MHz Kristalloszillator 34. Der Prozessor 14 verwendet
diese Frequenz direkt zum Ansteuern des DSP und indirekt für die A/D-Abtastung.
Auf diese Frequenz wirkt auch der Taktgenerator 92, der
zum Teilen des Ausgangs des Oszillators 34 (Eingang zum
Prozessor 14 bei XIN und XOUT) durch 1,5 dient, um das
dividierte Taktsignal zu puffern und das dividierte Taktsignal bei
CK zum Prozessor 16 als dessen Takt auszugeben. Dieser
Taktausgang ist so vorgegeben, dass er bis zu einer Speisespannung
von 2,0 VDC wirkt.
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Die serielle Schnittstelle 88 ist
eine Ableitung des Signetics IIC Busses. Eine serielle Adresse wird
dem Prozessor 14 zugewiesen. Diese Adresse greift auf eines
der vier DSP-Steuerregister zu. Alle Informationen müssen das
DSP-Datenregister 94 nach dem Schreiben des DSP-Adressregisters
durchlaufen. Alle Speicher, Register und Ausgänge des Prozessors 14 können seriell
gelesen werden. Eine Chipauswahlleitung CS wurde hinzugefügt, um den
Kommunikationspuffer zu sperren. Der Eingang CS ist mit dem Prozessor 16 verbunden und
wird von diesem gesteuert.
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Die Stromausfallerkennungsschaltung 90 ist
ein Komparator, der eine dividierte Repräsentation der Speisespannung
mit einer Präzisionsreferenz
vergleicht. Der Ausgang des Komparators bei A erzeugt gleichzeitig
ein Stromausfallsignal und eine Anzeige der Anwesenheit einer A-Phasenspannung.
Nach einem Stromausfall wird der Prozessor 14 vorzugsweise
zurückgestellt.
In einer solchen Situation werden die Ausgangspins Whr, Whd usw.
auf logisch tiefe Spannungspegel gezwungen. Darüber hinaus geht der Prozessor 14 in
einen Kleinleistungsmodus, um den von der Stromversorgung 20 gezogenen
Strom zu reduzieren. In diesem Kleinleistungsmodus werden Komparator-
und Oszillatorbetrieb nicht beeinflusst, aber der DSP 72 arbeitet
nicht mehr.
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Die Stromausfallspannung PF wird
durch Dividieren des Ausgangs der Versorgung 22 erzeugt,
um eine Spannung zu erzeugen, die geringfügig höher als 2,5 V ist. In der bevorzugten
Ausgestaltung erzeugt ein Widerstands-Spannungs-Teiler PF. Da PF
in Bezug auf die Spannung von Phase A erzeugt wird (1), ist seine Anwesenheit eine Anzeige
dafür,
dass auch die A-Phasenspannung anliegt.
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Um zu verstehen, wie die Referenzspannung
erzeugt wird, betrachte man 7.
Dort sind die in der linearen Stromversorgung 22 enthaltenen
Komponenten ausführlicher
dargestellt. Der 5 V Ausgang von Versorgung 22 liegt bei
96 in 6 an. Die Kombination
aus Widerstand 98 und Diode 100 erzeugt eine Präzisionsreferenzspannung
von 2,5 V. An dieser Stelle wird man bemerken, dass Va, Vb, Vc,
Ia, Ib und Ic jeweils in Referenz auf VREF an den Prozessor 14 angelegt
werden.
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Man betrachte wiederum Prozessor 14 wie
in 2 gezeigt. Die Potentialindikatorausgänge von
Phase B und C werden vom DSP 72 gesteuert. Der B-Ausgang ist normalerweise
ein Logikpegelausgang. Der C-Ausgang liefert auch die Netz-Zeitbasis-Funktion
(man beachte, dass Phase C in allen Anwendungen vorhanden ist).
Um Rauschen auf der Netzgrundschwingung zu minimieren, beträgt diese
Zeitbasis das Zweifache der Netzgrundschwingung.
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Der M37428-Microcontroller 16 ist
ein 6502-Derivat (ein traditioneller 8-Bit-Mikroprozessor) mit erweitertem Befehlssatz
für Bitprüfung und
-Bearbeitung. Dieser Microcontroller hat ein hohes Maß an Funktionalität einschließlich internen
LCD-Treibern (128 quadraplexierte Segmente), 8 kB ROM, 384 Byte
RAM, eine Vollduplex-Hardware-Empfangs-Sendeschaltung
für asynchrone
Datenübertragung
(UART), 5 Zeitschalter, zwei Takteingänge (32,768 kHz und bis zu
8 MHz) sowie einem Niedrigleistungs-Betriebsmodus.
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Während
des normalen Betriebs empfängt
der Prozessor 16 den 4,1472 MHz Takt vom Prozessor 14 wie
oben beschrieben. Ein solches Taktsignal ergibt eine Zykluszeit
von 1,0368 MHz. Nach einem Stromausfall schaltet der Prozessor 16 auf
den 32,768 kHz Kristalloszillator 32 um. Dies ermöglicht einen
Kleinleistungsbetrieb mit einer Zykluszeit von 16,384 kHz. Während eines
Stromausfalls verfolgt der Prozessor 16 die Zeit durch
Zählen
der Sekunden und Weiterpulsieren der Zeit. Nach dem Weiterpulsieren
der Zeit durch den Prozessor 16 wird ein WIT-Befehl ausgeführt, der
die Einheit in eine Betriebsart umschaltet, in der nur der 32,768 kHz
Oszillator und die Zeitschaltungen funktionieren. In dieser Betriebsart
wird ein Zeitschalter eingestellt, der den Prozessor 16 alle
32,768 Zyklen "aufweckt", um eine Sekunde
zu zählen.
-
Nachfolgend wird der Hauptbetrieb
des Prozessors 16 in Bezug auf die 3A 3E und
die 4 betrachtet. In
Schritt 1000 wird ein Rückstellsignal
zum Microcontroller 16 gesendet. Wie im Hinblick auf die
Erörterung
von 5 verständlich sein
wird, erfolgt ein Rückstellzyklus
dann, wenn der Spannungspegel Vdd um etwa 2,8 Volt ansteigt. Ein
solcher Zustand tritt beim ersten Einschalten des Zählers auf.
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In Schritt 1002 führt der
Microcontroller 16 einen Initialisierungsvorgang durch,
bei dem der Stapelzeiger initialisier wird, der interne RAM initialisiert
wird, bei dem der Flüssigkristallanzeigetyp
in den Anzeigetreiberteil des Microcontrollers 16 eingegeben
wird, und die Zeitschalter, die eine Initialisierung beim Einschalten erfordern,
initialisiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Vorgang
von 1002 nicht bei jedem Auftreten eines Stromausfalls
durchgeführt
zu werden braucht. Nach einem Stromausfall kehrt der Microcontroller 16 bei
Schritt 1004 an der angezeigten Stelle zum Hauptprogramm
zurück,
wenn die Stromversorgung wiederhergestellt wird.
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Nach dem ersten Einschalten oder
nach dem Wiederherstellen der Stromversorgung nach einem Stromausfall
führt der
Microcontroller 16 eine Wiederherstellungsfunktion aus.
In Schritt 1006 deaktiviert der Microcontroller 16 vom
Prozessor 14 gesendete Impulse. Diese Impulse werden durch
Setzen des entsprechenden Signalwiederherstellungsbits deaktiviert.
Die Anwesenheit dieses Bits bedeutet, dass ein Wiederherstellungsvorgang
abläuft
und dass während
dieser Zeit generierte Impulse zu ignorieren sind. Nach dem Setzen
des Signalwiederherstellungsbits ermittelt der Microcontroller 16 in
Schritt 1008, ob das Stromausfallsignal vorliegt. Liegt
das Stromausfallsignal vor, dann springt der Microcontroller 16 bei 1010 zur
Stromausfallroutine. In der Stromausfallroutine werden die Ausgangsanschlüsse des
Microcontrollers 16 in den L-Zustand gebracht, es sei denn,
das Wiederherstellungsbit wurde nicht gesetzt. Wenn das Wiederherstellungsbit
nicht gesetzt ist, dann werden Daten im Microcontroller 16 auf
den Speicher geschrieben.
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Wenn das Stromausfallsignal nicht
anliegt, dann zeigt der Microcontroller 16 in Schritt 1012 Segmente an.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Segmente der Anzeige mit Hilfe des
A-Phasenpotentials beleuchtet. Man wird sich erinnern, dass das
A-Phasenpotential
vom Prozessor 14 zum Microcontroller 16 gesendet
wird. Bei 1014 wird der UART-Anschluss, bei 1016 werden
andere Anschlüsse
initialisiert, die Stromausfallunterbrechungen werden aktiviert,
so dass bei Erfassung einer abfallenden Flanke von Ausgang A des
Prozessors 14 ein Interrupt erfolgt, der einen Stromausfall
anzeigt. Man wird sich erinnern, dass der Prozessor 14 die
Referenzspannung VREF mit einer geteilten Spannung vergleicht, die
von der Stromversorgung 20 generiert wurde. Wann immer
die Stromversorgungsspannung unter den Referenzspannungswert abfällt, kommt
es zu einem Stromausfallzustand.
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In Schritt 1018 wird die
integrierte Messschaltung geladen. Ein solcher Download-Vorgang ist ausführlicher
mit Bezug auf 4 beschrieben.
In Schritt 1020 werden die Zeitschalter-Interrupts freigegeben.
Es ist klar, dass bestimmte, vom Microcontroller 16 durchgeführte Aufgaben
zeitabhängig
sind. Solche Aufgaben erfordern einen Zeitschalter-Interrupt, wenn der
Zeitpunkt zur Durchführung
solcher Aufgaben gekommen ist.
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Bei 1022 werden die Selbsttest-Subroutinen
durchgeführt.
Es ist zwar keine besondere Selbsttest-Subroutine notwendig, um
die vorliegende Erfindung umzusetzen, aber solche Subroutinen können eine
Prüfung beinhalten,
um zu ermitteln, ob richtige Anzeigedaten vorliegen. Es wird darauf
hingewiesen, dass Daten in Bezug auf Klassebezeichnung gespeichert
werden und dass jeder Klasse ein Wert zugeordnet wird, so dass die
Summe der Klassenwerte einer bestimmten Zahl entspricht. Wenn Anzeigedaten
fehlen, dann entspricht der Zustand der Klassenwerte für vorliegende
Daten nicht der vorgegebenen Summe, worauf eine Fehlermeldung angezeigt
wird. Ebenso vergleicht der Microcontroller 16 das vom
Prozessor 14 generierte Taktsignal mit dem Taktsignal,
das vom Beobachtungskristall 32 generiert wird, um zu bestimmen,
ob die entsprechende Beziehung existiert.
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Nach Abschluss der Selbsttest-Subroutinen
wird der RAM bei 1024 neu initialisiert. Bei dieser Neuinitialisierung
werden bestimmte Lastkonstanten aus dem Speicher gelöscht. Bei 1026 werden
verschiedene Positionen geplant. So wird beispielsweise die Anzeigeaktualisierung
so geplant, dass, sobald die Wiederherstellungsroutine abgeschlossen
ist, die Daten eingelesen und die Anzeige aktualisiert wird. Ebenso
werden optische Kommunikationen so geplant, dass der Mikrocontrollen 16 ermittelt
ob am optischen Port 40 ein kommunikationswilliges Bauelement
vorhanden ist. Schließlich
wird bei 1028 ein Signal angelegt, das angibt, ob die Wiederherstellungsroutine
abgeschlossen wurde. Ein solches Signal beinhaltet die Deaktivierung
des Signalwiederherstellungsbits. In einem solchen Fall werden jetzt
zuvor deaktivierte Impulse als gültig
angesehen. Der Microcontroller 16 bewegt sich jetzt in
die Hauptroutine.
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Bei 1030 ruft der Microcontroller 16 die
Tageszeitbearbeitungsroutine auf. In dieser Routine betrachtet der
Microcontroller 16 das Ein-Sekunden-Bit in seinem Inneren
und bestimmt, ob die Uhrzeit geändert
werden muss. So wird beispielsweise zu Beginn und am Ende der Sommerzeit
die Uhr um jeweils eine Stunde vor- bzw. zurückgestellt. Außerdem setzt
die Tageszeitbearbeitungsroutine die Minutenänderungsflags und die Datumsänderungsflags.
Wie nachfolgend verdeutlicht wird, werden solche Flags in regelmäßigen Abständen überprüft und es
laufen Vorgänge
ab, wenn solche Flags vorhanden sind.
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Es ist zu bemerken, dass es zwei
Echtzeit-Interrupts gibt, die im Microcontroller 16 geplant
sind, die in 3 nicht
dargestellt sind, nämlich
der Roll-Minuten-Interrupt und der Tages-Interrupt. Zu Beginn jeder
Minute erfolgen bestimmte Minutenaufgaben. Ebenso erfolgen zu Beginn
jedes Tages bestimmte Tagesaufgaben. Da solche Aufgaben für die Ausführung der
vorliegend beanspruchten Erfindung nicht notwendig sind, werden hier
keine weiteren Details beschrieben.
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In 1032 ermittelt der Microcontroller 16,
ob eine Selbstumprogrammierungsroutine geplant ist. Ist die Selbstumprogrammierungsroutine
geplant, dann wird diese Routine bei 1034 aufgerufen. Bei
der Selbstumprogrammierung werden gewöhnlich neue Versorgungsraten
programmiert, die im Voraus gespeichert werden. Da neue Raten einprogrammiert
wurden, muss auch das Display neu gestartet werden. Nach der Selbstumprogrammierungsroutine
kehrt der Microcontroller 16 zum Hauptprogramm zurück. Wird
bei 1032 festgestellt, dass die Selbstumprogrammierungsroutine
nicht geplant ist, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1036,
ob Tagesbeginn- und -endeaufgaben geplant sind. Eine solche Ermittlung
erfolgt durch Bestimmen der Zeit und des Tages und durch Ermitteln,
ob Tagesaufgaben für
diesen Tag geplant sind. Sind Tagesaufgaben geplant, dann werden
solche Aufgaben bei 1038 aufgerufen. Sind keine Tagesaufgaben
geplant, dann ermittelt der Microcontroller 16 als nächstes bei 1040,
ob Minutengrenzaufgaben geplant sind. Es ist klar, dass, da die
Umschaltstellen für
die Benutzungszeit an den Minutengrenzen erfolgen, z. B. die Umschaltung
von einer Benutzungsperiode auf eine andere, Datenspeicherungsorte
an einem solchen Punkt geändert
werden müssen.
Sind Minutenaufgaben geplant, dann werden solche Aufgaben bei 1042 aufgerufen.
Sind keine Minutengrenzaufgaben geplant, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1044,
ob ein Selbsttest geplant ist. Die Selbsttests werden gewöhnlich so
geplant, dass sie an der Tagesgrenze erfolgen. Wie zuvor angedeutet,
können
solche Selbsttests die Überprüfung des
akkumulierten Anzeigedaten-Klassenwertes beinhalten, um zu bestimmen,
ob die Summe einem vorbestimmten Wert entspricht. Wenn Selbsttests
geplant sind, dann werden solche Tests bei 1046 aufgerufen.
Wenn keine Selbsttests geplant sind, dann bestimmt der Microcontroller 16 bei 1048,
ob eine Jahreszeitwechsel-Rechnungsstellungsdatenkopie geplant ist.
Es ist einleuchtend, dass sich mit einem Jahreszeitwechsel die Rechnungsstellungsdaten ändern. Demzufolge
muss der Microcontroller 16 für eine Jahreszeit gemessene
Energie speichern und beginnen, für die folgende Jahreszeit gemessene
Energie zu akkumulieren. Wenn eine Jahreszeitwechsel-Rechnungsstellungsdatenkopie
geplant ist, dann wird diese Routine bei 1050 aufgerufen.
Ist keine Jahreszeitwechselroutine geplant, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1052,
ob ein Selbst-Neubedarf-Reset geplant ist. Ist ein Selbst-Neubedarf-Reset
geplant, dann wird diese Routine bei 1054 aufgerufen. Diese
Routine verlangt, dass sich der Microcontroller 16 praktisch selbst
abliest und den Ablesewert in seinem Speicher speichert. Der Bedarf
wird dann zurückgestellt.
Ist kein Selbst-Neubedarf-Reset geplant, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1056,
ob ein Jahreszeitwechsel-Bedarfsreset geplant ist. Wenn ein Jahreszeitwechsel-Bedarfsreset
geplant ist, dann wird diese Routine bei 1058 aufgerufen.
Bei einer solchen Routine liest sich der Microcontroller 16 selbst
ab und stellt den Bedarfswert zurück.
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Bei 1060 ermittelt der Microcontroller 16,
ob eine Tastenabtastung geplant ist. Eine ausführlichere Beschreibung einer
Anordnung von Tasten auf der Frontseite des Zählers 10 befindet
sich in 8. Eine Tastenabtastung
erfolgt alle acht Millisekunden. Wenn also eine Periode von acht
Millisekunden abgelaufen ist, dann bestimmt der Microcontroller 16,
ob eine Tastenabtastung geplant ist, und die Tastenabtastroutine
wird bei 1062 aufgerufen.
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Wenn keine Tastenabtastung geplant
ist, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1064, ob
eine Anzeigeaktualisierung geplant ist. Diese Routine bewirkt die
Anzeige einer neuen Menge auf der LCD 30. Wie durch die
oben erwähnten
Soft-Schaltereinstellungen ermittelt, werden Anzeigeaktualisierungen
im Allgemeinen alle drei bis sechs Sekunden geplant. Wenn die Anzeige
häufiger
aktualisiert wird, dann ist es evtl. nicht möglich, sie genau abzulesen.
Wenn eine Anzeigeaktualisierung geplant ist, dann Wird die Anzeigeaktualisierungsroutine
bei 1066 aufgerufen.
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Wenn keine Anzeigeaktualisierung
geplant ist, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1068,
ob ein Anzeigeelement-Blinken geplant ist. Man wird sich erinnern,
dass bestimmte Anzeigeelemente auf dem Display blinken. Ein solches
Blinken erfolgt gewöhnlich
jede halbe Sekunde. Wenn ein Anzeigeelement-Blinken geplant ist,
dann wird eine solche Routine bei 1070 aufgerufen. Wenn
kein Anzeigeelement-Blinken geplant ist, ermittelt der Microcontroller 16 bei 1072,
ob eine optische Kommunikation geplant ist. Man wird sich erinnern,
dass der Microcontroller 16 jede halbe Sekunde ermittelt,
ob ein Signal am optischen Port generiert wurde. Wurde ein Signal
generiert, das anzeigt, dass eine optische Kommunikationen gewünscht wird,
dann wird die optische Kommunikationsroutine geplant. Wenn die optische
Kommunikationsroutine geplant ist, dann wird diese Routine bei 1074 aufgerufen.
Diese Routine bewirkt, dass der Microcontroller 16 den
optischen Port 40 auf Kommunikationsaktivitäten abtastet.
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Wenn keine optische Routine geplant
ist, ermittelt der Microcontroller 16 bei 1076,
ob der Prozessor 14 einen Fehler signalisiert. Wenn der
Prozessor 14 einen Fehler signalisiert, dann deaktiviert
der Microcontroller 16 bei 1078 die Impulserfassung,
ruft die Download-Routine auf und aktiviert nach der Ausführung dieser Routine
die Impulserfassung erneut. Wenn der Prozessor 14 keinen
Fehler signalisiert, dann ermittelt der Microcontroller 16 bei 1080,
ob das Download-Programm geplant ist. Ist das Download-Programm
geplant, dann kehrt die Hauptroutine zu 1078 zurück und kehrt
danach wieder zum Hauptprogramm zurück.
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Wenn das Download-Programm nicht
geplant ist, oder nachdem die Impulserfassung erneut freigegeben
wurde, ermittelt der Microcontroller 16 bei 1082,
ob ein Warmstart abläuft.
Wenn ein Warmstart abläuft, dann
werden Stromausfall-Interrupts bei 1084 gesperrt. Die Impulsrechenroutine
wird aufgerufen, wonach die Stromausfall-Interrupts erneut freigegeben werden.
Es ist zu bemerken, dass beim Warmstart Daten genullt werden, um
dem Zähler
einen frischen Start zu geben. Demzufolge führt die Impulsrechenroutine
die notwendigen Berechnungen für
zuvor gemessene Energie durch und setzt diese Rechnung an die entsprechende Stelle
im Speicher. Wenn kein Warmstart abläuft, dann aktualisiert der
Microcontroller 16 bei 1084 die Fernrelais. Die
Fernrelais befinden sich gewöhnlich
auf einer anderen Platine als der Elektronikbaugruppenplatine.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf 4 das Programm zum Laden
des Prozessors 14 beschrieben. Bei 1100 tritt
der Microcontroller 16 in das Programm ein. Bei 1102 wird der
Plan, der anzeigt, dass ein Mess-Download stattfinden soll gelöseht. Bei 1104 initialisiert
der Microcontroller 16 den Kommunikationsbus, der in der
bevorzugten Ausgestaltung INTB ist. Bei 1106 stellt der
Microcontroller 16 den Prozessor über einen Interrupt am Prozessor 14 zurück und stoppt
ihn. Wenn jedoch ein Kommunikationsfehler zwischen Microcontroller 16 und
Prozessor 14 vorliegt, dann setzt der Microcontroller 16 bei 1108 ein
Warnsignal und plant einen Ladevorgang des Prozessors 14.
Nach 1108 wird das heruntergeladene Programm terminiert,
der Microcontroller 16 kehrt zur Hauptroutine zurück.
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Bei 1110 liest und speichert
der Microcontroller Impulsleitungszustände. Man wird sich erinnern,
dass, während
der Prozessor Energieermittlungen durchführt, jede Energieeinheit durch
einen Logikübergang
an den Ausgängen 42–48 repräsentiert
wird ( 1). Bei 1110 wird
der Zustand jedes Ausgangs 42–48 gespeichert. Bei 1112 initialisiert
der Microcontroller die A/D-Wandler 74, wenn ein Kommunikationsfehler
auftritt, geht der Microcontroller zu 1108. Bei 1114 werden
die Digitalsignal-Verarbeitungsregister 94 initialisiert.
Bei 1116 wird der Programmspeicher 78 auf den
Speicher heruntergeladen. Bei 1118 wird der Datenspeicher 80 auf
den Speicher heruntergeladen. Bei 1120 wird der Prozessor 14 gestartet.
Wenn ein Kommunikationsfehler an einem der Schritte 1114–1120 auftritt,
dann kehrt der Microcontroller 16 wieder zu 1108 zurück. Bei 1122 werden eventuell
zuvor bei 1108 gesetzte Warnmeldungen gelöscht. Bei 1124 kehrt
der Microcontroller 16 zu seinem Hauptprogramm zurück.
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Alle Daten, die als für den Zähler 10 nichtflüchtig angesehen
werden, werden in einem 2-KB-EEPROM 35 gespeichert. Dazu
gehören
Konfigurationsdaten (einschließlich
der Daten für
Speicher 76 und Speicher 80), Gesamt-kWh, maximale
und kumulative Bedarfswerte (Bedarf mit Rate A in TOU), historische
TOU-Daten, kumulative Anzahl von Bedarfsresets, kumulative Anzahl
von Stromausfällen
sowie kumulative Anzahl von Datenänderungskommunikationen. Die
TOU-Daten für
die aktuelle Rechnungsstellungsperiode werden im RAM des Prozessors 16 gespeichert.
Solange der Microcontroller 16 genügend Leistung hat, werden RAM-Inhalt und
Echtzeit behalten und der Microcontroller 16 wird nicht
zurückgestellt
(selbst in einem Bedarfsregister).
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Wie zuvor angedeutet, werden Betriebskonstanten
in EEPROM-Daten gespeichert. Microcontroller 16 führt Checks
dieser Speicherbereiche durch, indem er die Klassenbezeichnungen
für verschiedene
Daten addiert und die Summe mit einer Referenznummer vergleicht.
So wird beispielsweise die Datenklasse zum Definieren des 256-Byte-Blocks
an Programmspeicher verwendet. An die 256 Byte Programm in dieser Datenklasse
werden die DSP-Codeidentifikation, die Revisionspummer und die dieser
Datenklasse zugewiesene Prüfsumme
angehängt.
Die Betriebskonstanten bestehen aus den Kalibrationskonstanten und
Daten-RAM-Anfangswerten, den Sekundärwerten von Ke und Kh des Zählers sowie
aus Informationen, die der Microcontroller zum Verarbeiten der Zählerdaten
verwenden muss.
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Die LCD
30 erlaubt eine
Betrachtung der Rechnungsstellungs- sowie anderer Messdaten und
Zustände.
Temperaturkompensation für
die LCD
30 wird in der Elektronik bereitgestellt. Selbst
mit dieser Kompensation begrenzen der Betriebstemperaturbereich
des Zählers
und das 5 Volt Fluid des LCD die LCD
30 auf eine Triplexierung.
Somit ist die Höchstzahl
an Segmenten, die in diesem Design unterstützt werden,
96. Die
Anzeigeansprechzeit verlangsamt sich bei Temperaturen unter –30 Grad
Celsius ebenfalls merklich. Im Hinblick auf eine ausführlichere
Beschreibung des Displays
30 wird auf die mitanhängige US-Anmeldung
Nr. 07/839,634 verwiesen, die am 21. Februar 1992 eingereicht wurde
(entspricht
EP 92924369.9 )
und hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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In 5 sind
der optische Port 40 und der Reset-Schaltkomplex 108 ausführlicher
dargestellt. Nach dem Einschalten sendet der Reset 108 einen
automatischen Reset-Impuls zum Prozessor 16. Beim Betrieb wirkt
die Schaltung 108 als Komparator, der einen Teil der von
der Stromversorgung 22 erzeugten Spannung mit der von der
nichtflüchtigen
Versorgung 24 bereitgestellten Spannung vergleicht. Wenn
die durch die Stromversorgung 22 erzeugte Spannung entweder
unter die der nichtflüchtigen
Stromversorgung abfällt
oder über diese
hinaus ansteigt, dann ist ein solcher Zustand eine Anzeige dafür, dass
der Zähler
entweder Leistung verloren hat oder die Leistung wiederhergestellt
ist, und ein Reset-Signal
wird an den Prozessor 16 angelegt.
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Der optische Port 40 bietet
elektronischen Zugang zu Messinformationen. Sender und Empfänger (Transistoren 110 und 112)
sind 850-Nanometer-Infrarotkomponenten und befinden sich in der
Elektronikbaugruppe (und sind nicht in der Abdeckung montiert).
Transistor 110 und LED 112 sind mit dem UART des
Microcontrollers 16 verbunden, und die Kommunikationsrate
(9600 Baud) ist auf die Ansprechzeit der optischen Komponenten begrenzt.
Der optische Port kann auch vom UART (wie nachfolgend beschrieben)
gesperrt werden, so dass der UART für zukünftige Kommunikationen verwendet
werden kann, ohne dass Umgebungslicht ein Faktor ist. Im Prüfmodus gibt
der optische Port die vom Microcontroller über die Sende-LED 112 empfangenen
Wattstundenimpulse als Echo wieder. Im Prüfmodus überwacht der Microcontroller 16 die
Empfangsleitung 114 auf Kommunikationsbefehle.
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Ein Merkmal, das aus dem oben beschriebenen
verteilten Verarbeitungsschema resultiert, ist die Adaptierbarkeit
oder Erweiterungsfähigkeit
der Erfindung für
zukünftige
Anwendungen. Zu diesem Zweck spielt der Optionsverbinder 38 eine
wichtige Rolle. Wie in 1 gezeigt,
stellt der Optionsverbinder eine Verbindung zwischen dem Prozessor 16 und
der Außenwelt
her. Durch den Verbinder 38 können Datenausgänge vom
Prozessor 14 zum EEPROM 35 oder Datenausgänge zum
Prozessor 16 überwacht
werden. Wie nachfolgend beschrieben wird, kann eine Kommunikation
mit dem Prozessor 16 auftreten, da der Verbinder 38 direkt
mit mehreren Ports am Prozessor 16 verbunden ist. Somit
ist durch den Optionsverbinder 38 eine Kommunikation mit dem
Prozessor 16 möglich,
und der Betrieb des Prozessors 16 kann modifiziert werden.
So kann beispielsweise der Verbinder 38 verwendet werden,
um den Zähler 10 effektiv
in ein Peripheriegerät
für einen
anderen Microcontroller (nicht dargestellt) umzuwandeln. Der Optionsverbinder 38 könnte in
Verbindung mit einem Modem verwendet werden, um Zugang zu Daten
zu gewähren
oder um den optischen Port 40 auf eine gewünschte Weise
zu betreiben. Der Verbinder 38 kann auch in Verbindung
mit so genannten Fremddiensten verwendet werden. In solchen Situationen
können
Dritte unter Vertrag genommen werden, den Zähler mit ihrer eigenen Ausrüstung zu
warten. Durch den Verbinder 38 kann es möglich sein,
solche Geräte
leicht so anzupassen, dass der Zähler 10 damit
gewartet werden kann. Der Verbinder 38 kann auch für die Verbindung
eines Gerätes zum
Speichern eines Energienutzungsprofils verwendet werden. Solche
Geräte
erfordern nichtflüchtige
Speisespannungen. Die am Verbinder 38 zur Verfügung stehenden
Funktionen ermöglichen
ein „Huckepack" eines solchen Gerätes auf
dem Zähler 10.
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Wie oben angedeutet, ist es wünschenswert,
dass der Zähler 10 auf
wirtschaftliche Weise eine mehrphasige Bedarfs- und Gebrauchszeit-
(TOU) Messung durchführt
und die Plattform für
zukünftige
Messprodukte darstellt. Leider ist über die Zukunft nur wenig bekannt.
Das Problem besteht somit darin, Änderungen zu berücksichtigen,
die möglicherweise
in der Zukunft eintreten könnten.
Mit dem erfindungsgemäßen Ansatz kann
die Elektronik im Zähler 10 als
Peripheriegerät
für eine
Optionsplatine (nicht dargestellt) dienen, die mit dem Optionsverbinder 38 verbunden
ist, und gleichzeitig Nennleistungsanforderungen für die Optionsplatine liefern.
Sämtlicher
Strom, sämtliche
Signale und Kommunikationen zur Optionsplatine kommen über einen 20poligen
Anschluss.
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Der Zähler 10 erzeugt die
folgenden Leistungssignale
V+ Eine teilgeregelte 12 VDC bis
15 VDC Versorgung (Ausgang von Versorgung 20);
5 V
Eine geregelte flüchtige
5 V Versorgung (Ausgang von Versorgung 22);
VDD Eine
geregelte nichtflüchtige
5 V Versorgung (Ausgang von Versorgung 24);
Gnd Die
negative Referenz.
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In der bevorzugten Ausgestaltung
kann die Optionsplatine einen kombinierten Strom von 50 mA an diesen
drei Versorgungssignalen ziehen. Die Optionsplatine kann bis zu
100 μA von
einem im Ausgangsteil der Versorgung 20 enthaltenen Superkondensator
und der Batterie 26 über
die Versorgung 24 während
eines Stromausfalls ziehen, aber eine solche Anordnung reduziert
die Lebensdauer der Batterie.
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Gemäß
1 legt der Zähler
10 auch die folgenden
Betriebssignale an den Optionsverbinder
38 an:
PFail | Ein
logischer L-Pegel (0) zeigt vorzugsweise die Abwesenheit von Wechselstrom
an; |
MR | Master-Reset – Ein von
der Schaltung 108 (5) erzeugter logischer L-Pegel (0) zum
Rückstellen
des Microcontrollers nach dem Verlust von VDD (vorzugsweise als
unter 2,8 bis 2,2 Volt abfallender VDD-Wert definiert); |
Alt | Ein
Echo oder eine Duplikation der alternativen Anzeigetastenposition
(vom Prozessor 16 bei 1060 ermittelt); |
Reset | Ein
Echo oder eine Duplikation der Bedarfs-Reset-Tastenposition (vom
Prozessor 16 bei 1060 ermittelt); |
EOI | Bedarfsende-Intervallanzeige,
erzeugt vom Prozessor 16 in Bezug auf das Hauptprogramm
bei 1052, vorzugsweise eine Sekunde lang am Ende des Bedarfsintervalls
im H-Zustand; |
KYZ1 | Ein
KYZ-Ausgangssignal von Wattstundenimpulsen vorbehaltlich eines Impulsfrequenzteilers
und einer Wattstunden-Akkumulationsdefinition,
wobei es die Akkumulationsdefinition zulässt, dass das KYZ-Signal die
Wattstunden-geliefert-Impulse oder eine Kombination aus Wattstunden-geliefert-
und Wattstundenempfangen-Impulsen wiederholt; |
KYZ2 | Ein
KYZ-Ausgangssignal der VARhour-oder Vahour Impulse ebenfalls im
Einklang mit der KYZ-Teiler- und Akkumulationsdefinition; |
WHR | Die
Wattstunden-empfangen-Impulsfolge vom Prozessor 14; und |
VARHR | Die
VARhours-empfangen-Impulsfolge vom Prozessor 14. |
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Durch Anlegen des PFail-Signals am
Optionsverbinder 38 kann ermittelt werden, wann kein Wechselstrom
mehr vorhanden ist. In der bevorzugten Ausgestaltung garantiert
der Zähler 10,
dass 100 ms Stromversorgung verbleibt, wenn das PFail-Signal erzeugt
wird. Das Master-Reset-Signal dient zum Zurückstellen jedes Prozessors,
der möglicherweise
mit dem Optionsverbinder 38 verbunden ist, wenn er mit
der Vdd Versorgung gespeist wird. Ansonsten
kann ein Optionsplatinen-Microcomputer von einer Zeitverzögerung auf
der PFail-Leitung zurückgesetzt
werden. Die Signale KYZ1, KYZ2, WHR und VARHR können zum Überwachen der verschiedenen
Leistungsflussmessungen verwendet werden. Das EOI-Signal kann zum
Synchronisieren von Bedarfsintervallen zwischen Prozessor 16 und
einem am Optionsverbinder 38 angeschlossenen Mikrocomputer
verwendet werden.
-
Der Zähler
10 liefert ferner
die folgenden Kommunikationsverbindungen:
SC1 | Serieller
Takt – Verbindung
mit der seriellen Kommunikationsleitung 36, besonders die
serielle Taktverbindung mit der seriellen Schnittstelle 88 (2),
wobei ein serieller Takt entsprechend dem seriellen I-2C-Protokoll
gesendet wird; |
SDA | Serielle
Daten – Verbindung
mit der seriellen Kommunikationsleitung 36, besonders die
serielle Datenverbindung mit der seriellen Schnittstelle 88 (2),
wobei serielle bidirektionale Seriendaten entprechend dem seriellen
I2-C-Protokoll übertragen werden; |
RX | Eine
Verbindung mit der seriellen Empfangskommunikationsleitung, die
den Prozessor 16 mit dem optischen Port 40 verbindet; |
TX | Eine
Verbindung mit der seriellen Sendekommunikationsleitung, die den
Prozessor 16 mit dem optischen Port 40 verbindet, |
OPE | Optical
Port Enable – eine
Verbindung mit dem Prozessor 16 und dem optischen Port 40,
wobei ein logischer H-Pegel (1) den Zugang zum optischen Port 40 durch
die RX- und TX-Signale zulässt,
die von einer Optionsplatine an den Optionsverlbinder 38 angelegt werden; |
OPS | Optical
Port Select – eine
Verbindung mit dem Prozessor 16, wobei ein logischer H-Pegel
(1) zur Folge hat, dass der Prozessor 16 die Ansteuerung
des optischen Ports 40 steuert, und ein logischer L-Pegel (0) es zulässt, dass
ein mit dem Optionsverbinder 38 verbundener Mikroprozessor
den optischen Port 40 ansteuert; und |
DS | Display
Select – eine
Verbindung mit dem Prozessor 16, wobei ein logischer H-Pegel
(1) zur Folge hat, dass der Prozessor 16 die Ansteuerung
der Flüssigkristallanzeige 30 steuert,
und ein logischer L-Pegel (0) es zulässt, dass ein mit dem Optionsverbinder 38 verbundener
Mikroprozessor das Display 30 ansteuert. |
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Die SC1- und SDA-Verbindungen können zum
Ansteuern eines I2-C E/A-Expanders verwendet
werden, der wiederum Signale vom Zähler 10 zu mehreren
Ausgangsrelais sendet. Die RX-, TX- und OPE-Verbindungen würden normalerweise
zum Ansteuern des optischen Ports 40 verwendet. Wenn die
OPS-Leitung in den L-Zustand gezogen wird, versucht der Prozessor
nicht mehr, den optischen Port 40 anzusteuern, sondern
horcht stattdessen bei 9600 Baud, ob ein Optionsplatinen-Microcomputer
mit dem Prozessor 16 „spricht". Wenn die OPE-Leitung
im H-Zustand ist, wird der Prozessor 16 angewiesen anzunehmen,
dass die Optionsplatine aus dem optischen Port 40 kommuniziert,
und somit die Kommunikation zu ignorieren. So wird der Zähler 10 durch
den Prozessor 16 zu einem Kommunikations- und Datenverarbeitungsperipheriegerät zum Optionsverbinder 38.
EEPROM 35 hat in der bevorzugten Ausgestaltung 256 Byte
zusätzlichen
Speicherplatz, auf den durch den Optionsverbinder 38 über das
normale Kommunikationsprotokoll zugegriffen werden kann. In einer
solchen Situation kann der Zähler 10 entweder
ein Datenspeicher- oder ein Konfigurationsspeicherperipheriegerät sein.
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Wenn das Signal auf der DS-Verbindung
im H-Zustand ist, dann steuert der Prozessor 16 das Display 30 gemäß den Informationen,
die der Prozessor 16 im EEPROM 35 speichert. Es
ist zu bemerken, dass die Flüssigkristallanzeige
der bevorzugten Ausgestaltung in Bezug auf Informationen gesteuert
wird, die in einer Anzeigetabelle enthalten sind (nicht dargestellt),
die Kennungs- und Datenfelder enthält (numerische Felder und Kennungsanzeigeelemente)
und die im Speicher 35 gespeichert ist. In der bevorzugten
Ausgestaltung ist die Anzeigetabelle eine Anzeigesegment-Speicherdarstellung,
die im Speicher 35 gespeichert ist, um das gewünschte Anzeigebild auf
dem Display 30 zu erzeugen. Wenn der Prozessor 16 das
Display 30 steuert, dann die Anzeigetabelle periodisch
mit von Prozessor 16 erzeugten Informationen aktualisiert.
Wenn die DS-Leitung durch den Optionsverbinder 38 in den
L-Zustand gezogen wird, dann aktualisiert der Prozessor 16 die
Anzeigetabelle nicht mehr. In einer solchen Situation wird im Prozessor 16 ein
spezieller Kommunikationsbefehl erzeugt, damit die Anzeigekennungen
und Daten durch den Optionsverbinder 38 geschrieben werden
können, vorzugsweise
von einem am Verbinder 38 angeschlossenen Mikrocomputer.
Somit hat der Zähler 10 die
Flexibilität,
ein Anzeigeperipheriegerät
zu einer Optionsplatine zu werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
werden Impulsanzeiger, Potentialanzeiger, „EOI"-Anzeiger und Test-Anzeiger im Display 30 von
Feldern in der Anzeigetabelle gesteuert, und diese Felder können nur
durch vom Prozessor 16 erzeugte Informationen modifiziert
werden. In einer solchen Ausgestaltung erzeugt, selbst wenn DS tief
ist, der Prozessor 16 weiterhin diese bestimmten Feldinformationen.
Informationen, die der Zähler 30 durch
den Optionsverbinder 38 bereitstellt, werden einem Exklusiv-ODER-Vorgang mit vom Prozessor 16 erzeugten
Informationen unterzogen, um die Anzeigetabelle zu aktualisieren.
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Aus dem Obigen geht hervor, dass
eine Optionsplatine leicht in den Zähler 10 eingebaut
werden kann. Wie oben erörtert,
kann die Optionsplatine dann die meisten Funktionen des Zählers 10 übernehmen,
einschließlich
des Modifizierens der Grundmessfunktion und des Lesens des Prozessors 14 direkt über den
Prozessor 16. Dieser Designaspekt bietet ein hohes Maß an Flexibilität für zukünftige,
noch undefinierte, Funktionen.
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Zusätzlich zum Optionsplatinenverbinder
ist vorzugsweise Raum im Chassis (nicht dargestellt) des Zählers 10 für zusätzliche
große
Komponenten vorgesehen, wie z. B. Trägerkopplungskomponenten oder
einen größeren Stromversorgungstransformator.
Die Spannungsverbindungen in der Zählerbasis bieten zusätzliche
Abgriffe zum Abnehmen der Leitungsspannung für Teile dieser Art.
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Der Zähler 10 kann auch
in den Testmodus gesetzt werden und kann den Testmodus über eine
neue optische Portfunktion verlassen. In einem optisch eingeleiteten
Testmodus reflektiert der Zähler
auch Messimpulse gemäß Definition
durch den Befehl am optischen Portsender. Der Zähler horcht auf weitere Kommunikationsbefehle.
Zusätzliche
Befehle können
die Rate oder gemessene Größe des Testausgangs über den
optischen Port ändern.
Der Zähler
bestätigt
(„ACK") jeden Befehl, der
gesendet wurde, während
er im Testmodus ist, und bestätigt
(„ACK") den Testmodus-verlassen-Befehl.
In einem optisch eingeleiteten Testmodus werden andere Befehle als
die oben erwähnten
auf normale Weise verarbeitet
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Da die Gefahr besteht, dass ein Impulsecho
den Programmierer/Leserempfänger
verwirrt, ist möglicherweise
ein Befehl zum Stoppen des Impulsechos wünschenswert, damit Kommunikationen
ununterbrochen fortlaufen können.
Während
des Testmodus gilt die gewöhnliche
Testmoduszeit aus drei Bedarfsintervallen. Im Hinblick auf eine
ausführlichere
Beschreibung des Testmodus wird auf die mitanhängige Anmeldung ABB-0009 verwiesen.
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TABELLE
1
Zählerformeln
Leistungsformeln:
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HINWEIS: Die Indexierungen beziehen
sich auf die Phase der Eingänge.
Sub-Indexierungen
beziehen sich auf den A/D-Zyklus, in dem die Probe abgetastet wurde.
Va für –7 Anwendungen
ist tatsächlich
Leiter zu Nichtleiter.
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Effektivwertmessungen (eff) erfolgen über einen
Leitungszyklus und beginnen vorzugsweise beim Nullübergang
jeder Spannung. VAR-Formel:
wobei die Indexierungen mit den I-Termen von Watt
und VA assoziiert sind und die Berechnung in jedem Zyklus wie nachfolgend
angegeben erfolgt:
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Für
die Zwecke der obigen Formeln gelten die folgenden Definitionen:
–2 bedeutet
ein 2-Element in der Dreidraht-Delta-Anwendung;
–3 bedeutet
ein 3-Element in einer Vierdraht-Stern-Anwendung;
–8 bedeutet
ein 2½-Element
in einer Vierdraht-Stern-Anwendung;
–5 bedeutet ein 2-Element in
einer Dreidraht-Delta-Anwendung;
–7 ist ein 2½-Element
in einer Vierdraht-Delta-Anwendung.