AT398134B - Messwandler - Google Patents

Description

AT 398 134 B

Die Erfindung betrifft einen Meßwandler zur Messung an elektrischen Leitern, insbesondere an Sammelschienen und Kabeln von Energieverteilungsnetzen, mit einem Spannungssensor, einem Stromsensor, einem Mikrorechner und einer Einrichtung zur Umwandlung der von den Sensoren erzeugten Analogsignale in digitale Signale, von deren Ausgängen für die digitalen Signale wenigstens ein Teil mit Eingängen des 5 Mikrorechners verbunden sind. Übliche bekannte Meßwandler haben den Nachteil, daß sie in der Regel bereits bei der Montage einer Anlage, beispielsweise einer Niederspannungsverteileranlage mit Stromschienen, montiert werden müssen, da eine nachträgliche Montage mit erheblichem Aufwand, insbesondere einem Abschalten und einer teilweisen Demontage der Anlage, verbunden ist. Entsprechendes gilt für Netze mit Kabelsteckern, wie sie io vornehmlich in Mittelspannungsverteileranlagen verwendet werden. Auch hier sind die bekannten Meßwandler groß, kostspielig und nachträglich nur schwer zu montieren. Hinzu kommt bei diesen bekannten Meßwandlern, daß der Informationsgewinn relativ gering ist und häufig ein erheblicher Aufwand für die weitere Signalauswertung erforderlich ist.

Bekannt ist ferner ein Meßwandler, der einen Teil einer Vorrichtung zur Fernmessung von Übertra-75 gungsdaten einer Hochspannungsleitung bildet (DE-PS 29 18 069). Die Ausgänge eines Spannungssensors, eines Stromsensors und eines Temperatursensors sind hiebei mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden, an dessen Eingänge ferner Elemente zur Effektivwertbildung und zur Ermittlung des Leistungsfaktors aufgrund der Ausgangsgrößen des Spannungssensors und des Stromsensors angeschlossen sind. Eine Steuervorrichtung, welche einen Mikrorechner enthält, steuert den Multiplexer einen ihm nachgeschal-20 teten Analog/Digital-Wandler und einen diesem nachgeschalteten Ausgangsspeicher für die Fernübertragung der dem Multiplexer zugeführten Größen.

Bei einem bekannten Meßwandler der eingangs genannten Art (DE-OS 3 514 371), der als elektronischer Energiezähler für elektrische Energie ausgebildet ist, werden die vom Spannungssensor und vom Stromsensor gelieferten Analogsignale zunächst einem Spannungstransformationsteil bzw. einem Strom-25 transformationsteil zugeführt, deren Ausgangssignale mittels je eines A/D-Wandlers in digitale Signale umgewandelt werden, welche der Mikroprozessor verarbeitet.

Dieses Prinzip, nämlich die von Sensoren für die Spannung und den Strom erzeugten analogen Signale zunächst mittels A/D-Wandlern in entsprechende digitale Signale umzuwandeln und letztere mittels eines Mikroprozessors zu verarbeiten, findet auch bei einem bekannten Meßsystem zur Durchführung von 30 Messungen an Energieversorgungsleitungen (US-PS 4 077 061), bei einem bekannten Kilowattstundenzähler (DE-OS 26 30 959) und bei einem bekannten elektronischen Energieverbrauchszähler (DE-OS 34 14 520) Verwendung, wobei als Spannungssensor ein Spannungsteiler und als Stromsensor ein im Stromkreis liegender Meßwiderstand oder ein Stromwandler dienen, soweit Angaben über diese Sensoren gemacht werden. Diese bekannten Meßwandler sind deshalb nur eingeschränkt anwendbar. 35 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der erweiterte Einsatzmöglichkeiten hat. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Spannungssensor kapazitiv an den Leiter ankuppelbar ist, der Stromsensor auf das den Leiter umgebende Magnetfeld anspricht und daß die Einrichtung zur Umwandlung der Analogsignale in digitale Signale in eine Signalvor-verarbeitungselektronik integriert ist, die außer den Ausgängen für die digitalen Signale Ausgänge für 40 standardisierte Analogsignale aufweist.

Der erfindungsgemäße Meßwandler gestattet eine vollständige Erfassung aller wesentlichen Betriebsparameter einer Anlage oder eines Teiles einer Anlage mit einem minimalen Aufwand, da die Signalvorverar-beitungselektronik sowohl Digitalsignale für die weitere Signalverarbeitung durch den Mikrorechner als auch die Meßgrößen und die aus ihnen ableitbaren Informationen als standardisierte Analogsignale zur Verfügung A5 stellt und der Mikrorechner nicht nur Meßwerte für Strom, Spannung und die unter Berücksichtigung der Phasenlage zu bestimmenden Größen wie Scheinleistung, Leistungsfaktor cos p, Wirkleistung und Leistungsrichtung zur Verfügung stellen kann, sondern auch dazu verwendet werden kann, Grenzwerte vorzvgeben und ihr Erreichen oder ihre Überschreitung zu überwachen und zu melden. Die Ausgabe der Meßwerte durch den Mikrorechner in Form digitaler Ausgangssignale ist auch insofern vorteilhaft, als so hiedurch mehrere Meßwandler an eine gemeinsame Leitung im Multi-Drop-Mode oder Loop-Mode angeschlossen werden können.

Irgendwelche Anregungen für einen derartigen Meßwandler und insbesondere eine Singnalvorverarbei-tungselektronik, die außer den Ausgängen für die digitalen Signale Ausgänge für standardisierte Analogsignale aufweist, lassen sich dem Stand der Technik nicht entnehmen, da dort keine Analogsignale 55 ausgegeben werden und der Mikroprozessor nur die Funktion eines Meßgerätes erfüllt. Weist der erfindungsgemäße Meßwandler zusätzlich einen Temperatursensor für die Temperatur des Leiters auf, an dem die Messung durchgeführt wird, dann ist er in der Lage, sämtliche Betriebsparameter zu liefern. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Meßwandler hinsichtlich der ausführbaren Meßverfahren und seiner räumlichen 2

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Gestaltung so ausgeführt, daß er für möglichst viele unterschiedliche Problemstellungen einsatzbereit ist, wobei der Aufwand für die weitere Signalverarbeitung stark reduziert ist.

Um die räumlichen Abmessungen des Meßwandlers klein zu halten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die gesamte analoge Signalanpassungs-Elektronik zwischen den eigentlichen Sensoren und dem auswertenden Mikrorechner in einem integrierten Schaltkreis konzentriert.

Vorzugsweise sind alle Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Enthält dieses gemeinsame Gehäuse auch alle übrigen Teile, dann hat man einen Meßwandler, der ohne Schwierigkeiten an der Meßstelle angeordnet werden kann. Das gemeinsame Gehäuse für die Sensoren kann aber auch durch eine Kabelarmatur, beispielsweise einen Kabelstecker, gebildet sein. In diesem Falle ist es zweckmäßiger, die übrigen Teile außerhalb des Armaturengehäuses in einem eigenen Gehäuse anzuordnen.

Besonders vorteilhaft ist für eine Anwendung als ortsveränderlicher Meßwandler, der an beliebig wählbaren Stellen einer Sammelschiene oder eines Kabels angesetzt werden kann, eine Teilung des allen Baugruppen des Meßwandlers gemeinsamen Gehäuses in einen U-förmigen Teil, der alle Sensoren und die gesamte Elektronik enthält, und einen zweiten Teil, welcher wie ein Joch mit den freien Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Teiles verbindbar ist. Mittels eines solchen Joch-Teiles läßt sich der Wandler in einfacher Weise an einer Sammelschiene oder einem Kabel mechanisch fixieren. Außerdem kann dieser Joch-Teil als Flußleitkörper für den magnetischen Fluß oder aber auch als Magnetfeldabschirmungskörper dienen. Eine magnetische Abschirmung ist dann von Vorteil, wenn der Stromsensor durch wenigstens eine Luft-Spule gebildet ist, welche mit dem Magnetfeld des Leiters verkettet ist. Um Beeinträchtigungen durch Magnetfelder benachbarter Leiter zu vermeiden, ist es in diesem Falle zweckmäßig, den nicht durch die Spule erfaßten Teil des magnetischen Feldes durch ein geeignetes Material magnetisch kurzzuschließen. Besteht hingegen der Stromsensor aus einem Hall-Element, das im Luftspalt eines die Schiene oder das Kabel umfassenden Ringkernes liegt, dann ist der Joch-Teil als Magnetflußleitkörper erforderlich.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen Fig. 1. eine Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels. Fig. 2 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels und Fig. 4 eine schematisch dargestellte Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels.

Ein als Ganzes mit 1 bezeichneter Meßwandler hat ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse, das, wie Fig. 1 zeigt, geteilt ist; Der größere Teil 2 ist U-förmig ausgebildet, wobei der Abstand und die Länge der beiden Schenkel so groß gewählt sind, daß zwischen den Schenkeln wahlweise eine Sammelschiene oder ein Kabel eines Energieversorgungsnetzes aufgenommen werden kann. Der kleinere Gehäuseteil 3 bildet ein an die freien Stirnflächen der beiden Schenkel des Gehäuseteils 2 anlegbares und mit dem Gehäuseteil 2 verbindbares Joch.

In den beiden Schenkeln des größeren Gehäuseteils 2 sind im Ausführungsbeispiel einander gegenüberliegend zwei eisenlose Spulen 4 als Stromsensor angeordnet. Neben der im breiteren Schenkel liegenden Spule 4 ist ein Temperatursensor 5 angeordnet, welcher durch einen temperaturabhängigen Widerstand gebildet ist. Im selben Schenkel liegt ferner eine Elektrode 6, welche infolge ihrer kapazitiven Ankoppelung an den zwischen den Schenkeln liegenden Leiter einen Spannungssensor bildet. Um Störfelder von den beiden Spulen 4 fernzuhalten, wie sie durch andere stromführende Leiter hervorgerufen werden könnten, ist sowohl in den größeren Teil 2 des Gehäuses als auch in den kleineren Teil 3 eine magnetische Abschirmung 7 eingelegt. Schließlich befindet sich in dem breiteren der beiden Schenkel des größeren Gehäuseteils 2 eine Leiterplatte 8, zu der hin von außen her ein Kabel 9 geführt ist.

Die Leiterplatte 8 trägt für jeden der Sensoren eine Signalanpassungsstufe 10. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hiebei um je einen Operationsverstärker,an dessen beide Eingänge die beiden Ausgänge der Sensoren oder, bei der Elektrode 6, diese und das Massepotential angeschlossen sind. Die Ausgänge der Signalanpassungsstufen 10 sind an die Eingänge einer ebenfalls auf der Leiterplatte 8 angeordneten Signalvorverarbeitungselektronik 11 angeschlossen. Diese Elektronik 11 erzeugt aus jedem analogen Signal, das von den drei Signalanpassungsstufen 10 kommt, ein standardisiertes Analogsignal von beispielsweise 4 bis 20 mA. An einen Ausgang 11' für diese standardisierten Analogsignale ist das Kabel 9 angeschlossen. Die gesamte analoge Signalanpassungsstufe ist in einem integrierten Schaltkreis konzentriert, um die Abmessungen des Meßwandlers möglichst klein zu halten.

Die Signalvorverarbeitungselektronik enthält alle Komponenten, welche die drei Analogsignale Spannung, Strom und Temperatur, sowie die daraus ermittelte Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom dahingehend aufbereiten, da sie sowohl in Form standardisierter Analogsignale, wie beispielsweise Ausgangsströme von 0...20 mA, zur Verfügung stehen, als auch durch den Mikrorechner direkt weiterverarbeitet werden können. Hiezu sind im Ausführungsbeispiel Analog/Digital-Wandler vorgesehen, welche die drei Analogsignale in entsprechende Digital-Signale umwandeln, und zwar beim Stromsignal und beim Span- 3

Claims (16)

1. AT 398 134 B nungssignal nicht nur hinsichtlich der Amplitude, sondern auch hinsichtlich der Phasenlage. Die digitalisierten Signale werden einem Einchip-Mikrorechner 12 zugeführt, der ebenfalls auf der Leiterplatte 8 angeordnet und an das Kabel 9 angeschlossen ist. Dieser Rechner 12 berechnet aus den Signalen für die Spannung und den Strom die Scheinleistung, die Wirkleistung, den Leistungsfaktor cos p und die Leistungsrichtung. Diese Größen können ebenso wie der Meßwert der Tempeperatur über das Kabel abgefragt werden. Damit liefert der Meßwandler die erforderlichen Angaben über alle Betriebsparameter. Die konstruktive Gestaltung des Meßwandlers 1 ermöglicht es, ihn auch nachträglich ohne Abschalten der Anlage durch einfaches Aufstecken zu installieren. Er ist ferner dank der Halbleiter-Mikrochips-Technologie klein und kompakt und kann die konventionelle Wandlertechnik ersetzen. Ferner ergibt sich gegenüber der konventionellen Wandlertechnik eine erhebliche Kosteneinsparung. Schließlich wird wegen der Erfassung aller Betriebsparameter die Betriebssicherheit erhöht. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektrode 106 als Spannungssensor, die beiden eisenlosen Spulen 104 als Stromsensor und der Temperatursensor 105 im inneren eines Kabelstek-kers 113 angeordnet, der am einen Ende eines Mittelspannungskabels 114 vorgesehen ist. Der Kabelstek-ker 113, den die Seele 114' des Mittelspannungskabels 114 durchdringt, weist an seinem freien Ende einen zylindrischen Kontaktkörper 115 auf, an den sich ein aus Silikonkautschuk bestehender Isolierkörper 116 anschließt. Dieser Isolierkörper 116 ist auf einem Teil seiner Länge von einem metallischen Gehäuse 117 umgeben, das an seiner Außenseite ein Gehäuse 118 trägt, in dem die den Sensoren zugeordneten Signalanpassungsstufen, die Signalvorverarbeitungselektronik und der Mikrorechner enthalten sind. Der Platzbedarf des Gehäuses 118 ist so gering, daß es ohne Schwierigkeiten am Kabelstecker 113 angebracht werden kann. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liefert der erfindungsgemäße Meßwandler alle Betriebsparameter und zusätzlich als Analogsignale die Werte für den Strom, die Spannung und die Temperatur. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein U-förmiges Gehäuse 220 aus einem elektrisch isolierenden und nicht magnetisierbaren Kunststoff auf, dessen beide Schenkel den Leiter, an dem Messungen vorgenommen werden sollen, beispielsweise eine Sammelschiene 214, teilweise umfassen. Vom freien Ende erstreckt sich in beide Schenkel des Gehäuses 220 hinein je ein Kanal bis zu einer einen magnetischen Kurzschluß bildenden Brücke 207 aus einem magnetisch gut leitenden Material, die im Jochteil des Gehäuses 220 liegt. In den einen Kanal ist das eine Ende eines elektrisch isolierenden, flexiblen, stabförmigen Formteiles eingesetzt, in den eine sich über die gesamte Länge des Formteils erstreckende, wendelförmige Luftspule 204’ eingebettet ist. Dieser Formteil bildet zusammen mit seiner Luftspule den Stromsensor 204, dessen anderes Ende lösbar in den Kanal des anderen Schenkels eingesteckt ist. Zur Montage des Wandlers brauchen deshalb nur das eine Ende des Stromsensors aus dem Gehäuse 220 herausgezogen, das Gehäuse auf den Leiter aufgesetzt, der Stromsensor um den vom Gehäuse nicht umfaßten Teil des Leiters geführt und dann wieder in das Gehäuse gesteckt zu werden. Der Spannungssensor 206 und der Temperatursensor 205 sind im Ausführungsbeispiel im einen Schenkel des Gehäuses 220 zwischen dem Kanal und der dem Leiter zugewandten Außenfläche angeordnet, könnten aber auch im Jochteil zwischen der Brücke 207 und der dem Leiter zugewandten Außenfläche liegen. Alle übrigen Schaltungsteile sind auf einer Leiterplatte 209 angeordnet, die im Abstand von der Brücke 207 auf der dem Leiter abgewandten Seite im Jochteil des Gehäuses 220 angeordnet ist. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Patentansprüche 1. Meßwandler zur Messung an elektrischen Leitern, insbesondere an Sammelschienen und Kabeln von Energieverteilungsnetzen, mit einem Spannungssensor, einem Stromsensor, einem Mikrorechner und einer Einrichtung zur Umwandlung der von den Sensoren erzeugten Analogsignale in digitale Signale, von deren Ausgängen für die digitalen Signale Wenigstens ein Teil mit Eingängen des Mikrorechners verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungssensor (6;106;206) kapazitiv an den Leiter ankuppelbar ist, der Stromsensor (4; 104;204) auf das den Leiter umgebende Magnetfeld anspricht und daß die Einrichtung zur Umwandlung der Analogsignale in digitale Signale in eine Signalvorverarbeitungselektronik (11) integriert ist, die außer den Ausgängen für die digitalen Signale Ausgänge für standardisierte Analogsignale aufweist.
2. 2. Wandler nach Anpruch 1, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (5; 105; 205) und einen Eingang der Signalvorverarbeitungselektronik (11) für das Signal dieses Temperatursensors (5; 105; 4 205). AT 398 134 B
3. 3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem der Sensoren (4, 5, 6; 204, 205, 206) und der Signalvorverarbeitungselektronik (11) eine Signalanpassungsschaltung (10) vorgesehen ist.
4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (12) Ausgänge für die Werte der Spannung, des Stromes und der Wirkleistung hat.
5. 5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (12) zusätzliche Ausgänge für die Werte des Leistungsfaktors und/oder die Scheinleistung und/oder der Leistungsrichtung und/oder der Temperatur hat.
6. 6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4, 5, 6) in einem gemeinsamen Gehäuse (2, 3; 118) angeordnet sind.
7. 7. Wandler nnch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse (2, 3) auch alle übrigen Teile (10, 11, 12) enthält.
8. 8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse in einen U-förmigen Teil (2), der alle Sensoren (4, 5, 6) und die gesamte Elektronik (10, 11,12) enthält, und einen sich vom freien Ende des einen Schenkels des U-förmigen Teils (2) zum freien Ende des anderen Schenkels erstreckenden Verbindungsteil (3) unterteilt ist.
9. 9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsteil (3) einen Magnetflußleitkörper oder einen Magnetfeldabschirmungskörper (7) enthält.
10. 10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Teil (2) des Gehäuses in jedem seiner beiden Schenkel eine eisenlose Spule (4) des Stromsensors enthält.
11. 11. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Teil (2) einen Magnetkern und ein Hall-Element als Stromsensor enthält.
12. 12. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sensoren in einem Kabelstecker (113) und die Signalvorverarbeitungselektronik sowie der Mikrorechner durch die Abschirmung des Kabelssteckers (113) von der Kabelseele (114') getrennt außen am Kabelstecker angeordnet sind.
13. 13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (204) als isolierender, flexibler, eine wendelförmig gewickelte Luftspule (204’) enthaltender Formteil ausgebildet ist, der den Leiter (214), an dem die Messungen durchzuführen sind, auf einem Teil seines Umfanges umfaßt und mit seinen beiden Enden an ein Gehäuse (220) des Wandlers anschließt, das den teilweise vom Stromsensor (204) gebildeten, den Leiter umfassenden Ring schließt.
14. 14. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (220) des Wandlers U-förmig ausgebildet ist, an dessen beide Schenkelenden der Stromsensor (204) anschließt, der vorzugsweise wenigstens mit dem einen Schenkelende steckbar verbunden ist.
15. 15. Wandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (220) des Wandlers alle Sensoren (205, 206) außer dem Stromsensor (204) und die gesamte Elektronik enthält.
16. 16. Wandler nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren des Ringes nicht erfaßte Teil des magnetischen Flusses mittels eines Magnetflußkörpers, (207) kurzgeschlossen ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5