Die Erfindung betrifft einen Messwandler, insbesondere zur Messung an Sammelschienen und Kabeln von Energieverteilungsnetzen, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.
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 vornehmlich in Mittelspannungsverteileranlagen verwendet werden. Auch hier sind die bekannten Messwandler gross, kostspielig und nachträglich nur schwer zu montieren. Hinzu kommt bei den bekannten Messwandlern, dass der Informationsgewinn relativ gering ist und häufig ein erheblicher Aufwand für die weitere Signalauswertung erforderlich ist.
Ein bekannter Messwandler der eingangs genannten Art bildet einen Teil einer Vorrichtung zur Fernmessung von Übertragungsdaten einer Hochspannungsleitung (DE-PS 2 918 069). Die Ausgänge des Spannungssensors, des Stromsensors und eines Temperatur sensors sind hierbei mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden. An dessen Eingänge sind ferner Elemente zur Effektivwertbildung und zur Ermittlung des Leistungsfaktors aufgrund der Ausgangsgrössen des Spannungssensors und des Stromsensors angeschlossen. Eine Steuervorrichtung, welche einen Mikrorechner enthält, steuert den Multiplexer, einen ihm nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler und einen diesem nachgeschalteten, Ausgangsspeicher für die Fernübertragung der dem Multiplexer zugeführten Grössen.
Damit es sich bei diesen Grössen um Messwerte handelt, müssen als Spannungssensor und Stromsensor Wandler eingesetzt werden, weshalb auch diese Vorrichtung zur Fernmessung mit den eingangs erwähnten Nachteilen behaftet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe löst ein Messwandler mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Der erfindungsgemässe Messwandler gestattet eine vollständige Erfassung aller wesentlichen Betriebsparameter einer Anlage oder eines Teiles einer Anlage mit einem minimalen Aufwand, da die Signalvorverarbeitungselektronik sowohl Digitalsignale für die weitere Signalverarbeitung durch den Mikrorechner als auch die Messgrössen und die aus ihnen ableitbaren Informationen als standardisierte Analogsignale zur Verfügung stellt und der Mikrorechner nicht nur Messwerte für Strom, Spannung und die unter Berücksichtigung der Phasenlage zu bestimmenden Grössen wie Scheinleistung, Leistungsfaktor cos @, Wirkleistung und Leistungsrichtung zur Verfügung stellen kann, sondern auch dazu verwendet werden kann, Grenzwerte vorzugeben 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 hier durch mehrere Messwandler an eine gemeinsame Leitung im Multi-Drop Mode oder Loop-Mode angeschlossen werden können. 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 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 anhand 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,
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 hierbei 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 min 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. Hierzu sind im Ausführungsbeispiel Analog/Digital-Wandler vorgesehen, welche die drei Analogsignale in entsprechende Digital-Signale umwandeln, und zwar beim Stromsignal und beim Spannungssignal 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 @ und die Leistungsrichtung. Diese Grössen können ebenso wie der Messwert der Temperatur 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. Es 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 Kabelsteckers 113 angeordnet, der am einen Ende eines Mittelspannungskabels 114 vorgesehen ist. Der Kabelstecker 113, den die Seele 114 min 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 Schenkeln 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 Formteil eingesetzt, in das eine sich über die gesamte Länge des Formteils erstreckende, wendelförmige Luftspule 204 min eingebettet ist.
Dieses 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.
The invention relates to a transducer, in particular for measuring on busbars and cables of energy distribution networks, which has the features of the preamble of claim 1.
Conventional known transducers have the disadvantage that they usually have to be installed when a system is being installed, for example a low-voltage distribution system with busbars, since subsequent installation is associated with considerable effort, in particular switching off and partially dismantling the system. The same applies to networks with cable plugs, as they are mainly used in medium-voltage distribution systems. Here, too, the known transducers are large, costly and difficult to assemble afterwards. In addition, with the known transducers, the information gain is relatively small and often considerable effort is required for further signal evaluation.
A known transducer of the type mentioned at the beginning forms part of a device for the remote measurement of transmission data of a high-voltage line (DE-PS 2 918 069). The outputs of the voltage sensor, the current sensor and a temperature sensor are connected to the inputs of a multiplexer. At its inputs, elements for effective value formation and for determining the power factor based on the output variables of the voltage sensor and the current sensor are also connected. A control device, which contains a microcomputer, controls the multiplexer, an analog / digital converter connected downstream of it and an output memory connected downstream thereof for the remote transmission of the quantities supplied to the multiplexer.
So that these values are measured values, converters must be used as voltage sensors and current sensors, which is why this device for remote measurement also has the disadvantages mentioned at the outset.
The invention is therefore based on the object of improving a transducer of the type mentioned at the outset. This object is achieved by a transducer with the features of claim 1.
The measuring transducer according to the invention allows complete recording of all essential operating parameters of a plant or a part of a plant with minimal effort, since the signal preprocessing electronics provide digital signals for further signal processing by the microcomputer as well as the measured variables and the information derived from them as standardized analog signals and the microcomputer can not only provide measured values for current, voltage and the variables to be determined taking into account the phase position, such as apparent power, power factor cos @, active power and power direction, but can also be used to specify limit values and to reach or exceed them monitor and report.
The output of the measured values by the microcomputer in the form of digital output signals is also advantageous in that several transducers can be connected to a common line in multi-drop mode or loop mode. If the measuring transducer according to the invention additionally has a temperature sensor for the temperature of the conductor at which the measurement is carried out, then it is able to supply all operating parameters. Furthermore, the measuring transducer according to the invention is designed with regard to the executable measuring methods and its spatial design in such a way that it is ready for use for as many different problems as possible, the effort for further signal processing being greatly reduced.
In order to keep the spatial dimensions of the transducer small, in a preferred embodiment the entire analog signal adaptation electronics between the actual sensors and the evaluating microcomputer is concentrated in an integrated circuit.
All sensors are preferably arranged in a common housing. If this common housing also contains all other parts, then you have a measuring transducer that can be arranged at the measuring point without difficulty. The common housing for the sensors can also be formed by a cable fitting, for example a cable connector. In this case, it is more appropriate to arrange the remaining parts outside the fitting housing in a separate housing.
It is particularly advantageous for an application as a portable measuring transducer, which can be attached to arbitrarily selectable locations on a busbar or a cable, a division of the housing common to all modules of the measuring transducer into a U-shaped part, which contains all sensors and all the electronics, and a second part, which can be connected like a yoke to the free ends of the two legs of the U-shaped part. With such a yoke part, the converter can be mechanically fixed in a simple manner to a busbar or a cable. In addition, this yoke part can serve as a flux guide body for the magnetic flux or else as a magnetic field shielding body. Magnetic shielding is advantageous if the current sensor is formed by at least one air coil, which is linked to the magnetic field of the conductor.
In this case, in order to avoid impairments caused by magnetic fields of adjacent conductors, it is expedient to magnetically short-circuit the part of the magnetic field not captured by the coil by means of a suitable material. If, on the other hand, the current sensor consists of a Hall element which lies in the air gap of a ring core comprising the rail or the cable, then the yoke part is required as a magnetic flux guide body.
The invention is explained in detail below with reference to three exemplary embodiments shown in the drawing.
Show it
1. is a view of the first embodiment,
2 is a block diagram of the first embodiment;
3 shows a schematically illustrated longitudinal section of a second exemplary embodiment,
Fig. 4 is a schematic view of a third embodiment.
A measuring transducer, designated as a whole by 1, has a housing made of plastic, which, as shown in FIG. 1, is divided.
The larger part 2 is U-shaped, the distance and the length of the two legs being chosen so large that a busbar or a cable of an energy supply network can be accommodated between the legs. The smaller housing part 3 forms a yoke which can be placed on the free end faces of the two legs of the housing part 2 and can be connected to the housing part 2.
In the exemplary embodiment, two ironless coils 4 are arranged in the two legs of the larger housing part 2 as a current sensor. In addition to the coil 4 located in the wider leg, a temperature sensor 5 is arranged, which is formed by a temperature-dependent resistor. In the same leg there is also an electrode 6, which forms a voltage sensor due to its capacitive coupling to the conductor lying between the legs. In order to keep interference fields away from the two coils 4, as could be caused by other current-carrying conductors, a magnetic shield 7 is inserted both in the larger part 2 of the housing and in the smaller part 3. Finally, in the wider of the two legs of the larger housing part 2 there is a printed circuit board 8 to which a cable 9 is guided from the outside.
The circuit board 8 carries a signal adaptation stage 10 for each of the sensors. In the exemplary embodiment, this is an operational amplifier each, to the two inputs of which the two outputs of the sensors or, at the electrode 6, these and the ground potential are connected. The outputs of the signal adaptation stages 10 are connected to the inputs of signal preprocessing electronics 11 which are likewise arranged on the printed circuit board 8. This electronics 11 generates a standardized analog signal of, for example, 4 to 20 mA from each analog signal that comes from the three signal adaptation stages 10. The cable 9 is connected to an output 11 min for these standardized analog signals. The entire analog signal adaptation stage is concentrated in an integrated circuit in order to keep the dimensions of the transducer as small as possible.
The signal preprocessing electronics contain all components that process the three analog signals voltage, current and temperature, as well as the resulting phase relationship between voltage and current, since they are available both in the form of standardized analog signals, such as output currents of 0 ... 20 mA , and can also be directly processed by the microcomputer. For this purpose, analog / digital converters are provided in the exemplary embodiment, which convert the three analog signals into corresponding digital signals, specifically in the case of the current signal and the voltage signal, not only with regard to the amplitude but also with regard to the phase position. The digitized signals are fed to a single-chip microcomputer 12, which is also arranged on the printed circuit board 8 and connected to the cable 9.
This computer 12 calculates the apparent power, the active power, the power factor cos @ and the power direction from the signals for the voltage and the current. Like the measured value of the temperature, these variables can be queried via the cable. The transducer thus provides the necessary information about all operating parameters.
The structural design of the transducer 1 enables it to be installed subsequently by simply plugging it on, without switching off the system. It is also small and compact thanks to the semiconductor microchip technology and can replace the conventional converter technology. Furthermore, there is considerable cost savings compared to conventional converter technology.
Finally, operational security is increased due to the acquisition of all operating parameters.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the electrode 106 as a voltage sensor, the two ironless coils 104 as a current sensor and the temperature sensor 105 are arranged in the interior of a cable connector 113 which is provided at one end of a medium-voltage cable 114. The cable plug 113, which the core 114 min of the medium-voltage cable 114 penetrates, has at its free end a cylindrical contact body 115 to which an insulating body 116 made of silicone rubber is connected. This insulating body 116 is surrounded over part of its length by a metallic housing 117, which has a housing 118 on its outside, in which the signal adaptation stages assigned to the sensors, the signal preprocessing electronics and the microcomputer are contained.
The space requirement of the housing 118 is so small that it can be attached to the cable connector 113 without difficulty.
In this exemplary embodiment, too, the measuring transducer according to the invention supplies all the operating parameters and, in addition, the values for the current, the voltage and the temperature as analog signals.
The exemplary embodiment shown in FIG. 4 has a U-shaped housing 220 made of an electrically insulating and non-magnetizable plastic, the two legs of which partially enclose the conductor on which measurements are to be carried out, for example a busbar 214. From the free end, a channel extends into both legs of the housing 220 up to a bridge 207, which forms a magnetic short circuit and is made of a magnetically highly conductive material and lies in the yoke part of the housing 220. One end of an electrically insulating, flexible, rod-shaped molded part is inserted into one channel, in which a helical air coil 204 min extending over the entire length of the molded part is embedded.
This molded part, together with its air coil, forms the current sensor 204, the other end of which is detachably inserted into the channel of the other leg. To mount the converter, therefore, only one end of the current sensor needs to be pulled out of the housing 220, the housing placed on the conductor, the current sensor guided around the part of the conductor not covered by the housing, and then plugged back into the housing.
In the exemplary embodiment, the voltage sensor 206 and the temperature sensor 205 are arranged in one leg of the housing 220 between the channel and the outer surface facing the conductor, but could also lie in the yoke part between the bridge 207 and the outer surface facing the conductor. All other circuit parts are arranged on a printed circuit board 209 which is arranged at a distance from the bridge 207 on the side facing away from the conductor in the yoke part of the housing 220.