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Verfahren zur Übertragung von mit der Zeit veränderlichen
Messwerten mittels Code-Modulation
Es ist bekannt, einen mit der Zeit veränderlichen Messwert, z. B. den Strom in einer Hochspannungs- leitung, dadurch vom Messort nach einer entfernten Empfangsstelle zu übertragen, dass der Messwert in äquidistant aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgetastet und sein dabei festgestellter Momentanwert durch eine Gruppe von mehreren Binärzeichen charakterisiert wird, die zeitlich nacheinander übertragen wer- den (Übertragung mittels sogenannter Code-Modulation). Die Gruppe kann dabei den Messwert im dualen
Zahlensystem darstellen. Wird beispielsweise der Bereich, in welchem sich der Messwert verändern kann, in 128 Intervalle aufgeteilt, so lässt sich mit Gruppen von je sieben Binärzeichen der zeitliche Verlauf des Messwertes mit entsprechender Genauigkeit wiedergeben.
Die beiden möglichen Werte jedes Binär- zeichens können durch das Vorhandensein bzw. das Fehlen eines Impulses im zugeordneten Zeitintervall charakterisiert sein.
Es ist evident, dass bei gegebener Kapazität des vom Messort nach der Empfangsstelle fahrenden Übertragungskanals, d. h. bei gegebener Impulsfrequenz auf diesem Kanal, eine Erhöhung der Anzahl der Binärzeichen pro Gruppe nur bei gleichzeitiger Vergrösserung des zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten liegenden Zeitabstandes möglich ist. Mit andern Worten : eine Erhöhung der Übertragungsgenauigkeit bedingt eine Vergrösserung der Zeitkonstanten, d. h. der Verzögerung bei der Wiedergabe vor Messwertänderungen an der Empfangsstelle ; anderseits bedingt eine Verringerung der Zeitkonstanten auch einen Verlust an Genauigkeit.
Gerade bei der Messung von Strömen ist nun aber oft eine hohe Genauigkeit gepaart mit geringer Verzögerung erforderlich. Es muss beispielsweise ein im Normalbetrieb nur langsam und in kleinem Bereich veränderlicher Strom zur Berechnung des vom Abnehmer zu bezahlenden Energiekonsums fortlaufend mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Anderseits soll eine rasche und grosse Stromänderung, die auf eine Betriebsstörung schliessen lässt, bei der Empfangsstelle möglichst unverzögert wahrnehmbar sein, damit rechtzeitig zweckentsprechende Schutzmassnahmen eingeleitet werden können. Bei den bekannten Verfahren war es daher notwendig, die Kapazität des Übertragungskanals zur Erzielung von hoher Genauigkeit und kleiner Verzögerung verhältnismässig gross zu halten.
Die Erfindung bezweckt eine Herabsetzung der erforderlichen Kapazität des Übertragungskanals bei unverminderter Betriebstüchtigkeit des Übertragungssystems. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die genaue Messung im Normalbetrieb eine verhältnismässig grosse Zeitkonstante durchaus zulässig ist, während anderseits eine hohe Genauigkeit bei der Meldung von Betriebsstörungen nicht erforderlich ist. Der Erfindungsgedanke sieht demgemäss vor, die zu übertragende Information so zu gestalten, dass daraus an der Empfangsstelle sowohl ein Signal von hoher Genauigkeit zur Charakterisierung des Messwertes mit entsprechend grosser Zeitkonstante wie auch ein Signal von sehr geringer Zeitkonstante bei verringerter Genauigkeit reproduziert werden können. Nach Bedarf können auch noch weitere Signale reproduziert werden, deren Genauigkeit bzw.
Zeitkonstanten zwischen den Grenzwerten liegen.
Das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens wird an Hand der Fig. l beschrieben, welche den Ablauf der wesentlichen Vorgänge in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt. Der Messwert wird zu den Zeitpunkten t., t,.... abgetastet, die im Zeitabstand T aufeinander folgen. Der Momentanwert im Zeit-
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punkt tl wird durch die vier Binärzeichen a,b , c., dl der Gruppe 1 charakterisiert. Diese stellen eine dem genannten Momentanwert wenigstens angenähert entsprechende Grösse im Dualsystem dar. Die höch- ste, mit vier Ziffern darstellbare Dualzahl ist 15.
Demgemäss ist ein Übertragungssystem mit vier Binär- zeichen pro Gruppe, wie es hier lediglich zur Erläuterung des Prinzips zugrunde gelegt ist, nur zur Darstellung von 16 Stufen (0-15) geeignet ; praktisch wird in den meisten Fällen eine höhere Anzahl von
Binärzeichen pro Gruppe gewählt werden müssen. Im vorliegenden Beispiel stellt ein an der Stelle al er- scheinender Impuls die Grösse 8 dar; a2 entspricht der Grösse 4, a der Grösse 2 und a 4 der Grösse 1. Beträgt
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puls vorhanden, - bedeutet: Impuls fehlt).
Der Impuls al erscheint praktisch unverzögert im Zeitpunkt t ; die übrigen Impulse der Gruppe treten mit zeitlichen Verzögerungen auf, die umso grösser sind, je gerin- ger die Grösse ist, welche der betreffende Impuls gemäss seiner Stellung in der Dualzahl darstellt. Alles, was hier'bezüglich der vom Momentanwert im Zeitpunkt t. abhängigen Binärzeichen der ersten Gruppe
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mentanwert im Zeitpunkt t, charakterisiert, und für alle Binärzeichen der folgenden Gruppen. In Fig. 1 sind als Folge G vier Gruppen von Binärzeichen (al-d 4) vollständig angeführt, ausserdem noch das erste Zeichen as der fünften Gruppe.
Es besteht nun die Aufgabe, die Folge G, welche zur Rekonstruktion eines die Ansprüche auf Genauigkeit und Zeitkonstante erfüllenden Signals geeignet sein möge, in die Folge H umzuformen, welche zwecks Verringerung der erforderlichen Kapazität des Übertragungskanals nur eine halb so grosse Impulsfrequenz aufweist wie die Folge G ; bei dieser Umformung soll aber alle Information aus der Folge G erhalten bleiben, welche zur Rekonstruktion eines genauen Signals Sr mit grosser Zeitkonstante, eines praktisch unverzögerten Signals Sp mit geringer Genauigkeit und eines Signals Sq von mittlerer Genauigkeit bei mittlerer Zeitkonstante notwendig ist.
Das Signal Sp wird im gezeigten Beispiel nur durch die Binärzeichen a,a.... aufgebaut. Die Genauigkeit dieses Signals ist also sehr beschränkt, es lässt nur erkennen, in welcher Hälfte seines Bereiches sich der Momentanwert des Messwertes in den Zeitpunkten , t,.... befindet. Da die Binärzeichen ai, a2.... aus der Folge G unverzögert in die Folge H überführt werden, treten die das Signal Sp aufbauenden Grössen P,, P,.... ebenfalls mit der praktisch geringstmöglichen Verzögerung mit Bezug auf die zugehörigen Abtastzeitpunkte t, t,.... auf. Das Signal Sp kann also beispielsweise zur raschen Auslösung von Schutzmassnahmen bei plötzlicher starker Stromzunahme oder Stromabnahme verwendet werden.
Das Signal Sq wird durch die jeweils ersten beiden Binärzeichen aus den Gruppen 1, 3...., d. h. also durch die Binärzeichen a1, b1, a3, b3 .... aufgebaut. Es lässt demzufolge erkennen, u. zw. frühestens beim Eintreffen der Zeichen b,bs.... an der Empfangsstelle, in welchem Viertel seines Bereiches sich der Momentanwert des Messwertes in den Zeitpunkten t, t,.... befand. Um hiebei die kleinstmögliche Verzögerung zu realisieren, muss dafür gesorgt sein, dass die Zeichen b1, bus .... in der Folge H stets unmittelbar auf die Zeichen al, a.... folgen. Die das Signal aufbauenden Grössen Q, Qz.... folgen einander im Zeitabstand 2 T.
Das Signal Sr wird durch jeweils alle Binärzeichen der Gruppen 1, 5, 9.... aufgebaut. Es stellt demgemäss den Messwert so genau wie überhaupt möglich dar ; allerdings werden Änderungen des Messwer-
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mittels Code-Modulation, bei welchem der Messwerten äquidistant aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgetastet und sein dabei jeweils festgestellter Momentanwert durch eine Gruppe von Binärzeichen charakterisiert wird, erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig in einem mindestens zwei Abtastzeitpunkte umfassenden, sich periodisch wiederholenden Übertragungsintervall die in den Abtastzeitpunkten vorliegenden Binärzeichen der Messwerte teilweise in eine zur Übertragung gelangende Zeichenfolge.
äquidistant eingeordnet werden, wobei Binärzeichen, die grobe Abstufungen der Messwerte charakterisieren, häufiger eingeordnet werden als Binärzeichen, welche feinen Abstufungen der Messwerte entsprechen, und dass empfangsseitig aus den übertragenden'Binärzeichen eine Gruppe mit den die groben Abstufungen der Messwerte charakterisierenden Zeichen und mindestens eine weitere Gruppe mit den der feineren Abstufungen entsprechenden Zeichen gebildet werden.
Im Beispiel nach Fig. 1 ist die Wiederholungsfrequenz für die Binärzeichen a, welche grobe Abstufungen des Messwertes charakterisieren, gleich
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T.Fig. 2 erläutert ein praktisch anwendbares Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens an 5 Hand der Wiedergabe des zeitlichen Verlaufs eines Messwertes S durch drei Signale Sp, Sq, Sr von ver- schiedenen Genauigkeiten und Zeitkonstanten.
Jeder in den Zeitpunkten t abgetastete Momentanwert des Messwertes wird durch die sieben Binärzei- chen a bis g der zugeordneten Gruppe charakterisiert, der Code gestattet also eine Unterteilung des vom
Messwert bestrichenen Bereiches in 128 Intervallen. Als Beispiel ist ein zeitlicher Verlauf des Messwertes S
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dig dargestellt, wobei die Stellen, an denen Impulse fehlen, durch kleine ausgefüllte Kreise markiert i sind.
Zur Einsparung an erforderlicher Kapazität des Übertragungskanals soll nun die Wiederholungsfrequenz von 7/T der Folge G auf 3/T der Folge H reduziert werden. Die übertragene Information soll die Rekon- struktion eines unverzögerten Signals Sp durch die Binärzeichen a jeder Gruppe, eines genauen Signals Sr unter Benutzung aller Binärzeichen jeder vierten Gruppe und eines Signals Sq von mittlerer Genauigkeit ) und mittlerer Zeitkonstanten durch die jeweils ersten drei Binärzeichen jeder zweiten Gruppe gestatten.
Wieder ist die Überlegung massgebend, dass diejenigen Binärzeichen aus der Folge G, welche zur Repro- duktion grob angenäherter Signale dienen, möglichst ohne zeitliche Verzögerung übertragen werden. Die
Zeichen, welche zu feiner abgestuften Signalen gehören, werden dann in die noch verbleibenden Lücken eingefügt, wobei um so grössere Verzögerungen zulässig sind, je weiter hinten in ihrer Gruppe die betref- fenden Zeichen stehen. Demgemäss werden die Binärzeichen a unverzögert übertragen und die Zeichen b und c, welche zusammen mit a das mittlere Signal Sq aufbauen, werden in jeder zweiten Gruppe, d. h. in den ungeradzahligen Gruppen gel, G,.... der Fig. 2, unmittelbar nach den Zeichen a eingefügt.
Die verbleibenden Lücken werden durch die Zeichen d, e, f und g aus jeder vierten Gruppe (G.,G , G....) ausgefüllt. Das unverzögerte Signal Sp wird also in jedem Abtastzeitpunkt t neu bestimmt ; für das ge- nauere Signal Sq sind die erforderlichen Grössen in zeitlichen Abständen von 2 T, u. zw. jeweils im Zeit- punkt (T + 2/3'T) verfügbar ; und die Grössen, die zusammen das genaueste Signal Sr aufbauen, liegen in zeitlichen Abständen von 4 T und erst jeweils im Zeitpunkt (T + 2 2/3 T) vor. Mit andern Worten :
Eine grosse Änderung des Messwertes wird durch das Signal Sp spätestens nach Ablauf einer Zeit T ange- zeigt und das Auftreten einer kleinsten wahrnehmbaren Änderung wird im Signal Sr spätestens nach Ablauf der Zeit 6 2/3 T erkennbar.
Der untere Teil von Fig. 2 zeigt die auf Grund der eben beschriebenen Information reproduzierten
Signale Sp, Sq und Sr. Es ist ersichtlich, dass das Signal Sp, das den Messwert mit dem Fehler A p < 1/2 wiedergibt, schon in dem der Einschaltung unmittelbar folgenden Abtastzeitpunkt t einsetzt. Das Signal
Sq mit dem Fehler A q < 1/8 erscheint mit einer Verzögerung von 2/3 T nach dem ersten dafür in Frage kommenden Abtastzeitpunkt tao Das genaueste Signal mit dem Fehler A r < 1/128 tritt frühestens beim
Eintreffen des letzten aus der Gruppe G stammenden Binärzeichens g auf.
Die Fig. 3 zeigt noch ein weiteres Beispiel für ein Programm zur Umwandlung der Folge G in die we-
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soll das Signal Sp jeweils aus den zwei ersten Zeichen jeder Gruppe gebildet werden (a., b., a , b ....), das Signal Sq jeweils aus den drei ersten Zeichen jeder zweiten Gruppe (al, ,c, a , bs, c ....), das Signal Sr jeweils aus den vier ersten Zeichen jeder vierten Gruppe und das Signals Ss jeweils aus allen fünf
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In den bisher behandelten Beispielen wurde von einer auf bekannte Weise gewonnenen Impulsfolge G ausgegangen, in welcher die Gruppen sowie die einzelnen Binärzeichen innerhalb der Gruppen in zeitli- cher Aufeinanderfolge auftreten. Jede Gruppe enthielt dabei so viele Binärzeichen, wie es zur Charakte- risierung des zugeordneten Momentanwertes mit der höchsten geforderten Genauigkeit notwendig ist. Bei i der Herstellung der Folge H blieben dann vorbestimmte Binärzeichen unberücksichtigt. Das erfindungsge- mässe Verfahren lässt sich aber auch beim Vorliegen anders gearteter primärer Information anwenden. Es können beispielsweise, in ebenfalls bekannter Art, alle Binärzeichen einer Gruppe gleichzeitig auftreten, sei es schon im Abtastzeitpunkt oder sei es kurz nachher.
Auch hiebei bleiben bei der Herstellung der Fol- ge H einige der angebotenen Zeichen unberücksichtigt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass es zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens der teilweisen und äquidistanten Einordnung der in den Abtastzeitpunkten vorliegenden Binärzeichen der Messwerte in eine zur Übertragung gelangende Zeichenfolge notwendig ist, die Binärzeichen der Messwerte in bestimm- ter Weise zu verzögern und bzw. oder zu speichern. Fig. 4 zeigt als Beispiel eine Anordnung von Schal- tungen, welche zur Realisierung des Zuordnungsprogramms nach Fig. l geeignet ist. Die einzelnen Schal- tungen sind an sich wohlbekannt, sie sind daher in Fig. 4 lediglich als Rechtecke eingezeichnet.
Es han- delt sich um Torschaltungen T, welche den Weg von oben nach unten frei geben, solange auf der dünn eingetragenen Steuerleitung ein Signal vorliegt, und um Speicherschaltungen M, welche ein von oben ankommendes Signal so lange speichern, bis ein auf der dünn eingetragenen Steuerleitung auftretendes
Signal die Abgabe des Speicherinhaltes nach unten veranlasst. Der zeitliche Verlauf der sieben Signale, welche die vier Torschaltungen T1 ... T4 und die drei Speicherschaltungen M....M steuern, ist im linken Teil der Fig. 4 in Form von Oszillogrammen dargestellt. Die sieben Impulsfolgen lassen sich durch wohlbekannte Massnahmen aus einer Impulsfolge herleiten, deren Wiederholungsfrequenz derjenigen der
Folge G entspricht.
AL Stelle von Speichern, die ihren Inhalt auf Veranlassung durch ein Steuersignal wieder abgeben, können selbstverständlich auch Verzögerungsschaltungen verwendet werden. Die Speicherschaltung M2 der
Fig. 4 wäre dann durch eine Schaltung zu ersetzen, die eine Verzögerung der durch die Torschaltung Ta zugeführten Binärzeichen bl und bs um eine Zeichenperiode der Folge G bewirkt. Bei M beträgt die Ver- zögerung vier Zeichenperioden, bei M4 elf Zeichenperioden.
Empfangsseitig sind zunächst durch sinngemäss angewandte ähnliche Schaltungsanordnungen aus der ankommenden Folge H die zum Aufbau der einzelnen Signale erforderlichen Binärzeichen zu entnehmen und auf einzelnen Leitungen zusammenzustellen. Durch an sich ebenfalls wohlbekannte Digital-Analog-
Umformer werden dann die gewünschten Signale erzeugt. Bisher war stets nur von mehreren einzelnen re- produzierten Signalen die Rede, welche den zeitlichen Verlauf des Messwertes mit verschiedenen Genau- igkeiten und mit verschiedenen Zeitkonstanten wiedergeben.
In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, durch Kombination mehrerer solcher Signale eine einzige Grösse zu gewinnen, welche langsame Ände- rungen des Messwertes mit der höchstmöglichen Genauigkeit, rasche Änderungen dagegen nur angenähert, aber praktisch verzögerungsfrei angibt. Die Fig. 5 zeigt eine Schaltung zum Zusammenfügen zweier Si- gnale Sp und Sq zu einem einzigen Signal St. Die Schaltung umfasst zwei vorgespannte Gleichrichter V, und V,. Normalerweise entspricht das Signal St dem genauen, aber verzögerten Signal Sq. Eine rasche Änderung des Signals Sr aber, welche die Höhe der Vorspannung überschreitet, lässt eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals St entstehen.
Die Vorspannung wird zweckmässig wenigstens angenähert entsprechend dem grössten Fehler A p entsprechen (vgl. Fig. 2), so dass eine Änderung von St erst entsteht, wenn die Änderung von S die Fehlergrenze überschreitet. An Stelle der Stromquellen für die Vorspan- nung können auch Zener-Dioden mit entsprechender Grenzspannung vorgesehen werden.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Schaltung für denselben Zweck. Sie enthält je eine Wicklung F, bzw. F2 eines Differentialrelais in Serie zu je einem vorgespannten Gleichrichter V1 bzw. V,. Der Relaiskontakt f lässt normalerweise das genauere Signal Sq auf die Ausgangsleitung St gelangen. Ein plötzlicher grosser
Sprung des zu übertragenden Messwertes macht sich wegen der kleineren Zeitkonstante zuerst im Signal Sp bemerkbar und veranlasst eine Umschaltung der Ausgangsleitung auf die Leitung Sp, durch den Relais- kontakt f.
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