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System zur Fernübertragung von Signalen über ein
Wechselspannungsnetz
Die Erfindung betrifft ein System zur Fernübertragung von Signalen Über ein Wechselspannungsnetz, bei welchem die Signale der Netzspannung überlagert sind, mit mindestens einem, wenigstens einen Signalgeber enthaltenden Sender und mit einer Signalempfangseinrichtung, wobei in jedem Signalgeber ein elektrischer Schwingkreis angeordnet und in Reihe mit einem Kontakt eines für die Signaldauer betätigten Impulsgebers an das Netz angeschaltet ist, gemäss Patent Nr. 241589. Derartige Übertragungssysteme eignen sich für Fernsteuer- und Fernzählanlagen mit mehreren, örtlich verteilten Signalgebern.
In der Rundsteuertechnik werden einem Wechselspannungsnetz meist Signale als von besonderen Generatoren erzeugte Tonfrequenzspannungen Überlagert, die zur Erzielung von RUckmeldesignalen vom Empfänger moduliert sein können, wobei dann die Tonfrequenzspannung dem Netz für die gesamte Dauer der Rückmeldung Uberlagert sein muss ;
bekanntlich können aber Rundsteuersignale auch ohne besondere Tonfrequenzgeneratoren allein durch Anschalten eines elektrischen Schwingkreises oder allenfalls nur eines Kondensators - der mit der Netzinduktivität einen Schwingkreis bildet-an ein Wechselspannungsnetz erzeugt werden, wobei der Lade- und Entladevorgang des im Takt der Netzfrequenz angeschalteten Schwingkreises mittelfrequente oder hochfrequente Ausgleichsschwingungen hervorruft, die sich im betreffenden Netzkomplex als Wechselstromsignale ausbreiten und vom Netzstrom durch elektrische Filterkreise wieder getrennt und in Empfängern ausgewertet werden können.
Wegen der vielfältigen, in Energieverteilungsnetzen auftretenden Störspannungen sind in Rundsteueranlagen zur Erzielung einer hinreichenden Übertragungssicherheit grosse Sendeleistungen erforderlich, so dass bekannte Einrichtungen dieser Art fUr Aufgaben der Fernwirktechnik praktisch nicht verwendbar sind, wenn eine Anlage mehrere Signalgeber für unterschiedliche Signale enthält, denn jeder Signalgeber müsste dann als sehr leistungsfähiger Sender ausgebildet sein.
Nachdem Stammpatent sind daher FernUbertragungssysteme der eingangs beschriebenen Art derart ausgebildet, dass jeder Impulsgeber des Signalsenders wenigstens eine Anschaltimpulsfolge erzeugt, bei welcher das Intervall aufeinanderfolgender Impulse innerhalb einer Impulsfolge ungleich dem einfachen Wert oder ganzzahligen Vielfachen der halben Periode des Trägernetzes ist, und dass in der Signalempfangseinrichtung einer Empfangsstelle-ausser Ankopplungs-, Sieb-und Demodulationsgliedern-für jede Anschaltimpulsfrequenz ein auf die ihr entsprechende Modulation abgestimmtes Korrelationssystem als Selektivfilter angeordnet ist.
Dadurch wird ermöglicht, im Empfänger selbst sehr schwache Signale von allen im Netz auftretenden Störgrössen einwandfrei und eindeutig zu trennen, so dass in galvanisch verbundenen Netzbezirken bereits mit Sendeleistungen von nur einigen Watt - also mit sehr niedrigem
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Nr. 246258.Sendepegel und daher mit überaus einfachen Sendern - eine zuverlässige Signalübertragung gewährleistet ist.
Es wurde nun gefunden, dass die zu übertragenden Informationen ohne nennenswerten Mehraufwand mit zusätzlichen Informationselementen - z. B. mit einem Kennungssignal für den einzelnen Signalge- ber-ausgestattet werden können, wenn das Übertragungssystem nach der Erfindung derart vorteilhaft ausgebildet wird, dass der elektrische Schwingkreis mindestens zwei durch den Signalkontakt wählbare
Eigenfrequenzen hat und ihm zur periodischen Veränderung dieser Frequenzen ein vom Impulsgeber be- tätigtes Abstimmorgan zugeordnet ist, wobei die durch dessen frequenzmodulierende Wirkung um die
Eigenfrequenzen ausgeprägten Seitenbänder einen unterscheidbaren Abstand aufweisen,
und dass ferner im
Signalempfänger selektiv empfindliche Auswerteglieder f ! 1r die in der Amplitudenmodulation und der
Frequenzmodulation enthaltenen Informationen angeordnet sind.
In den Zeichnungen ist ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemässen Übertragungssystemes darge- stellt. Es zeigen Fig. 1 ein Spannungsdiagramm und Fig. 2 das Schaltschema der Anlage.
In einem Wechselspannungsnetz beträgt die Frequenz z. B. 50 Hz und die Periodendauer so- mit 20 ms. Beim Anschalten eines aus einem induktiven und einem kapazitiven Glied bestehenden elek- trischen Schwingkreises an das Netz bildet sich ein Wechselstrom mit einer durch die Eigenfrequenz des Schwingkreises vorgeschriebenen Frequenz aus, dessen Erstamplitude dem zum Zeitpunkt der An- schaltung anliegenden Momentanwert der Netzspannung proportional und dessen logarithmisches Dekrement von der Dämpfung des Schwingkreises abhängig ist.
Beim Abschalten des Schwingkreises besitzt das kapazitive Glied dieses Schwingkreises. eine Ladung, deren Polarität und Grösse dem zum Zeitpunkt der Abschaltung anliegenden Momentanwert der Netzspan- nung entspricht. Um nun einen möglichst grossen Einschaltstromstoss zu erzielen, erfolgt die nächste An- schaltung des Schwingkreises vorteilhaft in einer Halbwelle der Netzspannung mit entgegengesetzter
Polarität, jedoch bei einem andern Betrag des Momentanwertes der Netzspannung als die vorausgehende
Anschaltung. In der Fig. 1 ist dies veranschaulicht.
Beispielsweise fällt der Zeitpunkt tl der ersten Anschaltung mit dem Scheitelwert einer positiven
Halbwelle (+) der Netzspannung U, der Zeitpunkt der Abschaltung t2 mit dem Scheitelwert der nächstfolgenden positiven Halbwelle zusammen ; die Anschaltdauer A des Schwingkreises beträgt dann eine Periodendauer der Netzspannung, also 20 ms. Die zweite, nach einer Impulspause P folgende Anschaltung setzt nun erst einen kleinen Zeitbetrag Z, z. B. 2 ms, nach dem Auftreten des Scheitelwertes der auf die positive Halbwelle (+), bei der abgeschaltet wurde, folgenden negativen Halbwelle (-) der Netzspannung ein ; die Periodendauer T einer Anschaltung, das ist der zeitliche Abstand der einzelnen Anschaltimpulse, ist beim gewählten Beispiel demnach 32 ms ; Anschaltdauer A und Impulspause P sind also unterschiedlich bemessen.
Im vorgetragenen Beispiel fällt der Zeitpunkt der Anschaltung nach jeweils fünf Anschaltperioden, entsprechend einem Zeitraum von 160 ms, mit homologen Momentanwerten der Netzspannung zusammen. In diesem Zeitraum ändert sich der Betrag der Erstamplitude des Einschaltstromstosses zwischen einem Höchstwert und einem Wert gleich oder nahe bei Null, je nach dem Betrag des Momentanwertes der Netzspannung zum Zeitpunkt der ersten Anschaltung innerhalb einer Serie von Anschaltimpulsen. Der Einschaltstrom des Schwingkreises ist also im besprochenen Beispiel mit (160 ms)-1 = 6, 25 Hz praktisch zu 100% amplitudenmoduliert. Dieser Amplitudenmodulation der als Träger wirkenden Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises lässt sich nun durch periodische Schwingkreisverstimmung eine Frequenzmodulation der Trägerfrequenz überlagern.
Eine für die praktische Ausführung der Erfindung geeignete Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt.
Als Fernwirkkanal dient ein Niederspannungsnetz 1, beispielsweise ein Bezirksnetz der öffentlichen Stromversorgung, das von einem Verteiltransformator 2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht z. B. darin, den elektrischen Zustand der Signalkontakte einer grösseren Anzahl von Signalgebern an eine zentrale Empfangsstelle zu melden. Als Signalgeber dienen Mengenmesser zur Messung des Verbrauches von öffentlichen Verbrauchsgütern, wie Gas, Wasser, Elektrizität.
In der Fig. 2 ist als Signalgeber 3 ein Elektrizitätszähler angedeutet, der jeweils nach Messung einer bestimmten Verbrauchsmenge einen Signalkontakt 4 von einem Kontaktelement 5 auf ein Kontaktelement 6 umschaltet und umgekehrt. Der Elektrizitätszähler misst die in einem Verbraucher 7 umgesetzte elektrische Arbeit.
Als Sendeeinrichtung dient ein aus einem Kondensator 8 und aus einer eine Anzapfung 9 aufweisenden Spule 10 bestehender elektrischer Reihenschwingkreis sowie ein als Modulator wirkendes Laufwerk 11. Wenigstens ein Teil der Spule 10 besitzt einen Eisenkern 12, dessen magnetische
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Leitfähigkeit durch ein Abstimmorgan 13 veränderbar ist.
Das Laufwerk 11 weist drei über Zahnradpaare 14, 15, 16 gekuppelte Wellen 17, 18, 19 mit unterschiedlichen Drehzahlen auf, die in einem festen Verhältnis zur Drehzahl einer von einem Uhrwerk oder, wie gezeichnet, von einem Synchronmotor 20 bewegten Antriebswelle 21 stehen.
Auf der Welle 17 ist eine Nockenscheibe 22 befestigt, die auf einen Impulskontakt 23 wirkt, während die Welle 18 eine Kurvenscheibe 24 zur Betätigung des Abstimmorganes 13 trägt. Die
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mit dem AbstimmorganSchwingkreisspule 10 rotiert. Die Bezeichnung "Kurvenscheibe" ist mithin mechanisch oder magnetisch aufzufassen.
Schliesslich sind auf der Welle 19 zwei Nockenscheiben 26 und 27 angeordnet, deren erste einen Motorkontakt 28 und deren zweite einen Hauptkontakt 29 steuert. Die Nockenscheibe 27 kann mittels einer Rutschkupplung 30 oder mittels einer Stellschraube gegenüber der Nockenscheibe 26 von Hand verdreht werden.
Vom Phasenleiter einer an das Niederspannungsnetz 1 einphasig angeschlossenen Abzweigleitung 31 führt eine Verbindungsleitung 32 über den Hauptkontakt 29 zum Impulskontakt 23, und von diesem Uber den Kondensator 8 zu einem Wicklungsende der Spule 10, deren anderes Wicklungsende mit dem Kontaktelement 6 des Signalkontaktes 4 verbunden ist. Von der Anzapfung 9 der Schwingkreisspule 10 besteht eine elektrische Verbindung zum Kontaktelement 5 des Signalkontaktes 4, dessen Schaltarm am Nulleiter 0 der Abzweigleitung 31 liegt.
Der Signalgeber 3 ist ebenfalls an die Abzweigleitung 31 angeschlossen, welche auch die Betriebsspannung für den Synchronmotor 20 einerseits über die Verbindungsleitung 32, einen Steuerkontakt 33, eine Leitung 34 und anderseits über eine Anschlussleitung 35 liefert.
Der Motorkontakt 28 liegt elektrisch parallel zum Steuerkontakt 33, welcher voneinerSchaltuhr oder von einem mit dem Niederspannungsnetz 1 verbundenen Rundsteuerempfänger 36 betätigt wird. Falls eine Schaltuhr angeordnet ist, kann diese auch als Antrieb für das Laufwerk 11 dienen. Schaltuhr oder Fernsteuerempfänger 36 werden durch die beschriebene Fernwirkeinrichtung in der Regel nur mitbenutzt, erfüllen also auch noch andere Aufgaben, z. B. Tarifumschaltung, Ein-und Abschal- tung von Verbrauchern usw., was jedoch in den Zeichnungen nicht näher dargestellt ist.
Die vorstehend beschriebenen Teile der Figur sind am Ort eines jeden Signalgebers 3 angeordnet ; eine Schaltuhr oder ein Rundsteuerempfänger 36 kann allerdings mehrere Signalgeber 3 mit Laufwerken 11 bedienen und weist dann entsprechend viele Steuerkontakte 33 auf.
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weisen. Mit Vorteil ist die Zeitdauer, in der der ImpuIskontakt 23 während eines Schaltzyklus ge- schlossen ist, ungleich lang, vorzugsweise länger bemessen wie die Zeitdauer, in welcher der Impuls- kontakt 23 geöffnet ist.
Beim Schliessen des Steuerkontaktes 33 wird die Antriebswelle 21 des als umlaufender Nockenschalter ausgebildeten Laufwerkes 11 in Bewegung gesetzt, sei es durch Einschalten des Synchronmo- tors 20 oder durch z. B. elektromagnetisches Einkuppeln der Antriebswelle 21 in einen ständig lau- fenden Uhrwerkantrieb, welcher der Antriebswelle 21 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 Umdr/sec erteilt.
Kurz nach dem Start des Laufwerkes 11 schliesst der Motorkontakt 28 und hält den Antrieb, z. B. den Synchronmotor 20, für eine ganze Umdrehung der Nockenscheibe 26 erregt.
Eine festgesetzte Zeitspanne nach dem Start des Laufwerkes 11 schliesst sich der Hauptkontakt 29 für eine durch die Ausbildung der Nockenscheibe 27 bestimmte Zeitdauer, z. B. für l, 5 sec. In dieser
Zeitdauer wird der Schwingkreis 8, 10 durch den Impulskontakt 23 in einem für den Impulskon- takt 23 charakteristischen Rhythmus an das Netz angeschaltet. Die auf der Welle 18 synchron, je- ! doch mit einer ändern Drehzahl als die Nockenscheibe 22 umlaufende Kurvenscheibe 24 verstimmt
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tige Auswertung der Signale möglich ist.
Die Signale der beschriebenen Art haben die Form einer Serie von amplituden- und frequenzmodu- lierten Trägerfrequenzimpulsen, deren Grundträgerfrequenz von der jeweiligen Stellung des Signalkontaktes 4 abhängig ist und deren zeitliche Länge der Schliessungsdauer des Hauptkontaktes 29 entspricht.
Die vom Signalkontakt 4 gewählte Eigenschwingungszahl des Schwingkreises 8, 10 enthält die Information über den Schaltzustand des Signalkontaktes, während eine der beiden Modulationsarten zur Unterscheidung der Signale von Störspannungen, die andere beispielsweise zur Identifikation des Signalgebers 3 dient. Selbstverständlich können beide Modulationsarten aktive Informationselemente repräsentieren, so dass sich durch entsprechende Kombinationsbildung auch mehrstellige Zahlenwerte einwandfrei übertragen lassen. Theoretisch ist der zur Anwendung kommenden Anzahl von unterschiedlichen Eigenschwingungszahlen, Frequenzmodulationsfrequenzen und Ampitudenmodulationsfrequenzen keine Grenze gesetzt.
Mit Hilfe des Rundsteuerempfängers 36 (oder einer Schaltuhr) kann die Impulsserie, also die Information, zu einem gewünschten Zeitpunkt aufgerufen werden. Es ist möglich, viele Signalgeber 3 durch einen einzigen Rundsteuerbefehl gleichzeitig aufzurufen. Im Augenblick des Aufrufes, das ist beim Schliessen des Steuerkontaktes 33, starten alle Laufwerke 11. Durch entsprechende Einstellung der Nockenscheibe 27 ist erreicht, dass die Hauptkontakte 29 aller gestarteten Laufwerke 11 zu verschiedenen Zeiten geschlossen sind, so dass ein Signalgeber nach dem andern seine Information abgibt, ohne dass Überschneidungen der Informationen auftreten.
Die zeitliche Aufeinanderfolge ; in der die einzelnen Signalgeber ihre Information abgeben, kann festgelegt sein und nach dem Redundanzprinzip zur weiteren Identifikation des Signalgebers dienen. Bei Belegung aller Elemente des Signales durch aktive Informationselemente muss diese zeitliche Aufeinanderfolge als Identifikationskriterium benutzt werden. Eine zentrale Empfangsstelle 37 kennt dann den Zeitpunkt des Aufrufes aller in die Fernwirkeinrichtung einbezogenen Signalgeber 3 und kann so jede in der Empfangsstelle eintreffende Impulsserie einem bestimmten Signalgeber 3 zuordnen.
. Zur Auskopplung der Signale aus dem Uberlagerten Niederspannungsnetz 1 ist in der Empfangsstelle 37 ein Übertrager, z. B. ein Stromwandler 38 mit einem Arbeitswiderstand 39 angeordnet, an dessen Klemmen unter anderem die Signalwechselspannungen auftreten. Diese werden nun in einem Signalempfänger 40 ausgewertet, der zu diesem Zweck an sich bekannte, für die einzelnen Elemente des jeweiligen Signales selektiv empfindliche Auswerteglieder enthält, und der die empfangenen Informationen in eine zur weiteren Verarbeitung geeignete Form umsetzt.
An Stelle des in der Figur gezeigten Laufwerkes 11 sind selbstverständlich auch andersartige mechanische Steuervorrichtungen fUr den Impulskontakt 23 und das Abstimmorgan 13 denkbar ; diese Funktionen können auch durch rein elektronische Schaltglieder Ubernommen werden ; desgleichen ist es möglich, Schwingzungen oder Stimmgabeln als Taktgeber für die Modulationsfrequenzen vorzusehen.
Im vorstehenden wurde gezeigt, dass es auf Grund der Erfindung nunmehr möglich ist, mit sehr einfachen Sende- und Empfangseinrichtungen geringer Leistung eine grosse Informationsmenge über einen
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bereits vorhandenen und weitverzweigten, jedoch zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal, wie inn ein Verteilungsnetz für elektrische Energie darstellt, zuverlässig in beliebiger Richtung, also ins- besondere auch entgegen der Flussrichtung der Netzenergie, zu übertragen. Störspannungen, die innerhalb der von den Selektivgliedern der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbänder liegen, können die Informationsübertragung nur dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls mit den für die Signale gewählten Modulationsfrequenzen moduliert sind und genügend lange Zeit andauern, z.
B. eine Sekunde, wofür die Wahrscheinlichkeit äusserst gering ist.
Als Hauptanwendungsgebiet der Erfindung gilt die Ermittlung und Abrechnung des Verbrauches von öffentlichen VerbrauchsgUtern, z. B. von Gas, Flüssigkeit und elektrischer Energie. Den durch die Erfin- dung ermöglichten Vereinfachungen bei der Verbrauchsermittlung kommt angesichts der zunehmenden
Ausbreitung der öffentlichen Versorgungsnetze grosse Bedeutung zu, wobei es wesentlich ist, dass die hier beschriebene Einrichtung ein sehr hohes Mass an Zuverlässigkeit der Signalübertragung gewährleistet.
Die Signalsendungen erfolgen vorzugsweise während der Stunden geringer Belastung des Fernwirk- kanals, z. B. während der Nachtstunden. Zur Übertragung der Information eines einzelnen Signalgebers werden bei der Fernwirkeinrichtung nach der Erfindung höchstens drei Sekunden einschliesslich des zeitlichen Abstandes von der nächstfolgenden Informationssendung benötigt. Daraus ergeben sich relativ hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, wie sie für die praktische Anwendung von Einrichtungen zur Verbrauchsermittlung im angegebenen Sinne ausschlaggebend sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System zur Fernübertragung von Signalen über ein Wechselspannungsnetz, bei welchem die Signale der Netzspannung überlagert sind, mit mindestens einem, wenigstens einen Signalgeber enthaltenden Sender und mit einer Signalempfangseinrichtung, wobei in jedem Signalgeber ein elektrischer Schwingkreis angeordnet und in Reihe mit einem Kontakt eines für die Signaldauer betätigten Impulsgebers an das Netz angeschaltet ist, gemäss Patent Nr.
241589, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis (8-10) mindestens zwei durch den Signalkontakt (4) wählbare Eigenfrequenzen hat und ihm zur periodischen Veränderung dieser Frequenzen ein vom Impulsgeber (11) betätigtes Abstimmorgan (13) zugeordnet ist, wobei die durch dessen frequenzmodulierende Wirkung um die Eigenfrequenzen ausgeprägten Seitenbänder einen unterscheidbaren Abstand aufweisen, und dass ferner im Signalempfänger (40) selektiv empfindliche Auswerteglieder für die in der Amplitudenmodulation und der Frequenzmodulation enthaltenen Informationen angeordnet sind.