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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Einrichtung ist aus Signal und Draht 85 (1993) 7/8, Seiten 224 - 233 bekannt. Dort wird über die sogenannte Kombinationssignalisierung bei den Deutschen Bahnen berichtet, einer optischen Zugfolge- und Geschwindigkeitssignalisierung. Die Überwachung des jeweils angeschal- teten Signalbegriffes erfolgt im Stellwerk mittels sogenannter SICON-Baugruppen Diese SICON- Baugruppen dienen zum Überwachen von Meldespannungen, die an den stromführenden Signal- lampen erzeugt und nach Gleichrichtung über sogenannte Phantom-Stromkreise zum Stellwerk übertragen werden. Jede SICON-Baugruppe enthält zwei unabhängige Melder: ein Melder spricht auf positive und der andere auf negative Spannung einer vorgesehenen Amplitude an.
Positives Potential an einer einem Fahrtsignalbegriff zugeordneten Signallampe meldet dem bewertenden Rechner, dass die zugehörige Fahrtsignallampe leuchtet ; bei negativem Potential an allen den Fahrtbegriffen zugeordneten Meldern wird dem Rechner gesagt, dass die Rotlampe Betriebsstrom führt. Eine weitere SICON-Baugruppe dient zur Nebenfadenüberwachung der Signallampen.
Die SICON-Baugruppen sind durch ein Tiefpassverhalten so ausgelegt, dass sie zwar einerseits schnell genug auf Signalwechsel reagieren, andererseits aber gegenüber der Beeinflussungs- spannung von bis zu 250 V/162/3 Hz bzw. 50 Hz immun sind. Dies bedingt aufwendige Integrator- Schaltungen in den Eingangskreisen der SICON-Baugruppen. Zum Überwachen mehrerer Melde- spannungen ist eine entsprechende Vielzahl von SICON-Baugruppen erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patent- anspruches 1 anzugeben, die es ermöglicht, mit nur einer einzigen Schaltung mehrere Melde- spannungen zuverlässig zu überwachen, wobei gleichzeitig der Filteraufwand zur Bewertung der möglicherweise wechselspannungsbehafteten Gleichspannungen vermindert ist und bedarfsweise unterschiedlichhohe Spannungspegel überwachbar sind, und wobei die Reaktionszeit auf einen Signalwechsel deutlich klein gehalten ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass jeweils bis zu vorzugsweise vier Eingangs- spannungen auf die Eingänge eines ersten, zyklisch fortschaltbaren Multiplexers geführt sind, des- sen Ausgang über einen Summierverstärker auf den Analog-/Digitalwandler geschaltet ist, dass der Eingang des Summierverstärkers auf ein Potential gelegt ist, das um einen vorgebbaren Betrag ober-/unterhalb des Mittelwertes des vom Analog-/Digitalwandler verarbeitbaren Eingangs- spannungsbereiches liegt, dass ein zweiter, ebenfalls zyklisch, aber mit geringerer Frequenz fortschaltbarer Multiplexer vorge- sehen ist, der den Eingängen des ersten Multiplexers nacheinander negatives/positives Potential vorgegebener Grösse zuführt, und dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist,
die die am Ausgang des Analog/Digi- talwandlers anliegenden Spannungswerte nach Massgabe der den beiden Multiplexern jeweils zugeführten statischen Potentiale auf die den tatsächlichen Eingangswerten entsprechenden Wer- te umrechnet, diese einer Rekursivfilterprozedur unterzieht, und die ermittelten Werte über eine von der tiefsten Frequenz der die zu überwachenden Gleichspannungen überlagernden Wechsel- spannungen abhängige Mindestzeitspanne mittelt und der Spannungsbewertung zuführt.
Danach wird ein Grossteil der Filterprozedur softwaremässig realisiert, so dass sich für die Über- wachungseinrichtung selbst ein nur geringer hardware-Aufwand ergibt. Dieser Aufwand wird noch dadurch verringert, dass mit jeder Einrichtung jeweils bis zu vier Gleichspannungen zyklisch über- wacht werden können, wobei durch eine besondere Aufschalt- und Bearbeitungsprozedur sicher- gestellt ist, dass etwaige fehlerhafte Zuordnungen aufgeschalteter Spannungen zu den letztendlich überwachten Verbrauchern in vorgegebener Zeit zuverlässig erkannt werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemässen Einrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben
Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie- len näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 schematisch den Aufbau der erfindungsgemässen Einrichtung, in Figur 2 die Ausgestaltungen von Eingangsschaltungen dieser Einrichtung, in Figur 3 das Prinzip der softwaremässigen Filterung der Eingangsspannungen, in Figur 4 ein Schaubild, aus dem sich die für die Ausklammerung von Wechselspannungsein- flüssen erforderliche Mindestauswertezeit ergibt,
in Figur 5 ein Schaubild zur Erläuterung des Einflusses sogenannter Offsets auf die zu bewer-
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tende Amplitude einer Eingangsspannung und in
Figur 6 und 7 das Zusammenwirken mehrerer Einrichtungen zum Überwachen einer grösseren
Anzahl von Spannungen.
In Figur 1 werden vier möglicherweise wechselspannungsbehaftete Gleichspannungen als
Eingangsspannungen U1 bis U4 über gleichartig ausgeführt Eingangsschaltungen ES auf vier Ein- gänge eines Multiplexers M1 geführt. Dieser Multiplexer wird über Steuereingänge S10, S11und
Enable von einem Steuerregister SR so gesteuert, dass die anliegenden Eingangsspannungen U1 bis U4 zyklisch nacheinander auf den Ausgang des Multiplexers M1 geschaltet werden. Von dort gelangen sie über einen als Operationsverstärker ausgebildeten Summierverstärker SV auf den
Eingang eines Analog-/Digitalwandlers ADW.
Dieser Analog-/Digitalwandler setzt den ihm zuge- führten analogen Eingangsspannungswert in einen entsprechenden Digitalwert um und gibt diesen seriell über einen Datenausgang DA an eine nachgeordnete Datenverarbeitungseinrichtung, die beispielsweise als Controller ausgeführt ist.
Da der Analog-/Digitalwandler nur Spannungen zwischen 0 Volt und zum Beispiel + 5 Volt ein- lesen kann, die zur Bewertung anstehende Eingangsspannung aber wechselspannungsbehaftet sein kann, ist es erforderlich, dem Eingang des Analog-/Digitalwandlers eine konstante Gleich- spannung zur Nullpunktverschiebung zuzuführen. Diesem Zwecke dient der Summierverstärker
SV. Ihm wird eine im Analog-/Digitalwandler intern erzeugte Referenzspannung als sogenannter
Grund-Offset zugeführt. Dieser Grund-Offset sorgt dafür, dass der Signaleingang des Summierver- stärkers bei nicht durchgeschalteten Multiplexereingängen auf zum Beispiel + 2,5 Volt liegt, so dass bei durchgeschaltetem Multiplexer M1 dann auch Wechselspannungen, allerdings nur in einem Bereich von 2,5 Volt, vom Analog-/Digitalwandler erfasst und verarbeitet werden können.
Der die ihm vom Analog-/Digitalwandler zugeführten Spannungswerte bewertende Controller rechnet aus den ermittelten Spannungswerten den dem Summierverstärker zugeführten Grund-Offset heraus und gelangt so zu den tatsächlich zu bewertenden Spannungswerten. Hierzu wird auf die spätere Erläuterung der Figur 5 verwiesen. Der Analog-/Digitalwandler kann z. B. aus einem 12-Bit-Wandler mit 4. 096 verschiedenen Stufen bestehen ; hat dabei eine Auflösung von 0,1 Volt/LSB (Least Significant Bit = kleinste Bitstelle). Den jeweils ermittelten Digitalwert gibt der Analog-/Digital- wandler taktgesteuert über einen seriellen Datenausgang an den bewertenden Controller. Ein dem Datenausgang DA vorgeschalteter Inverter J1 dient dazu, eine Invertierung auf dem Übertra- gungsweg zum Controller rückgängig zu machen.
Die Wandlung eines Analogwertes wird vom Controller über ein entsprechendes Steuersignal auf den Starteingang S der Einrichtung initiiert, wobei die dem Takteingang T der Einrichtung anschliessend zugeführten Taktsignale dann das serielle Auslesen des jeweils ermittelten Wertes veranlassen. Gleichzeitig wird mit demselben Taktsignal das Steuerregister SR vorbereitend mit den Daten für die nächste Abfrage geladen.
Die zyklische Folgezeit für das Einlesen neuer Eingangsspannungen in die Einrichtung wird nach unten hin im wesentlichen begrenzt durch die Auslesezeit des Analog-/Digitalwandlers und die Regenerationszeit des Summierverstärkers beim Aufschalten eines geänderten Eingangsspan- nungswertes. Bei einer für eine bestimmte technische Anwendung vorgesehenen Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung werden die maximal vier zu bewertenden Eingangsspannun- gen im Wechsel alle 200 s eingelesen, das heisst für die gesamte Abfrage der vier Werte wird weniger als 1 ms benötigt. Die zyklische Aufschaltung der Eingangsspannungen vom Controller her wird erst nach 5 ms wiederholt. Das bedeutet, der Controller steht während der Abtastpause von 4 ms für andere Programmaufgaben zur Verfügung.
Die Abtastrate von 5 ms für das Abfragen jedes Eingangs bestimmt den erforderlichen Aufwand des RC-Filters in der Eingangsschaltung ES (Figur 2). Das Abtasttheorem zum Digitalisieren von Daten besagt, dass in einem Eingangssignal nur Frequenzen bis zur halben Abtastfrequenz enthalten sein dürfen. Die Abtastfrequenz beträgt in diesem Fall f = 1/5 ms = 200 Hz. Das RC-Filter in der Eingangsschaltung bewirkt also eine ausrei- chende Dämpfung der Frequenzanteile im Eingangssignal, die grösser als 100 Hz sind. In den Abtastpausen wird der Multiplexer M1 über das Enable-Signal abgeschaltet, um in dieser Zeit eine Messwertverfälschung durch einen geschlossenen Multiplexerschalter zu verhindern.
Diese Mess- wertverfälschung könnte sonst eintreten, weil über einen geschlossenen Multiplexerschalter ein in der jeweils zugehörigen Eingangsschaltung angeordneter Filter-Kondensator mindestens teilweise entladen und damit für den folgenden Messvorgang einen zu niedrigen Spannungswert ausgeben würde.
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Die elektrische Beschaltung der Eingangsschaltungen ES ist in Figur 2 dargestellt. Die Ein- gangsschaltungen bestehen unter anderem aus Spannungsteilern mit den Widerständen R1 bis R7 zum Herunterteilen der die zu messenden Gleichspannungen von zum Beispiel 30 Volt und der diese möglicherweise überlagernden Wechselspannungen von zum Beispiel 250 Volt/50 Hz oder 16% Hz auf Werte, die vom Analog-/Digitalwandler verarbeitet werden können ; mit den
Wechselspannungen werden selbstverständlich auch die von diesen überlagerten Gleichspannun- gen entsprechend herabgeteilt.
Der Widerstand R10 bestimmt den Verstärkungsfaktor des Sum- mierverstärkers bei der Addition der Eingangsspannung mit dem Grund-Offset, und der Widerstand
R11 verhindert ein Ansteigen der Spannung am abgeschalteten Multiplexer über dessen Versor- gungsspannung hinaus. R8, R9 und C bilden ein RC-Glied zum Ausfiltern kurzzeitiger Spannungs- spitzen ; die die Gleichspannung überlagernden relativ niederfrequenten Wechselspannungen wer- den von dem RC-Vorfilter nur mässig bedämpft. Das Vorfilter hat eine Grenzfrequenz von 12 Hz.
Die Ausfilterung der die zu messenden Gleichspannungen überlagernden Wechselspannungen geschieht durch eine Filterprozedur im bewertenden Controller. Hierzu wird auf Figur 3 verwiesen.
Das Filterprinzip beruht auf der Rückführung des jeweils letzten Abtastwertes auf den Filterein- gang, das heisst ein neuer Wert wird mit dem vor 5 Millisekunden abgespeicherten Wert addiert, wobei der gespeicherte Wert vorher mit einer Filterkonstanten a multipliziert wird ; t steht in der Zeichnung für die Verzögerung durch die Addition des aktuellen mit dem vorherigen Spannungs- wert. Damit das Filter einen statischen Verstärkungsfaktor von 1 erhält, wird das Ergebnis mit dem
Faktor (1 - a) multipliziert. Mit der Filterkonstanten a wird die Steilheit der Filterkurve eingestellt; im vorliegenden Fall beträgt a = 0,875. Die sich ergebende Filterkurve entspricht einem RC-Filter erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 4 Hz.
Die gesamte Zeitkonstante für die Filterung beträgt ca. 60 ms. Die Mittelwertbildung zum Aus- klammern des Einflusses von Wechselspannungen auf die zu überwachenden Gleichspannungen bewirkt eine Verzögerungszeit von 65 ms. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, müssen bei der ange- nommenen Periodendauer zum zyklischen Durchschalten des Multiplexers M1 von 5 ms zum Aus- blenden der Wechselspannung mit der grössten Periodendauer, hier 162/3 Hz jeweils mindestens 13 Messvorgänge stattfinden, damit durch Integration der sich ändernden, gefilterten Wechselspan- nungswerte über diese Zeit (65 ms) mit hinreichender Genauigkeit auf den Wert der Gleichspan- nung geschlossen werden kann, die von der Wechselspannung überlagert wird.
Durch die Hinter- einanderschaltung von RC-Eingangsfilter, Abtastung, Softwarefilter und Mittelwertbildung ergibt sich eine Gesamtverzögerungszeit auf einen Signalwechsel (z.B. Spannungssprung von + 30 V auf - 30 V), die kleiner als 300 ms ist.
Um die jeweils anliegenden Eingangsspannungen zuverlässig bewerten zu können, muss sichergestellt sein, dass der Multiplexer M1 tatsächlich nacheinander die vier zur Bewertung anlie- genden Eingangsspannungen an den Analog-/Digitalwandler durchschaltet, bzw. es muss sicherge- stellt sein, dass ein Fehlverhalten des Multiplexers M1 zuverlässig erkannt wird. Um dies zu gewährleisten, sieht die erfindungsgemässe Einrichtung einen weiteren Multiplexer M2 vor. Dieser Multiplexer wird über Steuerleitungen S20, S21 und Enable ebenfalls vom Steuerregister SR gesteuert. Abhängig von seiner jeweiligen Schaltstellung führt es einem der Eingänge des Multi- plexers M1 jeweils ein Zusatz-Offset zu, das heisst der Wert der betreffenden Eingangsspannung wird in vorgegebener Weise immer um den gleichen Betrag verfälscht.
Dieser Zusatz-Offset wird nacheinander auf alle Eingänge des Multiplexers M1 gelegt, wobei die Zykluszeit verschieden gewählt ist von der Zykluszeit für das Umschalten des Multiplexers M1. Vorzugsweise liegt die Zykluszeit in der Grössenordnung von einer oder einigen Sekunden im Gegensatz zu der Zykluszeit des Multiplexers M1 in der Grössenordnung von Mikrosekunden. Durch das bewusste Verfälschen eines der Eingangsspannungswerte und die Kenntnis, welcher Eingangsspannungswert dies jeweils sein soll, lässt sich bei der Bewertung der Eingangsspannungen eine zuverlässige Aussage darüber treffen, ob der Multiplexer M1 einen ganz bestimmten Eingang durchgeschaltet hat oder nicht.
Da aber kein Interesse besteht an der Bewertung einer bewusst verfalschten Eingangsspan- nung sondern an der Bewertung der tatsächlichen Eingangsspannung, wird durch die bewertende Datenverarbeitungseinrichtung der vom Multiplexer M2 vorgegebene Zusatz-Offset ebenso wie der Grund-Offset für den Summierverstärker aus dem vom Analog-/Digitalwandler tatsächlich festge- stellten Spannungswert herausgerechnet und erst der so modifizierte Spannungswert wird der Bewertung zugeführt. Wenn also beispielsweise durch den Multiplexer M2 ein Zusatz-Offset von
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zum Beispiel + 0,4 Volt vorgegeben wird, so ist bei der Bewertung der Spannung, die auf dem vom
Multiplexer M2 mit dem Zusatz-Offset belegten Eingang des Multiplexers M1 liegt, vom Controller der am Ausgang des Analog-/Digitalwandlers anliegende Spannungswert um diese 0,4 Volt zu ver- mindern.
Durch das zyklische Aufschalten des Zusatz-Offset auf die Eingänge des Multiplexers M1 lässt sich so z. B. im Rhythmus von 4x2 Sekunden das Funktionsverhalten des Multiplexers M1 zu- verlässig überwachen.
Durch das Aufschalten des Zusatz-Offset von z.B. + 0,4 Volt auf jeweils einen Eingang des
Multiplexers M1 wird der vom Analog-/Digitalwandler verarbeitbare Eingangsspannungsbereich in ungünstiger Weise eingeengt. Hierzu wird erläuternd auf Figur 5 Bezug genommen. Dort ist mit
UE1 der maximale Spannungsbereich einer Eingangsspannung bezeichnet, die bei einem Grund- Offset von zum Beispiel + 2,5 Volt vom Analog-/Digitalwandler gerade noch verarbeitet werden kann. Die Eingangsspannung UE1 hat einen maximalen Wert von 2,5 Volt. Durch die Einführung des Zusatz-Offset von zum Beispiel + 0,4 Volt verändert sich bei Aufschaltung des betreffenden
Multiplexereingangs der vom Analog-/Digitalwandler verarbeitbare Eingangsspannungsbereich um diese 0,4 Volt in die positive Richtung und wird damit insgesamt kleiner.
Als Folge davon kann der Analog-/Digitalwandler nurmehr noch Spannungen UE2 bis zu einer Amplitude bis zu 2,1 Volt verarbeiten. Durch die Vorgabe eines Grund-Offset, der den Einfluss des Zusatz-Offset mindestens zum Teil kompensiert, kann der ungünstige Einfluss des Zusatz-Offset auf den Arbeitsbereich des Analog-/Digitalwandlers aber mindestens zum Teil wieder kompensiert werden. In Figur 5 ist des- halb für die Spannung UE3 ein Grund-Offset von + 2,3 Volt angenommen. Vom Analog-/Digital- wandler können dann Spannungen mit einer maximalen Amplitude von 2,3 Volt bewertet werden.
Für die Spannung UE4, die annahmegemäss durch den Zusatz-Offset von + 0,4 Volt belastet sein soll, ergibt sich dadurch eine erfassbare Eingangsspannung ebenfalls von 2,3 Volt, das heisst, der vom Analog-/Digitalwandler beherrschbare Spannungsbereich ist grösser als ohne die Variation des Grund-Offset.
Das Steuerregister SR ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Fünf-Bit-Schiebe- register dargestellt. Der Controller schiebt über den Dateneingang DE die zum Durchsteuern der beiden Multiplexer M1, M2 benötigten Daten in das Schieberegister und veranlasst über ein aus dem Startsignal des Analog-/Digitalwandlers abgeleitetes Freigabesignal das Einstellen der Multi- plexer. Das Freigabesignal wird mittels eines Impulsformers JF von der negativen Flanke des Startsignals für den Analog-/Digitalwandler abgeleitet, das heisst für jeden Messvorgang erhält das Steuerregister ein gesondertes Freigabesignal. Das Steuerregister veranlasst dann vorbereitend für den folgenden Messvorgang das Einstellen der beiden Multiplexer M1 und M2.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung ist in dem geringen Aufwand für die Überwachung mehrerer, ggf. mit Wechselspannungen behafteter Gleichspannungen zu sehen, wobei durch die Einführung eines zusätzlichen Multiplexers ein etwaiges Fehlverhalten des die Eingangsspannungen zyklisch durchschaltenden Multiplexers zuverlässig erkannt wird. Der Auf- wand für die erfindungsgemässe Einrichtung wird auch durch die besonders schmale Schnittstelle zum bewertenden Controller sehr gering gehalten.
Zum Überwachen von jeweils mehr als vier Gleichspannungen ist es möglich, mehrere der erfindungsgemässen Einrichtungen vorzusehen und die Bewertung ihrer Messergebnisse z.B. von einem gemeinsamen Controller vornehmen zu lassen. Wenn beispielsweise von einem Lichtsignal mehr als vier Spannungswerte zu überwachen sind, so sind gemäss Figur 6 entsprechend viele Einrichtungen E1, E2 vorzusehen, die jeweils über eine eigene Datenleitung DA1, DA2, aber gemeinsame Steuerleitungen S, T, DE mit dem gemeinsamen Controller verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich eine wenig aufwendige Schnittstelle zwischen den Einrichtungen und dem Control- ler erreichen ; die Schnittstelle realisiert gleichzeitig auch die Potentialtrennung zwischen Controller und den Einrichtungen durch die Verwendung von Optokopptem.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist angenommen, dass die Meldespannungen nicht vom gleichen Lichtsignal, sondern von unterschiedlichen Lichtsignalen oder sonstigen Verbrau- chern stammen. Dort soll eine Verkopplung der von unterschiedlichen Verbrauchern stammenden Spannungen zuverlässig vermieden werden. Aus diesem Grunde sind nicht nur die Einrichtungen E3 und E4 voneinander räumlich und elektrisch getrennt, sondern auch die Steuer- und Datenlei- tungen DA3, DA4 für die Analog-/Digitalwandler und die Steuerregister der beiden Einrichtungen sind potentialgetrennt mit dem Controller verbunden. Hierdurch ergibt sich eine breitere Schnitt-
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stelle zum Controller, allerdings mit dem Vorteil, dass die beiden Einrichtungen vollständig entkop- pelt sind.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Einrichtung zum Überwachen von mehreren, gegebenenfalls mit Wechselspannungen behafteten Gleichspannungen auf das Einhalten vorgegebener Schwellwerte unter Ver- wendung von durch die Gleichspannungen beaufschlagten RC-Filtern im Speisekreis eines ersten, zyklisch fortschaltbaren Multiplexers (M1), dessen Ausgang über einen Sum- mierverstärker (SV) auf einen Analog/Digitalwandler (ADW) geschaltet ist, wobei der Eingang des Summierverstärkers auf ein statisches Potential (+ 2,3 Volt) gelegt ist, das um einen vorgebbaren Betrag (- 0,2 Volt) ober-/unterhalb des Mittelwertes (+ 2,5 Volt) des vom Analog/Digitalwandler verarbeitbaren Eingangsspannungsbereiches (0 bis + 5 Volt) liegt, und wobei der Ausgang des Analog/Digitalwandlers auf eine Datenverarbeitungseinrich- tung geführt ist,
welche die Ausgangssignale des Analog/Digitalwandlers einer Rekursivfil- terprozedur unterzieht, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter, ebenfalls zyklisch, aber mit geringerer Frequenz fortschaltbarer Multiple- xer (M2) vorgesehen ist, der den Eingängen des ersten Multiplexers nacheinander negati- ves/positives Potential vorgegebener Grösse (+ 0,4 Volt) zuführt, dass die Datenverarbeitungseinrichtung aus den am Ausgang des Analog/Digitalwandlers anliegenden Spannungswerten nach Massgabe der den beiden Multiplexern jeweils zuge- führten statischen Potentiale die tatsächlichen Eingangswerte errechnet und die so ermit- telten Werte über eine von der tiefsten möglichen Frequenz der die zu überwachenden
Gleichspannungen überlagernden Wechselspannungen abhängige Mindestzeitspanne mit- telt und der Spannungsbewertung zuführt.