Anordnung zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse jeweils liegt Den Gegenstand der Erfindung bildet eine An ordnung zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse, insbesondere die Frequenz der Spannung in einem elektrischen Netz, jeweils liegt.
Es sind Anordnungen bekanntgeworden, deren Eingangsspannung einem frequenzabhängigen Schal tungsteil mit von der zu überwachenden Frequenz der Eingangsspannung abhängigem Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom zugeführt wird. Diese bekannte Anordnung enthält Mittel, die beim Auf treten einer durch einen bestimmten Phasenwinkel wiedergegebenen vorbestimmten Abweichung der Frequenz der Eingangsspannung von ihrem Sollwert eine Befehls- und/oder Signalgabe bewirken. Als frequenzabhängiges Schaltungsteil kann beispielsweise ein Schwingkreis dienen.
Es ist vorgeschlagen worden, die Resonanzfre quenz des frequenzabhängigen Schaltungsteiles gleich der Frequenz der Eingangsspannung bei der vorbe stimmten Frequenzabweichung zu wählen und den bei Gleichheit von zu überwachender Frequenz und Resonanzfrequenz auftretenden Vorzeichenwechsel des Phasenwinkels dadurch als Kriterium für die Befehls- oder Signalgabe auszuwerten, dass diese nur bei einem bestimmten Vorzeichen des Phasenwinkels erfolgt.
In vielen Fällen liegt das Bedürfnis vor, beispiels weise bei der Frequenzüberwachung eine weiterge hende Staffelung, d. h. eine weitergehende Unter teilung in Frequenzbereiche vorzunehmen. So ist es bei Kurzschlüssen häufig nicht erforderlich, sämtliche Verbraucher vom Netz abzuschalten, sondern es ge nügt, nur diejenigen Verbraucher, die am ehesten auf die Stromversorgung verzichten können, vom Netz abzutrennen.
Bei einem praktisch widerstands- losen Kurzschluss kann es dagegen notwendig werden, sämtliche Verbraucher, also auch Krankenhäuser und dergleichen, für eine gewisse Zeit von der Stromver sorgung abzuschalten, da andernfalls ein beträchtli cher Schaden an den Netztransformatoren und den Generatoren auftreten könnte.
Die zu über wachende Grösse kann auch eine Spannung, eine Lei stung, ein Strom oder dergleichen sein, und die in der Anordnung ausgewertete elektrische Grösse kann ihrerseits ein Mass für eine mechanische, thermische oder sonstige physikalische Grösse, die überwacht werden soll, darstellen. Die im folgenden beschrie bene erfindungsgemässe Anordnung kann, um nur ein weiteres Beispiel zu nennen, dazu dienen, eine elektrische Spannung in der Weise auf optischem Wege zu überwachen, dass sie entsprechend dem Be reich, in dem die Spannung jeweils liegt, auf einer Skala Lampen zum Aufleuchten bringt, die also den Zeiger eines üblichen Messinstrumentes ersetzen.
Die Aufgabe der Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse, insbesondere die Fre quenz der Spannung in einem elektrischen Netz, je weils liegt, löst eine Anordnung mit dem Kennzei chen, dass erfindungsgemäss den Bereichen Schal tungsteile zugeordnet sind, die durch ein zur Steue rung bistabiler Multivibratoren geeignetes Steuersi gnal angeben, ob die elektrische Grösse oberhalb oder unterhalb einer der Grenzen des dem jeweiligen Schaltungsteil zugeordneten Bereiches liegt, und dass die Steuersignale bistabilen Multivibratoren zugeführt werden,
bei denen sowohl ihre beiden stabilen Zu stände als auch der Zustand des periodischen Kip- peps von dem einen in den anderen stabilen Zustand als Kennzeichen verschiedener Bereiche eine Signal, gabe bewirken. Die Steuersignale, die die beiden stabilen Zustände jeweils eines Multivibrators her- vorrufen, sind dabei zweckmässig zeitlich versetzt, z. B. um 180 .
Diese Ausnutzung auch des Zustandes des peri odischen Kippens eines bistabilen Multivibrators bietet den Vorteil, dass bei Unterteilung in 3n Be reiche nur n bistabile Multivibratoren vorzusehen :sind, von deren insgesamt 3n Ausgängen bei mehr als 3 Bereichen, d. h. bei mehr als einem Multivibra- tor, Ausgänge verschiedener Multivibratoren mittels Verknüpfungsschaltungen, wie Und-Gattern und/ oder Oder-Gattern und/oder Torschaltungen, zusam mengefasst und demselben Bereich zugeordnet sind.
Bei der erfindungsgemässen Anordnung finden zweck mässig an sich bekannte, austauschbare Elemente nach dem Baukastenprinzip Anwendung, die in vor teilhafter Weise frequenzunabhängig sind.
Die dem Zustand des periodischen Kippens der bistabilen Multivibratoren zugeordneten Ausgänge der Multivibratoren sind zweckmässigerweise durch Transformatoren, vorzugsweise Isoliertransformato- ren, gebildet, die aus Leistungsgründen vorteilhafter weise von den Strömen beider Stufen des jeweiligen Multivibrators durchflossen sind.
Im folgenden soll die erfindungsgemässe Anord nung an Hand der Fig. 1 bis 14 beispielsweise erläu tert werden, wobei in den ungeradzahl'ig numerierten Figuren jeweils die den verschiedenen Bereichen der zu überwachenden Grösse, in dem erwähnten Beispiel eines Frequenzrelais der Netzfrequenz, zugeordneten Zustände der Kippstufen dargestellt sind, während die geradzahlig numerierten Figuren schematisch die Schaltungen wiedergeben.
In den Fig. 1 und 2 ist der Fall beispielsweise eines Frequenzrelais dargestellt, das die Überwa chung eines durch zwei vorbestimmte Frequenzen f 1 und f 2 begrenzten Frequenzbereiches vornehmen soll. Fig. 1 zeigt zunächst den Verlauf des Phasen winkels T zwischen Strom und Spannung an den den beiden vorbestimmten Frequenzen zugeordneten bei den frequenzabhängigen Schaltungsteilen, deren Re sonanzfrequenzen, mit jeweils einer der beiden Grenz- frequenzen des eigentlichen zu überwachenden Fre quenzbereiches 1I zusammenfallen.
In Fig. 2 ist die Schaltung der bistabilen Kipp- stufe K1 angedeutet, wobei die Bezeichnung für diese und die folgenden Figuren so gewählt ist, dass die linke Stufe des Multivibrators dann leitend wird, wenn die an dem einen frequenzabhängigen Schal tungsteil abgegriffene Spannung s eine induktive Phase hat, während die rechte Stufe des Multivibra- tors nur dann leitend wird,
wenn die an dem weite ren frequenzabhängigen Schaltungsteil abgegriffene Spannung t eine kapazitive Phase besitzt. Wenn also im Bereich 1I den beiden Eingängen des Multivibra- tors K1 im Abstand von 180 infolge induktiven Phasenwinkels der Spannung s einerseits und kapazi- tiven Phasenwinkels der Spannung t anderseits Im pulse zugeführt werden, kann über den Transforma tor IT als Kennzeichen dafür, dass sich die zu über wachende Frequenz im Bereich II befindet,
eine tcecntecxspannung aagegritren wercaen. wie rig. i zeigt, sind die Spannungen<I>s</I> und<I>t</I> in den Bereichen I und III beide kapazitiv bzw. beide induktiv, so dass dann entweder die rechte Stufe des Multivibrators leitend wird, d. h. die an ihrem Ausgang abnehmbare Spannung verschwindet ( 0 ), oder aber im Falle des Bereiches III die linke Stufe des Multivibrators leitet und demgemäss die Spannung an ihr zusammen bricht.
An der jeweils anderen Stufe des bistabilen Multivibrators ist dann infolge der Eigenschaft dieses elektrischen Elementes, gemäss der nur jeweils eine der beiden Stufen leitet, eine Spannung als Kenn zeichnung des entsprechenden Bereiches abgreifbar, was in den Figuren durch Schraffur und die Kenn zeichnung 1 angedeutet ist. Selbstverständlich kann man auch das Ausbleiben einer Spannung, d. h. den Zustand 0 , als Kennzeichnung der Bereiche ver wenden.
Da in diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangs signal im Falle des Bereiches 1I durch periodischen Wechsel des Potentials an den beiden Stufen des Multivibrators - und damit auch an deren Aus gängen - zwischen den Werten 0 und 1 gewonnen wird, müssen Massnahmen getroffen sein, die ver hindern, dass beim Auftreten eines periodisch wech selnden Potentials an den den Bereichen I und II zugeordneten Ausgängen die Auslöseschaltungen die ser Bereiche beeinflusst werden.
Hierzu dienen zweck mässigerweise Tiefpässe mit im Hinblick auf die Kippfrequenz des Multivibrators gewählter Grenz- frequenz, die an die den Bereichen I und II zuge ordneten Ausgänge angeschaltet sind, d. h. an die den durch eine Gleichspannung gekennzeichneten Berei chen zugeordneten Ausgänge. Diese Bemerkungen gelten sinngemäss auch für eine Anordnung zur Überwachung einer grösseren Anzahl von Bereichen, wie sie im folgenden an Hand von Beispielen be schrieben wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Frequenzrelais, das anzeigt, in welchem von vier Frequenzbereichen sich die Netzfrequenz gerade befindet. Gemäss Fig. 4 sind zwei bistabile Multivibratoren K1 und K2 erforder lich, da jeder Multivibrator nur 3 Zustände besitzt und demgemäss nur drei Bereiche anzuzeigen ge stattet. Die die Befehls- oder Signalgabe für die Be reiche I und II auslösenden elektrischen Spannungen werden in diesem Beispiel an der linken Stufe bzw.
an dem Transformator des Multivibrators K1 abge nommen, während die rechte Stufe bzw. der Trans formator des Multivibrators K2 dann zur Befehls- oder Signalgabe dienen, wenn die Frequenz im Be reich IV bzw. III liegt.
In Fig. 3 sind die Phasen der Spannungen s, t und u, die an einem dritten frequenzabhängigen Schal tungsteil abgegriffen wird, in den verschiedenen Fre quenzbereichen angegeben. Darunter sind schema tisch die Zustände der beiden Multivibratoren in den einzelnen Frequenzbereichen gezeichnet. Wie schon in Fig. 1, bedeutet die Darstellung des Zustandes des bistabilen Multivibrators K1 im Bereich II, dass der Multivibrator zwischen seinen beiden stabilen Zuständen hin und her schwingt.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Verhält nisse bei einem Frequenzrelais mit einer Staffelung in fünf Frequenzbereiche. Die wesentlichen Unter schiede gegenüber der Anordnung nach den Fig. 3 und 4 bestehen darin, dass ein weiterer frequenz- abhängiger Schaltungsteil vorgesehen ist, an dem eine Spannung v abgegriffen wird, und dass zwei Ausgänge der beiden bistabilen Multivibratoren K1 und K2 über eine Torschaltung zusammengefasst sind,
so dass der Bereich III nur bei induktiver Span nung<I>t</I> und kapazitiver Spannung<I>u</I> signalisiert wird, wobei ausserdem die Spannungen s induktiv und v kapazität sein müssen, da andernfalls einer der Multivibratoren zwischen seinen beiden stabilen Zu ständen hin und her schwingen würde, wodurch der Bereich II bzw. IV gekennzeichnet ist.
In den Fig. 7 und 8 ist der Fall eines Frequenzre- lais mit sechs Frequenzbereichen behandelt. Demge mäss muss an einem weiteren frequenzabhängigen Schaltungsteil eine fünfte Spannung w abgegriffen werden. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, dass nunmehr vier Bereiche durch Zusammenfassung von jeweils zwei Ausgängen verschiedener Multivibratoren gekenn zeichnet werden.
Diese Zusammenfassung geschieht über Torschaltungen oder Oder-Gatter oder Und- Gatter, deren Aufbau und Anschaltung dem Fach mann bekannt sind, so dass an dieser Stelle darauf nicht eingegangen zu werden braucht.
Zu beachten ist, dass am Eingang der rechten Stufe des bistabilen Multivibrators K1 nur dann Impulse erscheinen, wenn die Spannung t kapazitiv oder die Spannung w induktiv ist. Entsprechendes gilt bei der in Fig.8 rechten Stufe des bistabilen Multivibrators K2 bezüglich der Spannungen v und w.
Schon Fig. 7 lässt deutlich erkennen, dass die die Phasen der Spannungen s bis w in den Bereichen I bis VI wiedergebende Tabelle symmetrisch zur Dia gonalen ist. Dies ist in Fig. 9 für den Fall von sieben Frequenzbereichen deutlicher zum Ausdruck ge bracht.
Fig. 10 zeigt schematisch den Aufbau einer ent sprechenden Anordnung, die sich im wesentlichen von der vorangegangenen nur dadurch unterscheidet, dass eine weitere Spannung x an einem weiteren fre- quenzabhängigen Schaltungsteil gewonnen ist. Auch hier werden Eingänge der bistabilen Multivibratoren über Oder-Schaltungen angesteuert.
Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen die Staffe lung in acht Bereiche. Die Fig. 13 und 14 beschrei ben schliesslich den letzten Ausbau eines Frequenzre- lais mit zwei bistabilen Multivibratoren, d. h. eines solchen, bei dem eine Staffelung in neun Frequenz bereiche vorgenommen ist. Man erkennt, dass wie im Fall der Fig. 11 und 12 eine Signalgabe bei allen Frequenzbereichen nur dann eingeleitet wird, wenn von jeweils zwei Ausgängen verschiedener Multi vibratoren Impulse auf eine Torschaltung geliefert werden.
Die linke Stufe des Multivibrators K1 wird nur dann leitend, wenn entweder die Spannung s kapazitiv oder die Spannung z, die an einem weiteren frequenzabhängigen Schaltungsteil abgegriffen ist, ka- pazitiv und die Spannung u induktiv ist.
Eine weitergehende Staffelung lässt sich durch Einsatz weiterer bistabiler Multivibratoren vorneh men.
Es sei bezüglich dieser mit geringstem Aufwand eine weitgehende Unterteilung gestattenden erfin dungsgemässen Anordnung nochmals bemerkt, dass ihre Anwendung nicht auf den Fall der Frequenz überwachung beschränkt, sondern ganz allgemein zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse jeweils liegt, möglich ist. Ferner ist die ge wählte Zuordnung der Ein- und Ausgänge der bista- bilen Multivibratoren nur als eine von mehreren möglichen Ausführungsformen der Erfindung anzu sehen.
Arrangement for determining the area in which an electrical variable is in each case The subject matter of the invention is an arrangement for determining the area in which an electrical variable, in particular the frequency of the voltage in an electrical network, is in each case.
Arrangements are known whose input voltage is fed to a frequency-dependent scarf device part with a phase angle between voltage and current that is dependent on the frequency to be monitored of the input voltage. This known arrangement contains means that cause a command and / or signal to occur when a predetermined deviation of the frequency of the input voltage from its nominal value occurs, which is reflected by a certain phase angle. An oscillating circuit, for example, can serve as the frequency-dependent circuit part.
It has been proposed to choose the resonance frequency of the frequency-dependent circuit part equal to the frequency of the input voltage at the predetermined frequency deviation and to evaluate the change in sign of the phase angle that occurs when the frequency to be monitored and the resonance frequency are the same as a criterion for the command or signal output only takes place with a certain sign of the phase angle.
In many cases, there is a need, for example in frequency monitoring, a further graduation, i. H. to make a more extensive subdivision into frequency ranges. In the event of short circuits, for example, it is often not necessary to switch off all consumers from the network; instead, it is sufficient to disconnect only those consumers from the network that are most likely to do without the power supply.
In the case of a practically resistance-free short circuit, on the other hand, it may be necessary to switch off all consumers, including hospitals and the like, from the power supply for a certain period of time, since otherwise considerable damage could occur to the network transformers and the generators.
The variable to be monitored can also be a voltage, a power, a current or the like, and the electrical variable evaluated in the arrangement can in turn represent a measure for a mechanical, thermal or other physical variable that is to be monitored. The inventive arrangement described below can, to name just one further example, serve to optically monitor an electrical voltage in such a way that it lights up on a scale according to the range in which the voltage is in each case lights up, which replace the pointer of a conventional measuring instrument.
The task of determining the area in which an electrical variable, in particular the frequency of the voltage in an electrical network, is always achieved is achieved by an arrangement with the identifier that according to the invention the areas are assigned circuit parts that are controlled by a tion of bistable multivibrators indicate whether the electrical variable is above or below one of the limits of the range assigned to the respective circuit part, and that the control signals are fed to bistable multivibrators,
in which both their two stable states as well as the state of the periodic tilting from one to the other stable state as a characteristic of different areas cause a signal to be given. The control signals which each produce the two stable states of a multivibrator are expediently offset in time, e.g. B. at 180.
This utilization of the state of the periodic tilting of a bistable multivibrator offers the advantage that when subdividing into 3n areas, only n bistable multivibrators are to be provided, of which a total of 3n outputs are used in more than 3 areas, i.e. H. in the case of more than one multivibrator, outputs of different multivibrators are grouped together by means of logic circuits such as AND gates and / or OR gates and / or gate circuits and assigned to the same area.
In the arrangement according to the invention, interchangeable elements known per se according to the modular principle are expediently used, which are frequency-independent in an advantageous manner.
The multivibrator outputs associated with the periodic tilting of the bistable multivibrators are expediently formed by transformers, preferably isolating transformers, through which the currents of both stages of the respective multivibrator advantageously flow for reasons of performance.
In the following, the arrangement according to the invention will be explained with reference to FIGS. 1 to 14, for example, with the states of the associated with the various areas of the variable to be monitored, in the mentioned example of a frequency relay of the network frequency, in the odd numbered figures Flip-flops are shown, while the even-numbered figures show schematically the circuits.
In Figs. 1 and 2, the case of a frequency relay is shown, for example, which is intended to monitor a frequency range limited by two predetermined frequencies f 1 and f 2. Fig. 1 first shows the course of the phase angle T between current and voltage at the two predetermined frequencies associated with the frequency-dependent circuit parts whose Re sonance frequencies coincide with one of the two limit frequencies of the actual frequency range to be monitored 1I.
In Fig. 2, the circuit of the bistable multivibrator K1 is indicated, the designation for this and the following figures is chosen so that the left stage of the multivibrator is then conductive when the tapped at one frequency-dependent circuit part of the voltage s a has an inductive phase, while the right stage of the multivibrator only becomes conductive
when the voltage t tapped off at the further frequency-dependent circuit part has a capacitive phase. So if pulses are fed to the two inputs of the multivibrator K1 at a distance of 180 due to the inductive phase angle of the voltage s on the one hand and the capacitive phase angle of the voltage t on the other hand, in the area 1I, the transformer IT can be used to indicate that the frequency to be monitored is in area II,
a tcecntecx tension aagegritren wercaen. how rig. i shows, the voltages <I> s </I> and <I> t </I> in areas I and III are both capacitive and both inductive, so that either the right stage of the multivibrator becomes conductive, i.e. H. the voltage that can be taken off at its output disappears (0), or in the case of area III the left stage of the multivibrator conducts and accordingly the voltage at it breaks down.
At the other stage of the bistable multivibrator, as a result of the property of this electrical element, according to which only one of the two stages conducts, a voltage can be tapped as the identification of the corresponding area, which is indicated in the figures by hatching and the identification 1 . Of course, the absence of tension, i. H. Use state 0 to identify the areas.
Since in this exemplary embodiment the output signal in the case of area 1I is obtained between the values 0 and 1 through periodic changes in the potential at the two stages of the multivibrator - and thus also at their outputs - measures must be taken to prevent that when a periodically changing potential occurs at the outputs assigned to areas I and II, the trigger circuits of these areas are influenced.
For this purpose, low-pass filters are expediently used with a cut-off frequency selected with regard to the tilt frequency of the multivibrator, which are connected to the outputs assigned to areas I and II, i.e. H. to the outputs assigned to the areas marked by a DC voltage. These remarks apply mutatis mutandis to an arrangement for monitoring a larger number of areas, as will be described below using examples.
3 and 4 show a frequency relay which indicates in which of four frequency ranges the network frequency is currently located. According to FIG. 4, two bistable multivibrators K1 and K2 are required, since each multivibrator only has 3 states and accordingly only displays three areas. In this example, the electrical voltages that trigger the command or signaling for areas I and II are displayed on the left-hand stage or
removed from the transformer of the multivibrator K1, while the right stage or the transformer of the multivibrator K2 are used to command or signal when the frequency is in the range IV or III.
In Fig. 3, the phases of the voltages s, t and u, which is tapped at a third frequency-dependent scarf device part, indicated in the various frequency ranges Fre. Below that, the states of the two multivibrators in the individual frequency ranges are shown schematically. As in FIG. 1, the representation of the state of the bistable multivibrator K1 in area II means that the multivibrator oscillates back and forth between its two stable states.
5 and 6 illustrate the ratios in a frequency relay with a graduation into five frequency ranges. The main differences compared to the arrangement according to FIGS. 3 and 4 are that a further frequency-dependent circuit part is provided at which a voltage v is tapped, and that two outputs of the two bistable multivibrators K1 and K2 are combined via a gate circuit are,
so that the area III is only signaled with inductive voltage <I> t </I> and capacitive voltage <I> u </I>, whereby the voltages s must be inductive and v capacitance, otherwise one of the multivibrators between its two stable states would swing back and forth, whereby the area II and IV is characterized.
The case of a frequency relay with six frequency ranges is dealt with in FIGS. 7 and 8. Accordingly, a fifth voltage w must be tapped from a further frequency-dependent circuit part. From Fig. 8 it can be seen that four areas are now characterized by combining two outputs of different multivibrators.
This summary is done via gate circuits or OR gates or AND gates, the structure and connection of which are known to the expert, so that it does not need to be discussed at this point.
It should be noted that at the input of the right stage of the bistable multivibrator K1 pulses only appear if the voltage t is capacitive or the voltage w is inductive. The same applies to the right stage of the bistable multivibrator K2 in FIG. 8 with regard to the voltages v and w.
Already Fig. 7 clearly shows that the table showing the phases of the voltages s to w in the areas I to VI is symmetrical to the diagonal. This is shown more clearly in FIG. 9 for the case of seven frequency ranges.
10 shows schematically the structure of a corresponding arrangement which essentially differs from the previous one only in that a further voltage x is obtained at a further frequency-dependent circuit part. Here, too, inputs of the bistable multivibrators are controlled via OR circuits.
FIGS. 11 and 12 illustrate the staggering in eight areas. 13 and 14 finally describe the last expansion of a frequency relay with two bistable multivibrators, ie. H. one in which there is a graduation into nine frequency ranges. It can be seen that, as in the case of FIGS. 11 and 12, signaling is only initiated in all frequency ranges when pulses are supplied to a gate circuit from two outputs of different multi-vibrators.
The left stage of the multivibrator K1 becomes conductive only when either the voltage s is capacitive or the voltage z, which is tapped off at another frequency-dependent circuit part, is capacitive and the voltage u is inductive.
A more extensive graduation can be undertaken by using further bistable multivibrators.
With regard to this arrangement according to the invention, which permits extensive subdivision with minimal effort, it should be noted again that its use is not limited to the case of frequency monitoring, but is generally possible to determine the range in which an electrical variable is located. Furthermore, the selected assignment of the inputs and outputs of the bistable multivibrators is only to be seen as one of several possible embodiments of the invention.