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Einrichtung zur Fernübertragung von Signalen über ein Versorgungsnetz für elektrische Energie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgestaltung der Fernwirkeinrichtung nach dem Hauptpatent Nr. 404774 im Sinne einer weiteren Verbesserung der Übertragungssicherheit.
Die Einrichtung gemäss dem Hauptpatent ermöglicht eine Fernübertragung von im Schaltzustand eines elektrischen Kontaktes enthaltenen Informatio- nen, bei der ein Versorgungsnetz für elektrische Energie einen Teil des übertragungsweges darstellt.
Eine Einrichtung dieser Art eignet sich für Fernsteuer- und Fernzählanlagen mit mehreren, örtlich versteuert angeordneten Signalgebern.
In der Rundsteuertechnik werden in der Regel Signale in Form von in besonderen Tronfrequenz- generatoren erzeugten Tonfrequenzspannungen einem Verteilungsnetz für elektrische Energie überlagert. Diese Tonfrequenzspannungen können zur Erzielung von Rückmeldesignalen vom Empfänger moduliert sein, wobei die Tonfrequenzspannung dem Verteilungsnetz für die gesamte Dauer der Rückmeldung überlagert sein muss.
Bekanntlich ist es aber auch möglich, Rundsteuersignale ohne Zuhilfenahme eines besonderen Tonfrequenzgenerators allein durch Anschalten eines elektrischen Schwingkreises oder auch nur eines Kondensators, der mit der Induktivi- tät des Verteilungsnetzes einen Schwingkreis bildet, an ein Wechselspannung führendes Verteilungsnetz zu erzeugen, wobei der Lade- und Entladevorgang des im Takt der Netzfrequenz angeschalteten Schwingkreises mittel- oder hochfrequente Ausgleichschwin- gungen hervorruft,
die sich als Wechselstromsignale in dem betreffenden Netzkomplex ausbreiten und die durch elektrische Filterkreise vom Netzwechselstrom getrennt und in Empfangseinrichtungen ausgewertet werden können.
Wegen der vielfältigen, in Energieverteilungsnet- zen auftretenden Störspannungen benötigt man in Rundsteueranlagen grosse Sendeleistungen, um eine hinreichende L7bertragungssicherheit zu erzielen. Aus diesem Grunde können bekannte Rundsteuereinrichtungen für Aufgaben der Fernwirktechnik praktisch nicht verwendet werden, wenn eine Anlage mehrere Signalgeber für unterschiedliche Signale enthält, denn jeder Signalgeber müsste dann als sehr lei- stungsfähiger Sender ausgebildet sein.
Eine geeignete Einrichtung zur Fernübertragung von Signalen über ein Wechselspannung führendes Versorgungsnetz für elektrische Energie, bei der die Signale der Netzwechselspannung überlagert sind, mit mindestens einem Signalgeber und einem Signalempfänger sowie mit einem bei jedem Signalgeber angeordneten, in Reihe mit einem Impulskontakt an das Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Rei- henschwingkreis, der für die Zeitdauer der Signalübertragung impulsweise an das Versorgungsnetz angeschaltet ist, besitzt gemäss dem Hauptpatent das Kennzeichen,
dass der zeitliche Abstand der einzelnen aufeinanderfolgenden Anschaltimpulse einer Impulsserie ungleich dem einfachen oder ganzzahli- gen mehrfachen Wert der halben Periodendauer der mit den Signalen überlagerten Netzwechselspannung ist.
Durch Befolgung dieser Bemessungsregel wird es möglich, selbst sehr schwache Signale im Empfänger einwandfrei und eindeutig von allen in Energieversorgungsnetzen gewöhnlich auftretenden Störgrös- sen zu trennen, so dass eine zuverlässige Signalübertragung in galvanisch verbundenen Bezirken eines Energieverteilungsnetzes bereits mit Sendeleistungen von nur einigen Watt, also mit sehr niedrigem Sendepegel und daher mit äusserst einfachen Sendern, möglich ist.
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Es wurde nun gefunden, dass die übertragungs- sicherheit solcher Einrichtungen oder die mit diesen übertragbare Informationsmenge ohne Anwendung von nennenswert ins Gewicht fallenden Mitteln weiter wesentlich erhöht und der Sendepegel allenfalls weiter gesenkt werden kann, wenn die im Patentanspruch des Hauptpatentes definierte Einrichtung zusätzlich noch die für die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Merkmale besitzt, dass der elektrische Schwingkreis mindestens zwei wählbare Eigenschwingungszahlen aufweist,
deren erste einer ersten und deren zweite einer zweiten von mindestens zwei unterschiedlich modulierten Impulsreihen als Trägerfre- quenz zugeordnet ist, und dass ferner im Signalempfänger für jede der Trägerfrequenzen selektive Aus- werteglieder für die jeweilige Trägerfrequenz und deren Modulationsfrequenz angeordnet sind.
Einzelheiten gehen aus dem im folgenden an Hand der Zeichnungsfiguren beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.
Es zeigen: Fig. 1 ein Spannungsdiagramm und Fig. 2 ein Schema einer Fernwirkeinrichtung.
In einem Versorgungsnetz für elektrische Energie, im weiteren meistens kurz Netz genannt, beträgt die Frequenz der Netzwechselspannung z. B. 50 Hz, ihre Periodendauer damit 20 Millisekunden (abgekürzt: ms). Beim Anschalten eines aus einem induktiven und einem kapazitiven Glied bestehenden elektrischen Schwingkreises an das Netz bildet sich ein Wechselstrom mit einer durch die Eigenfrequenz des Schwingkreises vorgeschriebenen Frequenz aus, dessen Erstamplitude dem zum Zeitpunkt der Anschaltung anliegenden Momentanwert der netz- spannung 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 Netzspannung entspricht.
Um nun einen möglichst grossen Einschaltstromstoss zu erzielen, erfolgt die nächste Anschaltung des Schwingkreises vorteilhaft in einer Halbwelle der Netzspannung mit entgegengesetzter Polarität, erfindungsgemäss jedoch bei einem anderen Betrag des Momentanwertes der Netzspannung als die vorausgehende Anschaltung. In der Fig. 1 ist dies veranschaulicht.
Beispielsweise fällt der Zeitpunkt t1 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 Anschal- tung 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 Anschal- tung, das ist der zeitliche Abstand der einzelnen Anschaltimpulse, ist beim gewählten Bespiel demnach 32 ms; Anschaltdauer A und Impulspause P sind also unterschiedlich bemessen.
Im vorgetragenen Beispiel fällt der Zeitpunkt der Anschaltung nach jeweils fünf Anschaltperio- den, 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% moduliert. Durch Wahl beliebiger Anschaltperioden T im Rahmen dieser Bemessungsregel lassen sich ebenso andere Modulationsfrequen- zen des Einschaltstromes erzielen, z. B. 4 Hz.
Ein Beispiel für die praktische Ausführung und Anwendung der Erfindung zeigt die Fig. 2.
Als Fernwirkkanal dient ein Niederspannungsnetz 1, beispielsweise ein Bezirksnetz der öffentlichen Stromversorgung, das von einem Verteiltransforma- tor 2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht in der Übertragung des elektrischen Zustandes von Signalkontakten einer grossen Anzahl von Signalgebern an eine zentrale Empfangsstelle. 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.
Dem Signalgeber 3 ist als Sendeeinrichtung ein aus einem Kondensator 8 und aus einer eine An- zapfung 9 aufweisenden Spule 10 bestehender elektrischer Reihenschwingkreis sowie ein Impulsgeber 11 zugeordnet. Der Impulsgeber 11 besitzt z. B. drei über Zahnradpaare 12, 13, 14 gekuppelte Wellen 15, 16, 17 mit unterschiedlichen Drehzahlen, die in einem festen Verhältnis zur Drehzahl einer von einem Uhrwerk oder, wie gezeichnet, von einem Synchronmotor 18 bewegten Antriebswelle 19 stehen.
Auf der Welle 15 ist eine Nockenscheibe 20 befestigt, die auf einen ersten Impulskontakt 21 wirkt, während die Welle 16 eine Nockenscheibe 22 zur Betätigung eines zweiten Impulskontaktes 23 trägt. Auf der Welle 17 schliesslich sind zwei Nockenscheiben 24 und 25 angeordnet, deren erste einen Motorkontakt 26 und deren zweite einen Hauptkontakt 27 steuert. Die Nockenscheibe 25 kann mittels einer
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Rutschkupplung 28 oder mittels einer Stellschraube gegenüber der Nockenscheibe 24 von Hand verdreht werden.
Die soeben beschriebenen Teile sind wie folgt in eine elektrische Schaltung einbegzogen: Eine Abzweigleitung 29 ist einphasig an das Niederspannungsnetz 1 angeschlossen. Von einem Phasenleiter der Abzweigleitung 29 führt eine Verbindungsleitung 30 über den Hauptkontakt 27 zum Kondensator 8 des Reihenschwingkreises 8, 10, und von einem Spulenende 31 der Spule 10 über den ersten Impulskontakt 21 zum Kontaktelement 5 des Signalkontaktes 4, während die Anzapfung 9 der Spule 10 über den zweiten Impulskontakt 23 mit dem Kontaktelement 6 des Signalkontaktes 4 verbunden ist,
dessen Schaltarm über eine Leitung 32 am Nulleiter 0 der Abzweigleitung 29 liegt.
Der Signalgeber 3 ist ebenfalls an die Abzweigleitung 29 angeschlossen, welche auch die Betriebsspannung für den Synchronmotor 18 einerseits über die Verbindungsleitung 30, einen Steuerkontakt 33, eine Leitung 34 und andererseits über eine Anschlussleitung 35 liefert. Der Motorkontakt 26 liegt elektrisch parallel zum Steuerkontakt 33, welcher von einer Schaltuhr oder von einem mit dem Niederspannungsnetz 1 verbundenen Rundsteuerempfänger 36 betätigt wird. Falls eine Schaltuhr angeordnet ist, kann diese auch als Antrieb für den Impulsgeber 11 dienen, Schaltuhr oder Fernsteuerempfänger 36 werden durch die beschriebene Fernwirkeinrichtung in der Regel nur mitbenützt, erfüllen also auch noch andere Aufgaben, z. B.
Tarifumschaltung, Ein- und Abschaltung von Verbrauchern usw., was jedoch in der Zeichnung 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 Impulsgebern 11 bedienen und weist dann enstprechend viele Steuerkontakte 33 auf.
Der bisher beschriebene Teil der Fernwirkeinrich- tung arbeitet wie folgt: Die zu übertragende Information ist im elektrischen Zustand des Signalkontaktes 4 enthalten, sie kann die Form a oder b haben, dann ist der Signalkontakt 4 ein Umschalter mit zwei Kontaktelementen 5, 6. Allenfalls besitzt der Signalkontakt 4 mehr als zwei Kontaktelemente; die Information kann dann mindestens so viele unterschiedliche Formen aufweisen, wie Kontaktelemente angeordnet sind. Im einfachsten Fall hat die Information einen Inhalt a oder Null, der Signalkontakt 4 würde dann nur ein Kontaktelement sowie eine Aus -Stellung aufweisen und damit einen einfachen Ein-Aus-Kontakt entsprechen.
Jedes Kontaktelement, z. B. 5, 6, des Signalkontaktes 4 ist mit einem diesem zugeordneten Impulskontakt 21 bzw. 23 verbunden, belegt ; der Impulsgeber 11 weist also so viele Impulskontakte und diese steuernde Nockenscheiben auf, -wie belegte Kontaktelemente am Signalkontakt 4 vorhanden sind. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegt der Schwingkreis 8, 10 mit dem Signalkontakt 4 und jeweils einem der Impulskontakte 21 und 23 elektrisch in Reihe und wird bei jedem Schliessen des betreffenden Impulskontaktes an die Netzspannung an geschaltet, vorausgesetzt, dass der Hauptkontakt 27 geschlossen ist.
Dabei entstehen, wie erwähnt, elektrische Ausgleichschwingungen S (Fig. 1), die sich dem Netz als Signalströme überlagern und die somit über das Netz fortgeleitet werden. Die Frequenz dieser als Träger dienenden Ausgleichschwingungen hängt davon ab, welcher der beiden Impulskontakte 21 und 23 für die Signalgabe gerade wirksam ist, da der Schwingkreis 8, 10 für jeden der Impulskontakte eine andere Abstimmung hat.
Der zeitliche Abstand T der einzelnen Anschalt- impulse und damit die Dauer eines Schaltzyklus eines Impulskontaktes ist gleich dem reziproken Produkt aus der Anzahl der Nocken der den Impulskontakt steuernden Nockenscheibe und der Drehzahl dieser Nockenscheibe. Für jede einen Impulskontakt steuernde Nockenscheibe ist der Kehrwert des Produktes aus Drehzahl und Nockenzahl, also die Dauer einer Anschaltperiode T, unterschiedlich und ungleich dem einfachen oder ganzzahligen mehrfachen Wert der halben Periodendauer der Netzwechselspannung gewählt.
Weiter oben wurde hierfür bereits ein Wert von z. B. 32 ms genannt; es könnten z. B. aber auch 11 ms oder 31, 25 ms oder beliebige andere Werte sein, vorzugsweise solche, die nahe bei einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Periodendauer der Netzwechselspannung liegen und die in der bereits beschriebenen Weise Modulationsfrequenzen ergeben, welche von Störfrequenzen und Netzharmonischen einen hinreichenden Abstand aufweisen.
Beim Schliessen des Steuerkontaktes 33 wird die Antriebswelle 19 des als umlaufender Nockenschalter ausgebildeten Impulsgebers 11 in Bewegung gesetzt, sei es durch Einschalten des Synchronmotors 18 oder durch z. B. elektromagnetisches Einkuppeln der Antriebswelle 19 in einen ständig laufenden UhrwerkAntrieb, welcher der Antriebswelle 19 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 Umdrehungen pro Sekunde erteilt.
Kurz nach dem Start des Impulsgebers 11 schliesst der Motorkontakt 26 und hält den Antrieb, z. B. den Synchronmotor 18, für eine ganze Umdrehung der Nockenscheibe 24 erregt.
Eine festgesetzte Zeitspanne nach dem Start des Impulsgebers 11 schliesst sich der Hauptkontakt 27 für eine durch die Ausbildung der Nockenscheibe 25 bestimmte Zeitdauer, z. B. für 1,5 Sekunden. In dieser Zeitdauer wird der Schwingkreis 8, 10 durch den jeweiligen Impulskontakt 21 oder 23 entsprechend dem Schaltzustand des Signalkontaktes 4 in einem für den betreffenden Impulskontakt charakteristischen zeitlichen Abstand an das Netz angeschaltet. Dadurch entstehen die Signale der bereits beschriebenen Art und zwar in Form einer Impulsserie, deren zeitliche
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Länge der Zeitdauer entspricht, in welcher der Hauptkontakt 27 geschlossen ist.
Die im elektrischen Zustand des Signalkontaktes 4 enthaltene Information erscheint nunmehr im Fernwirkkanal als eine Serie von Anschaltimpulsen einer für die Stellung des Signalkontaktes 4 charakteristische Trägerfrequenz. Die für die übertra- gung vor allem wesentliche Erstamplitude der Anschaltimpulse ist mit einer ebenfalls für den jeweiligen Zustand des Signalkontaktes 4 charakteristischen Frequenz zu praktisch IOOo/o moduliert, beispielsweise mit 6,25 Hz oder mit 4 Hz oder dergleichen, wie beschrieben.
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 Impulsgeber 11. Durch entsprechende Einstellung der Nockenscheibe 25 ist erreicht, dass die Hauptkontakte 27 aller gestarteten Impulsgeber 11 zu verschiedenen Zeiten geschlossen sind, so dass ein Signalgeber nach dem anderen seine Information abgibt, ohne dass Überschneidungen der Informationen auftreten.
Die zeitliche Aufeinanderfolge, in der die einzelnen Signalgeber ihre Informationen abgeben, ist festgelegt und dient zur Identifikation der einzelnen Signalgeber 3. Eine zentrale Empfangsstelle 37 kennt den Zeitpunkt des Aufrufes aller in die Fern- wirkeinrichtung einbezogenen Signalgeber 3 und kann so jede in der Empfangsstelle eintreffende Im- pulsserie einem bestimmten Signalgeber 3 zuordnen.
Zur Auskopplung der Signale aus dem überlagerten 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 Signalwechselspan- nungen auftreten. Diese gelangen über Bandfilter 40 und 41 in welchen die ausserhalb der gewünschten Frequenzbänder liegenden Spannungen ausgesiebt werden, und über Verstärker 42 und 43 zu Demo- dulatoren 44 und 45. Die demoduherte Spannung wird nun Korrelationssystemen, z.
B. an sich bekannten Ringmodulatoren 46 und 47 zugeführt.
Jedes der Bandfilter ist für eine der möglichen Trägerfrequenzen bzw. deren durch die Modulation erzeugte Seitenbänder durchlässig, während die Schaltfrequenz je eines der Ringmodulatoren 46, 47 identisch mit je einer der vom Impulsgeber 11 erzeugten Modulationsfrequenzen ist, so dass am Ausgang des Ringmodulators eine Gleichspannung entsteht, wenn ein der Schaltfrequenz des Ringmodula- tors entsprechendes Signal im Fernwirkkanal anliegt. Diese Gleichspannung wird in einem Integrationsglied 48 bzw. 49 geglättet und über einen Verstärker 50 bzw. 51 einen Relais 52 bzw. 53 mit je einem Arbeitskontakt 54 bzw. 55 zugeführt.
Jeder der in. der erwähnten Betriebsart als stark selektives Filter wirkenden Ringmodulatoren 46 und 47 besteht mit Vorteil aus zwei parallel arbeitenden Korrelationssystemen, wobei der Kontaktzyklus des ersten Systems gegenüber dem des zweiten um 90 phasenverschoben ist, so dass zwischen der Signalspannung und den Kontaktzyklen der Ringmodula- toren ohne Nachteil jede beliebige Phasenverschiebung auftreten kann.
In der Empfangsstelle 37 muss für jede Trägerfrequenz ein Bandfilter und für jedes belegte Kontaktelement (z. B. 5; 6) des Signalkontaktes 4 ein Paar von Korrelationssystemen und je ein diesen nachgeschaltetes Relais (z. B. 52; 53) angeordnet sein.
Aufgrund der bisherigen Erläuterungen ist einzusehen, dass die Schaltstellung aller in der Empfangsstelle befindlichen Arbeitskontakte 54; 55 in einem definierten Zeitmoment ein Abbild des elektrischen Zustandes des Signalkontaktes 4 eines ganz bestimmten Signalgebers 3 der Fernwirkeinrichtung darstellt. Diese Schaltstellung der Arbeitskontakte 54; 55 wird nun in der Empfangsstelle 37 entsprechend ausgewertet.
An Stelle des in der Figur gezeigten Impulsgebers 11 sind selbstverständlich auch andersartige mechanische Steuervorrichtungen für die Impulskontakte 21, 23 denkbar; die Erzeugung der Anschalt- impulse kann auch durch rein elektronische Schalt- glieder erfolgen, desgleichen mit Hilfe von Schwingzungen-Kontakten bzw.
durch von Stimmgabeln gesteuerte Impulskontakte. Schliesslich ist es auch möglich, dem Signalkontakt 4 selbst durch Stimmgabeloder Schwingzungensteuerung Eigenschaften eines Impulskontaktes zu geben, der in jeder Schaltstellung durch mechanische Verstimmung des Schwingsystems unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen erzeugt. Auch die beschriebene Ausbildung der Empfangseinrichtungen erlaubt mannigfache Abwandlungen im Rahmen aequivalenter Mittel.
Im vorstehenden wurde gezeigt, dass es aufgrund der Erfindung nunmehr möglich ist, mit sehr einfachen Sende- und Empfangseinrichtungen geringer Leistung Informationen über einen bereits vorhandenen und weitverzweigten, jedoch zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal, wie ihn ein Verteilungsnetz für elektrische Energie darstellt, zuverlässig in beliebiger Richtung, also insbesondere auch entgegen der Flussrichtung der Netzenergie, zu übertragen. Störspannungen,
die innerhalb des von den Bandfiltern 40 und 41 der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbandes liegen, können die Informationsübertragung nur dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls mit einer der für die Signale ge- wählten Modulationsfrequenzen moduliert sind und genügend lange Zeit andauern, z. B. eine Sekunde, wofür die Wahrscheinlichkeit äusserst gering ist.
Durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Umschalter könnten beispielsweise zu Kontroll- zwecken der Impulskontakt 21 mit der Anzapfung 9
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und der Impulskontakt 23 mit dem Ende 31 der Spule 10 des Reihenschwingkreises verbunden werden. Diese Massnahme lässt sich natürlich auch zur Erhöhung der übertragbaren Informationsmenge anwenden.
Durch einfache Schaltungsmassnahmen kann mit den an sich in beliebiger Zahl vorsehbaren Trägerund Modulationsfrequenzen eine Vielfalt von Kombinationen gebildet werden, die natürlich bei der Wahl der Auswerteglieder des Signalempfängers 37 zu berücksichtigen sind, so dass sich mit dieser einfachen Einrichtung allenfalls bereits ohne Zuhilfenahme einer Kodierung der gesendeten Impulsreihen mehrstel- lige Zahlenwerte übertragen lassen. - Zur Veränderung der Eigenschwingungszahl des Schwingkreises 8, 10 sind ausser der Anzapfung der Spule natürlich alle bekannten Massnahmen anwendbar, z.
B. eine Änderung der Kapazität des Kondensators 8 oder eine Änderung eines Luftspaltes in einem Eisenkern der Spule 10. Besonders durch die zuletzt genannte Massnahme ergibt sich die zusätzliche Möglichkeit, an Stelle der Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz dieser auch eine Frequenzmodulation zu erteilen oder beide Modulationsarten gleichzeitig anzuwenden.
Dies kann ebenfalls durch mindestens eine Nockenscheibe geschehen, die nach den hier für die Erzielung einer Amplitudenmodulation gegebenen Regeln ein Modulationsglied betätigt und damit auf rein mechanischem Wege durch Luftspaltän- derung oder durch Zu- und Abschaltung von elektrischen Gliedern, eine periodische Verstimmung des Schwingkreises 8, 10 erzeugt. Die Referenzfrequenz der Korrelationssysteme 46, 47 des Signalempfängers 37 ist dann der verwendeten Modulationsart anzupassen.
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Device for remote transmission of signals via a supply network for electrical energy The present invention relates to an embodiment of the telecontrol device according to main patent no. 404774 in the sense of a further improvement in the transmission reliability.
The device according to the main patent enables a remote transmission of information contained in the switching state of an electrical contact, in which a supply network for electrical energy represents part of the transmission path.
A device of this type is suitable for remote control and remote counting systems with several locally taxed signal transmitters.
In ripple control technology, signals in the form of audio frequency voltages generated in special trone frequency generators are superimposed on a distribution network for electrical energy. These audio frequency voltages can be modulated by the receiver to achieve feedback signals, the audio frequency voltage having to be superimposed on the distribution network for the entire duration of the feedback.
As is known, however, it is also possible to generate ripple control signals without the aid of a special audio frequency generator, simply by connecting an electrical oscillating circuit or just a capacitor that forms an oscillating circuit with the inductance of the distribution network, to a distribution network carrying AC voltage, with the charging and The discharge process of the oscillating circuit that is switched on at the rate of the mains frequency causes medium or high frequency compensating oscillations,
which propagate as alternating current signals in the relevant network complex and which can be separated from the mains alternating current by electrical filter circuits and evaluated in receiving devices.
Because of the diverse interference voltages that occur in power distribution networks, large transmission powers are required in ripple control systems in order to achieve adequate transmission reliability. For this reason, known ripple control devices can practically not be used for tasks in telecontrol technology if a system contains several signal transmitters for different signals, because each signal transmitter would then have to be designed as a very powerful transmitter.
A suitable device for the remote transmission of signals via an alternating voltage leading supply network for electrical energy, in which the signals of the alternating voltage are superimposed, with at least one signal transmitter and a signal receiver as well as with an electrical connected in series with a pulse contact to the supply network A series resonant circuit, which is connected to the supply network in pulses for the duration of the signal transmission, has, according to the main patent, the mark
that the time interval between the individual, successive switch-on pulses of a pulse series is not equal to the single or multiple integer value of half the period of the alternating mains voltage superimposed with the signals.
By following this dimensioning rule, it is possible to separate even very weak signals in the receiver perfectly and clearly from all disturbance variables that usually occur in power supply networks, so that reliable signal transmission in galvanically connected areas of a power distribution network with transmission powers of just a few watts, i.e. with very low transmission level and therefore with extremely simple transmitters.
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It has now been found that the transmission security of such devices or the amount of information that can be transmitted with them can be further increased significantly without the use of significant means and the transmission level can at best be further reduced if the device defined in the claim of the main patent is also the one for features characterizing the present invention that the electrical resonant circuit has at least two selectable natural oscillation numbers,
the first of which is assigned to a first and the second of which is assigned to a second of at least two differently modulated pulse series as the carrier frequency, and that furthermore selective evaluation elements for the respective carrier frequency and its modulation frequency are arranged in the signal receiver for each of the carrier frequencies.
Details emerge from the exemplary embodiment described below with reference to the drawing figures.
1 shows a voltage diagram and FIG. 2 shows a diagram of a telecontrol device.
In a supply network for electrical energy, usually referred to in the following for short network, the frequency of the network AC voltage is z. B. 50 Hz, their period duration thus 20 milliseconds (abbreviated: ms). When an electrical oscillating circuit consisting of an inductive and a capacitive element is connected to the network, an alternating current is formed with a frequency prescribed by the natural frequency of the oscillating circuit, the initial amplitude of which is proportional to the instantaneous value of the mains voltage at the time of connection and its logarithmic decrement of the damping of the resonant circuit is dependent.
When the oscillating circuit is switched off, the capacitive element of this oscillating circuit has a charge whose polarity and size correspond to the instantaneous value of the mains voltage at the time of switching off.
In order to achieve the largest possible inrush current, the next connection of the resonant circuit is advantageously carried out in a half-wave of the mains voltage with opposite polarity, but according to the invention with a different amount of the instantaneous value of the mains voltage than the previous connection. This is illustrated in FIG. 1.
For example, the time t1 of the first connection coincides with the peak value of a positive half-cycle (+) of the mains voltage U, the time of the shutdown t2 coincides with the peak value of the next positive half-cycle; the on-time A of the resonant circuit is then a period of the mains voltage, that is, 20 ms. The second connection, following a pulse pause P, now only sets a small amount of time Z, e.g.
B. 2 ms, after the occurrence of the peak value of the negative half-wave (-) of the mains voltage following the positive half-wave (+), which was switched off; the period T of a connection, that is the time interval between the individual connection pulses, is therefore 32 ms in the example chosen; Switch-on duration A and pulse pause P are therefore dimensioned differently.
In the example presented, the time of connection coincides with homologous instantaneous values of the mains voltage after every five connection periods, corresponding to a period of 160 ms. During this period, the amount of the initial amplitude of the inrush current changes between a maximum value and a value equal to or close to zero, depending on the amount of the instantaneous value of the mains voltage at the time of the first connection within a series of switch-on pulses.The inrush current of the resonant circuit is therefore in the example discussed with (160 ms) -1 = 6,
25 Hz modulated practically 100%. By choosing any switch-on periods T within the scope of this rating rule, other modulation frequencies of the switch-on current can also be achieved, e.g. B. 4 Hz.
An example for the practical implementation and application of the invention is shown in FIG.
A low-voltage network 1, for example a district network for the public power supply, which is fed by a distribution transformer 2, serves as the telecontrol channel. The telecontrol task consists in transmitting the electrical status of the signal contacts of a large number of signal transmitters to a central receiving point. Volume meters serve as signal transmitters to measure the consumption of public consumer goods such as gas, water, electricity.
In FIG. 2, an electricity meter is indicated as a signal generator 3, which switches a signal contact 4 from a contact element 5 to a contact element 6 and vice versa after measuring a certain amount of consumption. The electricity meter measures the electrical work converted in a consumer 7.
The signal transmitter 3 is assigned an electrical series resonant circuit, consisting of a capacitor 8 and a coil 10 having a tap 9, as well as a pulse transmitter 11, as a transmitter device. The pulse generator 11 has z. B. three shafts 15, 16, 17 coupled via pairs of gears 12, 13, 14 at different speeds which are in a fixed ratio to the speed of a drive shaft 19 moved by a clockwork or, as shown, by a synchronous motor 18.
A cam disk 20, which acts on a first pulse contact 21, is fastened on the shaft 15, while the shaft 16 carries a cam disk 22 for actuating a second pulse contact 23. Finally, two cam disks 24 and 25 are arranged on the shaft 17, the first of which controls a motor contact 26 and the second of which controls a main contact 27. The cam disk 25 can by means of a
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Slipping clutch 28 or by means of an adjusting screw relative to the cam disk 24 can be turned by hand.
The parts just described are included in an electrical circuit as follows: A branch line 29 is connected to the low-voltage network 1 in one phase. From a phase conductor of the branch line 29, a connection line 30 leads via the main contact 27 to the capacitor 8 of the series resonant circuit 8, 10, and from one coil end 31 of the coil 10 via the first pulse contact 21 to the contact element 5 of the signal contact 4, while the tap 9 of the coil 10 is connected to the contact element 6 of the signal contact 4 via the second pulse contact 23,
the switching arm of which is connected to the neutral conductor 0 of the branch line 29 via a line 32.
The signal generator 3 is also connected to the branch line 29, which also supplies the operating voltage for the synchronous motor 18 on the one hand via the connecting line 30, a control contact 33, a line 34 and on the other hand via a connecting line 35. The motor contact 26 is electrically parallel to the control contact 33, which is actuated by a time switch or by a ripple control receiver 36 connected to the low-voltage network 1. If a timer is arranged, this can also serve as a drive for the pulse generator 11, timer or remote control receiver 36 are usually only used by the remote control device described, so they also perform other tasks, e.g. B.
Tariff switching, switching on and off of consumers, etc., but this is not shown in the drawing.
The parts of the figure described above are arranged at the location of each signal transmitter 3; a timer or a ripple control receiver 36 can, however, operate several signal generators 3 with pulse generators 11 and then has a corresponding number of control contacts 33.
The part of the telecontrol device described so far works as follows: The information to be transmitted is contained in the electrical state of the signal contact 4, it can have the form a or b, then the signal contact 4 is a changeover switch with two contact elements 5, 6 the signal contact 4 has more than two contact elements; the information can then have at least as many different forms as there are contact elements. In the simplest case, the information has a content of a or zero, the signal contact 4 would then have only one contact element and an off position and thus correspond to a simple on-off contact.
Each contact element, e.g. B. 5, 6, of the signal contact 4 is connected to a pulse contact 21 or 23 associated therewith, occupied; the pulse generator 11 thus has as many pulse contacts and cam disks controlling them as there are occupied contact elements on the signal contact 4. As can be seen from the drawing, the resonant circuit 8, 10 is electrically in series with the signal contact 4 and one of the pulse contacts 21 and 23 and is connected to the mains voltage every time the pulse contact concerned is closed, provided that the main contact 27 is closed .
As mentioned, electrical compensating oscillations S (FIG. 1) arise, which are superimposed on the network as signal currents and which are thus passed on via the network. The frequency of these compensating oscillations, which serve as carriers, depends on which of the two pulse contacts 21 and 23 is currently effective for signaling, since the resonant circuit 8, 10 has a different coordination for each of the pulse contacts.
The time interval T between the individual switch-on pulses and thus the duration of a switching cycle of a pulse contact is equal to the reciprocal product of the number of cams on the cam disc controlling the pulse contact and the speed of this cam disc. For each cam disc controlling a pulse contact, the reciprocal value of the product of the speed and number of cams, i.e. the duration of a switch-on period T, is selected to be different and unequal to the single or multiple multiple value of half the period duration of the AC mains voltage.
A value of z. B. called 32 ms; it could e.g. B. but also 11 ms or 31, 25 ms or any other values, preferably those that are close to an odd multiple of half the period of the AC mains voltage and which result in modulation frequencies in the manner already described, which are a sufficient distance from interference frequencies and network harmonics exhibit.
When the control contact 33 closes, the drive shaft 19 of the pulse generator 11 designed as a rotating cam switch is set in motion, be it by switching on the synchronous motor 18 or by z. B. electromagnetic coupling of the drive shaft 19 in a continuously running clockwork drive, which the drive shaft 19 a constant speed of z. B. granted 50 revolutions per second.
Shortly after the pulse generator 11 starts, the motor contact 26 closes and holds the drive, e.g. B. the synchronous motor 18, energized for one full revolution of the cam 24.
A fixed period of time after the start of the pulse generator 11, the main contact 27 closes for a period of time determined by the design of the cam disk 25, e.g. B. for 1.5 seconds. During this period of time, the resonant circuit 8, 10 is connected to the network by the respective pulse contact 21 or 23 according to the switching state of the signal contact 4 at a time interval characteristic of the pulse contact in question. This creates the signals of the type already described in the form of a series of impulses, their temporal
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Length corresponds to the time period in which the main contact 27 is closed.
The information contained in the electrical state of the signal contact 4 now appears in the telecontrol channel as a series of switch-on pulses with a carrier frequency characteristic of the position of the signal contact 4. The first amplitude of the switch-on impulses, which is essential for the transmission, is modulated to practically 100% with a frequency which is also characteristic of the respective state of the signal contact 4, for example at 6.25 Hz or 4 Hz or the like, as described.
With the aid of the ripple control receiver 36 (or a time switch), the series of pulses, that is to say the information, can be called up at a desired point in time. It is possible to call up many signal generators 3 at the same time with a single ripple control command. At the moment of the call, that is, when the control contact 33 closes, all pulse generators 11 start. By setting the cam disk 25 accordingly, the main contacts 27 of all started pulse generators 11 are closed at different times, so that one signal generator after the other provides its information without overlapping the information.
The chronological sequence in which the individual signal generators deliver their information is fixed and serves to identify the individual signal generators 3. A central receiving station 37 knows the time of the call of all signal generators 3 included in the telecontrol device and can thus each arrive at the receiving station Assign the pulse series to a specific signal transmitter 3.
To decouple the signals from the superimposed low-voltage network 1, a transmitter z. B. a current transformer 38 is arranged with a load resistor 39, at the terminals of which, inter alia, the signal alternating voltages occur. These pass through band filters 40 and 41, in which the voltages lying outside the desired frequency bands are filtered out, and via amplifiers 42 and 43 to demodulators 44 and 45. The demodulated voltage is now used in correlation systems, e.g.
B. ring modulators 46 and 47 known per se are supplied.
Each of the band filters is permeable to one of the possible carrier frequencies or their sidebands generated by the modulation, while the switching frequency of each of the ring modulators 46, 47 is identical to one of the modulation frequencies generated by the pulse generator 11, so that a DC voltage is generated at the output of the ring modulator if a signal corresponding to the switching frequency of the ring modulator is present in the telecontrol channel. This DC voltage is smoothed in an integration element 48 or 49 and fed via an amplifier 50 or 51 to a relay 52 or 53, each with a make contact 54 or 55.
Each of the ring modulators 46 and 47, which act as a highly selective filter in the aforementioned operating mode, advantageously consists of two correlation systems working in parallel, the contact cycle of the first system being 90 out of phase with that of the second, so that between the signal voltage and the contact cycles of the ring modules - gates without disadvantage any phase shift can occur.
A band filter for each carrier frequency and for each occupied contact element (e.g. 5; 6) of the signal contact 4 a pair of correlation systems and a relay connected downstream of them (e.g. 52; 53) must be arranged in the receiving point 37.
Based on the explanations given so far, it can be seen that the switching position of all the normally open contacts 54; 55 represents an image of the electrical state of the signal contact 4 of a very specific signal transmitter 3 of the telecontrol device at a defined time instant. This switching position of the working contacts 54; 55 is now evaluated accordingly in the receiving station 37.
Instead of the pulse generator 11 shown in the figure, other types of mechanical control devices for the pulse contacts 21, 23 are of course also conceivable; The activation impulses can also be generated by purely electronic switching elements, likewise with the help of vibrating tongue contacts or
through impulse contacts controlled by tuning forks. Finally, it is also possible to give the signal contact 4 itself by means of tuning fork or vibrating tongue control properties of a pulse contact which generates different pulse repetition frequencies in each switching position by mechanically detuning the vibrating system. The described design of the receiving devices also allows manifold modifications within the framework of equivalent means.
In the above it was shown that, due to the invention, it is now possible, with very simple low-power transmitting and receiving devices, reliably in any direction via an already existing and widely ramified telecontrol channel that is exposed to numerous interference influences, such as a distribution network for electrical energy , in particular against the direction of flow of the network energy. Interference voltages,
which are within the frequency band passed by the band filters 40 and 41 of the receiving station 37 can only impair the transmission of information if they are also modulated with one of the modulation frequencies selected for the signals and last a long enough time, e.g. B. a second, for which the probability is extremely low.
A changeover switch (not shown in the drawing) could, for example, be used to control the pulse contact 21 with the tap 9
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and the pulse contact 23 can be connected to the end 31 of the coil 10 of the series resonant circuit. This measure can of course also be used to increase the amount of information that can be transmitted.
By means of simple circuit measures, a variety of combinations can be formed with the carrier and modulation frequencies, which can be provided in any number, which of course must be taken into account when choosing the evaluation elements of the signal receiver 37, so that this simple device can be used without the aid of a coding of the transmitted Have multiple-digit numerical values transmitted by pulse series. - To change the natural frequency of the oscillating circuit 8, 10, apart from tapping the coil, of course, all known measures can be used, e.g.
B. a change in the capacitance of the capacitor 8 or a change in an air gap in an iron core of the coil 10. The last-mentioned measure in particular provides the additional option of giving the carrier frequency a frequency modulation instead of the amplitude modulation or of using both types of modulation at the same time .
This can also be done by at least one cam disk which actuates a modulation element according to the rules given here for achieving amplitude modulation and thus periodically detuning the resonant circuit 8 in a purely mechanical way by changing the air gap or by connecting and disconnecting electrical elements. 10 generated. The reference frequency of the correlation systems 46, 47 of the signal receiver 37 must then be adapted to the type of modulation used.