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Einrichtung zur Fernübertragung von Signalen über ein Versorgungsnetz für elektrische Energie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausführungsform der Einrichtung nach dem Hauptpatent. Die Einrichtung nach dem Hauptpatent ermöglicht eine Fernübertragung von im Schaltzustand eines elektrischen Kontaktes enthaltenen Informationen, bei der ein Versorgungsnetz für elektrische Energie einen Teil des Uebertragtungsweges darstellt. Eine Einrichtung dieser Art einet sich für Fernsteuer- und Fernzählanlagen mit mehreren, örtlich verstreut angeordneten Siynalgebern.
In der Rundsteuertechnik werden in der Regel Signale in Form von in besonderen Tonfrequenzgeneratoren erzeugten Tonfrequenzspannungen einem Verteilungsnetz für elektrische Energie überlagert. Diese Tonfrequenzspanntungen können zur Erzielung von Rückmeldesignalen vom Empfänger moduliert sein, wobei die Tonfrequenzspannung dem Vertei- lunogsnetz 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 Induktivität 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 Ausgleichschwingungen 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 rosse Sendeleistungen, um eine hinreichende Uebertragungssicherheit zu erzielen. Aus diesem Grunda können bekannte Rundsteuer- einrichtunaen für Aufgaben der Fernwirktechnik praktisch nicht verwendet werden, wenn eine Anlage mehrere Signalgeber für unterschiedliche Signale enthält, dznn jeder Signalgeber müsste dann als sehr leistungsfähiger Sender ausgebildet sein.
Eine Einrichtunc zur Fernübertragung von Signalen über ein Wechselspannung führendes Versorgungsnetz für elektrische Energie, bei der die Signale der Netzwechselspannung überlagert sind, mit mindestens einem Signalaeber und einem Signalempfänger sowie mit einem bei jedem Signalgeber angeordneten, in Reihe mit einem Impulskontakt an das Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Schwingkreis, der für die Zeitdauer der Signalübertragung impulsweise an das Versorgungsnetz angeschaltet ist, besitzt gemäss dem Hauptpatent das Kennzeichen,
class der zeitliche Abstand der einzelnen aufeinanderfolgenden Anschaltimpulse einer Impulsserie ungleich dem einfachen oder ganzzahligen 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 Störgrössen zu trennen, so dass eine zuverlässige Signalübertragung in galvanisch verbundenen Bezirken eines Energie- verteilunasnctzes bereits mit Sendeleistungen von nur einigen Watt, also mit sehr niedrigem Sendepegel und daher mit äusserst einfachen Sendern, möglich ist.
Es wurzle nun gefunden, dass die zu übertragenden Informationen ohne nennenswerten Mehraufwand mit zusätzlichen Informationselementen z. B. mit einem Kenntin @;ssignal für Gien einzelnen Signal-
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geber ausgestattet werden können. wenn die im Hauptpatent definierte Einrichtung ausserdem die für die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Merkmale besitzt. dass der elektrische Schwingkreis mindestens zwei durch wenigstens einen Signalkontakt wählbare Eigenschwingungszahlen sowie ein durch einen Modulator betätigtes Abstinmorgan zur Ver- änderung dieser Eigenschwingungszahlen von solcher Beniessunil aufweist.
dass sich die vom Abstimmorgan unm die gewählten Eigenschwingungszahlen gebildeten Frequenzbänder nicht überschneiden, und dass ferner im Signalempfänger für Amplituden- und Frequenzmodulation selektiv empfindliche Auswerteglieder 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 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 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, 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 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 Leitpunkt der Anschaltung nach jeweils fünf Anschaltperioden, entsprechend einem Zeitraum von 160 nis, mit honolu- gzen Monmentanwerten der Netzspannung zusammen. In diesem Zeitraum ändert sich der Betrau, der Erstamplitude des Einschaltstromstosses zwischen einem Höchstwert und einem Wert gleich oder nahe bei Null. je nach dem Betrag des Momentantartes der Netzspannung zum Zeitpunkt der ersten Anschaltung innerhalb einer Serie von Anschaltimpulsen. Der Einschaltstrom des Schwingkreises ist also im besprochenen Beispiel mit (160 mns)-' = 6,25 Hz praktisch zu 100 Prozent amplitudenmoduliert.
Dieser Amplitudenmodulation der als Träger wirkenden Eisenfrequenz 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 Stromversorgtung, das von einem Verteiltransforma- tor 2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht z. B. darin. den elektrischen Zustand der Shinalkontakte einer grösseren Anzahl von Signalgebcrn an eine zentrale Empfangsstelle zu melden. Als Signalgeber dienen Mengennmesser 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 Vcrbrauclismenge einen Signalkontakt 4 von einem Kontaktelement 5 auf ein Kontaktelement 6 umschalta 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 Leitfä- higkeit 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 Svnchronmotor 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 Abstimmorgans 13 trägt. Die Kurvenscheibe 24 steht mit dem Abstimmorgan 13 über einen in der Figur strichpunktiert angedeuteten Wir- kun@gspfad 25 in Verbindung. Diese Verbindung kann
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auch in einer Identität der Kurvenscheibe 24 mit dem Abstimmorgan 13 bestehen, indem diese beispielsweise mit ihrem äusseren Teil, der Zonen unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit aufweist, in einem Luftspalt des Eisenkernes 12 der Schwing- Kreisspule 10 rotiert.
Die Bezeichnung Kurvenscheibe ist mithin mechanisch oder magnetisch aufzu- #assen.
Schliesslich sind auf der Welle 19 zwei Nockenscheiben 26 und 2 7 an2eordnet. deren erste einen Motorkontakt 2S und deren zweite einen Hauptkon- #akt 29 steuert. Die Nockenscheibe 27 kann mittels :iner Rutschkupplung 30 oder mittels einer Stell- schlrraube gegenüber der Nockenscheibe 26 von Hand verdreht werden.
Vom Phasenleiter einer an das Niederspannungs- netz 1 einphasig angeschlossenen Abzweigleitung 31 führt eine Verbindungsleitung 32 über den Haupt- lkontakt 29 zum Impulskontakt 23, und von diesem über den Kondensator S 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 Kontakt- eicnment 5 des Siumalkontaktes 4, dessen Schaltarm #m 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 andererseits über eine An- Sclhltussleitung 35 liefert.
Der Motorkontakt 28 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 das Laufwerk 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 Laufwer- #en 11 bedienen und weist dann entsprechend viele Steuerkontakte 33 auf.
Der bisher beschriebene Teil der Fernwirkein- r ichtutig 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 Signal- ktotakt 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 aufwei- sen, wie Kontaktelemente angeordnet sind. Natürlich sind dann entsprechend viele Anzapfungen der Schwingkreisspule 10 oder aequivalente Mittel zur Aenderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises erforderlich.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegt der Schwingkreis 8, 10 mit dem Signalkontakt 4 und dem Impulskontakt 23 elektrisch in Reihe und wird bei jedem Schliessen des Impulskontaktes an die Netzspannung angeschaltet, vorausgesetzt, dass der Hauptkontakt 29 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.
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 die den Impulskontakt 23 steuernde Nockenscheibe 22 ist der Kehrwert des Produktes aus Drehzahl und Nockenzahl, also die Dauer einer Anschaltperiode T, unterschiedlich und ungleich dem einfachen oder ganzzahliRen 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 ungeradzahligenVielfachen der halben Periodendauer der Netzwechselspannung liegen und die in der bereits beschriebenen Weise i%-lodulationsfrequenzen ergeben, welche von Störfrequenzen und Netzharmonischen einen hinreichenden Abstand aufweisen. Mit Vorteil ist die Zeitdauer, in der der Impulskontakt 23 während eines Schaltzyklus -"schlossen ist, ungleich lang, vorzugsweise länger bemessen wie die Zeitdauer, in welcher der Impulskontakt 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 Synchronmotors 20 oder durch z. B. elektromagnetisches Einkuppeln der Antriebswelle 21 in einen ständig laufenden UhrwerkAntrieb, welcher der Antriebswelle 21 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 Umdrehungen pro Sekunde 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 1,5 Sekunden. In dieser Zeitdauer wird der Schwingkreis 8, 10 durch den Impulskontakt 23 in einem für den Impulskontakt 23 charakteristischen Rhythmus an das Netz angeschaltet. Die auf der Welle 18 synchron, jedoch mit einer
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anderen Drehzahl als die Nockenscheibe 22 umlaufende Kurvenscheibe 24 verstimmt gleichzeitig den Schwingkreis 8, 10 im Takte ihres Umlaufes. Die Verstimmung ist vorzugsweise so bemessen, dass sich die durch die Modulation um die vom Signalkontakt 4. gewählten Grund-Eigenfrequenzen des Schwingkreises 8, 10 erzeugten Frequenzbänder nicht überschneiden. damit eine stets cindeutige Auswertunu der Signale möglich ist.
Die Signale der beschriebenen Art haben die Form einer Serie von amplituden- und frequenzmodulierten Trägerfrequenzimpulsen, deren Grund-Trägerfrequenz 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, IO 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 Informatonselemente 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 Amplitudenmodulationsfrequenzen 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 Nok- kenscheibe 27 ist erreicht, dass die Hauptkontakte 29 aller gestarteten Laufwerke 11 zu verschiedenen Zeiten geschlossen sind, so dass ein Signalgeber nach dem anderen seine Information abgibt, ohne dass Ueberschneidungen 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 Auskoppelung der Signale aus dem überlagerten Niederspannungsnetz 1 ist in der Empfangs- stelle 37 ein Ucbertrager, z. B. ein Stromwandler 38 mit einem Arbeitswiderstand 39 angeordnet. an dessen Klemmen unter anderem die Signalwechselspannungen auftreten. Diese werden nun in einem Si2nal- empfäinger 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 für den Impulskontakt 23 und das Abstimmorgan 13 denkbar; diese Funktionen können auch durch rein elektronische Schaltglieder übernommen 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 bereits vorhandenen und weitverzweigten. jedoch zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal. wie ihn ein Verteilungsnetz für elek#iische Ener- aie darstellt, zuverlässig in beliebiger #ichtung, also insbesondere auch entgegen der Flussrichtung der Netzenergie, zu übertragen.
Störspannungen. die innerhalb der von den Selektivdiedern der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbänder liegen, können die Informationsübertragung num dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls mit den für die Signale gewählten Modulationsfrequenzen moduliert sind und genügend lange Zeit andauern. z. B. ein;- Sekunde, wofür die Wahrscheinlichkeit äusserst gering ist.
Als Hauptanwendungsgebiet der Erfindung gilt die Ermittlung und Abrechnun-- des Verbrauches von öffentlichen Verbrauchsgütern, z. B. von Gas, Flüssigkeit und elektrischer Ener#-,ie. Den durch die Erfindung 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 Signalübertragun- ge:- währleistet.
Die Signalsendungen erfolgen vorzugsweise während der Stunden geringer Belastung des Fernwirk- kanals, z. B. während der Nachtstunden. Zur Ueber- traaung 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 Uebertragungs-eschwindigkeiten, wie sie für die praktische Anwendung von Einrichtungen zur Verbrauchsermittlung im angegebenen Sinne ausschlag- gebend sind.
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