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Die Erfindung betrifft einen Lichtbogendetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Es sind Detektoren zur Lichtbogenerkennung in elektrischen Netzen bekannt. Derartige Detektoren analysieren ein in dem elektrischen Netz auftretendes Stromsignal und versuchen, anhand von Vergleichen mit gespeicherten Mustern, aus dem aufgenommenen Signalverlauf darauf zu schließen, ob ein Lichtbogen als Ursache dieses Signalverlaufens anzunehmen ist. Diesbezüglich ist es derzeit üblich den Signalverlauf mit hoher Samplingrate Analog/Digital zu wandeln, dieses digitale Signal vom Zeitbereich in einen Bildbereich zu transformieren und nachfolgend in dem transformierten Signal nach Mustern zu suchen, welche möglichst eindeutig einem Lichtbogen zuzuordnen sind.
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Derartige bekannte Detektoren weisen den Nachteil auf, dass die angewendete Technik, etwa die Transformationsverfahren, üblich ist etwa eine Wavelet-Transformation bzw. eine Gabor-Transformation, sowie die verwendeten Algorithmen zum Mustervergleich, eine sehr hohe Rechenleistung erforderlich machen. Zudem ist eine hohe Samplingrate erforderlich, da sich derartige Analysemethoden auch und vor allem auf hochfrequente Informationen stützen. Bedingt durch die hohe Samplingrate, die hohe Rechenleistung und dem hohen Speicherbedarf sind derartige Detektoren sehr kostenspielig und folglich auch kaum verbreitet.
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Ein weiterer Nachteil derartiger Detektoren ist, dass diese sehr störanfällig auf hochfrequente Signale innerhalb des zu überwachenden elektrischen Netzes reagieren. So kann es etwa bei Überwachung eines Niederspannungsenergieversorgungsnetzes, welches gleichzeitig Teil einer Powerline-Kommunikation ist, zu vermehrten Fehlauslösungen kommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Lichtbogendetektor der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, mit welchem Fehlauslösung auch in Umgebunden mit hochfrequenten Störfelder weitestgehend vermieden werden können, und welcher einen geringen technischen Aufwand erfordert.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
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Dadurch kann ein Lichtbogen sicher mit einfachen Mitteln detektiert werden. Dadurch kann auf rechenintensive Transformationseinheiten verzichtet werden. Dadurch kann auf aufwendige Mustererkennungs- bzw. Vergleichsalgorithmen verzichtet werden. Bei dem gegenständlichen Lichtbogendetektor wird insbesondere das niederfrequente Verhalten des Stroms in einer Leitung untersucht. Dadurch kann darauf verzichtet werden, einen Stromverlauf hochauflösend aufzunehmen. Dadurch können aber auch Fehlauslösungen aufgrund hochfrequenter Störfelder verhindert werden. Ein derartiger Lichtbogendetektor kann daher sicher in störfeldbelasteter Umgebung eingesetzt werden, in welchen eine hohe Systemverfügbarkeit erforderlich ist, und Fehlauslösungen daher besonders zu vermeiden sind.
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Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Lichtbogendetektion in einer elektrischen Wechselstromleitung gemäß dem Patentanspruch 7.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Lichtbogendetektion anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, mit welchem Fehlauslösung auch in Umgebunden mit hochfrequenten Störfelder weitestgehend vermieden werden können, und welches einen geringen technischen Aufwand erfordert.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 7 erreicht.
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Dadurch können die vorstehend zum Lichtbogendetektor angeführten Vorteile erzielt werden.
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Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines Schutzschalters mit einem Lichtbogendetektor;
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2 einen Verlauf eines lichtbogenverursachten Stromsignals; und
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3 ein Detail eines lichtbogenverursachten Stromsignals.
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1 zeigt einen Schutzschalter 12 mit einem Lichtbogendetektor 4, wobei der Schutzschalter 12 Schaltkontakte 13 zur Unterbrechung der Wechselstromleitung 5 aufweist, und der Lichtbogendetektor 4 mit wenigstens einem der Schaltkontakte 13 wenigstens mittelbar wirkverbunden ist, um bei Detektion eines Lichtbogens die Schaltkontakte 13 des Schutzschalters 12 zu trennen.
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Der Lichtbogendetektor 4 zum Detektieren eines Lichtbogens in einer elektrischen Wechselstromleitung 5, weist wenigstens einen Stromsensor 6 zur Aufnahme eines Stromsignals 16 eines in der Wechselstromleitung 5 fließenden Stromes auf, wobei der Lichtbogendetektor 4 weiters eine Auswerteeinheit 7 aufweist, welche mit dem Stromsensor 6 verbunden ist, wobei der Lichtbogendetektor 4 weiters ein Signalmittel 8 und/oder eine Kommunikationseinrichtung 9 aufweist, welche mit der Auswerteeinheit 7 verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit 7 ausgebildet ist, zur Detektion eines Lichtbogens den zeitlichen Verlauf des Stromsignals 16 auf das Erfüllen eines vorgegebenen zeitlichen Verhaltens in einem vorgebbaren Bereich, vorzugsweise um einen Nulldurchgang, einer fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 zu analysieren.
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Dadurch kann ein Lichtbogen sicher mit einfachen Mitteln detektiert werden. Dadurch kann auf rechenintensive Transformationseinheiten verzichtet werden. Dadurch kann auf aufwendige Mustererkennungs- bzw. Vergleichsalgorithmen verzichtet werden. Bei dem gegenständlichen Lichtbogendetektor 4 wird insbesondere das niederfrequente Verhalten des Stroms in einer Wechselstromleitung 5 untersucht. Dadurch kann darauf verzichtet werden, einen Stromverlauf hochauflösend aufzunehmen. Dadurch können aber auch Fehlauslösungen aufgrund hochfrequenter Störfelder verhindert werden. Ein derartiger Lichtbogendetektor 4 kann daher sicher in störfeldbelasteter Umgebung eingesetzt werden, in welchen eine hohe Systemverfügbarkeit erforderlich ist, und Fehlauslösungen daher besonders zu vermeiden sind.
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Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Lichtbogendetektor 4 für Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsleitungen 5, daher einen Vorrichtung um festzustellen, ob an einer Stelle in einer elektrischen AC-Leitung 5 ein Lichtbogen auftritt. Der Lichtbogendetektor 4 analysiert zu dem Zweck der Lichtbogenerkennung den zeitlichen Verlauf des über die zu überwachende Leitung 5 fließenden elektrischen Stromes. Einleitend wird der grundsätzliche Aufbau des Lichtbogendetektors sowie eines entsprechend ausgebildeten Schutzschalters 12 beschrieben. Daran anschließend wird dessen Funktionsweise erläutert.
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Der Lichtbogendetektor 4 weist zumindest einen Stromsensor 6 zur Aufnahme eines Stromsignals 16 eines in der Wechselstromleitung 5 fließenden Stromes auf. Der Stromsensor 6 kann dabei unterschiedlich ausgebildet sein. Wie nachfolgend erläutert, ist für das gegenständliche Verfahren keine besonders hohe Zeitauflösung erforderlich, sodass auch einfache Stromsensoren 6 verwendet werden können. Entsprechende Stromsensoren 6 sind an sich bekannt.
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Der Lichtbogendetektor 4 weist weiters bevorzugt einen Analog/Digital-Wandler 11 auf, an welchen der Stromsensor 6 angeschlossen ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Analog/Digital-Wandler 11 eine Abtastfrequenz von nicht mehr als 10 kHz, vorzugsweise nicht mehr als 5 kHz, aufweist. Durch die geringe erforderliche Samplingfrequenz kann ein sehr einfacher und kostengünstiger Analog/Digital-Wandler 11 verwendet werden. Zwar können weitaus hochauflösendere Analog/Digital-Wandler 11 eingesetzt werden, jedoch ist es einer der Vorteile der gegenständlichen Erfindung, dass derartige hochauflösendere Analog/Digital-Wandler 11 eben nicht zwingend erforderlich sind.
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Der gegenständliche Lichtbogendetektor 4 kann weitere Komponenten aufweisen, wie etwa Zwischenverstärker, bzw. ein Tiefpassfilter vor dem Analog/Digital-Wandler 11.
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Der Lichtbogendetektor 4 weist weiters eine Auswerteeinheit 7 auf, welche mit dem Stromsensor 6 verbunden ist. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit 7 mittels des Analog/Digital-Wandlers 11 mit der Auswerteeinheit 7 verbunden. Die Auswerteeinheit 7 ist bevorzugt umfassend einen Mikrocontroller oder einem FPGA ausgebildet.
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Die Auswerteeinheit 7 ist mit einem Signalmittel 8 und/oder einer Kommunikationseinrichtung 9 verbunden, um im Falle eines erkannten Lichtbogens eine entsprechende Information bzw. Meldung anzuzeigen bzw. zu versenden bzw. die Schaltkontakte 13 eines Schutzschalters 12 anzusteuern. Bevorzugt ist das wenigstens einen Signalmittel 8 als Leuchtmittel und/oder als akustisches Signalmittel ausgebildet. Die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung 9 kann sowohl als elektronische als auch als mechanische Kommunikationseinrichtung 9 ausgebildet sein. Bei Ausbildung als elektronische Kommunikationseinrichtung 9 ist insbesondere vorgesehen, dass die Kommunikationseinrichtung 9 eine leitungsgebundene Busschnittstelle, etwa einen USB-Anschluss bzw. einen Ethernet-Anschluss, aufweist, und/oder dass die Kommunikationseinrichtung 9 eine drahtlose Schnittstelle, insbesondere zufolge eines Mobilfunkstandards oder gemäß IEEE 802.x bzw. Bluetooth, ausgebildet ist.
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1 zeigt einen Lichtbogendetektor 4 als Teil eines Schutzschalters 12. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung ist auch ein gegenständlicher Lichtbogendetektor 4 als eigenständiges Gerät vorgesehen. Weiters kann vorgesehen sein, den Lichtbogendetektor 4, wie auch den Schutzschalter 12 mit dem Lichtbogendetektor 4 direkt in andere elektrische Geräte zu implementieren.
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Der Schutzschalter 4 weist dabei in an sich bekannter Weise Schaltkontakte 13 auf, um eine durch den Schutzschalter 12 erlaufende elektrische Leitung 5 unterbrechen zu können. Weiters weist der Schutzschalter 12 gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Schaltschloss 14 auf, welches mit wenigstens einem beweglichen Schaltkontakt der Schaltkontakte 13 wirkverbunden ist. Der Schutzschalter 12 weist darüber hinaus bevorzugt weitere nicht dargestellte und jeweils an sich bekannte Bauteile auf, wie etwa Anschlussklemmen, ein Isolierstoffgehäuse, eine Handhabe zum manuellen Betätigen der Schaltkontakte 13. Das Schaltschloss 14 ist bei der bevorzugten Ausführungsform mittels einer mechanischen Verbindung mit der Kommunikationseinrichtung 9 verbunden. Es kann vorgesehen sein, dass der Schutzschalter 12 weitere Auslöser, etwa Fehlerstromauslöser, Überstromauslöser und/oder Kurzschlussauslöser, aufweist. Ebenso kann der Schutzschalter 12 mehrere Schaltstrecken aufweisen.
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Die Auswerteeinheit 7 ist ausgebildet, zur Detektion eines Lichtbogens den zeitlichen Verlauf des Stromsignals 16 auf das Erfüllen eines vorgegebenen zeitlichen Verhaltens in einem vorgebbaren Bereich einer fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 zu analysieren. Der gegenständliche Lichtbogendetektor 4 ist zum Einsatz in einer Wechselstromleitung 5 vorgesehen bzw. ausgebildet. Im zeitlichen Verlauf eines Wechselstroms, siehe etwa 2 oder 3, bzw. einer Wechselspannung wird der Übergang von einem positiven Spitzenwert bzw. Scheitelwert zu einem negativen Scheitelwert bzw. Talwert als fallende Flanke bezeichnet. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zeitliche Verhalten des Wechselstromes im Bereich um einen Nulldurchgang des fallenden Flanke zu analysieren, um aus dem Verhalten auf das Auftreten eines Lichtbogens in dem betreffenden Stromkreis zu schließen.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der vorgegebene zeitliche Verlauf ein Treppenfunktionskorridor 10 mit fallenden Flanken ist. Als Treppenfunktionskorridor 10 wird dabei ein Bereich angesehen, welcher gebildet wird, durch zwei zueinander beabstandete Treppenfunktionen mit fallenden Flanken. In 3 ist ein entsprechenden Treppenfunktionskorridor 10 eingezeichnet. Der Begriff „Nulldurchgang“ bezeichnet bevorzugt den Zeitpunkt, an dem das betreffende Wechselstromsignal 16 im ungestörten Betrieb von der positiven Halbwelle in die negative Halbwelle wechselt. Auch bei einem Fehler im Bereich dieses Überganges ist aufgrund der zumindest kurzzeitigen Konstanz der Netzfrequenz eine sehr genaue Vorhersage hinsichtlich eines Erwartungswertes des Zeitpunkts des Nulldurchganges möglich.
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Der Treppenfunktionskorridor 10 weit insbesondere drei zeitlich aufeinander folgende Bereiche auf. Diese Bereiche sind in 3 mit den Bezugszeichen 1, 2 und 3 bezeichnet.
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Bereich 1 bezeichnet den Bereich, in welchem während der fallenden Flanke die Spannung derart weit absinkt, dass die lokale Feldstärke an der Fehlerstelle nicht mehr ausreichend ist um einen Lichtbogen aufrecht zu erhalten. Der Lichtbogen und damit die elektrische Leitung bricht zusammen. Es fließt kein Strom mehr in dem elektrischen Kreis. Daran schließ der zweite Bereich 2 an, in welchem der Stromfluss annähernd Null ist, wobei jedoch geringer Stromfluss, etwa aufgrund von Kriechströmen oder Störeinflüssen, nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Nach dem Nulldurchgang steigt die lokale Feldstärke an der Fehlerstelle wieder an, bis es zu einem erneuten Zünden des Lichtbogens kommt. Dies macht sich durch einen sprunghaften Anstieg des Stromflusses bemerkbar, was mit Bereich 3 charakterisiert wird. Es ist selbstverständlich, dass lediglich bei rein ohmschen Kreisen das verhalten von Strom und Spannung in Phasenlage erfolgt, und dass bei induktiven oder kapazitiven Kreisen eine entsprechende Phasenverschiebung vorherrschend ist. Dies ist jedoch für die gegenständliche Erfindung nicht erheblich.
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Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass die Auswerteeinheit 7 ausgebildet ist, den Verlauf der fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 auf eine sprungartige Unterbrechung des Stromflusses, daher einen sprungartigen Abfall des Stromsignals, in der Wechselstromleitung 5 vor einem Nulldurchgang, daher innerhalb der positiven Halbwelle des Stromsignals, zu überwachen, dass die Auswerteeinheit 7 weiters ausgebildet ist, nachfolgend einer detektierten sprunghaften Unterbrechung des Stromflusses eine Signalamplitude des Stromsignals 16 zu Messen und mit einem Vergleichsgrenzwertepaar 17 zu vergleichen, und dass die Auswerteeinheit 7 ausgebildet ist, den Verlauf des Stromsignals 16 der fallenden Flanke 15 auf eine sprungartige Wiederaufnahme des Stromflusses, daher ein sprungartiger Anstieg des Stromsignals, in der Wechselstromleitung 5 zu überwachen. Durch diese Art der Überwachung kann einfach und vor allem sehr sicher gegen hochfrequente Störeinflüsse ein Lichtbogen in einer elektrischen Wechselspannungsleitung 5 erkannt werden, und nach erkennen des Lichtbogen entsprechende Maßnahmen der Warnung bzw. des Abschaltens des Stromkreises gesetzt werden.
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Das Vergleichsgrenzwertepaar 17 bezeichnet einen Bereich um den Gleichwert Null. Das betreffende Vergleichsgrenzwertepaar 17 ist in 3 eingetragen. Bevorzugt beträgt das Vergleichsgrenzwertepaar 17 plus/minus 10% Vpp.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Lichtbogendetektion in einer elektrischen Wechselstromleitung 5 ist vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf eines Stromsignals 16 eines in der Wechselstromleitung 5 fließenden Stromes von einem Stromsensor 6 aufgenommen wird, wobei, zur Detektion eines Lichtbogens, der zeitliche Verlauf des Stromsignals 16 von einer Auswerteeinheit 7 auf das Erfüllen eines vorgegebenen zeitlichen Verhaltes in einem vorgebbaren Bereich, vorzugsweise um einen Nulldurchgang, einer fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 untersucht wird, und wobei bei Erfüllen des vorgegebenen zeitlichen Verhaltens durch das Stromsignal 16 eine Lichtbogenmeldung erzeugt und vorzugsweise über ein Signalmittel 8 und/oder eine Kommunikationseinrichtung 9 ausgegeben wird.
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Wie bereits dargelegt, ist bevorzugt vorgesehen, dass der vorgegebene zeitliche Verlauf ein Treppenfunktionskorridor 10 mit fallenden Flanken ist.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass eine erste Steigung der fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 gemessen wird, dass die erste Steigung mit einem Sinussteigungserwartungswert verglichen wird, dass, wenn die erste Steigung größer ist als der Sinussteigungserwartungswert, nachfolgend eine Amplitude des Stromsignals 16 gemessen und mit einem Vergleichsgrenzwertepaar 17 vergleichen wird, dass, wenn die gemessene Amplitude des Stromsignals 16 innerhalb des durch das Vergleichsgrenzwertepaar 17 definierten Bereichs liegt, nachfolgend eine zweite Steigung der fallenden Flanke 15 des Stromsignals 16 gemessen wird, dass die zweite Steigung mit dem jeweiligen Sinussteigungserwartungswert verglichen wird, und dass, wenn die zweite Steigung größer ist als der Sinussteigungserwartungswert, das Stromsignal 16 als lichtbogenverursacht erkannt wird.
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Als Sinussteigungserwartungswert wird die Steigung bezeichnet, welche ein sinusförmiger Wechselstrom an einem betreffenden Zeitpunkt der jeweiligen Überprüfung im lichtbogenfreien Betrieb aufweisen würde. Durch Messung der Netzfrequenz sowie durch zeitliche Synchronisierung, etwa über die Scheitelwerte, kann sehr genau errechnet werden, welche Steigung das Wechselstromsignal zu einzelnen Zeitpunkten aufweisen sollte. Dies ist der Sinussteigungserwartungswert, welcher daher zu jedem Zeitpunkt ein anderer sein kann. Folglich wird der aktuelle Wert der Steigung bzw. die erste oder zweite Steigung mit einem sich ständig änderten Sinussteigungserwartungswert verglichen. Die Ermittlung der Steigung mittels Differenzierens des jeweiligen Signalverlaufens wird als an sich bekannt vorausgesetzt.
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Das gegenständliche Verfahren wird in diskreten zeitlichen Abständen nacheinander und wiederholt durchgeführt. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass Verfahren in zeitlichen Abständen zwischen 100 und 500 µs durchgeführt wird.
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Es ist weiters möglich die gegenständliche Erfindung auch auf andere Signalverläufe anzupassen bzw. zu adaptieren, als nur auf sinusförmige Spannungen bzw. Ströme, sofern es sich um Spannungen bzw. Ströme zufolge periodischer Funktionen handelt. Lediglich anstelle der Sinussteigungserwartungswerte sind entsprechend an die jeweiligen Signalfunktionen angepasste Erwartungswerte anzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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