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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Einspeisen elektrischer Impulse in eine elektrische Schutzeinrichtung,
insbesondere in einen elektrischen Zaun.
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Bekannt ist ein elektrischer Zaun,
an den zwei Impuls-Generatorsysteme
angeschlossen sind, wobei ein Generatorsystem periodisch in Abständen von
ca. einer Sekunde Impulse in den Zaun einspeist. Das zweite Generatorsystem
wird automatisch hinzu geschaltet, wenn die Bedingungen am Zaun
ungünstig
werden. Beispielsweise kann ein Bewuchs am Zaun vorhanden ist, der
zu Ableitungen führt
und somit die Spitzenspannung am Zaun reduziert. Das Unterschreiten
eines bestimmten Wertes der Spitzenspannung am Zaun ist somit eine
Bedingung für
die Hinzuschaltung des zweiten Generatorsystems.
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Bei den bekannten Generatorsystemen
werden Impulse dadurch erzeugt, daß während der Impulspause ein Speicherkondensator
aufgeladen und über
einen Transformator in den Zaun entladen wird. Der Speicherkondensator
wird auf einige Hundert Volt aufgeladen. Die Spannungspitze am Zaun
kann einige Tausend Volt betragen.
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In der
DE 198 14 523 ist ein solches Elektrozaungerät offenbart.
Das Elektrozaungerät
weist einen Ladekondensator, der über einen Transformator elektrische Hochspannungsimpulse
periodisch in einen Elektrozaun einspeist, sowie ein weiterer Ladekondensator
auf, der auf Hochspannungsniveau aufgeladen und direkt in den Elektrozaun
entladen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Impulse in
eine elektrische Schutzeinrichtung zu schaffen, mit der eine Verschlechterung
der Beschaffenheit der elektrischen Schutzeinrichtung signalisiert
werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung durch
eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Impulse in eine elektrische
Schutzeinrichtung, insbesondere in einen elektrischen Zaun. Die
Vorrichtung weist wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer
Impulse, eine Steuereinrichtung zum periodischen Ansteuern der wenigstens
einen Impuls-Erzeugungseinrichtung, einen mit der Impuls-Erzeugungseinrichtung
verbundenen Transformator zur Einspeisung elektrischer Hochspannungsimpulse
in die elektrische Schutzeinrichtung, eine Erfassungseinrichtung
zum Abtasten wenigstens eines, jeweils einem elektrischen Impuls
zugeordneten Transformator-Ausgangssignalverlaufs zu n vorbestimmten
Zeitpunkten, eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Beschaffenheit
der angeschlossenen elektrischen Schutzeinrichtung durch Vergleich jedes
Abtastwerts des wenigstens einen Transformator-Ausgangssignalverlaufs
mit einem bestimmten Referenzwert von n gespeicherten Referenzwerten, eine
Alarmeinrichtung und eine Einrichtung zum Aktivieren der Alarmeinrichtung,
wenn die Abtastwerte um einen vorbestimmten Betrag von den Referenzwerten
abweichen, auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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So kann eine Einrichtung vorgesehen
sein, die aus m zeitlich aufeinanderfolgenden Transformator-Ausgangssignalverläufen, die
von einer ersten Folge von m elektrischen Impulsen herrühren, jeweils zu
n vorbestimmten Zeitpunkten n Abtastwerte bildet und aus den jeweils
zeitlich korrespondierenden Abtastwerten der m Transformator-Ausgangssignalverläufe n erste
Mittelwerte berechnet. Eine weitere Einrichtung kann vorgesehen
sein, die aus m zeitlich aufeinanderfolgenden Transformator-Ausgangssignalverläufen, die
von wenigstens einer zweiten Folge von m elektrischen Impulsen herrühren, jeweils
zu n vorbestimmten Zeitpunkten n Abtastwerte bildet und aus den
jeweils zeitlich korrespondierenden Abtastwerten der m zeitlich
aufeinanderfolgenden Transformator-Ausgangssignalverläufe n zweite Mittelwerte berechnet,
wobei die Ermittlungseinrichtung zum Vergleichen der ersten und
zweiten Mittelwerte ausgebildet ist, und wobei die Aktivierungseinrichtung die
Alarmeinrichtung aktiviert, wenn die verglichenen ersten und zweiten
Mittelwerte um einen vorbestimmten Betrag voneinander abweichen.
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Auf diese Weise kann verhindert werden, dass
bei schleichenden Veränderungen
an dem Elektrozaun, die nicht auf eine kritische Verschlechterung
der Beschaffenheit des Elektrozauns zurückzuführen sind, die Alarmeinrichtung
ausgelöst
wird.
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Zweckmäßigerweise werden nur digitale
Signale ausgewertet. Hierzu tastet die Erfassungeinrichtung den
Transformator-Ausgangssignalverlauf
des Transformators, zu n vorbestimmten Zeitpunkten ab und führt eine
Analog-Digital-Umsetzung
der Abtastwerte durch. Jeder zur Ermittlung der Beschaffenheit der
elektrischen Schutzeinrichtung dienende Ausgangssignalverlauf rührt von
einem Impuls her, der von der Impuls-Erzeugungseinrichtung dem Transformator
zugeführt
wird. Ferner ist ein Speicher vorgesehen, in dem m vorbestimmte
Grenzwerte abgelegt sind.
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Eine Auswerteeinrichtung vergleicht
die n digitalisierten Werte des Ausgangssignals mit den m gespeicherten
Grenzwerten, um die Beschaffenheit der elektrischen Schutzeinrichtung
zu ermitteln. Die Beschaffenheit der elektrischen Schutzeinrichtung wird
insbesondere durch die Kapazität
und/oder den Ableitwiderstand der elektrischen Schutzeinrichtung bestimmt.
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Zur Darstellung der von der Auswerteeinrichtung
ermittelten Daten, die die kapazitive Last als Maß für die virtuelle.
Zaunlänge
und/oder den Ableitwiderstand als Maß für die Zaunqualität darstellen können, kann
eine Anzeigeeinrichtung eingesetzt werden.
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Die Ermittlungseinrichtung kann zum
Vergleichen von zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalverläufen ausgebildet
sein, wobei eine der Ermittlungseinrichtung zugeordnete Aktivierungseinrichtung
die Alarmeinrichtung aktiviert, wenn die verglichenen Ausgangssignale
um einen vorbestimmten Wert voneinander abweichen. Ein vorbestimmter
kritischer Wert wird erreicht, wenn die Differenz hinsichtlich der
Amplitude der Abtastwerte eines ersten Ausgangssignalverlaufs und
der Amplitude der entsprechenden Abtastwerte eines folgenden Ausgangssignalverlaufs
einen kritischen Wert überschreiten.
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Anstatt aufeinanderfolgende Ausgangssignale
unmittelbar miteinander zu vergleichen, kann die Ermittlungseinrichtung
zum Bilden eines Mittelwertes aus einer ersten Folge von zeitlich
aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen und zum Bilden eines als Referenz
dienenden Mittelwertes aus wenigstens einer zweiten Folge von zeitlich
aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen ausgebildet sein, wobei die
der Ermittlungseinrichtung zugeordnete Aktivierungseinrichtung die
Alarmeinrichtung aktiviert, wenn die verglichenen Mittelwerte um
einen vorbestimmten Wert voneinander abweichen. Auf diese Weise
wird vermieden, dass die Alarmeinrichtung durch vorübergehende
Störungen
der elektrischen Schutzeinrichtung ausgelöst wird.
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Vorteilhafterweise ist eine Anschlusseinrichtung
zum Anschalten der Vorrichtung an ein öffentliches Niederspannungsnetz
vorgesehen.
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Um zu verhindern, dass die Alarmeinrichtung und/oder
die zweite Impuls-Erzeugungseinrichtung in Folge von Netzspannungsschwankungen
ausgelöst wird,
ist eine Einrichtung zum Überwachen
der Netzspannung und zum vorübergehenden
Deaktivieren der Alarmeinrichtung und/oder der zweiten Impuls-Erzeugungseinrichtung
vorgesehen, wenn die Netzspannungsschwankungen einen vorbestimmten Wert überschreiten.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei zeigen
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1 einen
Schaltplan eines erfindungsgemäßen Elektrozaungeräts,
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2 eine
beispielhafte Spannungskurvenform eines Einzelimpuls an der Sekundärseite des Transformators,
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3 ein
Impulsdiagramm mit zwei Einzelimpulsen,
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1 zeigt
ein beispielhaftes Elektrozaungerät 10 zur periodischen
Einspeisung von beispielsweise zwei elektrischen Hochspannungsimpulsen
in einen elektrischen Zaun. Das Elektrozaungerät 10 ist über Anschlussklemmen 220 an
ein öffentliches
230 Volt-Netz (nicht dargestellt) angeschlossen. Über einen
Netzgleichrichter 20, beispielsweise in Form einer Spannungsverdopplerschaltung,
werden zwei Speicherkondensatoren 30 und 35 aufgeladen.
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Die Spannungsverdopplungsschaltung 20 umfasst
zwei Kondensatoren 21, 22, sowie vier Dioden 23 bis 26.
Der Kondensator 21 ist mit einer Elektrode an das öffentliche
Netz angeschlossen und mit der anderen Elektrode mit der Anode der
Diode 25 und mit der Kathode der Diode 24 verbunden.
Der Kondensator 22 ist in entsprechender Weise mit dem öffentlichen
Netz und an die Anode der Diode 26 sowie an die Kathode
der Diode 23 angeschlossen. Die Anoden der Dioden 23, 24 sind
dabei mit dem anderen Netzausgang verbunden.
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Der zu ladende Speicherkondensator 30 ist zur
Erzeugung eines Einzelimpuls an der Kathodenseite der Diode 26 der
Spannungsverdopplerschaltung 20 und zugleich mit der Anodenseite
eines Thyristors 40, dessen Kathodenseite auf Masse liegt,
angeschlossen. Der andere Anschluß des Kondensators 30 ist
mit der Anode der Diode 50, deren Kathode auf Masse liegt,
und zugleich mit der Kathode der Diode 60, deren Anode
an die Primärwicklung 75 des Impulstransformators 70 angeschlossen
ist, zusammen geschaltet.
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In entsprechender Weise ist zur Erzeugung eines
weiteren Einzelimpulses der zu ladende Speicherkondensator 35 mit
einem Anschluß an
die Kathode der Diode 25 der Spannungsverdopplerschaltung 20 und
zugleich an die Anode eines Thyristors 90, dessen Kathode
auf Masse liegt, geschaltet. Der andere Anschluß des Speicherkondensators 35 ist über die
Diode 100 mit der Masse verbunden und über die Diode 110 an
den Impulstransformator 70 geschaltet, wobei die Kathode
der Diode 110 mit dem Kondensator 35 und die Anode
der Diode 110 mit den Impulstransformator 70 verbunden
ist.
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Über
den Thyristor 40, der, wie 3 zeigt, zum
Zeitpunkt t1 von einer Steuereinrichtung 120 zur Zündung angesteuert
wird, wird der geladene Speicherkondensator 30 zur Entladung
in einen Impulstransformator 70 veranlaßt.
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Der Thyristor 40, der Speicherkondenstor 30 und
die Diode 60 können
hierbei als der erste Impulsgenerator angesehen werden, wobei der
Thyristor 90, der Speicherkondensator 35 und die
Diode 110 als der zweite Impulsgenerator betrachtet werden können.
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Der Zaun (nicht dargestellt) ist
auf der Sekundärseite
des Impulstransformators 70 an einer ersten Sekundärwicklung 77 angeschlossen.
Durch die Entladung über
den Impulstransformator 70 wird ein erster Hochspannungsimpuls
in den Zaun eingespeist.
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Der Zaun wirkt gegenüber Erde
wie ein kapazitives Element. In Verbindung mit der ersten Sekundärwicklung 77 entsteht
dadurch ein LC-Schwingkreis, so dass ein an der Primärwicklung 75 angelegter
Impuls beispielsweise den in der 2 wiedergegeben
Kurvenverlauf besitzt.
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Während
des Entladevorgangs wird in einer zweiten Sekundärwicklung 78 des Impulstransformators 70 eine
Spannung induziert, die an die Steuereinrichtung 120 zur weiteren
Verarbeitung und Auswertung geleitet wird. Der Kurvenverlauf dieser Spannung,
der in 2 dargestellt
ist, gibt Aufschluß über die
Eigenschaften des an der ersten Sekundärwicklung 77 angeschlossenen
Zauns.
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Die Steuereinrichtung 120 weist
einen Analog-Digital-Wandler 130 auf,
der an der zweiten Sekundärwicklung 78 die
induzierte Spannung abtastet und in digitale Signale oder Messgrößen umsetzt.
Die Abtastung erfolgt üblicherweise
in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, wie sie beispielhaft in 2 mit vier verschiedenen
Abtastzeitpunkten ta1 ...ta4 wiedergegeben ist.
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Die ermittelten digitalen Messgrößen werden einer
Auswerteeinrichtung 140 zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Die
Auswerteeinrichtung 140 ist dadurch in der Lage, den Zustand
des Zauns zu erfassen. Gemäß dem vorliegenden
Beispiel sind einem Speicher (nicht dargestellt) vier Grenzwerte
abgelegt, die mit den entsprechenden, in 2 gezeigten vier digitalen Messgrößen verglichen
werden. Weichen die vier digitalen Messgrößen um einen vorbestimmten
Wert von den vier entsprechenden Grenzwerten ab, wird der zweite
Impulsgenerator während der
gleichen Periode aktiviert. Der von dem ersten Impulsgenerator gelieferte
Impuls fungiert somit sowohl als Mess- als auch als Arbeitsimpuls
für das Elektrozaungerät 10.
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Die in der Auswerteeinrichtung 140 aus
dem in 2 gezeigten Ausgangssignalverlauf
ermittelten Daten dienen somit als Entscheidungskriterium dafür, ob innerhalb
eines Zeitfensters ts, wie in 3 dargestellt,
ein oder zwei Impulse bereitgestellt werden sollen. Typischerweise
wird ein Zeitfenster von 100 ms (EN61011) gewählt, wobei der Abstand der Zeitfenster üblicherweise
900ms beträgt,
so daß sich eine
Periodendauer von ca. 1 s ergibt. Angemerkt sei, dass der in 2 gezeigte Ausgangssignalverlauf
von einem einzelnen Impuls herrührt,
der beispielsweise von dem ersten Impulsgenerator in den Transformator 70 eingespeist
worden ist.
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Stellt die Auswerteeinrichtung 140 also
fest, dass zwei Impulse erzeugt werden sollen, sorgt die Steuereinrichtung 120 beispielsweise
mittels eines nicht gezeigten Zeitgebers dafür, dass zum Zeitpunkt t1 der
Thyristor 40 gezündet
und dadurch der Speicherkondensator 30 über den Transformator 70 in den
Zaun entladen, und dass zum Zeitpunkt t2 der Thyristor 90 gezündet und
dadurch der Speicherkondensator 35 über den Transformator 70 in
den Zaun entladen wird. Beispielsweise wird 20 ms nach der Erzeugung
des ersten Einzelimpulses der zweite Impuls innerhalb des Zeitfensters
ts erzeugt, wie in 3 dargestellt
ist.
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Durch die Entladung der Speicherkondensatoren 30 und 35 über den
Impulstransformator 70 werden auf der Sekundärseite 77 zwei
zeitlich versetzte Hochspannungsimpulse am angeschlossenen Zaun
erzeugt.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass
auch mehr als zwei Impulsgeneratoren vorgesehen sein können, die
dann im Bedarfsfall von der Steuereinrichtung 120 zeitlich
nacheinander angesteuert werden können, um innerhalb des Zeitfensters
ts eine entsprechende Anzahl an Einzelimpulsen zu erzeugen. Die
Gestaltungsmöglichkeiten
werden dadurch insbesondere hinsichtlich der Entladezeitpunkte und
der innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit abgebbaren Impulsenergie
erweitert.
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Die Grenzwerte können manuell und/oder über eine
entsprechende anzuschließende
Parametriereinrichtung fest eingeben werden. Im zweiten Fall können die
Grenzwerte vor dem eigentlichen Betrieb wie folgt ermittelt werden:
Zunächst wird
an den Transformator 70 ein elektrischer Zaun mit normierter
Beschaffenheit angeschlossen. Anschließend wird wenigstens ein Impuls von
der ersten Impuls-Erzeugungseinrichtung 30 in den
Transformator 70 eingespeist. Der hierbei am Transformator 70 entstehende
Ausgangssignalverlauf (vgl. 2)
wird zu vier Zeitpunkten abgetastet, wobei die Abtastwerte dann
als Grenzwerte abgespeichert werden. Auch eine Mittelwertbildung über jeweils
vier Abtastwerte mehrerer aufeinanderfolgender Ausgangssignalverläufe ist
denkbar, um die entsprechenden vier Grenzwerte zu bilden.
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An die Auswerteeinrichtung 140 kann
eine Anzeigeeinrichtung 150 angeschlossen sein, an der die
ermittelten oder weiterverarbeiteten Werte visualisiert werden.
Insbesondere die Kapazität
des Zauns gegen Erde als Maß für die virtuelle
Zaunlänge
sowie der Ableitwiderstand gegen Erde als Maß für die Zaunqualität sind für den Nutzer
dabei von Interesse. Die Kontrolle des Zaun läßt sich damit effektiver, d.
h. schneller und günstiger
erreichen.
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An die Auswerteeinrichtung 140 ist
eine Alarmeinrichtung 155 angeschlossen, die einen kritischen
Zustand des Zauns einer Bedienperson signalisiert.
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Die Alarmeinrichtung 155 ist
zwar in Verbindung mit einem zwei Impulsgeneratoren aufweisenden
Elektrozaungerät 10 gezeigt,
doch ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Alarmeinrichtung 155 auch in
einem Elektrozaungerät
mit einem einzigen Impulsgenerator, der sowohl Mess- als auch Arbeitsimpulse
erzeugt, funktionsfähig
ist.
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Um den Zeitpunkt zur Auslösung der
Alarmeinrichtung 155 zu bestimmen, kann die Auswerteeinrichtung 140 Ausgangssignalverläufe, die
von Impulsen des ersten Impulsgenerators herrühren, mit den zuvor ermittelten
Referenzwerten vergleichen. Hierzu bildet der Analog-Digital-Wandler 130 zu
jedem Ausgangssignalverlauf vier Abtastwerte, wie in 2 gezeigt. Anschließend werden
die zeitlich korrespondierenden Abtastwerte mit den zuvor ermittelten
Referenzwerten verglichen. Ergibt der Vergleich, dass die Abtastwerte
des Ausgangssignalverlaufs um einen vorbestimmten Betrag von den
Referenzwerten abweichen, wird die Alarmanlage 155 aktiviert.
Anstatt einzelne Ausgangssignalverläufee zu vergleichen, können Folgen
von Ausgangssignalverläufen
verglichen werden. Hierzu werden zunächst von n aufeinanderfolgenden
Ausgangssignalverläufen,
die von n Impulsen des ersten Impulsgenerators herrühren, jeweils
vier Abtastwerte gebildet und aus den zeitlich korrespondierenden
Abtastwerten vier gemittelte Werte berechnet. Anschließend werden von
n weiteren zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalverläufen jeweils
vier Abtastwerte gebildet und aus den entsprechenden Abtastwerten
vier weitere Bemittelte Werte berechnet. Zum Schluss werden die
zeitlich korrespondierenden Mittelwerte verglichen und die Alarmeinrichtung
ausgelöst,
wenn ein kritischer Wert Unter- oder überschritten
wird. Wenn kein kritischer Wert ermittelt wird, werden wiederum
von n weiteren zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalverläufenen jeweils
vier Abtastwerte gebildet und daraus vier weitere gemittelte Werte
berechnet. Diese werden mit den zuletzt gespeicherten Mittelwerten
verglichen. Diese Prozedur wiederholt sich solange, bis die Alarmanlage 155 ausgelöst wird.
Auf diese Weise ist es möglich,
die ermittelten Mittelwerte von Ausgangssignalverlaufsfolgen zu
aktualisieren, um zu verhindern, dass bei schleichenden Veränderungen
an dem Elektrozaun die Alarmeinrichtung 155 ausgelöst wird.
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Sowohl die Alarmeinrichtung 155 als
auch die Anzeigeeinrichtung 150 können Bestandteil des Elektrozaungeräts 10 oder
als externe Geräte
ausgebildet sein.
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Wie 1 weiter
zeigt, kann die Steuereinrichtung 120 des Elektrozaungeräts 10 mit
einer Einrichtung zur Netzsynchronisierung 160 ausgestaltet sein,
die mit dem öffentlichen
Netz verbunden ist. Die Netzsynchronisationseinrichtung 160 dient
dazu, die Entladezeitpunkte bezüglich
der sinusförmigen
Netzspannung optimal festzulegen.
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Wie 1 weiter
zeigt, enthält
die Steuereinrichtung 120 eine Einrichtung 180 zur
Aufbereitung der internen Versorgungsspannung für die einzelnen Komponenten
der Steuereinrichtung 120. Dieser Einrichtung 180 wird
eine gleichgerichtete Spannung von beispielsweise 9 Volt zugeführt. Dazu
ist ein weiterer Transformator 190 vorhanden, dessen Primärseite parallel
an die öffentliche
Netzspannung und vor die Spannungsverdopplerschaltung 20 geschaltet
ist. Die Wechselspannung wird sekundärseitig über einen Zweiwege-Gleichrichter 200,
der auf der Sekundärseite
des Transformators 190 angeschlossen ist, gleichgerichtet.
Der Gleichrichter ist über
einen Kondensator 210 mit Masse verbunden. Die Spannung
für die
Einrichtung 180 zur Aufbereitung der internen Versorgungsspannung
der Steuereinrichtung 120 wird am Kondensator 21O abgegriffen.
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Um zu vermeiden, dass der zweite
Impulsgenerator und/oder die Alarmeinrichtung infolge von Netzspannungsschwankungen
zu früh
ausgelöst werden,
kann das Elektrozaungerät 10 eine
Einrichtung zum Messen und Auswerten der Netzspannung aufweisen.
Denn die Netzspannung hat einen erheblichen Einfluss auf die in
den Speicherkondensatoren 30 und 35 gespeicherte
Energie und damit auf den in 2 gezeigten
Ausgangssignalverlauf, dessen Auswertung, wie erläutert, den
richtigen Zeitpunkt zum Auslösen
der Alarmeinrichtung und/oder des zweiten Impulsgenerators im wesentlichen
festlegt.