DE10305986B4

DE10305986B4 - Messsystem mit intelligentem Sensorkopf für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau

Info

Publication number: DE10305986B4
Application number: DE10305986.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hampel Hermann
Original assignee: IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Current assignee: IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: US20060291856A1; CN1761881A; WO2004072662A2; WO2004072662A3; EP1592974A2; CN100422749C; US7869707B2; DE10305986A1

Abstract

Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät (MG) und einem Sensorkopf (SK) mit mindestens einem Sensorelement (S 1), bei dem• im zentralen Messgerät (MG) ein von einem Mikroprozessor (MP1) gesteuerter Lichtsender (LS1) vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur Energieversorgung des Sensorkopfs (SK) ein aus verschiedenen Komponenten überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter (LW1) abgibt,• im Sensorkopf (SK) ein an den ersten Lichtwellenleiter (LW1) angeschlossener Lichtempfänger (LE2) und ein Mikroprozessor (MP2) vorgesehen sind, wobei der Mikroprozessor (MP2) nach Aktivierung durch den Lichtempfänger (LE2) zum Ansteuern des Sensorelements (S 1), dem Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement (S1) gemessenen Werte dient und eine Datenkommunikation zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät (MG) über einen Lichtsender (LS2), einen zweiten Lichtwellenleiter (LW2) und einen im zentralen Messgerät (MG) angeordneten Lichtempfänger (LE1) steuert,• die beiden Mikroprozessoren (MP1, MP2) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, wobei ein Rahmensynchronisationssignal und daraus ein Taktsignal-zur blockorientierten Datenübertragung abgeleitet wird und wobei eine Datenkommunikation zur Parametrierung und/oder Programmierung zwischen zentralem Messgerät (MG) und Sensorkopf (SK) sowie eine Vorverarbeitung der Messwerte im Sensorkopf (SK), insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich im Sensorkopf (SK) durchgeführt wird, derart, dass im Sensorkopf (SK) ein Temperatursensor (TS) angeordnet ist, welcher an einem Eingang eines Multiplexers (MUX) angeschlossen ist, dass der Sensorkopf (SK) eine Referenzspannungsquelle (REF) aufweist und dass zum Abgleich gesteuert durch den Mikroprozessor (MP2) der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert (VRef) über einen Eingang des Multiplexers (MUX) einem Steuereingang eines Analog-Digital-Wandler (ADC) zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf und einem zentralen Messgerät (Patentanspruch 1). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren hierzu (Patentanspruch 13).
Zur Messung der Betriebsspannung in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen werden in der Regel Spannungswandler verwendet. Entsprechend der Betriebsspannung der Schaltanlage muss die Isolation und das Windungs-Übersetzungsverhältnis gewählt werden, um die Betriebsspannung auf eine für messtechnische Zwecke geeignete Anzeigespannung von unter 100 V herabzusetzen. Je nach Aufgabenstellung (Verrechnungsmessung, Leitungs- und Geräteschutztechnik, Betriebsmesstechnik) finden einpolig oder zweipolig isolierte Spannungswandler in den unterschiedlichsten Bauformen Anwendung.
Spannungswandler haben ganz allgemein einen hohen Anteil an Kosten der Schaltanlagenfelder und der Schaltanlagen-Messtechnik. Sie besitzen große Abmessungen und beeinflussen die Konstruktion der Schaltanlage. Sie sind empfindlich gegen Überspannungen und stellen gerätetechnisch das schwächste Glied im Schaltanlagenbau dar. Sekundär-Verbindungsleitungen zwischen Spannungswandler und Schutzrelais oder zwischen Spannungswandler und Messeinrichtung können durch Magnetfelder, Erdschlussströme, Kurzschlussströme und Störfelder stark beeinflusst werden, wodurch vielfach das Messergebnis verfälscht wird.
Aus der DE 37 27 950 C2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Spannungsmessungen in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen bekannt, welche einen vollständigen Ersatz für die Verwendung von Spannungswandlern im Rahmen der Betriebsmesstechnik bietet. Die dort verwendeten opto-elektronischen Sensoren ermöglichen eine elektrische und mechanische Entkopplung zwischen Messort und Anzeige, sind unempfindlich gegen Störfelder und Überspannungen und zeichnen sich außerdem durch geringe Abmessungen und verhältnismäßig niedrige Kosten aus. Zur Durchführung von Spannungsmessungen in Form einer Phasenvergleichsmessung sind im Einzelnen zwei am Teilerstützer mit Koppelelektrode angeschlossene opto-elektronischem Sensoren vorgesehen. Ferner sind zwei opto-elektronische Sensoren in ferroelektrischer Bauform vorgesehen, die über. Lichtleiter mit je einer entfernt angeordneten Sende-Empfangseinrichtung verbunden sind und durch diese Sende-Empfangseinrichtungen im Reflexionsverfahren zeitgleich abgetastet werden. An die beiden Sende-Empfangseinrichtungen ist ein Phasenvergleichsgerät angeschlossen, wobei zwei mit den beiden Sende-Empfangseinrichtungen verbundene Komparatoren das zugeführte Analog-Eingangssignal in ein Rechtecksignal umformen. Zwei an die Komparatoren angeschlossene, monostabile Multivibratoren erzeugen aus den Rechtecksignalen mit den Nulldurchgängen der beiden Phasen synchrone kurze Impulse. Schließlich ist ein mit dem Ausgang der beiden Multivibratoren verbundener Summenzähler vorgesehen, der zeitgleich einlaufende Impulse als einen einzigen Impuls, zeitlich versetzt einlaufende Impulse dagegen als gesonderte Impulse zählt und an die Ausgänge des Summenzählers sind Einrichtungen zur Auswertung und Anzeige von Phasengleichheit, Phasenopposition, Fehlen einer Phasen-Störung und Funktionsfähigkeit angeschlossen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist parallel zum zwischen Koppelelektrode und Erde angeordneten Kondensator eine Reihenschaltung mit einer Diode und einer weiteren Kapazität angeordnet und parallel hierzu ist ein spannungsabhängiger CMOS-Impulsgenerator geschaltet. An die Ausgänge des Impulsgenerators ist über einen Kondensator der in ferroelektrischer Bauform ausgebildete opto-elektronische Sensor angeschlossen, welcher über den Lichtleiter mit einem Licht-Sende-Empfangsgerät mit Messverstärker verbunden ist. Der Messverstärker enthält ein als Digital-Analog-Wandler oder Frequenz-Spannungswandler ausgebildetes Element zur Umsetzung der Impulsfrequenz in einen für den Eingang eines Spannungsmessgerätes geeigneten Wert. Bei der Vorrichtung gemäß der DE 37 27 950 C2 erfolgt die Signalverarbeitung und -auswertung entfernt vom Messort, nämlich zentral.
Aus der DE 38 24 000 C2 ist eine Überwachungseinrichtung zum Schutz gegen eine Mastbeschädigung bekannt, bei der außer LWL-Sensoren auch andere Sensoren eingesetzt werden können. Im Einzelnen ist an jedem Mastfuß als Sensor ein Lichtwellenleiter, ein Infrarotdetektor oder ein Körperschallmikrofon eingesetzt und von ihm aus eine Lichtwellenleiterleitung zum Überwachungsgerät geführt. Beim LWL-Sensor ist ein abgemantelter Lichtwellenleiter in Form einer Schleife an einem Eckstielfuß des Mastes entlanggeführt, und er geht am oberen Ende des Überwachungsbereichs in eine doppeladrige ummantelte LWL-Leitung über. Diese Leitung ist längs eines Masteckstiels bis zu einem zentralen Überwachungsgerät weitergeführt, das in einem Metallgehäuse im oberen Drittel des Mastes auf einer Masttraverse angeordnet ist. Außer dem zentralen-Überwachungsgerät gibt es zu jedem Infrarotdetektor und Körperschallmikrofon ein einzelnes Überwachungsgerät, das als ein Elektronikmodul in einem Metallgehäuse ausgebildet und am oberen Ende des Überwachungsbereichs in einem Eckstiel des Mastes angeordnet ist. Von ihm aus ist eine einadrige LWL-Leitung zu dem zentralen Überwachungsgerät geführt. Während Infrarotdetektor oder Körperschallmikrofon in dem Signalgerät eingebaut sind, ist beim LWL-Sensor lediglich dessen Leitung in das Signalgerät eingeführt. In dem Zentralgerät werden die von den Einzelgeräten ausgesendeten optischen Signale umgesetzt und der Bewertungslogik zugeführt, die im Zusammenwirken mit der Ablaufsteuerung die Alarmmeldung über eine Datenfunkstrecke zur Warte übersetzt. Dort kann unterschieden werden, von welchen Signalgeräten die Meldung ausgelöst wurde. Die Signalgeräte mit Infrarotdetektor oder Körperschallmikrofon haben eine Batterieversorgung und folgende in Reihe geschaltete Aufbauteile: Sensor, Verstärker, Filter, Bewertungslogik. Lichtsendediode und Buchse für den Stecker der LWL-Leitung zum Zentralgerät. Dabei ist zu einem passiven Infrarotdetektor ein HP-Filter zur Unterdrückung unerwünschter Temperaturausgänge, dagegen zu einem Körperschallmikrofon ein aktiver BP-Filter zur Frequenzselektion eingesetzt. In der Bewertungslogik wird entschieden, ob es sich um einen Alarmfall handelt oder nicht. Bei der Überwachungseinrichtung gemäß der DE 38 24 000 C2 erfolgt am Messort schon eine Signalvorverarbeitung und- auswertung.
Ein kombinierter Strom- und Spannungswandler für Freiluftschaltanlagen mit einem semi-konventionellen Spannungswandler in Form eines CC-, RR- oder RC-Teilers und einem rein optischen Stromwandler in Form einer den Hochspannungsleiter umgebenden Lichtwellenleiterschleife ist aus der DE 198 32 707 C2 bekannt. Weiterhin ist eine gemeinsame, auf Erdpotential liegende Wandlerauswerteeinrichtung für den Stromwandler und den Spannungswandler vorgesehen. Auf diese Weise können bei der Auswertung der Signale von dem Spannungswandlerteil und dem Stromwandlerteil die Messgrößen der einzelnen Phasen einander zugeordnet werden, und es kann eine phasensynchrone Messung der einzelnen Phasen stattfinden.
Weiterhin ist aus der DE 195 43 363 C2 eine Messwandleranordnung zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsanlagen, mit mindestens einem Strom- oder Spannungssensor zum Erfassen der Messwerte, mit mindestens einem Kodierer zum Kodieren der Messwerte, mit mindestens einem Lichtsender zum Senden und mindestens einem Lichtempfänger zum Empfangen der kodierten Messwerte, und mit mindestens einem Dekodierer zum Dekodieren der Messwerte am Empfangsort bekannt. Um die Messwandleranordnung auf einfache Weise in einer Mittel- oder Hochspannungsanlage zu installieren und ohne großen Aufwand an die jeweiligen Messerfordernisse anzupassen, ist die Messwandleranordnung aus untereinander kombinierbaren Modulen mit standardisierten Schnittstellen zusammengestellt Weiterhin ist mindestens ein Sensormodul mit dem Strom- oder Spannungssensor, mindestens ein Sendermodul mit dem Kodierer und dem Lichtsender und mindestens ein Empfängermodul mit dem Lichtempfänger und dem Dekodierer vorgesehen. Das Sensormodul und Sendermodul sind in ihren Abmessungen und Anschlüssen aufeinander abgestimmt und mechanisch zu einer Hochspannungsbaugruppe zusammengefügt, die als Einheit eine einfache Montage in der Hochspannungsanlage gewährleistet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sensormodul zur Messung von Gleich- oder Wechselspannungen einen Spannungssensor in Form eines vorzugsweise frequenzkompensierten ohmschen Teilers auf, wobei dieser niederspannungsseitig mit einem Überspannungsableiter versehen ist. Das Sendermodul kann als Kodierer einen Spannungs-Frequenz-Wandler zur Erzeugung eines gepulsten Trägersignals und einen Lichtsender mit mindestens einer Senderdiode zur Umwandlung des Trägersignals in Lichtimpulse aufweisen. Das Empfängermodul weist dementsprechend einen Lichtempfänger mit einer lichtempfindlichen Empfangsdiode zur Umwandlung von Lichtimpulsen in ein elektrisches gepulstes Trägersignal und als Dekodierer einen Frequenz-Spannungs-Wandler auf. Sendermodul und Empfängermodul sind dabei durch einen Lichtwellenleiter optisch miteinander verbunden. Weiterhin weist die Hochspannungsbaugruppe eine Hilfsenergieversorgungseinheit für die Versorgung des Sendermoduls auf, wobei die Hilfsenergieversorgungseinheit über Lichtwellenleiter gespeist wird.
Weiterhin ist aus der DE 100 10 913 C1 eine Vorrichtung zum Überwachen der Gasdichte einer isoliergasgefüllten, durch Schottstellen in mehrere Leitungsabschnitte unterteilten Hochspannungsübertragungsleitung bekannt, welche im Bereich der Schottstellen angeordnete Komponenten zum Messen der Gasdichte in den Leitungsabschnitten und zum Senden von Messresultaten und eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen und Auswerten der Messresultate enthält. Im Einzelnen ist vorgesehen, dass die Messkomponenten von einer zentral angeordneten, eine Lichtquelle enthaltenden Energiequelle über mindestens eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Energieversorgungsleitung gespeist werden, die Messkomponenten opto-elektrische Energiewandler zum Umwandeln von Licht in elektrische Energie enthalten, und mehrere Messkomponenten seriell über eine gemeinsame Energieversorgungsleitung mit der Lichtquelle verbunden sind. Die Energieversorgungsleitung und die Signalübertragungsleitung können auch kombiniert in der Form eines einfachen Lichtwellenleiters ausgebildet werden. Die Messkomponente setzt sich im Wesentlichen aus einer Energieaufbereitungseinheit, einer Recheneinheit und einer Sensoreinheit zusammen. Die Energieaufbereitungseinheit wird von einer eine Lichtquelle enthaltenden Energiequelle über eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Energieversorgungsleitung und einen optoelektrischen Energiewandler mit Energie versorgt. Je nach Konfiguration der Überwachungsvorrichtung enthält die Lichtquelle ein oder mehrere Laser-Dioden-Module mit je bis zu 500 mW Leistung. Weiterhin enthält die Energieaufbereitungseinheit einen Kondensator, beispielsweise ein Low Leakage Current ELKO oder ein Array aus Tantal- oder Keramikkondensatoren, der die von der Energiequelle abgegebene Energie speichert und bei Bedarf an die Recheneinheit abgibt. Die im Wesentlichen einen Mikroprozessor umfassende Recheneinheit dient denn Ansteuern der Sensoreinheit, dem Erfassen und Aufbereiten der von der Sensoreinheit gemessenen Werte und dem Übermitteln der aufbereiteten Messwerte über eine Lichtdiode, eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Signalübertragungsleitung und ein Lichtsensor an die Signalverarbeitungseinheit. Beim zugehörigen Verfahren zum Überwachen der Gasdichte einer isoliergasgefüllten Hochspannungsübertragungsleitung ist vorgesehen, dass die Messkomponente während einem Abwartzustand von der Energiequelle mit konstanter Leistung gespeist wird, anschließend die Gasdichte durch die Messkomponente gemessen wird, der Messwert an die Signalverarbeitungseinheit übertragen wird, und anschließend die Messkomponente bis zum nächsten Messen in den Abwartzustand zurückgeführt wird.
Weiterhin ist aus der DE 695 20 371 T2 ein faseroptisches Schnittstellensystem bekannt, bei dem eine Regelung dafür sorgt, dass der Strom, der einer Laserlichtquelle zugeführt wird, so niedrig wie zulässig ist, damit gleichzeitig einer entfernten Schnittstelle und einem Prozessvariablen-Sender noch ausreichende Energie bereitgestellt wird. Im Einzelnen ist eine erste, lokal stationierte Mikrocontrollereinrichtung vorgesehen, welche zum regulierbaren Zuführen von Lichtenergie an einem ersten Ausgangsanschluss und zum Empfangen von digital codierten, optisch übertragenen Informationen des entfernten Orts an einem ersten Eingangsanschluss der Mikrocontrollereinrichtung dient. Eine Analogsendeeinrichtung ist elektrisch an die erste, lokal stationierte Mikrocontrollereinrichtung angeschlossen und so eingerichtet, dass wahlweise entweder analoge oder digitale Informationen oder beides gleichzeitig an ein lokales Steuersystem übermittelt werden. Eine zweite Mikrocontrollereinrichtung ist an einem entfernten Ort stationiert, d.h. entfernt von der ersten Mikrocontrollereinrichtung, und dient zum Empfang von analogen und/oder digitalen Signalen, welche den Zustand einer Prozessvariablen, wie Druck, Temperatur, Fluss, Bewegung, Dichte oder andere Parameter definieren, die von einem entfernten Prozessvariablen-Sender erfasst wurde, und zur Abgabe optisch codierter Zustandsinformationen an einen zweiten Ausgangsanschluss. An die zweite Mikrocontrollereinrichtung und den entfernten Prozessvariablen-Sender ist eine Energieversorgungseinrichtung gekoppelt, die diese mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung enthält einen optisch-zu-elektrisch Energiekonverter mit einem zweiten Eingangsanschluss. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss der lokal stationierten Ausrüstung und dem zweiten Eingangsanschluss des entfernt stationierten optisch-zu-elektrisch Energiekonverters ist mindestens eine optische Faser angeschlossen. Dieselbe oder eine zweite optische Faser ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss der entfernt stationierten Mikrocontrollereinrichtung und dem ersten Eingangsanschluss der ersten, lokal stationierten Mikrocontrollereinrichtung angeschlossen. Weiterhin leitet eine Einrichtung, die die erste Mikrocontrollereinrichtung einschließt, dem ersten Ausgangsanschluss anfänglich Lichtenergie mit einem augensicheren niedrigen Wert zu. Die zweite Mikrocontrollereinrichtung spricht auf den Empfang des augensicheren niedrigen Lichtenergiewerts über die erste optische Faser an und sendet über die optische Faserverbindung einen Hochfahrbefehl an die erste, lokal stationierte Mikrocontrollereinrichtung, wodurch der ersten optischen Faser zusätzliche Lichtenergie oberhalb des augensicheren niedrigeren Werts nur dann zugeleitet wird, wenn sie ordnungsgemäß zwischen den entsprechenden Ausgangs- und Eingangsanschlüssen angeschlossen ist. Weiterhin gibt es an dem lokalen Ort eine Lichtquellen-Energieversorgungseinrichtung, die eine Lichtquelle, wie etwa einen Gaslaser, eine Laserdiode oder eine LED, mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Lichtquelle eine Einrichtung zur Modulation der Intensität der Lichtenergie, welche dem ersten Ausgangsanschluss bereitgestellt wird, enthält. Die erste Mikrocontrollereinrichtung enthält auch einen ersten Mikroprozessor zur Steuerung der Lichtquellen-Energie-Versorgungseinrichtung und der Lichtquellen-Modulationseinrichtung. Der erste Mikroprozessor empfängt Energie-Statusinformationen von der entfernt stationierten zweiten Mikrocontrollereinrichtung, so dass eine Regelung, insbesondere eine PI-Regelung (Proportional-Integral-Regelung), der optischen Energie, d.h. des Laserstroms, die von dem lokalen Ort an den entfernten Ort bereitgestellt wird, im „quasistatischen Betrieb“ unter Überprüfung der Laserspannung in regelmäßigen Zeitabständen (Statusmeldungen: Nachricht aus sechs 8-Bit Bytes) erfolgt.
Weiterhin ist aus der DD 2 66 894 A1 eine Einrichtung zur Messung und Erfassung von mehreren verschiedenen Größen in Hochspannungsnetzen mit einem Sensor und mit einer diesem zugeordneten getakteten Analog-Digital-Umsetzerschaltung bekannt, wobei der Sensor auch die Hilfsenergiebereitstellung der getakteten Analog-Digital-Umsetzerschaltung, eines Einchipmikrorechners und eines elektrooptischen Senders übernimmt, und mit einer Lichtwellenleiterübertragungsstrecke und einer externen Rechnerkonfiguration. Um nichtperiodische Extreme zwischen den Abtastpunkten zu erfassen, welche durch die endliche Abtastzelt des einen Analog-Digital-Umsetzers in Verbindung mit einem Analogmultiplexer, welcher eine Vielzahl von Kanälen abfragt nicht erfasst werden, ist insbesondere vorgesehen, das der Sensor als gemischter Teiler aus einem Überspannungskondensator, einem induktiven Übertrager mit einer angezapften Primärwicklung und einer Sekundärwicklung und einem Unterspannungskondensator besteht, an dessen Sekundärwicklung eine Anordnung zur Hilfsenergiebereitstellung angeschlossen ist. Weiterhin ist an dessen Anzapfung der Primärwicklung der Eingang eines Anpaßverstärkers angeschaltet, dessen Ausgang über mindestens einen Spitzenwertdetektor mit mindestens einem Eingang eines Multiplexers verbunden ist. An einem weiteren Eingang des Multiplexers ist über einen Messverstärker ein weiterer Sensor angeschlossen. Weiterhin führt vom Multiplexer über eine zwischengeschaltete Sample-and-Hold-Schaltung und ein dieser nachgeordneten Analog-Digital-Umsetzer an die Eingänge eines ersten Einchipmikrorechners eine Verbindung, wobei von diesem an die Schaltungsteile Multiplexer, Sample-and-Hold-Schaltung, Analog-Digital-Umsetzer, Steuerleitungen zurückgeführt sind. An seinem Ausgang ist ein elektro-optischer Sender angeschlossen, dessen Signale über eine Lichtwellenleiterübertragungsstrecke von einem optoelektrischen Empfänger empfangbar sind. Diesem ist ein weiterer Einchipmikrorechner nachgeordnet, an dem ein Programmspeicher, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff und ein gemeinsamer Speicher mit wahlfreiem Zugriff angeschaltet sind, wobei letzterer andererseits auch mit einer externen Rechnerkonfiguration verbunden ist.
Weiterhin ist aus der DE 695 20 371 T2 bzw. der korrespondierenden US 5 528 409 A ein faseroptisches Schnittstellensystem bekannt, bei dem eine Regelung dafür sorgt, dass der Strom, der einer Laserlichtquelle zugeführt wird, so niedrig wie zulässig ist, damit gleichzeitig einer entfernten Schnittstelle und einem Prozessvariablen-Sender noch ausreichende Energie.
Schließlich ist einer Veröffentlichung „General-Purpose Optically Powered Sensor and Control System. In: TechBriefs, 1998, S . 1-2.
[https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/ ptb/briefs/32106]
eine von einem Mikroprozessor kontrollierte remote station bekannt, bei der eine wake-up (Aufweck-) Funktion im sleep mode (Bereitschaftszustand) installiert ist.
Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete Messsysteme bekannt, welche meist eine zentrale Signalverarbeitungseinheit und mehrere elektrische Messkomponenten enthalten und bei welchen die von den Messkomponenten gelieferten Messwerte optisch über Lichtwellenleiter übertragen werden. Da von solchen Messsystemen jedoch eine hohe Betriebssicherheit, beispielsweise bei der Überwachung eines Hochspannungsleistungsschalters, gefordert wird, ist eine sichere Messwerterfassung und zuverlässige faseroptische Datenübertragung wünschenswert. Zuwenig Beachtung findet jedoch, dass die ständige Ansteuerung der Laserdiode zur Fernspeisung der Messkomponente zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer der Laserdiode führt. Hinzu kommt, dass wegen von der Hochspannungsanlage ausgehenden elektromagnetischen Einflüssen, insbesondere aufgrund von Schaltvorgängen bei hohem Spannungsniveau, Störsignale bei der optischen Signalübertragung eine Störung durch Taktverschiebung der Messsignale (Messströme bzw. Messspannung) bewirken können. Auch das faseroptische Schnittstellensystem gemäß der DE 695 20 371 T2 mit seinem „quasistatischen Betrieb“ sorgt nur dafür, dass der Strom, der der Laserlichtquelle zugeführt wird, so niedrig wie zulässig ist. Deshalb fehlt in der Praxis ein faseroptisches Messsystem, welches einen niedrigen Leistungsverbrauch aufweist und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht. Besonders bedeutsam ist dies, weil die Mittel- oder Hochspannungsanlagen herstellende Industrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Messsystemen die Aufgabe zugrunde, ein solches Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches eine dynamische Energiesteuerung der Lichtsender und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf mit mindestens einem Sensorelement und einem zentralen Messgerät, gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist den Vorteil auf, dass durch die verteilte Steuerung Störungen im Messwandlersystem sofort erkannt und ungewünschte Folgen, beispielsweise ein Fehlalarm oder ein Abschalten der Mittel- oder Hochspannungsanlage bzw. des überwachten Geräts vermieden werden können. Weiterhin können Messungen mit hoher Auflösung (beispielweise von bisher 12 Bit auf 16 Bit) sowie eine Messbereichsumschaltung durchgeführt werden und im Sensorkopf kann eine Messwertkorrektur hinsichtlich Offset, Gain, Temperatur oder Lifetime (Alterung) vorgenommen werden. Der automatische Abgleich kann sowohl bei der Fertigung (dadurch verbesserte Prüf- und Fertigungstechnologie) als auch im Betrieb erfolgen. Weiterhin wird beim erfindungsgemäßen Messsystem eine kombinierte Energie-Datenübertragungssteuerung ermöglicht und durch den insgesamt hierfür erforderlichen niedrigen Leistungsverbrauch und die dynamische Betriebsweise wird die Lebensdauer des Lichtsenders (Laserdiode), im Vergleich zum gewürdigten Stand der Technik, beträchtlich erhöht.
Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsanlagen und im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät und einem Sensorkopf mit mindestens einem Sensorelement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache Art und Weise ein niedriger Energieverbrauch und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht werden, wobei je nach Betriebszustand zwischen den beiden Mikroprozessoren als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation Parameter oder Daten übertragen und die Daten/Meldungen nach deren Datenübertragung-Güte und auf zeitgerechtes Eintreffen überwacht werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, im Sensorkopf ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen, welcher mit dem Mikroprozessor verbunden ist, und der Mikroprozessor korrigiert den über den Analog-Digital-Wandler zugeführten digitalen Messwert und/oder ergänzt um Daten mit Systeminformation, segmentiert die resultierenden Daten, kodiert mittels Blockkodierung und versieht diese mit Informationen zur Segmentierung derart, dass eine fehlerkorrigierende Datenübertragung ermöglicht wird.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorteile auf, dass ein Übersteuern von bei der Datenübertragung vorgesehenen Verstärkern zuverlässig verhindert wird (infolge der Gleichspannungsfreiheit) und dass durch Hinzufügen von Redundanz am Sender und Fehlerkorrektur am Empfänger eine sichere Datenübertragung aufgebaut werden kann (infolge der Fehlerkorrigierbarkeit).
In Weiterbildung der Erfindung weist, gemäß Patentanspruch 3, der Sensorkopf einen Multiplexer auf, dessen Eingänge jeweils an Sensorelemente angeschlossen sind, wobei die Messkanalumschaltung mittels des Mikroprozessors erfolgt.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass weitere Messsignale dem Mikroprozessor zugeführt werden können, wodurch beispielsweise ein Abgleich im Sensorkopf oder Phasenvergleichmessungen (mehrere Sensorköpfe) durchführbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 4, am Ausgang des Multiplexers ein Impedanzwandler für den abgreifbaren Messwert angeschlossen und zwischen Ausgang des Impedanzwandlers und Eingang des Analog-Digital-Wandlers ist ein Differenzverstärker mit einstellbaren Verstärkungen angeordnet, welcher zur Messbereichsumschaltung mit dem Mikroprozessor verbunden ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Impedanzwandler einen hochohmigen Eingang erzeugt, wobei der Differenzverstärker die Anpassung an die Aussteuergrenze des Analog-Digital-Wandler ermöglicht. Weiterhin erlaubt die Messbereichsumschaltung den Einsatz des erfindungsgemäßen Messsystems für mehrere Messbereiche (wobei bisher für jeden Bereich ein separates Messsystem erforderlich war).
Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 5, das Sensorelement zur Gleich- oder Wechselspannungsmessung einen ohmschen Spannungsteiler und/oder zur Strommessung einen induktiven Stromwandler mit nachgeordnetem Filter zur Transienten- und Hochspannungsimpulsfilterung und ein seriell hierzu angeordnetes Schutzelement auf.
Die Kombination aus Filter und Schutzelement verhindert zuverlässig sowohl die Verfälschung der Messung durch Transienten- und Hochspannungsimpulse als auch die Beschädigung/Zerstörung des Messsystems.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 6, im Sensorkopf ein Temperatursensor angeordnet, welcher an einem der Eingänge des Multiplexers
angeschlossen ist. Weiterhin weist, gemäß Patentanspruch 7, der Sensorkopf eine Referenzspannungsquelle auf und - zum Abgleich - ist gesteuert durch den Mikroprozessor der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert über einen Eingang des Multiplexers oder einem Steuereingang des Analog-Digital-Wandler zuführbar.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache Art und Weise eine Durchführung eines Abgleichs bzgl. Temperatur und Alterung, d.h. das Herausrechnen des Temperaturgangs der Referenzspannung und des Temperaturgangs und der Alterung der Bauelemente, beispielsweise der Verstärker, ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist, gemäß Patentanspruch 8, im Sensorkopf ein mit dem Lichtempfänger verbundenes Filter angeordnet, an dessen Ausgang das Rahmensynchronisationssignal und/oder das nachfolgende Datensignal abgreifbar und dem Mikroprozessor zuführbar ist.
Das Filter ermöglicht das Herausfiltern der interessierenden Signale (Rahmensynchronisation/Daten) bzw. das Entfernen höherfrequenter Störsignale, wobei die Rahmensynchronisation auf einfache Art und Weise die Synchronisation von Sender und Empfänger ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 9, im Sensorkopf ein mit dem Lichtempfänger verbundener Spannungswandler angeordnet, welcher zur Spannungsversorgung im Sensorkopf dient und der Mikroprozessor überwacht die am Energiespeicher des Spannungswandlers abgreifbare Spannung.
Beim erfindungsgemäßen Messsystem erfolgt die Energieversorgung auf optischem Wege, wodurch auf einfache Art und Weise eine Potentialtrennung ermöglicht wird. Durch die Überwachung der Spannung wird nur so viel Energie wie nötig übertragen, wodurch sich eine längere Lebensdauer des Lichtsenders/der Laserdiode ergibt. Die Erzeugung von Lichtimpulsen erfolgt vorzugsweise mit dem Verfahren der Pulsweiten-Modulation (anstelle einer Amplitudenmodulation), so dass der Energieverbrauch optimiert werden kann. Weiterhin findet ein definiertes Anlauf-/Abfahrverhalten (insbesondere Kommunikation) nur statt, wenn die notwendige Spannung erreicht ist.
Vorzugsweise ist, gemäß Patentanspruch 10, vor jedem Lichtsender ein Verstärker angeordnet und weiterhin ist ein weiterer Verstärker dem Lichtempfänger im zentralen Messgerät nachgeordnet.
Die Verwendung von Verstärkern erlaubt gleichzeitig die energiesparende Arbeitsweise und ein einwandfreies Arbeiten der Lichtsender/Laserdioden durch die Erzeugung nur des notwendigen Stroms für diese.
Schließlich weist, gemäß Patentanspruch 11, das zentrale Messgerät mindestens eine Schnittstellenschaltung auf und im zentralen Messgerät ist ein mit dem Mikroprozessor verbundener digitaler Signalprozessor angeordnet, welcher über die Schnittstellenschaltung von außen her konfigurierbar als auch auslesbar ist.
Hierdurch wird auf einfache Art und Weise der digitale Signalprozessor sowohl von außen auslesbar als auch konfigurierbar/programmierbar, wodurch z.B. andere Berechnungen einstellbar sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

1 das Blockschaltbild des gesamten Messsystems,
2 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs,
3a den Aufbau eines Sendetelegramms und
3b, 3c die Datenübertragung bei zwei verschiedenen Abtastfrequenzen,
4 ein Beispiel für den Temperaturgang der Referenzspannung V_Ref,
5 ein Beispiel für das Kennlinienfeld mit Ausgleichparabeln,
6a und 6b den Zeitablaufplan für die Steuerung durch den Mikroprozessor im Sensorkopf,
7 das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs,
8 die Verarbeitungsfolge für die Interpolation der Messwerte (n-2) und (n-1) nach (n) und
9 die Verarbeitungsfolge für die Korrekturfaktorermittlung.

Das in 1 dargestellte Blockschaltbild des gesamten Messsystems dient vorzugsweise für die Spannungs- und/oder Strommessung in Mittel- oder Hochspannungsanlagen; weiterhin kann dieses auch im Bergbau eingesetzt werden.
Zur optischen Signal- und Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf SK mit mindestens einem Sensorelement S1 und einem zentralen Messgerät MG ist im zentralen Messgerät MG ein von einem Mikroprozessor MP1 gesteuerter Lichtsender LS1 vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur Energieversorgung des Sensorkopfs SK vorzugsweise ein aus einer Wechselstrom- und einer Gleichstromkomponente überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter LW1 abgibt.
Das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs ist in 2 dargestellt, wobei im Sensorkopf SK ein an den ersten Lichtwellenleiter LW1 angeschlossener Lichtempfänger LE2 und ein Mikroprozessor MP2 vorgesehen sind. Erfindungsgemäß dient der Mikroprozessor MP2 nach Aktivierung durch den Lichtempfänger LE2 zum Ansteuern des Sensorelements S1, zum Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement S1 gemessenen Werte und zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät MG. Hierzu steuert der Mikroprozessor MP2 einen im
Sensorkopf SK angeordneten Lichtsender LS2 an, wobei die Datenkommunikation über einen zweiten Lichtwellenleiter LW2 zu einem im zentralen Messgerät MG angeordneten Lichtempfänger LE1 erfolgt.
Die beiden Mikroprozessoren MP1, MP2 führen die Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durch. Hierzu wird ein Rahmensynchronisationssignal zwischen zentralem Messgerät MG und Sensorkopf SK übertragen und daraus ein Taktsignal zur blockorientierten Datenübertragung abgeleitet. Weiterhin erfolgt erfindungsgemäß eine Vorverarbeitung der Messwerte im Sensorkopf SK, insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich.
Im Sensorkopf SK ist ein Analog-Digital-Wandler ADC vorgesehen, welcher mit dem Mikroprozessor MP2 verbunden ist. Im Normalbetrieb liest der Mikroprozessor MP2 seriell den digitalisierten Messwert MW (siehe 3a) vom Analog-Digital-Wandler ADC ein, führt eine Fehlerkorrektur und Codierung durch, und sendet die korrigierten und codierten Daten seriell über den zweiten Lichtwellenleiter LW2 zum zentralen Messgerät MG.
Um eine gleichspannungsfreie und sichere Übertragung zur erreichen, werden erfindungsgemäß die Daten vor dem Senden codiert. 3a zeigt den Aufbau für eine Ausführungsform eines Sendetelegramms. Das über den Analog-Digital-Wandler ADC zugeführte 16-Bit breite Datenwort MW wird durch den Mikroprozessor MP2 segmentiert, beispielsweise in vier Bit, und diese Worte werden mit einer im Mikroprozessor MP2 oder Speicher SP gespeicherten Codetabelle in 7-Bit breite Worte (mit Informationen zur Segmentierung) codiert. Zusätzlich zu diesen vier Worten wird vorzugsweise ein Wort mit Systeminformationen SI gesendet (Spannungssteuerung, evtl. Temperatur).
Das zu erwartende Datenvolumen berechnet sich bei dieser Ausführungsform aus den pro Frame gesendeten Blöcken. Für das in 3a dargestellte Beispiel, müssen für einen gewandelten Wert von 16-Bit Breite nach der Codierung (inklusive Start- und Stopbits ST
SB) 45 Bit übertragen werden, was einem Block entspricht. Je nach gewünschter Abtast-Frequenz müssen unterschiedlich viele Blöcke in einem Frame gesendet werden. Da die Anzahl der Blöcke eine ganze Zahl n sein muss, können keine beliebigen Abtast-Frequenzen eingestellt werden. Nachfolgend sind einige Beispiele für Übertragungsraten bei verschiedenen Abtast-Frequenzen angegeben:

t_frame: 118µs > f_sample = 17,86 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 17,86 kHz = 803,7 kBit/s
t_frame: 156µs > f_sample = 12,82 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 12,82 kHz = 576,9 kBit/s
t_frame: 118µs >f_sample = 59,3 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 59,3 kHz = 2,67 MBit/s
t_frame: 156µs > f_sample = 57,7 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 57,7 kHz = 2,6 MBit/s

Der Rahmenaufbau bei zwei verschiedenen Abtastfrequenzen, nämlich vorzugsweise Abtast-Frequenz 60 kHz ist in 3b und Abtast-Frequenz 10 kHz ist in 3c dargestellt.
Zur Steigerung der Messgenauigkeit wird erfindungsgemäß an den digitalisierten Messwerten MW (beispielsweise Spannungswerten) eine Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Die hierfür benötigten Korrekturfaktoren werden durch einen periodischen Abgleichvorgang von im Sensorkopf SK angeordnetem Mikroprozessor MP2 ermittelt und bis zum nächsten Abgleich zur Korrektur verwendet. Da während des Einlesens eines Abgleichwertes kein aktueller Messspannungswert MW eingelesen und verarbeitet werden kann, wird erfindungsgemäß anstatt des regulären Wertes ein interpolierter Wert codiert und übertragen. Die Verarbeitungsfolge für die Interpolation der Messwerte (n-2) und (n-1) nach (n) ist in 8 und die Verarbeitungsfolge für die Korrekturfaktorermittlung ist in 9
dargestellt; dabei ist der Unterschied zum Normalbetrieb durch das Wort „bzw.“ herausgestellt. Die Interpolation der Messwerte (n-2) und (n) nach (n-1) ergibt sich in analoger Weise (nicht dargestellt). Durch Speicherung der beiden Messwerte (n-2) und (n), zwischen denen der Abgleichvorgang (n-1) liegt, kann eine Interpolation des Messwertes (n-1) durchgeführt werden. Der Abstand zwischen der Erfassung der Abgleichwerte liegt vorzugsweise im Bereich von Minuten.
Weiterhin wird beim erfindungsgemäßen Messverfahren die Referenzspannung im Klimaschrank von außen mit einem präzisen Messinstrument vermessen. Die Messwerte bei den Temperaturen -40°C, 0°C und +85°C werden im Mikroprozessor MP2 gespeichert; ein Beispiel hierfür ist in 4 dargestellt. Durch die Messwerte ist eine Parabel beschrieben, die zur Fehlerkorrektur verwendet wird. Mit der Parabelgleichung ist es möglich, für jede Temperatur einen Wert für die Referenzspannung zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer Parabelgleichung eine Tabelle mit Zwischenwerten wie folgt erstellt: $Δ ϑ=+85 ° C - (- 40 ° C) = 125 ° C$

> 1 Spannungswert / °C = 125 Spannungswerte (16-Bit Breite)
> Speicherbedarf: 16 Bit * 125 = 2000 Bit = 250 Byte

Beim Abgleichvorgang werden zwei Spannungen (+V_Ref, -V_Ref) und GND nacheinander durch den Analog-Digital-Wandler ADC digitalisiert. Zusätzlich wird die aktuelle Temperatur der Baugruppe/Sensorkopf SK mittels Temperatursensor TS ermittelt. Mit diesen Parametern kann eine Fehlerkorrektur durchgeführt werden.
Mit der aktuellen Temperatur kann aus der Tabelle der Wert der Referenzspannung ermittelt werden. Mit dem realen Wert der Referenzspannung (temperaturabhängig), den gemessenen Werten der Referenzspannung (pos., neg.) und dem Offset bei GND wird die Ausgleichsparabel berechnet. $y_{1} = {ax}_{1}^{2} + {bx}_{1} + {c mit y}_{1} = {realer Wert V}_{Ref} (pos .); x_{1} = {gemessener Wert V}_{Ref}$
$y_{2} = {ax}_{2}^{2} + {bx}_{2} + {c mit y}_{2} = {realer Wert V}_{Ref} (neg .); x_{2} = {gemessener Wert V}_{Ref}$
$y_{3} = {ax}_{3}^{2} + {bx}_{3} + {c mit y}_{3} = realer Wert GND (= 0V); x_{3} = gemessener Wert GND$
Demnach ist ein Gleichungssystem mit drei Unbekannten zu lösen, die Ausgleichsparabel zu bestimmen, die Korrekturfaktoren (a, b, c) abzulegen und bis zum nächsten Abgleich zu verwenden. ${Korrekturrechtung:v}_{Eingang} = {av}_{Mess}^{2} + {bv}_{Mess} + c$
Diese bedeutet, dass zur Korrektur eines Messwertes zwei Multiplikationen und zwei Additionen durchgeführt werden müssen.
Bei Verwendung einer Ausgleichsgeraden an Stelle einer Parabel, reduziert sich das Korrekturverfahren auf eine Multiplikation und eine Addition. Zudem können die Korrekturfaktoren mit weniger Rechenaufwand ermittelt werden.
In 6a ist die Schnittstellenschaltung SPI (Serial Peripheral Interface) zwischen Analog-Digital-Wandler ADC und Mikroprozessor MP2 dargestellt. Das SPI-Interface basiert auf einem 8-Bit Schieberegister. Der Clock (SCK) wird vom Mikroprozessor MP2 zur Verfügung gestellt. Eine Clock-Erzeugung durch den Mikroprozessor MP2 findet nur statt, wenn Daten gesendet werden. Zwischen den Übertragungen ist SCK im Ruhemodus. Senden und Empfangen findet simultan statt. Während der Mikroprozessor MP2 seine Daten sendet, werden die Daten vom Analog-Digital-Wandler ADC empfangen. Daraus folgt, es müssen immer Daten gesendet werden, auch wenn gerade nichts empfangen wird. Der in 6a dargestellte Datenaustausch zeigt folgendes auf: Daten an SDO werden gesendet mit der fallenden Flanke, Daten an SDI werden mit der steigenden Flanke empfangen. Der SCK Ruhepegel ist HIGH.
Das Zusammenspiel zwischen Analog-Digital-Wandler ADC und Mikroprozessor MP2 ist nachfolgend beschrieben. Vom Mikroprozessor MP2 müssen ständig Daten gesendet werden, damit ein Takt für den Analog-Digital-Wandler ADC generiert wird. Insgesamt müssen für einen Wandlungszyklus 24 Bit = 3 Byte gesendet werden. Nach erfolgter Übertragung des ersten Byte, was durch einen Interrupt signalisiert wird, muss in der Interrupt-Serviceroutine der Receive-Buffer gelesen sowie ein neues Byte in den Transmitt-Buffer geschrieben werden. Während dieser Zeit liefert die Schnittstellenschaltung SPI keinen Clock zum Analog-Digital-Wandler ADC, wodurch dieser auch nicht arbeitet. Es gehen keine Daten verloren. Nach Behandlung der Interrupt-Serviceroutine wird wieder ein Byte zum Analog-Digital-Wandler ADC gesendet und gleichzeitig eines empfangen. Der Zeitablaufplan für die Steuerung durch den Mikroprozessor MP2 ist in 6a und 6b dargestellt.
Der gesamte Wandlungszyklus benötigt 24 Takte, wobei die Zeit für die Behandlung der Interrupt-Serviceroutine zweimal hinzu addiert werden muss. Aufgaben in der Interrupt-Serviceroutine sind:

- Lesen des Receive-Buffer
- Schreiben des Transmitt-Buffer

> Der Interrupt wird gelöscht, wenn in den Transmitt-Buffer geschrieben oder vom Receive-Buffer gelesen wird.

Die Ansteuerung des Analog-Digital-Wandler ADC kann evtl. durch Anschluss des MOSI-Pin (Master out, Slave in) am Analog-Digital-Wandler ADC erfolgen. Durch Senden entsprechender Daten kann der Analog-Digital-Wandler ADC aktiviert bzw. deaktiviert werden.

Die Verlustleistung des erfindungsgemäßen Messsystems wurde in umfangreichen Versuchsreihen wie folgt ermittelt:

f_sample	12,82 kHz	17,86 kHz	57,7 kHz	59,3 kHz
Verlustleistung	I_AM = 1,06 mA	I_AM = 1,47 mA	I_AM = 4,77 mA	I_AM = 4,9 mA
C-Logik	P_V = 3,5 mW	P_V = 4,85 mW	P_V = 15,75	P_V = 16,17
(V=3,3V)			mW	mW
				(bei 8MHz)
Verlustleistung	I_AM = 0,303	I_AM ≈ 0,455	I_AM ≈ 0,9 mA	I_AM ≈ 0,9 mA
AD-Wandler	mA	mA	P_V ≈ 3 mW	P_V ≈ 3 mW
(V=3,3V)	P_V ≈ 1 mW	P_V ≈ 1,5 mW
Sendediode	I_F ≥ 5 mA	I_F ≥ 5 mA	I_F ≥ 5 mA	I_F ≥ 5 mA
(1A229-SMA) t_on =	V_F = 1,6V	V_F = 1,6V	V_F = 1,6V	V_F = 1,6V
50%	P_V ≥ 8 mW	P_V ≥ 8 mW	P_V ≥ 8 mW	P_V ≥ 8 mW
	P_V ≈ 4 mW	P_V ≈ 4mW	P_V ≈ 4 mW	P_V ≈ 4 mW
Messwertverstärker	ca. 0,5 mA	ca. 0,5 mA	ca. 0,5 mA	ca. 0,5 mA
Spannungsregler	4,2 mW	4,6 mW	6,1 mW	7,3 mW
SUMME:	18 mW	21 mW	35 mW	36 mW

Die Verlustleistung der Spannungsreferenz REF und des Multiplexers MU kann vernachlässigt werden.
Eine zweite Ausführungsform mit mehreren Sensorköpfen ist in 7 dargestellt, wobei identische Bezugszeichen benutzt werden.
Das erfindungsgemäße Messsystem findet überall dort Anwendung, wo hohe Ansprüche an die optische Signal- und Energieübertragung gestellt werden und ein Höchstmaß an effizienter und sicherer Datenübertragung sichergestellt sein muss, beispielsweise im Bergbau, in Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder in der industriellen Elektronik, insbesondere der Automatisierungstechnik.
Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Messsystem im Rahmen einer Echtzeitvernetzung von Steuerungen (auch Echtzeitsteuerung über Ethernet oder Powerlink) eingesetzt werden, wo die Synchronisierbarkeit der Teilnehmer (beispielsweise Antriebe, schnelle E/As, Sensoren, Aktoren, Vision-Systeme) untereinander und die Verarbeitung der Daten im Regeltakt der Antriebe Voraussetzung ist.

Claims

Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät (MG) und einem Sensorkopf (SK) mit mindestens einem Sensorelement (S 1), bei dem • im zentralen Messgerät (MG) ein von einem Mikroprozessor (MP1) gesteuerter Lichtsender (LS1) vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur Energieversorgung des Sensorkopfs (SK) ein aus verschiedenen Komponenten überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter (LW1) abgibt, • im Sensorkopf (SK) ein an den ersten Lichtwellenleiter (LW1) angeschlossener Lichtempfänger (LE2) und ein Mikroprozessor (MP2) vorgesehen sind, wobei der Mikroprozessor (MP2) nach Aktivierung durch den Lichtempfänger (LE2) zum Ansteuern des Sensorelements (S 1), dem Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement (S1) gemessenen Werte dient und eine Datenkommunikation zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät (MG) über einen Lichtsender (LS2), einen zweiten Lichtwellenleiter (LW2) und einen im zentralen Messgerät (MG) angeordneten Lichtempfänger (LE1) steuert, • die beiden Mikroprozessoren (MP1, MP2) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, wobei ein Rahmensynchronisationssignal und daraus ein Taktsignal-zur blockorientierten Datenübertragung abgeleitet wird und wobei eine Datenkommunikation zur Parametrierung und/oder Programmierung zwischen zentralem Messgerät (MG) und Sensorkopf (SK) sowie eine Vorverarbeitung der Messwerte im Sensorkopf (SK), insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich im Sensorkopf (SK) durchgeführt wird, derart, dass im Sensorkopf (SK) ein Temperatursensor (TS) angeordnet ist, welcher an einem Eingang eines Multiplexers (MUX) angeschlossen ist, dass der Sensorkopf (SK) eine Referenzspannungsquelle (REF) aufweist und dass zum Abgleich gesteuert durch den Mikroprozessor (MP2) der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert (V_Ref) über einen Eingang des Multiplexers (MUX) einem Steuereingang eines Analog-Digital-Wandler (ADC) zuführbar ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein Analog-Digital-Wandler (ADC) vorgesehen ist, welcher mit dem Mikroprozessor (MP2) verbunden ist, und dass der Mikroprozessor (MP2) den über den Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführten digitalen Messwert (MW) korrigiert und/oder um Daten mit Systeminformation (SI) ergänzt, die resultierenden Daten segmentiert, mittels Blockkodierung kodiert sowie mit Informationen zur Segmentierung versieht, derart, dass eine fehlerkorrigierende Datenübertragung ermöglicht wird.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (SK) einen Multiplexer (MU) aufweist, dessen Eingänge jeweils an Sensorelemente (S1) angeschlossen sind, wobei die Messkanalumschaltung (KU) mittels des Mikroprozessors (MP2) erfolgt.
Messsystem nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Multiplexers (MUX) ein Impedanzwandler (IW) für den abgreifbaren Messwert angeschlossen ist und dass zwischen Ausgang des Impedanzwandlers (IW) und Eingang des Analog-Digital-Wandlers (ADC) ein Differenzverstärker (DV) mit einstellbaren Verstärkungen angeordnet ist, welcher zur Messbereichsumschaltung (BU) mit dem Mikroprozessor (MP2) verbunden ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (S1) zur Gleich- oder Wechselspannungsmessung einen ohmschen Spannungsteiler und/oder zur Strommessung einen induktiven Stromwandler mit nachgeordnetem Filter (F1) zur Transienten- und Hochspannungsimpulsfilterung und seriell angeordnetem Schutzelement (SCH) aufweist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Messgenauigkeit an den digitalisierten Messwerten (MW) eine Fehlerkorrektur durchgeführt wird, wobei die hierfür benötigten Korrekturfaktoren durch einen periodischen Abgleichvorgang von im Sensorkopf (SK) angeordnetem Mikroprozessor (MP2) ermittelt und bis zum nächsten Abgleich zur Korrektur verwendet werden und wobei während des Einlesens eines Abgleichwertes kein aktueller Messspannungswert (MW) eingelesen und verarbeitet wird und anstatt des regulären Wertes ein interpolierter Wert codiert und übertragen wird.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abgleichvorgang zwei Spannungen (+VRef, -VRef) und GND nacheinander durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert werden, dass zusätzlich die aktuelle Temperatur des Sensorkopf s (SK) mittels dem Temperatursensor (TS) ermittelt wird, dass der Mikroprozessor (MP2) des Sensorkopfs (SK) mit der aktuellen Temperatur aus einer Tabelle den Wert der Referenzspannung (V_Ref) ermittelt und mit dem realen Wert der Referenzspannung (temperaturabhängig), den gemessenen Werten der Referenzspannung (+VRef, -VRef) und dem Offset bei GND eine Ausgleichsparabel berechnet.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein mit dem Lichtempfänger (LE2) verbundenes Filter (FI) angeordnet ist, an dessen Ausgang das Rahmensynchronisationssignal und/oder das nachfolgende Datensignal abgreifbar und dem Mikroprozessor (MP2) zuführbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein mit dem Lichtempfänger (LE2) verbundener Spannungswandler (SPW) angeordnet ist, welcher zur Spannungsversorgung im Sensorkopf (SK) dient und dass der Mikroprozessor (MP2) die am Energiespeicher des Spannungswandlers (SPW) abgreifbare Spannung überwacht.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Lichtsender (LS1, LS2) ein Verstärker (V1, V2) angeordnet ist und dass ein weiterer Verstärker (V3) dem Lichtempfänger (LE1) im zentralen Messgerät (MG) nachgeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Messgerät (MG) mindestens eine Schnittstellenschaltung (IO) aufweist und dass im zentralen Messgerät (MG) ein mit dem Mikroprozessor (MP1) verbundener digitaler Signalprozessor (DSP) angeordnet ist, welcher über die Schnittstellenschaltung (S1) von außen her konfigurierbar als auch auslesbar ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das an den ersten Lichtwellenleiter (LW1) abgegebene Licht aus mit dem Verfahren der Pulsweiten-Modulation erzeugten Lichtimpulsen besteht.
Verfahren zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsanlagen und im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät (MG) und einem Sensorkopf (SK) mit mindestens einem Sensorelement (S1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Messgerät (MG) und im Sensorkopf (SK) angeordnete Mikroprozessoren (MP1, MP2) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, dass zur Vorverarbeitung der Messwerte und/oder zum automatischen Abgleich im Sensorkopf (SK) eine Vermessung der Referenzspannung (V_Ref) im Klimaschrank und Abspeicherung in mindestens einem Mikroprozessor (MP1, MP2) erfolgt und dass der im Sensorkopf (SK) angeordnete Mikroprozessor (MP2) einen Abgleichvorgang und eine Fehlerrechnung durchführt, wobei im Sensorkopf (SK) ein Temperatursensor (TS) angeordnet ist, welcher an einem der Eingänge eines Multiplexers (MUX) angeschlossen ist und der Sensorkopf (SK) eine Referenzspannungsquelle (REF) aufweist und dass zum Abgleich gesteuert durch den Mikroprozessor (MP2) der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert (VRef) über einen Eingang des Multiplexers (MUX) einem Steuereingang eines Analog-Digital-Wandler (ADC) zuführbar ist, und dass der Mikroprozessor (MP2) nach Aktivierung durch einen an einen ersten Lichtwellenleiter (LW1) angeschlossenen Lichtempfänger (LE2) zum Ansteuern des Sensorelements (S 1), zum Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement (S1) gemessenen Werte und zur Steuerung einer Datenkommunikation zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät (MG) dient und eine fehlerkorrigierende Datenübertragung sowie die Energieübertragung steuert, wobei der im Sensorkopf (SK) angeordnete Mikroprozessor (MP2) ein Wort mit Systeminformationen (SI), welche Informationen über Spannungssteuerung und Temperatur enthält, sendet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Datenübertragung die an sich fehlerbehafteten Messwerte (MW) unter Zuhilfenahme im Sensorkopf (SK) gemessener Temperatur, Referenzspannungen und Offsetspannung im Sensorkopf (SK) korrigiert werden und dass der Takt für ein Schieberegister einer Schnittstellenschaltung (SPI) vom Mikroprozessor MP2 nur erzeugt wird, wenn Daten gesendet werden.