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Einrichtung zur übertragung von Fernwirksignalen über ein Wechselspannung
führendes Versorgungsnetz Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist eine Einrichtung
zur Übertragung von Fernwirksignalen über ein Wechselspannung führendes Versorgungsnetz
für elektrische Energie, bei der die Signale der Netzwechselspannung überlagert
sind, mit mindestens einem Signalgeber und einem Signalempfänger sowie mit einem
bei jedem Signalgeber angeordneten, in Reihe mit einem Impulskontakt an das Versorgungsnetz
angeschlossenen elektrischen Schwingkreis, der für die Zeitdauer der Signalübertragung
an das Versorgungsnetz in der Weise einer Impulsserie angeschaltet ist, wobei der
zeitliche Abstand der einzelnen aufeinanderfolgenden Anschaltimpulse einer Impulsserie
ungleich dem einfachen oder ganzzahligen mehrfachen Wert der halben Periodendauer
der mit den Signalen überlagerten Netzwechselspannung ist.
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Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Weiterbildung des Gegenstandes
der Hauptanmeldung.
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Es wurde gefunden, daß die zu übertragenden Informationen ohne nennenswerten
Mehraufwand mit zusätzlichen Informationselementen, z. B. mit einem Kennungssignal,
für den einzelnen Signalgeber ausgestattet werden können, wenn die im Hauptpatent
definierte Einrichtung außerdem die Merkmale besitzt, daß der elektrische Schwingkreis
mindestens zwei durch wenigstens einen Signalkontakt wählbare Eigenschwingungszahlen
sowie ein durch einen Modulator betätigtes Abstimmorgan zur Veränderung dieser Eigenschwingungszahlen
von solcher Bemessung aufweist, daß sich die vom Abstimmorgan um die gewählten Eigenschwingungszahlen
gebildeten Frequenzbänder nicht überschneiden, und daß ferner im Signalempfänger
für Amplituden- und Frequenzmodulation selektiv empfindliche Auswerteglieder angeordnet
sind.
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Einzelheiten gehen aus dem im folgenden an Hand der Zeichnungsfiguren
beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor. Es zeigt F i g. 1 ein Spannungsdiagramm
und F i g. 2 ein Schema einer Fernwirkeinrichtung.
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In einem Versorgungsnetz für elektrische Energie, im weiteren meisten
kurz »Netz« genannt, beträgt die Frequenz der Netzwechselspannung z. B. 50 Hz, ihre
Periodendauer damit 20 Millisekunden (abgekürzt: ms). Beim Anschalten eines aus
einem induktiven und einem kapazitiven Glied bestehenden elektrischen Schwingkreises
an das Netz bildet sich ein Wechselstrom mit einer durch die Eigenfrequenz des Schwingkreises
vorgeschriebenen Frequenz aus, dessen Erstamplitude dem zum Zeitpunkt der Anschaltung
anliegenden Momentunwert der Netzspannung proportional und dessen logarithmisches
Dekrement von der Dämpfung des Schwingkreises abhängig ist.
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Beim Abschalten des Schwingkreises besitzt das kapazitive Glied dieses
Schwingkreises eine Ladung, deren Polarität und Größe dem zum Zeitpunkt der Abschaltung
anliegenden Momentanwert der Netzspannung entspricht. Um nun einen möglichst großen
Einschaltstromstoß zu erzielen, erfolgt die nächste Anschaltung des Schwingkreises
vorteilhaft in einer Halbwelle der Netzspannung mit entgegengesetzter Polarität,
jedoch bei einem anderen Betrag des Momentunwertes der Netzspannung als die vorausgehende
Anschaltung. In der F i g. 1 ist dies veranschaulicht.
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Beispielsweise fällt der Zeitpunkt t1 der ersten Anschaltung mit dem
Scheitelwert einer positiven Halbwelle (+) der Netzspannung U, der Zeitpunkt der
Abschaltung t2 mit dem Scheitelwert der nächstfolgenden positiven Halbwelle zusammen;
die Anschaltdauer A des Schwingkreises beträgt dann eine Periodendauer der Netzspannung,
also 20 ms. Die zweite, nach einer Impulspause P folgende Anschaltung setzt nun
erst einen kleinen Zeitbetrag Z, z. B. 2 ms, nach dem Auftreten des Scheitelwertes
der auf die positive Halbwelle (+), bei der abgeschaltet wurde, folgenden negativen
Halbwelle (-) der Netzspannung ein; die Periodendauer T einer Anschaltung,
das
ist der zeitliche Abstand der einzelnen Anschaltimpulse, ist beim gewählten Beispiel
demnach 32 ms; Anschaltdauer A und Impulspause P sind also unterschiedlich bemessen.
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Im vorgetragenen Beispiel fällt der Zeitpunkt der Anschaltung nach
jeweils fünf Anschaltperioden, entsprechend einem Zeitraum von 160 ms, mit homologen
Momentanwerten der Netzspannung zusammen. In diesem Zeitraum ändert sich der Betrag
der Erstamplitude des Einschaltstromstoßes zwischen einem Höchstwert und einem Wert
gleich oder nahe bei Null, je nach dem Betrag des Momentanwertes der Netzspannung
zum Zeitpunkt der ersten Anschaltung innerhalb einer Serie von Anschaltimpulsen.
Der Einschaltstrom des Schwingkreises ist also im besprochenen Beispiel mit (160
ms)-1 = 6,25 Hz praktisch zu 100% amplitudenmoduliert. Dieser Amplitudenmodulation
der als Träger wirkenden Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises läßt sich
nun durch periodische Schwingkreisverstimmung eine Frequenzmodulation der Trägerfrequenz
überlagern.
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Eine für die praktische Ausführung der Erfindung geeignete Anordnung
ist in der F i g. 2 dargestellt.
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Als Fernwirkkanal dient ein Niederspannungsnetz 1, beispielsweise
ein Bezirksnetz der öffentlichen Stromversorgung, das von einem Verteiltransformator
2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht z. B. darin, den elektrischen Zustand
der Signalkontakte einer größeren Anzahl von Signalgebern an eine zentrale Empfangsstelle
zu melden. Als Signalgeber dienen Mengenmesser zur Messung des Verbrauches von öffentlichen
Verbrauchsgütern, wie Gas, Wasser, Elektrizität.
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In der F i g. 2 ist als Signalgeber 3 ein Elektrizitätszähler angedeutet,
der jeweils nach Messung einer bestimmten Verbrauchsmenge einen Signalkontakt 4
von einem Kontaktelement 5 auf ein Kontaktelement 6 umschaltet und umgekehrt. Der
Elektrizitätszähler mißt die in einem Verbraucher 7 umgesetzte elektrische Arbeit.
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Als Sendeeinrichtung dient ein aus einem Kondensator 8 und aus einer
eine Anzapfung 9 aufweisenden Spule 10 bestehender elektrischer Reihenschwingkreis
sowie ein als Modulator wirkendes Laufwerk 11. Wenigstens ein Teil der Spule
10 besitzt einen Eisenkern 12, dessen magnetische Leitfähigkeit durch ein
Abstimmorgan 13 veränderbar ist.
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Das Laufwerk 11 weist drei über Zahnradpaare 14, 15, 16 gekuppelte
Wellen 17, 18, 19 mit unterschiedlichen Drehzahlen auf, die in einem festen Verhältnis
zur Drehzahl einer von einem Uhrwerk oder, wie gezeichnet, von einem Synchronmotor
20 bewegten Antriebswelle 21 stehen.
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Auf der Welle 17 ist eine Nockenscheibe 22 befestigt, die auf einen
Impulskontakt 23 wirkt, während die Welle 18 eine Kurvenscheibe 24 zur Betätigung
des Abstimmorgans 13 trägt. Die Kurvenscheibe 24 steht mit dem Abstimmorgan 13 über
einen in der Figur strichpunktiert angedeuteten Wirkungspfad 25 in Verbindung. Diese
Verbindung kann auch in einer Identität der Kurvenscheibe 24 mit dem Abstimmorgan
13 bestehen, indem diese beispielsweise mit ihrem äußeren Teil, der Zonen unterschiedlicher
magnetischer Leitfähigkeit aufweist, in einem Luftspalt des Eisenkernes 12 der Schwingkreisspule
10 rotiert. Die Bezeichnung »Kurvenscheibe« ist mithin mechanisch oder magnetisch
aufzufassen. Schließlich sind auf der Welle 19 zwei Nockenscheiben 26 und 27 angeordnet,
deren erste einen Motorkontakt 28 und deren zweite einen Hauptkontakt 29 steuert.
Die Nockenscheibe 27 kann mittels einer Rutschkupplung 30 oder mittels einer Stellschraube
gegenüber der Nockenscheibe 26 von Hand verdreht werden.
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Vom Phasenleiter einer an das Niederspannungsnetz 1 einphasig angeschlossenen
Abzweigleitung 31 führt eine Verbindungsleitung 32 über den Hauptkontakt 29 zum
Impulskontakt 23, und von diesem über den Kondensator 8 zu einem Wicklungsende der
Spule 10, deren anderes Wicklungsende mit dem Kontaktelement 6 des Signalkontaktes
4 verbunden ist. Von der Anzapfung 9 der Schwingkreisspule 10 besteht eine elektrische
Verbindung zum Kontaktelement 5 des Signalkontaktes 4, dessen Schaltarm am Nulleiter
(0) der Abzweigleitung 31 liegt.
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Der Signalgeber 3 ist ebenfalls an die Abzweigleitung 31 angeschlossen,
welche auch die Betriebsspannung für den Synchronmotor 20 einerseits über die Verbindungsleitung
32, einen Steuerkontakt 33, eine Leitung 34 und andererseits über eine Anschlußleitung
35 liefert.
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Der Motorkontakt 28 liegt elektrisch parallel zum Steuerkontakt 33,
welcher von einer Schaltuhr oder von einem mit dem Niederspannungsnetz 1 verbundenen
Rundsteuerempfänger 36 betätigt wird. Falls eine Schaltuhr angeordnet ist, kann
diese auch als Antrieb für das Laufwerk 11 dienen. Schaltuhr oder Fernsteuerempfänger
36 werden durch die beschriebene Fernwirkeinrichtung in der Regel nur mitbenutzt,
erfüllen also auch noch andere Aufgaben, z. B. Tarifumschaltung, Ein- und Abschaltung
von Verbrauchern usw., was jedoch in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
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Die vorstehend beschriebenen Teile der Figur sind am Ort eines jeden
Signalgebers 3 angeordnet; eine Schaltuhr oder ein Rundsteuerempfänger 36 kann allerdings
mehrere Signalgeber 3 mit Laufwerken 11 bedienen und weist dann entsprechend viele
Steuerkontakte 33 auf.
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Der bisher beschriebene Teil der Fernwirkeinrichtung arbeitet wie
folgt: Die zu übertragende Information ist im elektrischen Zustand des Signalkontaktes
4 enthalten, sie kann die Form a oder b
haben, dann ist der Signalkontakt
4 ein Umschalter mit zwei Kontaktelementen 5, 6. Allenfalls besitzt der Signalkontakt
4 mehr als zwei Kontaktelemente; die Information kann dann mindestens so viele unterschiedliche
Formen aufweisen, wie Kontaktelemente angeordnet sind. Natürlich sind dann entsprechend
viele Anzapfungen der Schwingkreisspule 10 oder äquivalente Mittel zur Änderung
der Eigenfrequenz des Schwingkreises erforderlich.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegt der Schwingkreis 8, 10
mit dem Signalkontakt 4 und dem Impulskontakt 23 elektrisch in Reihe und wird bei
jedem Schließen des Impulskontaktes an die Netzspannung angeschaltet, vorausgesetzt,
daß der Hauptkontakt 29 geschlossen ist. Dabei entstehen, wie erwähnt, elektrische
Ausgleichschwingungen S (F i g. 1), die sich dem Netz als Signalströme überlagern
und die somit über das Netz fortgeleitet werden.
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Der zeitliche Abstand T der einzelnen Anschaltimpulse und damit die
Dauer eines Schaltzyklus eines Impulskontaktes ist gleich dem reziproken Produkt
aus der Anzahl der Nocken der den Impulskontakt
steuernden Nockenscheibe
und der Drehzahl dieser Nockenscheibe. Für die den Impulskontakt 23 steuernde Nockenscheibe
22 ist der Kehrwert des Produktes aus Drehzahl und Nockenzahl, also die Dauer einer
Anschaltperiode T, unterschiedlich und ungleich dem einfachen oder ganzzahligen
mehrfachen Wert der halben Periodendauer der Netzwechselspannung gewählt. Weiter
oben wurde hierfür bereits ein Wert von z. B. 32 ms genannt; es könnten z. B. aber
auch 11 ms oder 31,25 ms oder beliebige andere Werte sein, vorzugsweise solche,
die nahe bei einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Periodendauer der Netzwechselspannung
liegen und die in der bereits beschriebenen Weise Modulationsfrequenzen ergeben,
welche von Störfrequenzen und Netzharmonischen einen hinreichenden Abstand aufweisen.
Mit Vorteil ist die Zeitdauer, in der der Impulskontakt 23 während eines Schaltzyklus
geschlossen ist, ungleich lang, vorzugsweise länger bemessen als die Zeitdauer,
in welcher der Impulskontakt 23 geöffnet ist.
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Beim Schließen des Steuerkontaktes 33 wird die Antriebswelle 21 des
als umlaufender Nockenschalter ausgebildeten Laufwerkes 11 in Bewegung gesetzt,
sei es durch Einschalten des Synchronmotors 20 oder durch z. B. elektromagnetisches
Einkuppeln der Antriebswelle 21 in einen ständig laufenden Uhrwerkantrieb, welcher
der Antriebswelle 21 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 U/sec erteilt.
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Kurz nach dem Start des Laufwerkes 11 schließt der Motorkontakt
28 und hält den Antrieb, z. B. den Synchronmotor 20, für eine ganze Umdrehung
der Nockenscheibe 26 erregt.
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Eine festgesetzte Zeitspanne nach dem Start des Laufwerkes
11 schließt sich der Hauptkontakt 29 für eine durch die Ausbildung
der Nockenscheibe 27 bestimmte Zeitdauer, z. B. für 1,5 Sekunden. In dieser Zeitdauer
wird der Schwingkreis 8, 10 durch den Impulskontakt 23 in einem für den Impulskontakt
23 charakteristischen Rhythmus an das Netz angeschaltet. Die auf der Welle
18 synchron, jedoch mit einer anderen Drehzahl als die Nockenscheibe 22 umlaufende
Kurvenscheibe 24 verstimmt gleichzeitig den Schwingkreis 8, 10 im Takt ihres Umlaufes.
Die Verstimmung ist vorzugsweise so bemessen, daß sich die durch die Modulation
um die vom Signalkontakt 4 gewählten Grundeigenfrequenzen des Schwingkreises 8,
10 erzeugten Frequenzbänder nicht überschneiden, damit eine stets eindeutige Auswertung
der Signale möglich ist.
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Die Signale der beschriebenen Art haben die Form einer Serie von amplituden-
und frequenzmodulierten Trägerfrequenzimpulsen, deren Grundträgerfrequenz von der
jeweiligen Stellung des Signalkontaktes 4 abhängig ist und deren zeitliche Länge
der Schließungsdauer des Hauptkontaktes 29 entspricht.
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Die vom Signalkontakt 4 gewählte Eigenschwingungszahl des Schwingkreises
8, 10 enthält die Information über den Schaltzustand des Signalkontaktes, während
eine der beiden Modulationsarten zur Unterscheidung der Signale von Störspannungen,
die andere beispielsweise zur Identifikation des Signalgebers 3 dient. Selbstverständlich
können beide Modulationsarten aktive Informationselemente repräsentieren, so daß
sich durch entsprechende Kombinationsbildung auch mehrstellige Zahlenwerte einwandfrei
übertragen lassen. Theoretisch ist der zur Anwendung kommenden Anzahl von unterschiedlichen
Eigenschwingungszahlen, Frequenzmodulationsfrequenzen und Amplitudenmodulationsfrequenzen
keine Grenze gesetzt.
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Mit Hilfe des Rundsteuerempfängers 36 (oder einer Schaltuhr) kann
die Impulsserie, also die Information, zu einem gewünschten Zeitpunkt aufgerufen
werden. Es ist möglich, viele Signalgeber 3 durch einen einzigen Rundsteuerbefehl
gleichzeitig aufzurufen. Im Augenblick des Aufrufes, das ist beim Schließen des
Steuerkontaktes 33, starten alle Laufwerke 11. Durch entsprechende Einstellung der
Nockenscheibe 27 ist erreicht, daß die Hauptkontakte 29 aller gestarteten Laufwerke
11 zu verschiedenen Zeiten geschlossen sind, so daß ein Signalgeber nach dem anderen
seine Information abgibt, ohne daß Überschneidungen der Informationen auftreten.
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Die zeitliche Aufeinanderfolge, in der die einzelnen Signalgeber ihre
Information abgeben, kann festgelegt sein und nach dem Redundanzprinzip zur weiteren
Identifikation des Signalgebers dienen. Bei Belegung aller Elemente des Signals
durch aktive Informationselemente muß diese zeitliche Aufeinanderfolge als Indentifikationskriterium
benutzt werden. Eine zentrale Empfangsstelle 37 kennt dann den Zeitpunkt des Aufrufes
aller in die Fernwirkeinrichtung einbezogenen Signalgeber 3 und kann so jede in
der Empfangsstelle eintreffende Impulsserie einem bestimmten Signalgeber 3 zuordnen.
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Zur Auskopplung der Signale aus dem überlagerten Niederspannnungsnetz
1 ist in der Empfangsstelle 37 ein Übertrager, z. B. ein Stromwandler
38
mit einem Arbeitswiderstand 39 angeordnet, an dessen Klemmen unter anderem
die Signalwechselspannungen auftreten. Diese werden nun in einem Signalempfänger
40 ausgewertet, der zu diesem Zweck an sich bekannte, für die einzelnen Elemente
des jeweiligen Signals selektiv empfindliche Auswerteglieder enthält, und der die
empfangenen Informationen in eine zur weiteren Verarbeitung geeignete Form umsetzt.
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An Stelle des in der Figur gezeigten Laufwerkes 11 sind selbstverständlich
auch andersartige mechanische Steuervorrichtungen für den Impulskontakt 23 und das
Abstimmorgan 13 denkbar; diese Funktionen können auch durch rein elektronische Schaltglieder
übernommen werden; desgleichen ist es möglich, Schwingzungen oder Stimmgabeln als
Taktgeber für die Modulationsfrequenzen vorzusehen.
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Im vorstehenden wurde gezeigt, daß es auf Grund der Erfindung nunmehr
möglich ist, mit sehr einfachen Sende- und Empfangseinrichtungen geringer Leistung
eine große Informationsmenge über einen bereits vorhandenen und weitverzweigten,
jedoch zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal, wie ihn ein Verteilungsnetz
für elektrische Energie darstellt, zuverlässig in beliebiger Richtung, also insbesondere
auch entgegen der Flußrichtung der Netzenergie, zu übertragen. Störspannungen, die
innerhalb der von den Selektivgliedern der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbänder
liegen, können die Informationsübertragung nur dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls
mit den für die Signale gewählten Modulationsfrequenzen moduliert sind und genügend
lange Zeit andauern, z. B. eine Sekunde, wofür die Wahrscheinlichkeit äußerst gering
ist.
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Als Hauptanwendungsgebiet der Erfindung gilt die Ermittlung und Abrechnung
des Verbrauches von öffentlichen Verbrauchsgütern, z. B. von Gas, Flüssigkeit
und
elektrischer Energie. Den durch die Erfindung ermöglichten Vereinfachungen bei der
Verbrauchsermittlung kommt angesichts der zunehmenden Ausbreitung der öffentlichen
Versorgungsnetze große Bedeutung zu, wobei es wesentlich ist, daß die hier beschriebene
Einrichtung ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit der Signalübertragung gewährleistet.
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Die Signalsendungen erfolgen vorzugsweise während der Stunden geringer
Belastung des Fernwirkkanals, z. B. während der Nachtstunden. Zur übertragung der
Information eines einzelnen Signalgebers werden bei der Fernwirkeinrichtung nach
der Erfindung höchstens drei Sekunden einschließlich des zeitlichen Abstandes von
der nächstfolgenden Informationssendung benötigt. Daraus ergeben sich relativ hohe
Übertragungsgeschwindigkeiten, wie sie für die praktische Anwendung von Einrichtungen
zur Verbrauchsermittlung im angegebenen Sinne ausschlaggebend sind.