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Anordnung g zur Überwachung des Stromes in einer elektrischen Leitung
Für die Anmeldung wird die Friorität der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial
No. 277.947 vom 3.5.1963 beansprucht.
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Die Erfindung betrifft Verbesserungen an auf Ströme ansprechenden
und strommessenden Einrichtungen für den Einsatz in Hochspannungs-Übertragungsleitungen,
Stromunterbrechern, Transformatoren mit auf Hochspannung liegenden GehEusen und
andere Hochspannungseinrichtungen, und insbesondere bezieht sie sich auf verbesserte
auf StrUme ansprechende und strommessende Einrichtungen, die eine
optische
Übertragung mittels Fibern von dem auf Hochspannung liegenden Schaltungspunkt oder
der auf Hochspannung liegenden Einrichtung su einem entfernten Punkt verwenden,
damit an diesem entfernten Punkt ein Signal erzeugt wird, das sich mit seiner augenblicklichen
Amplitude in Obereinstimmung mit Xnderungen des augenblicklichen Stromes in dem
Hochapannungskreis andert.
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Soll der Strom in einem Hochapannungskreis gemessen oder ein Relais
in Abhängigkeit von Stromänderungen betätigt werden, so ist die Verwendung eines
separaten Stromwandlers, der fUr die volle Kreisspannung oder die Spannung swischen
Leitung und Erde isoliert ist, zur Erzeugung eines dem Strom in dem Kreis proportionalen
Signals verständlicherweise untragbar hinsichtlich seiner Kosten bei sehr hohen
Spannungen, wenn die erforderliche Größe und Isolation den Stromwandler sehr teuer
machen kurde. Um die Notwendigkeit der Verwendung eines fUr die volle Spannung zwischen
Leitung und Erde isolierten Stromwandlers zu vermeiden, sind bereits verschiedene
Systeme entwickelt worden, die dasu dienen, an einem entfernten Ort ein Signal zu
erhalten, das ein MaS fiir den Strom in dem Kreis ist ; aber grundsätzlich sind
diese Einrichtungen oder Systeme durch schlechte Wirkung und Instabilität, insbesondere
über einen Zeitraum, gekennzeichnet.
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Eine bekannte Einrichtung dieser Art enthält hochspannungsseitig eine
sich mit einer vom Wert des Stromes in der zu Uberwachenden Leitung abhängigen Drehzahl
drehende Lochscheibe, auf die unter Verwendung von Spiegeln ein Lichtstrahl geworfen
wird, so daß die
Impulsfrequenz des die Löcher auf der Loohscheibe
durohsetsenden Lichtstrahles ein Maß für den Strom in der Leitung darstellt.
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Diese Lichtimpulse werden Fotozellen zur Messung zugeführt.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Anordnung zur Überwachung des
Stromes in einer elektrischen Leitung mit einer Lichtquelle sowie Mitteln, die mit
einer aus dem Strom in der Leitung gewonnenen elektrischen grole gespeist sind und
den jeweiligen Wert des Stromes in der Leitung in eine Beeinflussung des auf eine
fotoelektrische Einrichtung auftreffenden Lichtstrahls der Lichtquelle umsetzen.
In Abweichung von der oben beschriebenen bekannten Einrichtung ist die erfindungsgemäße
Anordnung dadurch gekennzeichnet, daS die Mittel ein Spiegelgalvanometer enthalten,
dessen Ablenkepule in an sich bekannter Weise mit der aus dem Strom in der Leitung
gewonnenen elektrischen Größe gespeist ist und eine von der jeweiligen Grouse des
Stromes in der Leitung abhänige Stellung des Spiegels hervorruft, daB der Lichtstrahl
auf den Spiegel fällt und von diesem als beeinflußter Lichtstrahl in eine e durch
den jeweiligen Wert des Stromes in der Leitung bestimmte Lg reflektiert und damit
auf einen von dem jeweiligen Stromwert abhängigen Ort der fotoelektrischen Einrichtung
gelenkt wird, und daß die fotoelektrische Binrichtung einen Spannungsteiler mit
vom Ort des Auitreffens des beeinflußten Lichtstrahles abhängigem Teilerverhältnis
bildet, dessen jeweilige Teilspannung der Oberwachungseinrichtung zugeführt wird.
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GemEB der Erfindung verwendet man besser ein Bandez optischer Fibern
aus Glas oder einen anderen geeigneten Material fUr die
Übertragung,
als Luft. Dies vermeidet die Notwendigkeit einer teuren Linsenanordnung und gestattet
eine verbesserte Deutlichkeit, insbesondere bei größeren UbertragungsentSernungen
in der Größe von 10 bis 15 Buß und dauber.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält in Zusammenfassung g
-aber ohne Beschränkung hierauf-einen Reihenwiderstand in oder einen Durchführungsstromwandler
an dem Leiter eines Hochspannungskreises zwecks Erhalts einer Spannung, die einem
Galvanometer zugeführt wird, wo sie zur Ablenkung eines Spiegels in einem Maße dient,
das proportional der Amplitude des Stromes ist.
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Sofern ein Wechseletrom gemessen werden soll, ist der Spiegel ein
drehbar angeordnetes reflektierendes Element oder ein Spiegel eines Galvanometers,
so daß der Galvanometerspiegel periodisch um die Drehachse schwingt und den zyklischen
Xnderungen
des Leitungsstromes folgt.. Der Spiegel kann, falls gewünscht,
auch eine Hin-und Herbewegung ausfUhren. An einem entfernten Punkt ist auf Erdpotential
eine Beleuchtungaquelle angeordnet, deren Licht in den Bereich des Galvanometers
durch eine Gruppe optischer Fibern übertragen und mittels einer Linse zu einem auf
den Spiegel. auffallenden schmalen Strahl fokussiert wird.
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Endend am oder nahe dem Galvanometer befindet sich eine andere größere
Gruppe optischer Fibern, die in einem rechteckigen Muster angeordnet sind und mit
ihren Enden vorzugsweise auf einem Kreisbogen liegen, dessen Mittelpunkt mit dem
Drehpunkt zusam-' menfällt und die so angeordnet sind, daB, wenn der Strom in der
Leitung sich zyklisch von dem Scheitelwert einer Polarität auf den Scheitelwert
der anderen Polarität ändert, der vom Galvanometerspiegel reflektierte Strahl eine
Anzahl von Fiberenden der größeren Fibergruppe überatreicht, wobei sich die überstrichene
Anzahl mit Anderungen der Amplitude des Stromes ändert.
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Diese größere Gruppe optischer Fibern, auf deren Enden der reflektierte
Lichtstrahl auffällt, erstreckt sich durch geeignete Gehäuse oder Befestigungsmittel
zu einem Detektorapparat auf Erdpotential, wo mit den Fibern bzw. Bündeln von Fibern
fotoelektrische, beispielsweise fotoleitende, Einrichtungensi betriebsmäßig verbunden
sind. Jede fotoelektrische Einrichtung wird kurzzeitig durch das Licht angeschaltet,
das durch eine Fiber oder ein Fiberbündel Ubertragen wird, wenn der Strahl von dem
Galvanometerspiegel diejenigen Enden der
Fibern überstreicht, die
an das Galvanometer angrenzen. Wenn die Fotozellen aufeinanderfolgend durch die
Lichtstrahlen leitend gemacht werden, überwachen sie die Verbindungen zu einem Spannungsteilernetzwerk,
wobei Spannungen verschiedener Amplituden aufeinanderfolgend auf einen Verstärkereingangskreis
aufgeschaltet werden, und zwar andern sich diese Spannungen in Ubereinstimmung mit
der Bewegung des von dem Galvanometerspiegel reflektierten Lichtstrahles. Demgemäß
wird am Eingang des Verstärkers in Ubereinstimmung mit der fortschreitenden Beleuchtung
der verschiedenen Fotozellen eine sich zyklisch ändernde Stufenspannung erzeugt.
Diese zyklische Stufenspannung wird in dem Verstärker geglättet und die Wellenform
des Stromes in der Leitung im wesentlichen wieder hergestellt ; der Ausgang des
Verstärkers wird in einer derjenigen bei einem Stromwandler ähnlichen Weise benutzt,
einen Indikator, ein Relais oder eine andere Uberwachungseinrichtung zu betätigen.
Der Indikator kann in Stromwerten für den Strom in dem Hochspannungskreis geeicht
sein.
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Ein erstes Ziel der Erfindung ist demgemäß das Vorsehen einer neuen
und verbesserten auf Ströme ansprechenden Einrichtung fü r die Verwendung in einem
Hochspannungskreis.
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Eine andere Aufgabe besteht in der Schaffung einer neuen und verbesserten,
auf hochgespannte Ströme ansprechenden oder strommessenden Einrichtung, die optische
Fibern verwendet, um ein optisches Signal von einem Punkt eines Kreises zu einer
auf Erdpotential befindlichen Detektoreinrichtung zu übertragen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und
verbesserten fotoelektrischen Apparats, der auf ein optisches Signal anspricht und
eine Anzeige von Anderungen dieses Signales berrirkt.
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Diese und andere Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Figuren klarer werden.
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Figur 1 ist eine teilweise schematische und teilweise diagrammatische
Ansicht eines elektrischen und optischen Apparats, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung findet ; Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine mögliche
Anordnung von Bündeln optischer Fibern zur Ubertragung von Licht zu und von dem
Galvanometerspiegel, die an dem Hochspannungsleiter angeordnet ist ; Figur 3 gibt
eine die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung gemäß Figur 1 illustrierende
Kurve wieder ; Figur 4 beschreibt den äquivalenten elektrischen Kreis und verlschaulicht
weiterhin die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Figur 1 ; Figur
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ;
Figur 6
zeigt ein Galvanometer, das gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in
zur Messung eines Gleichstromes geeigneter Weise angeschlossen ist.
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In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Figur 1 ist bei 10 der Leiter einer Hochspannungsübertragungsleitung
oder irgendeines Hochspannungskreises dargestellt, an der der Stromwandler 11 vom
Durchführungstyp angeordnet ist, dessen Ausgangsleitungen 12 und 13 mi-. dem Widerstand
14 ver-, bunden sind, an den die Ablenkspule 15 des allgemein mit 22 bezeichneten
Galvanometers angeschlossen ist. Das Galvanometer besitzt den in irgendeiner bekannten,
nicht dargestellten Weise befestigten, bewegbaren Spiegel 16, wobei die Befestigung
dieses Spiegels so getroffen ist, daB genügend Beweglichkeit vorhanden ist und die
Zeitkonstante niedrig ist, so daß der Spiegel Stromanderungen, Harmonischen und
flüchtigen Hochfrequenz-Vorgängen folgen kann. Der Spiegel 16 ist als um den Punkt
17 drehbar gelagert dargestellt, aber er kann verständlicherweide auch geen vu..
nscntenfalls Hin-und Herbewegung : ausüben. Wenn auch die Leitung eine 60 Hz-Leitung
ist, können dennoch Harmonische und Einschwing-Vorgänge bis beispielsweise 2000
Hz Komponenten der Wellenform sein. Galvanometer, die bis zu 2000 Hz verwendbar
sind, sind im Handel erhältlich. Wänrend der Drehpunkt oder die Achse des Spiegels
16 mit 17 bezeichnet und zur Beschreibung der Wirkungsweise der Einrichtung nützlich
ist, sei darauf
hingewiesen, daß der Spiegel 16 zwecks Hin-und
Herbewegung um eine Achse in irgendeiner bekannten Weise drehbar gelagert sein kann.
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Ein schmaler Lichtstrahl T8 wird mittels der Linse 19 auf den Spiegel
16 fokussiert. Dieses Licht wird in einer geeigneten Quelle, die an einem auf Erdpotential
befindlichen Punkt angeordnet sein kann, erzeugt und durch eine Vielzahl optischer
Fibern 20 an dem einen Ende des rechteckförmigen Gehäuses 21 (Figur 2) an die Linse
19 Ubertragen. Das Gehäuse 21 besteht aus isolierendem und wetterbeständigem Material,
wie Porzellan.
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Es ist einzusehen, daß die in Figur 2 dargestellte Anzahl von Fibern,
nämlich 5, nur zwecks Einfachheit der Darstellung gewählt ist und daß jede gewünschte
Anzahl optischer Fibern zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle 24 (Figur 1),
die mittels der Leitungen 25 und 26 an die Energiequelle 27 angeschlossen ist, vorgesehen
werden kanne Die Lampe 24 kann von irgendeinem bekannten Typ sein und hat eine Quelle
für Licht, das mittels des Linsensystems 28 fokussiert werden kann. Nahe der Lampe
24 ist die vorerwähnte Linse oder das Linsensystem 28 zur Fokussierung des Lichtes
auf die Fibern 20 in der unmittelbaren Nähe angeordnet. Wie ersichtlich, steht die
volle Spannung des Hochspannungsleiters 10 gegen Erde im wesentlichen an der optischen
Fiberanordnung, und demgemäß ist zwecks Schutzes des Benutzers der Einrichtung ein
Band aus Metall oder anderem geeigneten leitenden Material in unmittelbarer r :
he der Fibern um diese herum angeordnet ; dieses Band ist
mit 30
bezeichnet und bei 31 geerdet. Die Fibern können sich über jede erforderliche Lange,
beispielsweise 20 oder 25 Fuß, erstrecken, und demgemäß sind die das Licht sowohl
zu dem Galvanometer als auch von ihm weg leitenden Fibern bei den Linien X in Figur
1 gebrochen, um ihre zusätzliche Länge anzudeuten.
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Wie bereits bemerkt, wird ein dunner Lichtstrahl 18 hoher Intensität
auf den Spiegel 16 fokussiert, der zecks Drehbewegung um seine Achse drehbar gelagert
ist. Sobald sich der Spiegel 16 dreht, gleitet der reflektierte Strahl 28 über die
Enden einer Vielzahl optischer Fibern oder einer Vielzahl von Gruppen optischer
Fibern, die in einem länglichen Muster mit ihren Enden vorzugsweise auf einem Bogen
liegend angeordnet sind, so daß sic im wesentlichen gleiche Abstände von dem Spiegel
aufweisen.
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In Figur 1 sind zwecks Vereinfachung der Darstellung zehn Fibern 41
bis 50 gezeigt, und es ist klar, daB jede Zahl von Fibern oder Fibergruppen in einer
parallelen Linie angeordnet sein kann, wobei die Anzahl der Fibern von der erforderlichen
Genauigkeit der Anordnung abhangt. In Figur 2 ist gezeigt, daß diese Fibern 41 bis
50 seitlich ausgerichteteFibern 41'bis 50' besitzen, wobei verständlicherweise die
Strahlbreite derart gevJälllt ist, daß der Strahl die Paare ausgerichteter Fibern
überstreicht und dadurch eine größere Bestrahlungsintensität an den am Orte des
Detektors angeordneten Fotozellen erzeugt wird. Während in Figur 2 jeder Fotozelle
zwei Fibern zugeordnet sind und zwecks einfacher Darstellung fUr jede Fotozelle
in
Figur 1 eine Fiber gezeigt ist, können verständlicherweise viele
Fibern fUr jede Fotozolle verwendet werden ; wahrend in Figur 1 ebenfalls zwecks
vereinfachter Darstellung 10 Fotozellen dargestellt sind, kann eine viel größere
Anzahl, beispielsweise 50 oder sogar 100, vorgesehen werden, sofern die Genauigkeitserfordernisse
dies wünschenswert erscheinen lassen.
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Die fotoclektrischen Einrichtungen 51 bis 60 können fotoleitende Zellen
mit einem Widerstand sein, der eine reziproke Funktion dtr Intensität der Bestrahlung
der Zellen ist. t'lie AU9 der Anordnung des Spiegels 16 in Figur 1 ersichtlich,
fallut der Strahl 38 auf die optische Fiber 48, und in Figur 2, auf die jetzt Bezug
genommen wird, ist der mittlere und intensitätareichstc Bereich des Strahles 38
ale sowohl auf die optischen Fibern 48 als auch 48'auffallend gezeigt, wobei der
Strahl eine zur Beleuchtung der beiden ausgerichteten Fibern hinreichende Breite
besitzt. Benachbarte Paare von Fibern, das Pzar 47-und 47'auf-einer Seite des direkt
beleuchteten Paares und das Paar 49 und 49'auf der anderen Seite desselben, empfangen
eine gewisse Beleuchtung, die aber nicht so stark wie diejenige der Fibern 48 und
48'ist.
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Aus Figur 1 erkennt man, daß die Fibern 41 bis 50 sich durch das Gehäuse
21 bis unterhalp des geerdeten Bandes 30 eratrecken.
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Jode der Fibern endet bei einer fotoelektrischen Einrichtung z Beleuchtung
der jeweils verbundenen fotoelektrischen
Einrichtung im wesentlichen
in dem Augenblick, in dem der Strahl 38. über die betrachtete Fiber hinweggleitet.
Die fotoelektrischen Einrichtungen für die Fibern 41 bis 50 sind mit 51 bis 60 bezeichnet.
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Die Gleichstromquelle 94 in Figur 1 ist mit einer Klemme, beispielsweise
der negativen Klemme, mit dem Widerstand 92, der Leitung 71, dem Widerstand 81,
der Leitung 72, dem Widerstand 82, der Leitung 73, dem Widerstand 83, der Leitung
74, dem Widerstand 84, der Leitung 75, dem in der Mitte angetapften Widerstand 85,
der Leitung 76, dem Widerstand 86, der Leitung 77, den Widerstand 87, der Leitung
78, dem Widerstand 88, der Leitung 79, dem Widerstand 89, der Leitung 80, dem Widerstand
90 und mittels der Leitung 91 mit der anderen, im Beispiel positiven : : Klemme
der Gleichstromquelle 94 verbunden. Mit der Mittenanzapfung 95 des Vliderstandes
85 ist die eine Eingangsleitung 96 eines Verstärkers mit der Eingangsimpedanz 93
verbunden, der als Kasten 97 angedeutet ist. Falls der Leiter 10 des Kreises einen
Wechselstrom fuhrt, sollte der VerstErker 97 ein Wechselatromverstärker sein.
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Die andere Eingangsleitung 98 des Verstärkers 97 ist mit einer Ausgangsklemme
jeder der zehn fotoleitenden Einrichtungen 51 bis 60 verbunden. Die andere Ausgangsklemme
der Fotozelle 51 ist an die Leitung 71 angeschlossen, die andere Klemme der fotoleitenden
Einrichtung 53 ist mit der Leitung 73, die andere Klemme der fotoleitenden Einrichtung
54 mit der Leitung 74,
die andere Klemme der Fotozelle 55 mit der
Leitung 75, die andere Klemme der Fotozelle 56 mit der Leitung 76, die andere Klemme
der Potozelle 57 mit der Leitung 77, die andere Klemme der Fotozelle 58 mit der
Leitung 78, die andere Klemme der Zelle 59 mit der Leitung 79 und die andere Klemme
der Fotozelle 60 mit der Leitung 80 verbunden.
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Der Ausgang des Verstärkers 97 ist mittels der Leitungen 99 und 100
zu einem geeigneten Nutzstromkreis 101 geführt, der ein in Werten des Stromes im
Leiter 10 geeichtes Meßinstrument enthalten kann.
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Wie im folgenden an Hand der Betrachtung der Figuren 3 und 4, in denen
die Leitung 10 einen Wechaelstrom führt, verständlicher wird, ist die Eingangsspannung
für den Verstärker 97 keine echte Wechselspannung, sondern besteht eher aus einer
Anzahl mehr oder weniger diskreter Stufen, da der Lichtstrahl 38 die Fibern 41 bis
5Q Uberstreicht und nacheinander alle oder einen Teil der Fotozellen 51 bis 60 beleuchtet.
Bei Nullphase des Stromes in der Wicklung 15 kann die Mitte des Lichtstrahles 28
auf einen Punkt zwischen den optischen Fibern 45 und 46 fallen und beide Fibern
in gewiseem Maße beleuchten; diese Stellung kann nach freiem Ermessen als der Nullachse
der Wechselstromperiode entsprechend angesehen werden. Unter Vernachlässigung der
harmonischen und der aus flüchtigen Yorgangen herrührenden Verzerrungen der Wellenform
kurde die maximale Beleuchtung der Fiber 41 dem Scheitelwert einer Halbwelle entsprechen,
wenn der Leiter maximalen Strom führt, beispielsweise
der negativen
Halbwelle, während die maximale Beleuchtung dr Fiber 50 der größtmöglichen Amplitude
der positiven Halbwelle bei demselben Leiterstrom entsprechen wurde.
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Die Fotozellen 51 bis 60 brauchen verständlicherweise nicht "Ein-Aus"-
Einrichtungen zu sein, in welchen die Impedanz einen ^. im wesentlichen unbegrenzten
Wert hat, wenn keine Beleuchtung der Zelle vorliegt., und etwa auf Null fällt, wenn
die Beleuchtung eine bestimmte Intensität erreicht, sondern alle diese Zellen können
während der ganzen Zeit leiten, wobei sich die resultierende Spannung an der Impedanz
93 entsprechend dem Kirchhoffschen Genetz hinsichtlich ihrer ivirksamen PolaritAt
und Amplitude in Ubereinstimmung damit ändert, welche Zelle oder welche Zellen am
stärksten beleuchtet sind. Der Wechselstromverstärker 97 enthält bekannte Kreise,
die die Wellenform derart wiederherstellen können, daß den Leitungen 99 und 100
im wesentlichen eine Sinuswelle zugefuhrt wird, wenn die Wellenform im Leiter 10
sinusförmig ist. Diese Kreise können Filter und ahnliche Einrichtungen enthalten.
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In Figur 4 ist ein äquivalenter Kreis fUr die Fotozellen und das Widerstandsteilernetzwerk
nach Figur 1 wiedergegeben. Zur einfachen Darstellung sei in Figur 4 angenommen,
daB die Widerstade 81 bis 84 denselben Wert besitzen, daß auch die Widerstände 86
bis 89 denselben Wert haben, der ferner gleich dem Wert der Widerstände 81 bis 84
sei, und daß der Widerstand 85 den. doppelten Wert der Widerstände 81 bis 84 sowie
den doppelten
Wert der Widerstände 86 bis 89 besitzen muge. Die
widerstinde 90 und 92 scien hinsichtlich ihres Wertes gleich, aber kleiner als die
Widerstände 81. lia 89. Dann erkennt man, daß unter der Annahme eines Potentiale
von 100 Volt ftir die Spannungsquelle 94 und unter Vernachlässigung der kleinen
Widerstände 90 und 92, wobei das Potential zwischen aufeinanderfolgenden Leitungen
71, 72, 73, 74 und 75 10 Volt betrXgt, eine Spannung von 20 V zwischen den Leitungen
75 und 76 steht und eine Spannung von 10 V zrrischen aufeinanderfolgenden Leitungen
der Gruppe 76, 77, 78, 79 und 80 liegt.
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Die Mittenanzapfung 95, an die der der Eingangsimpedanz 93 des Verstärkers
97 entaprechende-Widerstand 93'mittels der Leitung 96 angeschlossen ist, befindet
sich dann auf einem Potential von stria 50 V bezüglich jedes der Endleiter 71 und
80.
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Daa obere Ende des Widerstandes 93' ist mit der Leitung 98 verbunden,
wie dies auch fUr den einen Anschluß jeder der Fotozellen 51 bis 60 gilt. Es sei
beispielsweise angenommen, daß die Fotozelle 58 am stärksten von durch die Fiber
48 der optischen Fiberanordnung auf sie geleitetem Licht bestrahlt ist.
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Vernachlässigt man den inneren Spannungsabfall in der Fotozelle 58,
so verbindet diese die Leitung 98 des Widerstandes 93'mit einen Punkt, der ein Potential
von +30 V bezüglich der Leitung 96 und des anderen Endes des Widerstandes 93'besitzt.
Die in den Kreis durch schwächer bestrahlte Zellen eingebrachten Spannungen sind
ebenfalls vernachlässigt.
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Bovregt sich nun der Strahl, bis die Fotozelle 53 beleuchtet ist,
so sind die Leitung 98 und das obere Ende des Widerstandes 93' mit der Leitung 73
verbunden, die auf einem Potential von-30 Y bezüglich der Leitung 96 liegt. Diese
Fotozellen schalten dann die Impedanz 93'über Punkte verschiedenen Potentials des
Widerstandsnetzwerkeo, wenn die Fotozellen nacheinander von dem Lichtstrahl 38 beleuchtet
werden, wobei das Licht durch die optischen Fibern übertragen wird.
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Im folgenden wird Figur 3 betrachtet. Verstandlicherweise ist die
in ihr wiedergegebene Kurve stark vereinfacht und in mehrfacher Ilinsicht idealisiert
; z. B. insofern, als die Wellenform im Leiter 10 nicht notwendigerweise sinusförmig
ist ; auch sind die Stufen nicht scharf definierte plötzliche Änderungen der Spannung,
sondern geben Mittelwerte wieder. Weiterhin sind die Zeitintervalle, in denen die
verschiedenen Zellen 51 bis 60 als wdhrend des Uberstreichens des Strahls von der
Fiber 41 t zur Piber 50 und zurück erregt dargestellt sind, als etwa-. gleich wiedergegeben
; demgegenuber kann der Lichtstrahl verstandlicherweise, wenn der Spiegel 16 einer
Sinuswellenform der Halbwellen folgt, wie dies bei einem tatsächlich Sinusform besitzenden
Strom in der Leitung 10 erwartet und erwünscht ist, über einzelne Fibern schneller
als über andere hinweggehen, und die Weiten der in Figur 3 gezeigten Schritte variieren.
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Die Nullachse in Figur 3 stellt diejenige Amplitude dar, bei der die
Mitte des Strahles 38 in Figur 1 zwischen den Enden
der Fibern
45 und 46 liegt und die Zellen 55 und 56 in im wesentlichen gleichem Maße beleuchtet
sind, aber die sie durchfließenden Ströme Potentiale unterschiedlicher Polarität
an der Impedanz 93'erzeugen, so daB sich die Spannungen aufheben.
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Setzt man nun voraus, daß die Bewegung des Strahles 38 zu der im Verhältnis
zu allen der Zellen größten Beleuchtung der Fotozelle 55 führt, so erhält das obere
Ende der Eingangsimpedanz 93' ein Potential von-10 Volt bezüglich des unteren Endes
derselben, angedeutet durch den Schritt 55', wobei die Impedanz und der Spannungsabfall
an der Zelle vernachlässigt sina. lot andererseits die Fotozelle 56 als Ergebnis
der Bewegung des Strahles 38 beleuchtet, so wird das obere Ende der Impedanz 93'etwa
10 Volt positiv gegendber dem unteren Ende derselben, was durch den mit 56'bezeichneten
Schritt angezeigt ist. Die Impedanz und der Spannungsabfall an der Zelle 56 werden
vernachlässigt.
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Die im uesentlichen sinusförmige Kurve y gibt die Wellenform nach
Wiederheratellung durch die Kreise des Verstärkers 97 wieder.
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Die Spannung zwischen den Fotozellen der Figur 4 kann verständlicherrreise
jeden beliebigen Wert haben, beispielsweise kann, @@fern die Spannung zwischen Paaren
der Leitungen 71 bis 75 zu 11 Volt gemacht wird, eine Spannung von 12 Volt zwischen
den Leitungen 75 und 76 und eine solche von 11 Volt zwischen den Leitungen 76, 77,
78, 76, und 80 erzeugt werden. Falls gewünscht, können die Spannungsabfälle zwischen
allen diesen Leitungen 71, 72, 73, 74, 75, 96, 76, 77, 78, 79 und 80 gleich sein,
wobei der
Wert des Widerstandes 85 gleich demjenigen der anderen
Widerstand in dem Netzwerk gemacht wird. Verständlicherweise könnte auch eine größere
Anzahl von Fotozellen verwendet werden mit einer dementsprechend größeren Anzahl
optischer Fibern zwischen den Galvanometer und den Fotozellen, so daß die Spannung
zwischen benachbarten Leitungen eines Paares 1 Volt oder sogar den Bruchteil eines
Volts betragen könnte.
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Die Leitung 96 der Impedanz 93 oder 93'braucht auch nicht mit einem
mittleren Punkt des Spannungsteilers verbunden zu sein, sondern kann auch an die
eine Klemme der Quelle 94 angeschlossen sein ; dann wurde die Achse der Kurve nach
Figur 3 entweder zu den oberen oder dem unteren Ende verschoben werden und kein
Wechsel der Polarität an der Eingangsimpedanz 93 oder 93'auftreten, aber der Ausgang
des Verstärkers 97 könnte noch einem Wechselstrom ähneln und eine geeignete Nullachse
durch den Kreis des Verstärkers geliefert werden.
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Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein Block, der ein Halbleiterblock mit geeigneten Dotierungsgebieten
mit ausgewählten Unreinheiten in vorbestimmten Konzentrationen sein kann, ist allgemein
mit 110 bezeichnet. Der Block enthält einen Widerstandsüberzug oder einen Widerstandsbereich
111, einen leitenden Uberzug, eine leitende Schicht oder einen leitenden Bereich
112 und dazwischen angeordnet eine fotoleitende Schicht oder ein fotoleitendes Band
113. Der von den Fibern übertragene Lichtstrahl streicht hin und her über
die
Oberfläche der fotoleitenden Schicht 113. Die Wideretandsschicht 111 kann einen
gleichmäßig verteilten Widerstand entlang ihrer Länge besitzen, w d ihre beiden
Enden sind mit einer Gleichstromquelle 118 verbunden ; eine Mittenanzapfung der
Widerstandsschicht 111 ist an eine Eingangsklemme des YeretErkers 97'angeschlossen.
Die andere Eingangsklemme des Verstärkers 97'steht mit dem leitenden Uberzug oder
der leitenden Schicht 112 in Verbindunge Wenn der Lichtstrahl die Oberfläche der
fotoleitenden Schicht 113 Uberstreicht, wird ein Weg zwischen der leitenden Schicht
112 und der Widerstandsachicht 111 von aufeinanderfolgenden Punkten der Widerstandsschicht
111 auagehend gebildet, die sich auf verschiedenen Potentialen besAglich des leitenden
Uberzuges 112 befinden, und demgemäß ändert sich der Eingang des Verstärkers 97'in
seiner Amplitude in Übereinstimmung mit manderungen der jeweiligen Stellung des
Lichtstrahles auf der fotoleitenden Schicht 113. Der VerRtErker 97'liefert seine
Ausgangsgröße an die Indikator-oder Auswerteeinrichtung 101.
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Für eine weitergehende Erkldrung der Art, in der Licht durch optische
Fibern von einem zu einem anderen Punkt Ubertragen werden können, wird auf den Aufsatz"Fiber
Optics for Electronics Engineer3"von George V. Novotny in"Electronics", Juni 1962,
Seiten 37 bis 41, verwiesen. Weitere Aufsätze und Arbeiten können in der Spezialliteratur
dieses Gebietes gefunden werden.
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Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung eines
Gleichstromes. In die Gleichstromleitung 120 ist der
kleine Widerstand
121 in Reihe eingeschaltet, der zum Abgriff einer dem Strom in der Leitung proportionalen
Spannung dient.
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Die Leitungen 122 und 123 führen diese Spannung dem Gleichstromgalvancneter
124 zu, das von dem üblichen Typ sein kann, bei dem der Spiegel sich in eine in
Ubereinstimmung mit der Amplitude des, Gleichstromsignals veränderbare Position
dreht und in eine Nornalstellung zurückkehrt, wenn das Gleichstromsignal auf Null
absinkt.
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Wenn der Gleichstrom in der Leitung 120 immer in derselben Richtung
fließt, kann das Galvanometer 124 bezUglich der optischen-Fibern 41 bis 50 derart
angeordnet sein, daB, falls kein Strom in der Leitung 120 fließt, die Mitte des
Strahles 38'links von der Fiber 41 liegt, wie in Figur 1 gezeigt, so daß er die
Fiber 41 nur leicht bestrahlt. Der Rest des Detektorkreises kann ahnlich demjenigen
nach Figur 1 sein mit der Ausnahme, daß die Leitung 96 von dem Punkt 95 abgetrennt
und mit der Leitung 71 oder 91 verbunden ist. Der Verstärker 97 sollte einen Gleichstromeingang
erhalten, der zerhackt oder in anderer Form unterbrochen sein kann, um zwecks weiterer
Verstärkung einen Wechselstrom zu erhalten, oder der Gleichstromeingang könate zwecks
Überwachung eines Gleichstromverbrauchers veratärkt werden.
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Falls gewünscht, könnte eine zusätzliche Fiber und eine zusätzliche
Zelle der Anordnung zugefügt werden, die bei dem Strom Null beleuchtet werden.
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Wird in Erwägung gezogen, daß der Gleichstrom in der Leitung 120 in
beiden Richtungen fließen kann, so kann das Galvanometer derart angeordnet sein,
daß beim Strom Null der Strahl 38' zwischen die Fibrn 45 und 46 fällt. Die Leitung
96 kann ihre Verbindung mit den Hittenabgriff beibehalten. Der Veret§rker sollte
Bingangsströme jeder Polarität aufnehmen.
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Damit ist ein zur Ldoung der der Erfindung gestellten Aufgaben geeignetes
Gerät geschaffen.
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Die Beleuchtungsquelle 24 die Fotozellen und die Nutz-und Anzeigestromkreise
befinden sich alle auf Erdpotential getrennt von der Hochspannungsleitung 10 durch
den jeweils erforderlichen Abstand. Verstandlicherweise sind die optischen Fibern,
die aus Glas oder anderem geeigneten Material, beispielsweise bestimmten Kunststoffen,
bestehen, nicht leitend und isolieren den Detektor-und Anzeigekreis gegen die Leitung.
Die Fibern in Figur 2 können gewünschtenfalls versetzt angeordnet sein.
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Irgendwelche geeigneten, nicht dargestellten Mittel können verwendet
werden, um das Galvanometer und die Fiberanordnung 33 an den Stromwandler und der
Hochspannungaleitung zu befestigen. In Figur 2 nicht gezeigte Verkleidungen können
gewünschtenfalls zur optischen Isolierung der Fibern gegeneinander verwendet werden.
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Auch Verkleidungen außerhalb der Wände können, falls gewünscht, vorgesehen
werden.
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Während die Fotozellen 51 bis 60 als in einer Linie angeordnet dargestellt
sind, können die Zellen verständlicherweise in jeder bekannten Weise gebündelt werden,
solange die Identität zwischen Zelle und optischer Fiber beibehalten ist.
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In der Ubertragungssäule nach Figur 1 selbst kann das Muster der Fibern
willkürlich sein, solange das Muster des aufnehmenden Endes an dem der Fotozelle
zugekehrten Ende reproduziert wird.
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In Figur 1 sind die Fibern nur deshalb im Abstand voneinander gezeichnet,
damit eino besondere Fiber am Aufnahmeende und am Fotozellenende leichter identifiziert
werden kann.
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Falls die Einrichtung nach Figur 5 zur Messung eines Gleichstromes
Verwendung finden soll, kann die Leitung 116 anstatt mit der Mitte des Widerstandsstreifens
111 mit einer Klemme der Batterie 118 verbunden werden. Der YerstArker 97'erhClt
dann einen Gleichstromeingang, und die Auswerteeinrichtung 101 kann eine gleichatrombetriebene
Einrichtung sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschrankt. Vielmehr lassen sich mannigfache Anderungen vornehmen, ohne daß der
Erfindungsgedanke verlassen wird.
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@@ Patentansprüche 6 Figuren