München, den 25. Juni 1981/br
Anwaltsaktenz.: 105 - Pat. IO
German Grimm, Anton-Günther-Straße 7, 8060 Dachau
Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von
Füßen abgestützten Einrichtungen, insbesondere Hochspannungslei tungsmasten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen abgestützten Einrichtungen,
insbesondere Hochspannungsleitungsmasten.
Bekannte Eindringalarmsysteme, welche einen bestimmten Rereich,
beispielsweise also eine Geländefläche, bezüglich etwaiger Grenzverletzungen überwachen, eignen sich in den meisten Fällen
nur schlecht zur Überwachung der Füße von Hochspannungsleitungsmasten,
welche in überwiegender Anzahl auf landwirtschaftlichem Grund aufgestellt sind und daher beispielsweise
bei Erntearbeiten in unmittelbarer Nähe des Mastfußes Fehlalarm geben wurden. Weiter sind die bekannten Eindringalarmsysteme
gegenüber großen Schwankungen der Versorgungsspannung und gegenüber den außerordentlich großen auftretenden Temperaturunterschieden
und schließlich gegenüber den Einflüssen von Überspannungen aufgrund von Blitzschlag sehr empfindlich.
Durch die Erfindung soll eine Überwachungsschaltung geschaffen
werden, welche bei vergleichsweise einfachem Schaltungs-
aufbau eine für die Aufstellung in ungeschützter Umgebung ausreichende
Robus^heit gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung, extremen Temperaturschwankungen und kurzzeitig auftretenden,
hohen elektrischen Feldern aufweist. Die Auslösung von Fehlalarm bei betriebsbedingten Einwirkungen auf die zu
schützenden Einrichtungen, etwa aufgrund von Regen, Hagel, Wind und Seilschwingungen im Falle von Hochspannungsleitungsmasten
soll vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Überwachungsschaltung
zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen abgestützten Einrichtungen, insbesondere Hochspannungsleitungsmasten, gelöst
durch an jedem Fuß befestigte Wandler zur Umwandlung mechanischer Erschütterungen oder Schwingungen in elektrische Signale,
ferner durch den Wandlern jeweils nachgeschaltete Frequenzfilter zum Ausfiltern bestimmter Frequenzbereiche, weiter durch
an die Frequenzfilter jeweils angeschlossene Gleichrichter, deren
Ausgangs-Gleichspannungssignale zu einer Korrelationsschaltung geführt sind, welche die Gleichspannunqssignale miteinander
vergleicht und dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Gleichspannungssignale in vorbestimmten Grade voneinander verschieden
sind, sowie durch eine mit der Korrelationsschaltung gekoppelte Auslöseschaltung zur Abgabe eines Alarmsignales.
Das Alarmsignal kann zur Tastung eines Senders dienen, welcher den Alarmfall zu einer Zentrale meldet.
Die hier vorgeschlagene Schaltung beruht auf der Erkenntnis, daß betriebsbedingte Einwirkungen·auf die zu schützende Einrichtung
in den abstützenden Füßen weitgehend ähnliche oder gleiche Erschütterungen und Schwingungen auslösen, während Manipulationen
an einem oder mehrere der Füße der abgestützten Einrichtung jeweils ungleichartige oder ungleiche Erschütterungen
oder Schwingungen auf die jeweils an den Füßen befestigten Wandler zur Wirkung bringen. Nachdem die vorgeschlagene
Schaltung nicht nur eine Frequenzfilterung sondern auch eine
überprüfung des Verhältnisses der Wandlerausgangssignale relativ
zueinander vornimmt, wird also eine zweistufige überprüfung vorgenommen, welche die Falschalarmwahrscheinlichkeit
bedeutend erniedrigt. Eine dritte Stufe der überprüfung kann
bei der hier angegebenen Schaltung in vorteilhafter Weise dadurch vorgenommen werden, daß zwischen der Auslöseschaltung
und der Korrelationsschaltung eine Zeitschrankenschaltung vorgesehen ist, welche durch ein erstes Signal der Korrelationsschaltung ausgelöst wird, jedoch nur dann ein Signal an die
Auslöseschaltung liefert, wenn noch nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls, in welchem Signale der Korrelationsschaltung
unberücksichtigt bleiben, weitere Signale der Korrelationsschaltung an der Zeitschrankenschaltung eintreffen.
Diese Ausgestaltung der überwachungsschaltung vermeidet die
sofortige Auslösung eines Alarms durch kurzzeitige Störungen an den Füßen der abgestützten Einrichtung, beispielsweise etwa
aufgrund eines Anstreifens eines Erntewagens am Mastfuß eines Hochspannungsleitunqsmastes.
Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltung und Weiterbildungen der hier angegebenen überwachungsschaltung Gegenstand der
anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle
den Wortlaut zu wiederholen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezunahme auf anliegende Zeichnung erläutert» Es zeigen:
Figur 1 in schematischer perspektivischer Darstellung den unteren Teil eines Hochspannungsleitungsmastes und einer
an dem Leitungsmast angeordneten überwachungseinrichtung teilweise als vereinfachtes Blockschaltbild,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Überwachungsschaltung der
Einrichtung gemäß Figur 1,
Figur 3 ein Schaltbild mit Einzelheiten der Korrelationsschaltung des Systems nach Figur 2,
Figur 4 ein Schaltbild der Zeitschrankenschaltung des Systems !
nach Figur 2 und einer Leitungsüberwachungsschaltung und
! Figur 5 ein Schaltbild einer Referenzspannungsquelle für eine
Schwellenwertschaltung der Schaltungseinheit nach Fig. 3„
! Der in Figur 1 in seinem unteren Teil schematisch gezeichnete Hochspannungsleitungsmast 1 ist von vier einen quadratischen Mastgrundriß
bestimmenden Mastfüßen 2,3,4 und 5 abgestützt. An den Mastfüßen sind piezoelektrische Wandler A, B, C und D befestigt
und mit den zugehörigen Mastfüßen jeweils zur übertragung von mechanischen Schwingungen und Erschütterungen gekoppelt. Die
piezoelektrischen Wandler A, B, C und D liefern den sie erregenden Erschütterungen oder Schwingungen entsprechende Ausgangssignale
über Leitungen 6, 7, 8 und 9 an eine Auswertschaltung 10, die bei Auftreten einer Alarmbedingung über eine Leitung 11 ein
Signal an einen Sender 12 abgibt, so daß eine Alarmmeldung über eine Antenne 13 abgestrahlt und in einer nicht dargestellten
überwachungszentrale empfangen werden kann.
Die Überwachungsschaltung für den Hochspannungsleitungsmast 1
nach Figur 1 ist in Figur 2 mehr ins einzelne gehend gezeigt. Jedem der Wandler A, B, C und D ist ein an eine Korrelationsschaltung 14 angeschlossener Schaltungskanal aus einem Verstärker
15,der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Ladungsverstärker ist, einem Frequenzfilter 16 und einem Präzisionsgleichrichter
17 in Reihenschaltung zugeordnet. Die Ladungsverstärker besitzen eine kapazitive Rückkopplung. Ihre Ausgangsspannung
ist proportional zur Eingangsladung. Die durch die Rückkopplung verursachte hohe Eingangskapazität gestattet ohne
eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit die Verwendung langer Anschlußleitungen 6,7,8 und 9 zu den jeweils zugehörigen
Wandlern.
Die Prequenzfilter 16 sind so ausgebildet, daß nur die für Manipulationen
an den Füßen des Hochspannungsleitungsmastes charakteristischen Geräuschanteile durchgelassen werden, während
durch den ordnungsgemäßen Betrieb bedingte Wandlerausgangssignale ausgesiebt werden.
Die von den Gleichrichterschaltungen 17 abgegebenen Gleichspannungssignale
sind proportional zu dem am jeweiligen Mastfuß auftretenden Körperschall.
In der Korrelationsschaltung 14 werden die Gleichspannungssignale der Gleichrichterschaltungen 17 miteinander verglichen,
und bei Verschiedenheit relativ zueinander in vorbestimmten Grade gibt die Korrelationsschaltung über eine Leitung 18 ein
Signal an eine Zeitschrankenschaltung 19 ab, welche, wie eingangs bereits ausgeführt, durch ein erstes Signal der Korrelationschaltung
14 ausgelöst wird, jedoch nur dann ihrerseits ein Signal über eine Leitung 20 an die Auslöseschaltung 21 in
Gestalt eines Relais liefert, wenn noch nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls, in welchem Signale der Korrelationsschaltung 14 unberücksichtigt bleiben, weitere Signale der Korrelationsschaltung
an der Zeitschrankenschaltung 19 eintreffen. Auf Einzelheiten der Zeitschrankenschaltung 19 wird weiter unten
im Zusammenhang mit der Beschreibung von Figur 4 näher eingegangen.
In der Korrelationsschaltung kann eine die Alarmauslösung bewirkende
Verschiedenheit der Gleichspannungssignale der Gleichrichterschaltungen
17 beispielsweise dadurch festgestellt werden, daß zunächst in einer Summationsschaltung ein Mittelwert
der Gleichspannungssignale gebildet wird und in einer Nachgeschalteten Vergleicherschaltung dann die einzelnen Ausgangssignale
der Gleichrichterschaltungen 17 entweder nacheinander oder gleichzeitig mit diesem Mittelwert verglichen werden. Ein
derartiger Schaltungsaufbau ist auch für andere Zahlen von eine Einrichtung abstützenden Füßen, zugehörigen Wandlern und daran
angeschlossenen Schaltungskanälen geeignet.
j Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsforni der Korrelationsschaltung
14 ist eine einen Operationsverstärker 22 enthaltende Differenzbildungsschaltung vorgesehen, welche die Differenz
I
j der Gleichspannungssignale entsprechend dem Wandlerpaar an ein- !
■ ander diagonal gegenüberliegenden Mastfüßen von der Differenz :
der Gleichspannungssignale entsprechend dem jeweils anderen
: Wandlerpaar subtrahiert. Sind die Gleichspannungssignale am
Ausgang der Gleichrichterschaltungen 17 gleich groß, so wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 22 gleich einem
Null-Bezugswert. Sind die eingezeichneten Widerstände gleich groß, so wird für einen idealen Operationsverstärker die Gleichtaktunter-
: drückung unendlich groß. Damit die nur endliche Gleichtaktunterdrückung
des nicht idealen Operationsverstärkers kompensiert werden kann, ist der Fußpunktwiderstand 23 als Potentiometer
■ ausgeführt.
Dem Operationsverstärker 22 ist eine Schwellenwertschaltung 24 nachgeschaltet, welche an die Leitung 18 erst bei negativen
oder positiven Abweichungen des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 22 vom Null-Bezugswert jenseits eines bestimmten Toleranzbereiches
ein Ausgangssignal abgibt. Als Schwellenwerte werden in der Schwellenwertschaltung 24 Pegel eingestellt, bei welchen
eine klare Unterscheidung von Nutzsignalen und Störsignalen noch möglich ist. Die Erzeugung der Schwellenwerte wird weiter
unten anhand von Figur 5 näher erläutert.
In Figur 4 ist eine praktische Ausführungsform der Zeitschrankenschaltung
19 wiedergegeben. Die Zeitschrankenschaltung enthält eine von einem Signal der Leitung 18 gesetzte Kippstufe
25, deren Ausgangssignal einen Zeitgeber T1 anregt. An dem
Zeitgeber ist eine bestimmte Totzeit in mehreren Stufen wählbar. Während dieser Totzeit ist die Zeitschrankenschaltung
für die Abgabe eines Signales an die Leitung 20 gesperrt und alle Eingangssignale der Leitung 18 bleiben während dieser Totzeit
unberücksichtigt. Am Ende der Totzeit wird von der Zeitgeberschaltung T1 eine weitere Zeitgeberschaltung T2 angeregt, deren
Zeitintervall ebenfalls in mehreren Stufen einstellbar ist. Die Zeitgerberschaltung T2 bewirkt eine Freigabe einer Torschal-
! tung 26 für die Signale der Leitung 18 innerhalb des durch die : Zeitgeberschaltung T2 vorgegebenen Intervalls, so daß nun sämtliche
Signale der Leitung 18 zur Alarmauslösung führen. Treten aber während des durch die Zeitgeberschaltung T2 bestimmten
Zeitintervalls keine Signale auf der Leitung 18 auf, so wird am Ende des soeben genannten Zeitintervalls die Kippschaltung 25
über die RC-Schaltung 27 rückgestellt.
Damit das Rücksetzsignal für die Kippschaltung 25 durchgreift,
wird gleichzeitig mittels einer Eingangstorschaltung 28 ein etwaiges Signal der Leitung 18 kurzzeitig gesperrt.
Tritt aber während des durch die Zeitgeberschaltung T2 vorgegebenen
Zeitintervalls eine Signaleingabe über die Leitung 18 auf,
dann wird die Zeitgeberschaltung T3 ausgelöst und es wird an
der Leitung 20 für ein bestimmtes Zeitintervall ein Alarmsignal abgegeben und dem Relais 21 zugeführt. Zu Ende des von der Zeitgeberschaltung
T3 bestimmten Zeitintervalls wird mittels einer Zeitgeberschaltung T4 ein Rücksetzimpuls für die Zeitgeberschaltung
T2 erzeugt. Die gesamte Schaltung ist dadurch wieder in
Betriebsbereitschaft versetzt.
Die an den Zeitgeberschaltungen T^ und T2 vornehmbare Zeitcodierung
gibt die Möglichkeit, das Zeitverhalten der Schaltung von Mast zu Mast unterschiedlich zu wählen und dadurch für Unbefugte
unüberschaubar zu machen.
Nachdem, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, der Sender 12 bei Anregung der Auslöseschaltung 21 Hochfrequenzsignale über
die Antenne 13 unmittelbar an dem betreffenden Hochspannungsleitungsmast, also in großer Nähe zu den übrigen Schaltungsteilen
abstrahlt, besteht die Gefahr, daß die Hochjjfpannunqclsignale
selbst eine neuerliche Auslösung bewirken. Um dies zu vermeiden, wird die Totzeit der Zeitgeberschaltung T-j_ langer als die von
; der Zeitgeberschaltung T3 bestimmte Dauer des Alarmsignales
j gewählt, um einen Selbsthaltungseffekt zu vermeiden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß gemäß einer von dem hier
; beschriebenen Gedanken umfaßter, vereinfachter Ausführungsform
die Korrelationsschaltung 14 auch weggelassen werden kann, so : daß die Zeitschrankenschaltung 19 in Verbindung mit den Frequenzfiltern
16 eine zweistufige Überprüfung der Wandlerausgangssignale
vornimmt.
: Eine Unempfindlichkeit der beschriebenen Überwachungsschaltung
gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung kann durch die in Figur 5 gezeigte Bezugsspannungsquelle erreicht werden,
welche als Teil der Schwellenwertschaltung 24 nach Figur 3 vorgesehen sein kann und welche auch die den künstlichen Nullpunkt
darstellende Spannung liefert, an welche der Fußpunktwiderstand 23 nach Figur 3 gelegt ist.
Die Bezugsspannungsquelle nach Figur 5 enthält auf der Eingangsseite eines Operationsverstärkers 32 eine an eine Versorgungsspannung angeschlossene Spannungsteilerschaltung 33, deren
Potentiometerabgriff 34 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers
32 gelegt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem negativen Verstärkereingang rückverbunden. An der
Versorgungsspannung liegt weiter eine symmetrisch aufgebaute Reihenschaltung aus zwei Widerständen 35 und 36 und zwischen
diesen gelegten Zenerdioden 37 und 38, wobei der Mittelpunkt der Serienschaltung mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 32
Verbindung hat und einen künstlichen Nullpunkt oder eine Null-Bezugsspannung darstellt. Dieser künstliche Nullpunkt bildet
zum einen den Anschlußpunkt für das Potentiometer 23 der Korrelationsschaltung 14 nach Figur 3 und zum anderen den Null-Bezugspegel,
relativ zu welchem die Abweichungstoleranz des Ausgangs des Operationsverstärkers 22 nach oben oder nach unten
bemessen wird. Die Schwellenwerte werden durch die Zenerdioden und 38 in Verbindung mit zur Einstellung veränderbaren Wider-
ständen 39 bzw. 40 vorgegeben und auf den Leitungen 41 bzw. 42 entsprechenden Vergleicherschaltungen der Schwellenwertschaltung
24 zur Verfügung gestellt. Man erkennt, daß die Spannungspegel auf den Leitungen 41 und 42 unabhängig von
Schwankungen der Versorgungsspannung relativ zu der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 konstant bleiben.
Zur Sicherung der Zuleitungen zu den Wandlern A, B, C und D
gegen Unterbrechungen bilden diese Leitungen bzw. dazu vorzugsweise nicht sichtbar parallel geführte Leitungen
Teil einer in Figur 4 bei 29 angegebenen Überwachungsschaltung, welche über ein Gatter 30 und die Leitung 20 ein
Signal an das Relais 21 abgibt, wenn eine der Anschlußleitungen der Wandler unterbrochen wird.
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