DE69024975T2

DE69024975T2 - Spektrumerfassung von lichtbögen und radiofrequenzen

Info

Publication number: DE69024975T2
Application number: DE69024975T
Authority: DE
Inventors: Howard M. Jr. Santa Ynez Ca 93460 Ham; James J. Santa Barbara Ca 93110 Keenan
Original assignee: Hendry Mechanical Works
Current assignee: Hendry Mechanical Works
Priority date: 1990-10-24
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: AU6878091A; JP3210330B2; DE69024975D1; AU656128B2; WO1992008143A1; CA2093420C; US5373241A; CA2093420A1; EP0507782A4; EP0507782A1; JPH06504113A; KR100212020B1; EP0507782B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Nachweisen von Hochfrequenzspektren und von elektrischen Lichtbögen sowie auf empfindlich auf solche Hochfrequenzspektren reagierende Systeme oder auf Systeme zum Verhindern von Schäen durch elektrische Lichtbögen.
In Anbetracht der Tatsache, daß elektrische Lichtbögen oder Funken die ersten Mittel zur drahtlosen Kommunikation waren, mag es überraschend erscheinen, daß ein Bedürfnis zum Ermitteln eines Spektrums von Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen, wie es durch einen elektrischen Lichtbogen in einer elektrischen Schaltung erzeugt wird, fortbesteht. Ein solches bleibendes Problem wird jedoch unterstrichen durch elektrische Feuer und andere gefährliche Schäden, die durch Störlichtbögen in Stromversorgungsnetzen oder anderen Schaltungen verursacht wurden. Während in dieser Beziehung Schmelzsicherungen und Scbutzschalter gefährliche Überlastzustände verhindern können, blieben die Mittel im allgemeinen unwirksam beim Vermeiden elektrischer Feuer und anderer Schäden von Störlichtbögen und Funken, die häufig bei Stromniveaus unter dem Niveau, bei dem die Schmelzsicherung durchbrennt oder der Schutzschalter zündet, auftreten und fortdauern.
Andererseits wird die elektrische Defekt-Erkennung seit langer Zeit praktiziert. Beispielsweise zeigen die US- Patente 14 62 053 und 33 08 345 verschiedene Anwendungen von Resonanzschaltungen für die Fehler-Erkennung. Im US- Patent 37 28 620 fungiert die Übertragungsleitung unter Verwendung einer variablen, auf ein Ende der Leitung geschalteten Freguenzguelle als Resonanzkreis zur Fehleranzeige und -ortung. Die US-Patente 37 51 606 und 39 04 839 sowie 42 29 626 offenbaren Schleifen-Fehler- Ortungsgeräte unter Verwendung von Demodulatoren, Phasenvergleichern und anderen elektronischen Schaltungen.
Im US-Patent 40 06 410 wird vorgeschlagen, den Ort von Koronaentladungen in einem elektrischen System durch Verarbeitung nur jener Hochfrequenz-Komponenten hervorzuheben, die sich nicht längs Drähten des Systems ausbreiten. Das US-Patent 46 09 866 schlägt eine sequentielle VHF- und UHF-Rezeption und -Verstärkung vor, um elektrische Systeminterferenz ohne Frequenzumwandlung zu orten. Das US-Patent 44 66 071 offenbart hochohmige Defekt-Erkennungs-Geräte und -Verfahren unter Verwendung eines Mikrocomputer-Systems. Das US-Patent 45 43 524 mag im Spektralanalysator-Bereich von Interesse sein, während das US-Patent 40 72 899 im Hochfrequenz-Streubereich von Interesse sein mag.
Die australische Patentschrift 63 252 offenbart die Verwendung eines Hochfrequenzmischers bei der Messung des Rauschens in einem Nachrichtensignal. Ein elektrischer Lichtbogen in dem System kann ein Hochfrequenz-Rauschen auf einem breiten Band erzeugen. Das Rausch-Meßsystem nach der australischen Patentschrift würde jedoch eine derartige "Breitband-Lichtbogen-Signatur" jeweils in eine solche ihres unteren, mittleren oder höheren Frequenzbereichs aufbrechen, so daß das System den Unterschied zwischen elektrischen Lichtbögen auf der einen Seite und einem Übertragungssignalrauschen auf der anderen Seite nicht wirksam erfassen kann. In der Tat, die australische Schrift offenbart keine Möglichkeit zum Nachweis elektrischer Lichtbögen in dem System.
Ein speziell zum Nachweis eines potentiell feuererzeugenden elektrischen Defekts kann der PCT-Anmeldung WO-A-90/04278 entnommen werden, die den nächsten Stand der Technik darstellt. Die Möglichkeit von Falschalarmen durch Rundfunksignale und Hochfrequenzsignale von Sicherheitssystemen erkennend, schneidet das System einfach alle Frequenzen in allen Rundfunk-Bändern ab und läßt für die elektrische Defekterkennung nur ein schmales Band unter dem langwelligen Rundfunkband im 200 KHz- Bereich. Dies jedoch schließt die informativen Frequenzen im Megahertz-Bereich, die in typischen "Lichtbogen- Kennungen" auftreten, von der Prüfung aus. Überdies schützt eine solche Minderung an Empfindlichkeit noch nicht gegen Falschalarme von Hochfrequenz-Steuersignalen und Sicherheitssystemsignalen im 100 KHz-Bereich.
Trotz dieser Fülle von Informationen und früheren Vorschlägen verheeren elektrische Feuer und andere Schäden, die durch Lichtbögen oder Funken verursacht werden, weiterhin elektrische Stromversorgungs- und andere Systeme, ebenso wie deren Gebäude, ferner Wälder und die Umgebung in der sie sich befinden.
Außerdem war die Anfälligkeit zu Falschalarmen ein entmutigendes Problem, weil Schaltstöße, Emissionen von Radio- und Fernsehsendern und andere Quellen leicht Falschalarme in Lichtbogendetektoren zünden können.
In einem anderen Zusammenhang: Maschinen, Schaltungen und Geräte fallen oft aus und werden auf eine Weise oder in einem Maße beschädigt, die man hätte verhindern können, wenn es einen frühen Nachweis ungewöhnlicher Lichtbogenbildung gegeben hätte. Beispielsweise Kommutatoren von elektrischen Motoren werden oft beschädigt, wenn ihre Kohlebürsten abnutzen, da die metallischen Bürstenhalterfedern dann gegen den Kommutator reiben. Da diese Abnutzung von einer starken Lichtbogenbildung begleitet wird, könnte eine frühe Entdeckung der Lichtbogenbildung das Erfordernis eines vorbeugenden Eingreifens signalisieren. Dies ist natürlich nur ein repräsentatives Beispiel der Felder, auf denen ein zuverlässiger Lichtbogen-Nachweis vorteilhaft sein könnte.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren zum Nachweis eines Spektrums eines breiten Bandes von einzelnen bzw. bestimmten Momentan-Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen vorgeschlagen, wobei Schmalband-Fremdsignale ausgeschieden werden, durch Mischen der verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen mit einzelnen bzw. bestimmten Momentan-Hochfrequenzen eines Breitband-Signals, um eine Vielzahl der verschiedenen Frequenzen in ein Signal im wesentlichen bei einer gegebenen Kombinations- oder Schwebungsfrequenz umzuwandeln, und durch Nachweis dieses Spektrums als unterschiedlich von Schmalband-Fremdsignalen durch Ansprechen auf das Vorhandensein eines gegebenen Betrags des genannten Signals bei der Schwebungsfrequenz im Ausgang der Mischerstufe.
Außerdem wird eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Spektrums eines breiten Bands verschiedener bzw. bestimmter Momentan-Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen vorgeschlagen, wobei Schmalband-Fremdsignale ausgeschieden werden, die erfindungsgemäß Umformmittel zum Mischen der verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen mit bestimmten Momentan-Hochfrequenzen eines Breitbandsignals aufweist, um eine Vielzahl der verschiedenen Frequenzen in ein Signal mit im wesentlichen einer gegebenen Schwebungsfrequenz umzuwandeln, und durch Nachweismittel, die mit den Umformmitteln verbunden sind, zum Nachweisen des genannten Spektrums als verschieden von Schmalband-Fremdsignalen durch Ansprechen auf das Vorhandensein eines gegebenen Betrags des genannten Siqnals bei der genannten Schwebungsfrequenz.
In einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung einen Hochfrequenzsignal-Duplikator mit einem auf eine Quelle jenes Spektrums geschalteten Eingang, mit einem ersten Ausgang für ein von dem Duplikator dupliziertes Spektrum und mit einem zweiten Ausgang für das andere, durch den Duplikator duplizierte Spektrum; mit einem Hochfrequenzmischer mit einem ersten Hochfrequenzeingang, der auf den genannten ersten Ausgang geschaltet ist, mit einem zweiten Hochfrequenzeingang, der auf den zweiten Ausgang geschaltet ist, und mit einem Hochfrequenzmischer-Ausgang für eine Kombination der an den ersten und zweiten Eingängen anliegenden Hochfrequenzen; und mit einem Frequenz-Kombinationsdetektor mit einem auf den Ausgang des Hochfrequenzmischers geschalteten Eingang und mit einem Ausgang zum Signalisieren einer gemessenen Kombination der verschiedenen Momentan- Hochfrequenzen, die das Rauschen anzeigen.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird als Beispiel auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen; in denen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Hochfrequenz-Meßfühlers zum Aufnehmen der Lichtbogen- Kennung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm des Meßfühlers nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Verstärker-, Filter- und Mischer-Anordnung, welche im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 anwendbar ist;
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Empfänger-Demodulator-, Zeit-Logik- und Relais/LED-Treiber-Anordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Lichtbogen-Nachweis und zur Schadensverhütung; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm als alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, das beispielsweise in der Anordnung nach Fig. 3 verwendbar ist.
Die Zeichnungen illustrieren Verfahren und Vorrichtungen zum Nachweis und Einwirken auf Spektren eines breiten Bandes von bestimmten bzw. verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen, und sie zeigen auch Verfahren und Vorrichtungen zum Nachweis des Auftretens von Lichtbögen oder Funken in elektrischen Schaltkreisen, alles gemäß derzeit bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Der weiteren Beschreibung kann im einzelnen entnommen werden, daß diese Verfahren und Vorrichtungen fremde Schmalbandsignale abweisen, die Frequenzen innerhalb des Breitbands haben, und aus dem Hochfrequenz-Rauschen eine Kombination einer Vielzahl der einzelnen Momentan- Hochfrequenzen erfassen, die indikativ für das Spektrum sind. Für den Nachweis des Auftretens eines elektrischen Lichtbogens gehen die erläuterten Verfahren und Vorrichtungen aus von dem Spektrum eines breiten Bandes der einzelnen, durch einen solchen Lichtbogen erzeugten Momentan-Hochfrequenzen und erfassen das Auftreten dieses Lichtbogens durch Nachweisen der Kombination einer Vielzahl der einzelnen Momentan-Hochfrequenzen aus dem Breitband von einzelnen durch den elektrischen Lichtbogen erzeugten Momentan-Hochfrequenzen.
In dieser Beziehung können elektrische Ströme in einem Schaltkreis mit berührenden Drähten, losen Verbindungen, Unterbrechungen, abgenutzten Kohlebürsten, defekten oder exzessiv flatternden Kontakten und anderen Unvollkommenheiten elektrische Lichtbögen oder Funken mit der Folge eines Hochfrequenz (HF)-rauschens erzeugen, welches von dem Lichtbogen ausgestrahlt wird und/oder längs der Leiter der elektrischen Schaltung durch Skin- Effekt wandert. In der Praxis umfaßt das durch einen elektrische Lichtbogen oder Funken (im folgenden einfach als "bogen" bezeichnet) erzeugte HF-Rauschen ein Spektrum eines breiten Bandes einzelner verschiedener bzw. bestimmter Momentan-Hochfrequenzen, die in dieser Beschreibung als "HF-Kennung" des Bogens bezeichnet werden.
Eine Probe der HF-Kennung des Bogens kann aufgenommen werden mit einer Antenne, einem Nahfeld-Kapazitätskoppler, einem Ferritkern-HF-Transformator oder einem anderen HF-Energieaufnehmer. Als Beispiel und nicht als Beschränkung zeigt Fig. 1 einen Ferritkern-HF-Transformator 10 zum Aufnehmen der HF-Kennung eines Bogens 12, welcher in einer Unterbrechung oder einem anderen Fehler zwischen oder in den einen Laststrom leitenden Schaltungsdrähten 13 gebildet wird oder der durch exzessive Lichtbogenbildung eines Schalters, Kommutators oder einer anderen Komponente entsteht. Der gezeichnete Transformator 10 umfaßt einen Ferritblock, der aus Kernhälften 14 und 15 besteht, welche längs der Schnittlinie 16 verbunden und mit einem Zugband 17 zusammengehalten werden. Der Draht 13 wirkt im Ergebnis als Primärwindung, und ein Aufnahmeglied 18 aus einer Kupferlasche wirkt als eine Sekundärwindung des Transformators 10.
Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm des Aufnehmers nach Fig. 1. Die Leiterplatte 20 nach Fig. 1 trägt ein Filter 21 mit Eingangs- und Ausgangs-Anpaßwiderständen 22 und 23 und eine Zuleitung zu einer Aufnehmer-Ausgangsklemme 24. Das Filter 21 und nachfolgende Filter, wie in der Zeichnung dargestellt, haben den Zweck sicherzustellen, daß Differenzfrequenzen, die als indikativ für einen Bogen 12 aufgenommen werden, in der Schaltung nicht durch Fremdrauschen derselben Frequenz simuliert werden können. Beispielsweise gibt es kommerzielle Sender und andere Hochfrequenz-Quellen, die Signale mit Frequenzen aussenden, welche ähnlich der Differenzfrequenz sind, die durch die vorliegend beschriebene Schaltung aufzuspüren ist. Keines dieser Fremdsignale soll den Betrieb einer solchen Detektorschaltung beeinflussen. Hochpaßoder Bandpaßfilter können für diesen Zweck eingesetzt werden. Beispielsweise können das Filter 21 und andere Filter, die für denselben Zweck in der vorliegend beschriebenen Schaltung verwendet werden, zum Eliminieren von Frequenzen unter 20 MHz und zum Durchlassen von Frequenzen von 20 MHz aufwärts ausgelegt werden, wenn eine Differenzfrequenz im Bereich von 10 MHz, wie unten eingehender beschrieben, benutzt wird. Ganz allgemein eliminieren die Ausführungsbeispiele der Erfindung im wesentlichen diejenigen Komponenten aus dem Hochfrequenz- Rauschen, die eine Frequenz der Kombination der verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen, wie unten vollständiger erläutert wird, enthalten.
Beispielsweise sind HF-Komponenten von Bogen-Strömen in einem Spektralbereich von 1 MHz bis 500 MHz angesiedelt. Im erläuterten Ausführungsbeispiel werden die HF-Komponenten unter 20 MHz durch das Hochpaßfilter 21 reduziert. Die Bogenkennungs-Komponenten von 20 MHz und mehr werden über Klemmen 24 und 25 auf den Eingang der Verstärker-, Filter- und Mischer-Anordnung nach Fig. 3 geschaltet. Insbesondere wird die gefilterte HF-Kennung von der Aufnehmer-Ausgangsklemme 24 zu der Eingangs- Klemme 25 eines Breitband-Eingangstransformators 26 (XFMR) geleitet. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung spricht der Detektor in dem 20 MHz- bis 200 MHz- Bereich auf ein Bogenrausch-Leistungsspektralniveau von im Mittel -70 dbm an.
Das Ausgangssignal des Eingangstransformators 26 wird auf die erste Verstärkerstufe 28 über ein anderes 20 MHz-Hochpaßfilter 27 geschaltet, um das Signal und/oder das Impulsrauschen im Spektrum unter 20 MHz weiter zu vermindern. Die Stufe 28 ist vorzugsweise ein versiegeltes Verstärkermodul, welches 28 db einer stabilen Breitbandverstärkung von 0,5 MHz bis 500 MHz liefert. Dieser Verstärker treibt das nächste 20-MHz-Hochpaßfilter 29, welches wiederum einen anderen 28-db-Breitband-Verstärker 31 treibt. Dieser zweite Verstärker 31 treibt einen 1:1-Zwischentransformator 32. Die Sekundärseite dieses Transformators arbeitet in einer ungeerdet abgeglichenen Betriebsweise, indem sie zwei 20-MHz-Hochpaßfilter 33 und 34 in Push-Pull-Weise treibt. Die Treiber-Quellimpedanz in jedes Filter hinein wird beeinflußt durch die durch das Gegenfilter präsentierte Abschlußimpedanz. Diese Filter 33 und 34 treiben die beiden Eingangsanschlüsse 35 und 36 eines symmetrischen Mischers 37. Demgemäß wird das Signalniveau im Bereich unter 20 MHz, das auf jeden der Eingangsanschlüsse des symmetrischen Mixers gegeben wird, mehr als die Außerbandschwächung eines einzelnen 20 MHz-Hochpaßfilters geschwächt. Der Ausgang 38 des Mischers 37 wird an ein Bandpaßfilter 39 geschaltet.
Fig. 3 ist repräsentativ für Verfahren und Vorrichtungen zum Mischen des Hochfrequenz-Rauschens mit dessen Duplikat und zum Aufspüren der Differenz oder einer anderen Kombination einer Vielzahl von einzelnen Momentan- Hochfrequenzen aus dem gemischten Hochfrequenz-Rauschen. Fig. 3 und ihre Äquivalente duplizieren das Hochfrequenz-Rauschen auf zwei Wegen, wie bei 32, 33, 35 und 34, 36, und mischen das Hochfrequenz-Rauschen des einen der beiden Pfade mit dem Hochfrequenz-Rauschen aus dem anderen dieser beiden Pfade, um eine Differenz oder eine andere Kombination einer Vielzahl der einzelnen Momentan-Hochfrequenzen in der Bogenkennung oder einem anderen Hochfrequenz-Rauschen zu erzeugen.
Überall in dem Hochfrequenz-Verarbeitungssystem wird Sorge getragen, die Signalkomponenten und Verstärkerleistung im Bereich unter 20 MHz zu minimieren. Wenn ein Breitband-Rausch-Lei stungs spektrum von durchschnittlich -70 dbm im Bereich von 0,5 MHz bis 200 MHz an den HF- Eingangstransformator 26 angelegt wird, ist das auf jeden Eingang des Mischers 37 geschaltete Signal -35 dbm bis -40 dbm in dem 20 MHz- bis 200 MHz-Bereich. Unter 20 MHz ist das Signalnivau niedriger als -70 dbm an jedem Mischereingang. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 39 ist -50 dbm bis -55 dbm zentriert auf dem Paßband des Filters 39. Ein Konversions-Verlust von 15 db berücksichtigt korrekt, daß die Eingangsniveaus an den symmetrischen Mischer angelegt werden. "Konversion" ist ein wohlbekannter Ausdruck für die Frequenzkonversion, die z.B. in Frequenzmischern auftritt, welche zwei Eingangssignale kombinieren, um deren Frequenz in ihre Differenzfrequenz oder eine andere Kombinationsfrequenz, wie vorliegend beschrieben, umzuformen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal des Frequenzwandlers oder Mischers 37 das Ergebnis einer augenblicklichen Differenzfrequenz zwischen je zwei oder mehr nahezu kontinuierlichen Rauschimpulsen, welche die Breitband-HF-Kennung des auf zuspürenden Bogens ausmachen.
Fremdeingänge, wie Relais-Einschaltstöße, Schaltrauschen, Motorbürstrauschen, äußere Rundfunkübertragungen usw. erzeugen Schmalbandsignale, die an den Mischereingängen 35 und 36 als Gleichtakteingangssignale ankommen. Solche Signale neigen dazu, sich in dem symmetrischen Mischer 37 aufzuheben, oder erzeugen, wenn sie in Zeit oder Frequenz leicht versetzt sind, kein signifikantes Signal auf dem Differenz-Frequenzniveau. Das Ergebnis ist ein System, das auf Niederniveau-Breitband-Eingangssignale anspricht, welche die HF-Kennung eines Bogens darstellen, aber nicht auf viel höhere Niveaus von fremden Interferenzen ansprechen. Dadurch wird die verlangte Stabilität und Immunität gegen falsche Ausgänge erreicht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wählte eine momentane Differenzfrequenz von 10,7 MHz für den Mischer 38 und das Bandpaßfilter 39 aus. Das ist eine üblich benutzte Zwischenfrequenz (ZF), für die Komponenten kommerziell erhältlich sind und die durch internationale Konvention geschützt wird. Andere geschützte ZF können für diesen Zweck benutzt werden.
Das verarbeitete 10,7 MHz-Ausgangssignal des Bandpaßfilters 39 wird über eine Klemme 40 an einen Empfänger-Demodulator 42 gemäß Fig. 4 mit Frequenzumsetzer (FSK) im integrierten Schaltkreis gelegt. Das Signal wird auf den FSK-Empfänger über eine gesteuerte "Q"-abgestimmte Schaltung 43 gekoppelt, die bei 10,7 MHz für eine zusätzliche Abweichfrequenz-Signal-Abweisung zentriert ist. Eine positive Versorgungsspannung wird über eine Klemme 140 angelegt. Die Klemmen 40 und 140 werden in den Fig. 3 und 4 auf Leiterplatten dargestellt, die in beiden Fig. mit 41 bezeichnet sind. Tatsächlich kann 41 ein und dieselbe Leiterplatte in beiden Figuren sein und die in Fig. 4 gezeigte Extraklemme für die Rückstellung 59 enthalten.
Der Ausgang des FSK-Empfänger-Demodulators 42 erscheint in zwei Formen, an einem Ausgang 44 ein Gleichstrom proportional zum Signalniveau und am Ausgang 45 eine demodulierte Weiß-Rausch-Wechselstromkomponente. Das Signalniveau am Ausgang 44 reagiert nicht auf Einschaltimpuls-Eingänge, und es gibt keine Wechselstrom-Komponente am Ausgang 45, wenn eine fremde kontinuierliche Welle eines Rundfunksignals seinen Weg in den Empfänger finden sollte. Der Empfänger 42 besitzt seinen Trägerniveau-Gleichstromausgang bei 44 und enthält einen Phasenquadratur-Detektor 142, welcher ein Weiß-Rausch- Ausgangssignal bei 45 als Ergebnis der durch den symmetrischen Mischer 37 bewirkten Frequenz- oder Phasenverschiebung erzeugt.
Das Trägerniveau-Gleichstromsignal des Empfänger-Ausgangs 44 wird über die Doppelzeit-Konstantschaltung 47 auf eine Spannungs-Folgestufe 46 geschaltet. Der ansteigende Spannungs-Folge-Ausgang treibt einen Inverter 48 und den nicht invertierenden Eingang eines Komparators 49. Die kombinierten Ausgangssignale der Folgestufe 46 und des Inverters 48 treiben den Zweifarben-LED 51. Dieser LED ist normalerweise grün, er geht aber über orange in rot über, wenn die Länge und/oder die Stärke eines Bogen-Ereignisses zunimmt. Diese LED 51 wird als "bogen-Indikator" bezeichnet.
Das zweite Ausgangssignal der Folgestufe 46 wird über ein Dualzeit-Konstant-Netzwerk 52, das einen Kondensator 53 enthält, an den nicht invertierenden Eingang des Komparators 49 angelegt. Die Wechselstrom-Komponente des demodulierten weißen Rauschens am Ausgang 45 des Empfängers 42 wird wechselstromgekoppelt und bei 54 angeklemmt, um einen abfallenden Gleichstrom zu liefern, der proportional zu der Amplitude des demodulierten Rauschens ist. Es sei in diesem Zusammenhang wiederholt, daß der Phasenquadratur-Detektor innerhalb der integrierten Schaltung des Empfängers 42 das weiße Rausch- Ausgangssignal bei 45 als Ergebnis von durch den symmetrischen Mischer 37 verursachten Frequenz- oder Phasenverschiebungen erzeugt. Der abfallende Gleichstrom, der proportional zur demodulierten Rauschamplitude ist, wird auf das Doppelzeit-Konstant-Netzwerk 56 geschaltet, welches einen Kondensator 57 enthält und welches den invertierenden Eingang des Komparators 49 treibt.
Zum Schalten und Einklinken des Komparators 49 müssen beide Gleichstromeingangssignale vorhanden sein und das Gleichstromniveau des anderen kreuzen. Die Rate, bei der die Gleichstromniveaus die jedem Eingang zugeordneten Kondensatoren 53 und 57 laden und entladen, wird bestimmt durch die Doppel-RC-Zeit-Konstanten der Netzwerke 52 und 56. Diese Werte unterscheiden sich für verschiedene Endergebnis-Erfordernisse. Wenn der Komparator 49 geschaltet und eingeklinkt ist, wird er durch Anlegen von Erde an den Stift 141 des Anschlußteils 41, z.B. mit einer Drucktaste 59, zurückgestellt.
Während des normalen Betriebs ist das Ausgangssignal des Komparators 49 niedrig. Dieses Ausgangssignal wird auf das Gate eines Feldeffekttransistors (FET) 61 geschaltet. Die Drain des FET ist hoch und wird mit dem Gate eines anderen FET 62 gekoppelt. Mit diesem hochgehaltenen Gate wird der FET 62 gesättigt; und ein Relais 63 wird erregt. Die Sources der beiden FET 61 und FET 62 werden mit einem Zweifarben-LED 65 verbunden. Dieser LED ist der Bogenalarmindikator, er ist bei Normalbetrieb grün und wird rot, wenn ein Bogenalarm auftritt. Während der Bogenalarm-Bedingung wird der Strom durch die grüne Hälfte des LED 65, FET 62 und Relais 63 unterbrochen, so daß die grüne Hälfte des LED 65 erlischt und das Relais 63 aberregt wird. Der Komparator 49 ändert den Zustand, sein Ausgangssignal geht unter Sättigung des FET 61 hoch und betreibt die rote Hälfte des LED 65. Wenn der Komparator 49 zurückgestellt wird, etwa durch Betätigen der Drucktaste 59, kehren die Schaltkreise in ihren Normalzustand zurück.
Das Gehäuse 66 kann entweder eine Klemmleiste sein, an die Alarmgeräte, wie Glocken, Hörner, Schaltungsunterbrecher oder Leistungs-Abschalter anzuschließen sind, oder es kann solche Alarmvorrichtungen, Unterbrecher oder Schalter selbst symbolisieren.
In jedem Fall können der Bogen 12 oder andere potentiell schädigende Bögen, die durch die erläuterte Schaltung oder auf andere Weise im Bereich der Erfindung aufgespürt werden, sicher begrenzt werden, bevor ernsthafte Schäden aufgetreten sind.
Als ein besonderer Vorteil ermöglicht das dargestellte Ausführungsbeispiel dem Betreiber, die Gefährlichkeit des Bogens zu bewerten. Unbedeutende Bögen zünden keinen Alarm, ändern aber trotzdem die Farbe des LED 51 ins Orange. In Systemen, in denen die Alarmbedingung die Energieversorgung nicht absperrt oder die Lichtbogenschaltung nicht abtrennt, kann der Betreiber aus der Farbe des LED 51 entnehmen, ob der Bogen gefährlich oder nur von vorübergehender Natur ist.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie mit Standard-Komponenten zu realisieren ist. Beispielsweise kann der Empfänger-Demodulator 42 ein Breitband-FSK- Empfänger des IC-Typs MC13055 sein, wie er z.B. in dem MOTOROLA Linear and Interface Integrated Circuits Catalog (1988), Seiten 8-65 bis 8-70 beschrieben wird. In diesem Fall können der Ausgang 44 der "Carrier-Detect- Stift" 13 und der Ausgang 45 der "Data-Output-Stift" 16 sein, wobei die Anordnung der anderen auf der genannten Seite 8-65 gezeigten Stifte in der Wirkung gegenüber der Darstellung der Fig. 4 jeweils umgekehrt sind. Als Beispiel für eine Anwendung der Komponenten 46, 48 und 49 der "Quad Single Supply Comparators IC" Typ LM 139, A sei auch auf den MOTOROLA Circuits Catalog, Seiten 2-57 bis 2-60 verwiesen.
Ähnlich kann Bezug genommen werden auf das "RF/IF Signal Processing Guide" von Mini-Circuits (SF 89/90) als ein Beispiel für einen Mischer bei 37 in der Form des Frequenzmischers, Typ SBL-1 von Seite 18, als ein Beispiel von Komponenten 28 und 31 in der Form von Verstärkern des IC-Typs MAN-1 auf den Seiten 38 und 39, als ein Beispiel von Komponenten 36 und 32 in der Form von HF- Transformatoren auf den Seiten 52 und 53 und als ein Beispiel für die Komponenten 21, 27, 29, 33 und 34 in der Form des Hochpaßfilters des Typs PHP-50 gemäß Seite 61. Das Bandpaßfilter 39 kann das Bandpaßfilter PBP-10,7 (MHz) sein, das von derselben Gesellschaft hergestellt und beschrieben wird, z.B. in "Microwaves & RF" (Juli 1990).
Der Rahmen der Erfindung wird jedoch nicht auf die speziellen Vorrichtungen begrenzt. Beispielsweise können ein oder mehrere der in den Zeichnungen dargestellten Filter weggelassen werden, wenn eine Verminderung der Rauschunterdrückung toleriert werden kann, oder wenn die Rauschunterdrückung auf andere Weise erreicht wird. Ahnlich stellen die Komponenten 32, 33 und 34 einen Hochfrequenzsignalduplikator dar, der einen mit dem nachzuweisenden Spektrum gekoppelten Eingang, einen ersten Ausgang bei 33 für ein Spektrum, wie dupliziert durch den Duplikator, und einen zweiten Ausgang bei 34 für das andere Spektrum, wie dupliziert durch den Duplikator besitzt. Der Rahmen der Erfindung wird natürlich nicht auf die Verwendung solcher Komponenten beschränkt.
Der Hochfrequenz-Mischer 37 besitzt einen ersten Hochfrequenzeingang 35, der mit dem ersten Ausgang des Signalduplikators gekoppelt ist, einen zweiten Hochfrequenz-Eingang 36, der mit dem zweiten Ausgang des Signalduplikators gekoppelt ist, und einen Hochfrequenz- Mischerausgang 38 für eine Kombination der auf den ersten und zweiten Eingang geschalteten Hochfrequenzen, die beispielsweise die Differenzfrequenz von einzelnen bzw. bestimmten Momentan-Hochfrequenzen in dem Rauschspektrum oder in der Bogensignatur sein können. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch eine andere Art von Frequenzkonverter anstelle dieser beschriebenen Komponenten eingesetzt werden. Es ist wohlbekannt, nicht-lineare Elemente zu Zwecken der Frequenzmischung oder -umwandlung einzusetzen.
Der Frequenz-Kombinationsdetektor 42 hat einen Eingang, etwa bei 43, der auf den Ausgang 37 des Hochfrequenz- Mischers geschaltet ist, und umfaßt einen Ausgang 44 für eine festgestellte Differenz oder andere Kombinationen der einzelnen Momentan-Hochfrequenzen, die indikativ für den elektrischen Bogen oder das andere Rauschen ist.
Wie aus dieser Beschreibung ersichtlich ist, wurden verschiedene Mittel zum substantiellen Eliminieren von fremden Hochfrequenz-Interferenzen offenbart unter Einschluß von z.B. Hochpaßfiltern 21, 27 und/oder 29 zwischen der Quelle 12 und dem Eingang bei 32 des Hochfrequenz-Duplikators, der einen Durchlaßbereich (Bandpass) oberhalb der Differenzfrequenz oder einer anderen aufgenommenen Kombination von der bestimmten Momentan-Hochfrequenz aufweist. Andere Mittel zum substantiellen Eliminieren fremder Hochfrequenz-Interferenzen umfassen die ausbalancierte Eigenschaft und Betriebsweise des Mischers 37 oder anderer Frequenzkonverter und/oder das Paßband-Filter 39 zwischen dem Ausgang 38 des Hochfrequenz-Mischers und dem Frequenz-Kombinations-Detektor oder Empfänger-Demodulator-Eingang, die einen Durchlaßbereich bei der Differenzfrequenz oder einer anderen nachgewiesenen Kombination der bestimmten Momentan-Hochfrequenz haben.
Weiterhin offenbart Fig. 4 Mittel, die mit dem Frequenz- Kombinations-Detektor oder dem Hochfrequenz-Empfänger- Demodulator 42 zum Anzeigen eines Auftretens einer Bogenkennung oder eines anderen Spektrums verbunden sind. Beispielsweise, zusätzlich zu der Folgestufe 46, dem Inverter 48 und dem LED 51, oder als eine Alternative dazu, liefern die Folgestufe 46, der Komparator 49, das Relais 63 und/oder der LED 65 verbunden mit dem Hochfrequenz-Empfänger-Demodulator 42 eine Alarmbedingung als Reaktion auf das Auftreten einer Bogenkennung oder eines anderen Spektrums.
Der Frequenz-Kombinations-Detektor kann erste Mittel 42 zum Erzeugen eines ersten Signals, das proportional zu einem Signalniveau am Mischerausgang 38 ist, und zweite Mittel 142 zum Erzeugen eines zweiten Signals als Reaktion auf Frequenz- oder Phasenverschiebungen in dem Hochfrequenz-Mischer 37 enthalten. Die Vorrichtung enthält dritte Mittel, wie etwa 46, 47, 48, 51, die mit den ersten Mitteln 42 verbunden sind, zum Anzeigen eines Auftretens der Bogenkennung oder des anderen Spektrums, und vierte Mittel, wie etwa 49, 52, 61, 62, 63, 65, 66, die mit den ersten und mit wenigstens einem der zweiten und dritten Mittel verbunden sind, um eine Alarmbedingung als Reaktion auf das Auftreten der Bogenkennung oder des anderen Spektrums zu liefern.
Wenn die Quelle ein elektrischer Lichtbogen 12 ist, der das aufzuspürende Hochfrequenz-Rauschen liefert, dann werden Mittel zum Schalten des Hochfrequenz-Rauschens auf den Hochfrequenzduplikator- oder -transformator- Eingang 25 vorgesehen. Im Prinzip kann eine Antenne für diesen Zweck verwendet werden. Um jedoch die Exponierung gegenüber Hochfrequenz-Interferenzen zu vermindern, wird ein Ferrit-Kern-Transformator 10 vorzugsweise zwischen den den Bogen erzeugenden Schaltkreis 13 oder eine andere Quelle und den Hochfrequenz-Duplikator-Eingang oder Breitband-Transformator-Eingang 25 geschaltet.
Fig. 5 zeigt eine Alternative, die im Rahmen der Erfindung benutzt werden kann, wenn höchste Wirksamkeit nicht verlangt wird. Anstatt das Hochfrequenz-Rauschen wie bei 34 in Fig. 3 zu duplizieren, erzeugt die Schaltung gemäß Fig. 5 ein Breitband-Rauschsignal, das auch bestimmte Hochfrequenzen wie das oben genannte Hochfrequenz- Rauschen umfaßt, das ein Spektrum eines breiten Bandes von einzelnen Momentan-Hochfrequenzen enthält. Ein Breitband-Rausch-Generator 68 kann für diesen Zweck an die Stelle des Filters 34 in den oben genannten anderen von den beiden Pfaden zwischen dem Transformator 32 und dem Mischer 37 treten. In diesem Fall gibt es nur einen Pfad für das aufgespürte Hochfrequenz-Rauschen von dem Transformator 32 durch das Filter 33 zu dem ersten Mischereingang 35, während der zweite Mischereingang 36 durch das Breitbandrauschen des Generators 38 beaufschlagt wird. Jeder Typ von Breitband-Rausch-Generatoren kann eingesetzt werden, wenn er nur die oben genannten einzelnen Hochfrequenzen liefert, wie das im allgemeinen der Fall bei Rauschdioden und dergleichen ist.
Der oben genannte Mischer, der auch in Fig. 5 gezeigt wird, mischt das Hochfrequenz-Rauschen des Transformators 32 mit dem Breitband-Rauschsignal des Generators 68, um eine Differenz oder eine andere Kombination einer Vielzahl von einzelnen Momentan-Hochfrequenzen am Mischerausgang zum Nachweis des Bogens oder einer anderen Bogensignatur oder eines anderen Hochfrequenz-Spektrums, wie z.B. in Fig. 4, zu erzeugen. Mit anderen Worten, ausgenommen die Substitution des Breitband-Rausch- Generators 68 durch das Hochpaßfilter 34 und das Erden des unteren Ausgangs des Transformators 32, kann die Schaltung dieselbe sein wie in den Fig. 3 und 4, mit oder ohne Fig. 2.
In Fig. 1 ist das Auftreten eines Bogens in einem gebrochenen Leiter 13 oder zwischen Leitern hervorgehoben worden. Jedoch kann der symbolisch, z.B. in Fig. 2 gezeigte Bogen 12 eine exzessive Bogenbildung an einem rotierenden Kommunikator, in einem Schalter oder in anderen elektrischen Komponenten anzeigen. In diesen Fällen kann die Schaltung nach den Fig. 2, 3, 4 oder 5 ebenfalls benutzt werden, solche übermäßige Bogenbildung aufzuspüren. Der LED 51 kann benutzt werden, um die exzessive Bogenbildung anzuzeigen, während das Relais 63 einzusetzen ist, um den Motor, den Schalter oder die andere Komponente abzuschalten, bevor der Kommutator abgenutzt ist, der Schalter durchgebrannt ist oder die elektrische Komponente auf andere Weise beschädigt ist. Wartungsarbeiten können dann vorgenommen werden, bevor der Betrieb fortgesetzt wird.

Claims

1. Verfahren zum Nachweis eines Spektrums eines breiten Bandes von verschiedenen bzw. bestimmten Momentan- Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen, bei dem Schmalband-Fremdsignale ausgeschieden werden, gekennzeichnet durch Mischen (37) der verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen mit bestimmten Momentan- Hochfrequenzen eines Breitband-Signals, um eine Vielzahl der verschiedenen Frequenzen in ein Signal mit im wesentlichen einer vorgegebenen Kombinationsbzw. Schwebungsfrequenz umzuwandeln, und durch Nachweis des genannten Spektrums als verschieden von Schmalband-Fremdsignalen durch Ansprechen auf das Vorhandensein eines gegebenen Betrags des genannten Signals bei der genannten Schwebungsfrequenz im Ausgang der Mischstufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch substantielles Eliminieren (21, 27, 29) von Rauschkomponenten aus der genannten Hochfrequenz, die in ihrer Frequenz der für das genannte Spektrum bezeichnenden Schwebungs frequenz entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis-Schritt die Verwendung eines Bandpaß-Filters umfaßt, das im wesentlichen auf die vorgegebene Schwebungsfrequenz zentriert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mischen (37) des genannten Hochfrequenz-Rauschens mit seinem Duplikat (32 - 34) und Nachweisen (42) der Schwebungsfrequenz der einzelnen Momentan-Hochfrequenzen, die für das Spektrum bezeichnend sind, aus dem gemischten Hochfrequenz-Rauschen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Duplizieren des genannten Hochfrequenz-Rauschens in zwei Pfade (33, 34) hinein und Mischen (37) des Hochfrequenz-Rauschens eines der beiden Pfade mit dem Hochfrequenz-Rauschen des anderen der beiden Pfade, um das genannte Signal im wesentlichen bei der Schwebungsfrequenz aus der Vielzahl von einzelnen Momentan-Hochfrequenzen zu erzeugen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Breitband-Rauschsignal (68, Fig. 5) von Hochfrequenzen erzeugt wird und das Mischen (37) erreicht wird durch Mischen des Hochfrequenz-Rauschens mit dem genannten Breitband-Rauschsignal, zum Erzeugen des Signals im wesentlichen bei der Schwebungsfrequenz aus der Vielzahl von einzelnen bzw. bestimmten Momentan-Hochfrequenzen, die am Eingang der Mischerstufe vorliegen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Erzeugen eines ersten Signals (44), das proportional zu einem Signalniveau der Schwebungsfrequenz ist, das Erzeugen eines zweiten Signals (45) in Abhängigkeit von durch die Umwandlung erzeugten Frequenz- oder Phasenverschiebungen, Anzeigen (51) des Auftretens des Spektrums in Abhängigkeit von dem ersten Signal und Erzeugen einer Alarmbedingung (65, 66) aus einem Vergleich der genannten ersten und zweiten Signale.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum eines breiten Bandes von einzelnen bzw. bestimmten Momentan-Hochfrequenzen durch einen elektrischen Lichtbogen (12) erzeugt wird und ein Auftreten des genannten Lichtbogens durch Nachweis der Schwebungsfrequenz einer Vielzahl der einzelnen Momentan-Hochfrequenzen aus dem breiten Band von durch den genannten elektrischen Lichtbogen erzeugten einzelnen Momentan-Hochfrequenzen aufgespürt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwebungsfrequenz eine Differenzfrequenz (bei 38) der genannten Vielzahl von einzelnen Momentan-Hochfrequenzen ist, die aus dem genannten Hochfrequenz-Rauschen ermittelt werden.

10. Vorrichtung zum Nachweis eines Spektrums eines breiten Bandes von einzelnen bzw. bestimmten Momentan- Hochfrequenzen im Hochfrequenz-Rauschen, wobei Schmalband-Fremdsignale ausgeschieden werden, gekennzeichnet durch Umformmittel (32 bis 37) zum Mischen der verschiedenen Momentan-Hochfrequenzen mit bestimmten Momentan-Hochfrequenzen eines Breitband- Signals, um eine Vielzahl der verschiedenen Frequenzen in ein Signal mit im wesentlichen einer vorgegebenen Schwebungsfrequenz umzuwandeln, und Nachweismittel (42), die mit den genannten Umformmitteln verbunden sind, zum Nachweisen des genannten Spektrums als getrennt bzw. verschieden von Schmalband- Fremdsignalen durch Ansprechen auf das Vorhandensein eines gegebenen Betrags des genannten Signals bei der genannten Schwebungsfrequenz.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mit den Umformmitteln (32 bis 37) gekoppelte Mittel (21, 27, 29) zum substantiellen Eliminieren von Komponenten aus dem genannten Hochfrequenz-Rauschen, die in ihrer Frequenz der für das Spektrum bezeichnenden Schwebungs frequenz entsprechen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweismittel ein Bandpaß- Filter (39) enthält, das im wesentlichen auf die Schwebungsfrequenz zentriert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformmittel Mittel (32 bis 34) zum Mischen des genannten Hochfrequenz- Rauschens mit seinem Duplikat enthält, und die Mittel (42) zum Nachweis des genannten Ausgangssignals aus dem gemischten Hochfrequenz-Rauschen vorgesehen sind, wobei das Ausgangssignal im wesentlichen bei der genannten Schwebungsfrequenz aus einer Vielzahl der genannten einzelnen Momentan-Hochfrequenzen gebildet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenz-Signal-Duplikator (32, 34), der einen auf eine Quelle des genannten Spektrums geschalteten Eingang hat, einen ersten Ausgang (33) für ein durch den Duplikator dupliziertes Spektrum und einen zweiten Ausgang (34) für das andere, durch den Duplikator duplizierte Spektrum, wobei das Umformmittel ein Hochfrequenzmischer (37) ist, der einen ersten mit dem ersten Ausgang gekoppelten Hochfrequenzeingang (35), einen zweiten mit dem zweiten Ausgang gekoppelten Hochfrequenzeingang (36) und einen Hochfrequenz-Mischer-Ausgang (38) zum Liefern der Kombinationen von an den ersten und zweiten Eingängen anliegenden Hochfrequenzen besitzt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Ferrit-Kern-Transformator (10), der zwischen die Quelle (12) und den Hochfrequenz-Duplikatoreingang geschaltet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch einen Breitband-Rauschgenerator (68), wobei die Umformmittel Mittel (37) zum Mischen des Hochfrequenz-Rauschens mit dem Breitbandrauschen des Generators (38) umfassen, um das für das Spektrum bezeichnende Signal im wesentlichen bei der Schwebungsfrequenz aus einer Vielzahl einzelner Momentan-Hochfrequenzen zu erzeugen, die im Hochfrequenz-Rauschen und im Ausgang des Generators vorhanden sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweismittel (42) dem Nachweis einer Differenz-Frequenz der Vielzahl einzelner Momentan-Hochfrequenzen, als die Schwebungsfrequenz, die aus dem Hochfrequenz-Rauschen aufgefunden wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schwebungsfrequenz aufspürende Mittel ein Hochfrequenz-Empfänger-Demodulator (42) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch mit dem Hochfrequenz-Empfänger-Demodulator verbundene Mittel (46 bis 51) zum Anzeigen eines Auftretens des Spektrums.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch auf den genannten Hochfrequenz-Empfänger-Demodulator geschaltete Mittel (49 bis 66) zum Liefern einer Alarm-Bedingung in Abhängigkeit vom Auftreten des Spektrums.