DE69201578T2 - System zur Auswertung der Eigenschaften eines elektrischen Filters. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines elektrischen Filters, das insbesondere zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Energiefiltern benutzt wird, die auf Faradaykäfigen oder als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäusen verwendet werden.
• Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit wird nachfolgend nur von Energiefiltern gesprochen, die auf Faradaykäfigen verwendet werden, aber es ist natürlich klar, daß diese Einschränkung keineswegs eine Begrenzung darstellt und daß sich die vorliegende Erfindung auf die Bewertung der Leistungsfähigkeit aller Arten von elektrischen Filtern bezieht.
• Die Energiefilter, und ganz besonders die Entstörungsfilter, sind Tiefpaßfilter, die zum Schutz gegen funkelektrische Störungen der Anlagenteile benutzt werden, die sich im Inneren oder an der Außenseite von Faradaykäfigen befinden. Die Filter werden insbesondere im Bereich der Einführungen Speisekabel in den Käfig installiert, die beispielsweise vom Stromversorgungsnetz her kommen (öffentlich oder nicht) und die benötigt werden, um beispielsweise Anlageteile zu betreiben, die sich im Inneren des Käfigs befinden (diese Einspeisungen werden Energienetze genannt). Diese Einführungen könnnen nämlich elektromagnetische Leckstreuungen nach außen erleichtern. Diese Streuungen können unter anderem zwei wichtige Konsequenzen haben:
• - Beschädigung der Betriebsteile außerhalb des Käfigs,
• - Auslösen von Geheiminformationsverlusten in Form von funkelektrischen Signalen, die durch feindliche Antennen aufgefangen werden können (diese Konsequenz ist insbesondere im Militärbereich schädlich). Um Lecks dieser Art zu vermeiden, verwendet man elektrische Entstörungsfilter.
• Die Entstörungsfilter sind also von grundlegender Bedeutung für die Wirksamkeit des Faradaykäfigs, und sie müssen deswegen diejenigen Signale schwächen, deren Frequenz außerhalb ihres Durchlaßbereichs liegt. In dem Maße, wie die Leistungsfähigkeit der Abschirmung des Käfigs überprüft werden muß, ist es auch erforderlich, die Leistungsfähigkeit eines Entstörungsfilters zu überprüfen. Dies erlaubt es, festzustellen, ob das Filter im Betrieb seine Funktion einwandfrei erfüllt, d.h. ob die Dämpfung der Ausgangsspannung des Filters im Vergleich zur Eingangsspannung außerhalb seines Durchlaßbereichs genügend stark ist, um Lecks aller Art zu vermeiden.
• Diese Bewertung des Leistungsvermögens ist umso wichtiger, als die Komponenten der Filter (Induktivitäten, Kondensatoren, ...) nicht sehr alt werden, sich im Laufe der Zeit verändern und dann den durch das Filter bewirkten Schutz und somit den Käfig selber in seiner Wirkung beeinträchtigen können.
• Die Bewertung des Leistungsvermögens dieser Filter wird daher in herkömmlicher Weise bei den Wartungsinspektionen durchgeführt, die regelmäßig jedes Jahr oder alle zwei Jahre oder aber bei Erfassung einer Störung durchgeführt werden. Hierzu ist es erforderlich, das Filter vom Energienetz abzuklemmen und an seinen Eingang einen Generator und am Ausgang einen Empfänger anzuschließen. Man schließt also äußere Sendeund Empfangsmittel an. Anschließend wird die Überprüfung durch Messung der Filterkennlinie für das gesamte Frequenzband durchgeführt, d.h. durch Ermittlung seiner Transferfunktion.
• Diese herkömmlichen Verfahren sind umständlich und lang. Während der gesamten Dauer der Überprüfung werden die im Inneren des Käfigs befindlichen Anlagenteile nicht mehr mit Elektrizität versorgt, d.h. man muß die Anlagen abschalten. Andererseits sind die Testmittel platzraubend und nicht bequem zu installieren.
• Weiter müssen zur Ermittlung der Frequenzkennlinie des Filters Messungen mit verschiedenen Frequenzen durchgeführt werden, was umso lästiger ist, als die Messung für jedes der auf dem Gehäuse vorhandene Filter wiederholt werden muß.
• Wenn man das Überprüfungsergebnis im Inneren des Käfigs anzeigen will, um es dem Benutzer mitzuteilen, muß man außerdem die Information durch ein elektrisches Kabel übertragen, das den Käfig durchquert. Nun stellt aber dieses Kabel eine zusätzliche Leckquelle dar, die ebenfalls die Verwendung eines Filters erfordert. In der Praxis überträgt man daher niemals das Ergebnis der Messung an den Benutzer, der sich im Inneren des Käfigs befindet.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht also in der Schaffung eines Systems zur Bewertung des Leistungsvermögens eines Filters, das es ermöglicht, die Transferfunktion des Filters einfach und schnell zu messen, ohne das elektrische Netz dauernd oder auf Anweisung eines Benutzers abtrennen zu müssen.
• Hierzu betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines elektrischen Filters, das im Bereich einer Wand eines als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäuses auf einem elektrischen Versorgungsnetz installiert ist, das die Wand durchquert,
• - mit Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Impulses an den Eingang des Filters,
• - mit Mitteln zum Empfangen und Verarbeiten des elektrischen Antwortsignals auf diesen Impuls am Ausgang des Filters,
• - und mit Mitteln zum Anzeigen des nach der Verarbeitung des Signals erhaltenen Ergebnisses,
• dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Eingangsimpuls an das elektrische Netz gekoppelt und vom elektrischen Netz durch das Filter übertragen wird, wobei die Antwort am Ausgang des Filters durch Entkopplung erhalten wird.
• Gemäß einem wichtigen Merkmal wird die an das Energienetz gekoppelte Antwort vom Netz mit Hilfe eines Filters entkoppelt, dessen Durchlaßbereich so beschaffen ist, daß die Antwort eine Frequenz aufweist, die zu diesem Durchlaßbereich gehört, während die Frequenz des Netzes nicht zu diesem Durchlaßbereich gehört.
• Weiter können die Mittel zum Anlegen eines Impulses durch ein optisches Signal gesteuert werden, das einen elektrischen Impulsgenerator auslöst. In diesem Fall wird das optische Signal über ein Lichtfaserkabel an Mittel zum Empfang dieses optischen Signals und zum Umwandeln dieses optischen Signals in ein elektrische Signal übertragen, das das Auslösen des Impulsgenerators ermöglicht.
• Vorteilhafterweise wird der elektrische Eingangsimpuls in das Energienetz durch ein Kopplungsmittel eingekoppelt, wie etwa einem Richtkoppler, einem Stromsensor und einer aktiven Kapazität.
• Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal weisen die Empfangs- und Verarbeitungsmittel auf:
• - Mittel zur elektronischen Selektion der Antwort, um nur die charakteristischen Werte, Anstiegsdauer, maximale Amplitude und Pseudofrequenz dieser Antwort zu speichern,
• - Mittel zur A/D-Umwandlung der so erhaltenen charakteristischen Werte,
• - Mittel zum Vergleichen dieser erhaltenen charakteristischen Werte mit einem zuvor erstellten Schwellenwert.
• Befindet sich der Benutzer des Systems im Inneren des als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäuses, während die Empfangsund Verarbeitungsmittel außerhalb des Gehäuses und die Anzeigemittel innerhalb desselben liegen, dann sind diese Mittel vorzugsweise untereinander durch ein Lichtfaserkabel verbunden, wobei dann das nach der Verarbeitung der Antwort erhaltene Ergebnis in ein optisches Signal umgewandelt wird, um durch dieses Kabel transportiert zu werden.
• Wenn das nach der Verarbeitung erhaltene Ergebnis einen vorher erstellten Schwellenwert überschreitet, löst dieses Ergebnis in dem Anzeigemittel ein Warnsignal aus, beispielsweise einen optischen oder einen akustischen Alarm.
• Es ist möglich, einen nach Dauer und Amplitude kalibrierten Impuls zu verwenden.
• Schließlich können sich die Mittel zum Anlegen eines Impulses im Inneren des Gehäuses und die Empfangs- und Verarbeitungsmittel außerhalb des Gehäuses befinden.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung einer Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung behandelt.
• Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems gemäß der Erfindung.
• Die Figuren 2 und 3 stellen die Kurven dar, die jeweils dem Eingangsimpuls bzw. der Antwort auf diesen Eingangsimpuls entsprechen.
• Gemäß Figur 1 enthält das System 1 gemäß der Erfindung zwei Untersysteme 2 und 3, nämlich das Sende-Untersystem 2 und das Empfangs-Untersystem 3, ein Entstörungsenergiefilter 4, das die Wand eines Faradaykäfigs 5 im Bereich eines Energienetzes 6 durchquert, und eine Vorrichtung 7 zum Steuern der Messung und zum Anzeigen des Untersuchungsergebnisses, die im Käfig 5 angeordnet ist.
• Das Untersystem 2, das sich im Käfig 5 befindet, wird durch die Vorrichtung 7 gesteuert, mit der der Benutzer, der das Filter 4 zu überprüfen wünscht, mit Hilfe eines Betätigungsknopfes (nicht dargestellt) bei Bedarf einen Bewertungstest der Leistungsfähigkeit des Filters 4 auslösen kann. Die Vorrichtung 7 ist durch ein Lichtfaserkabel 21 an einen optischen Empfänger 22 angeschlossen, der eine Fotodiode aufweist. Bei Empfang des optischen Steuersignals wandelt der Empfänger 22 das Signal in ein äquivalentes elektrisches Signal um, das eine logische Steuerschaltung 23 umschaltet, die wiederum einen elektrischen Impulsgenerator 24 auslöst.
• Der Impulsgenerator 24 liefert periodisch einen Impuls Ve, dessen Form durch die Kurve 40 in Figur 2 wiedergegeben wird. Die Merkmale dieses Impulses werden weiter unten im einzelnen mitgeteilt, und es werden dann auch die Gründe für ihre Wahl erläutert. Mit einem Richtkoppler 25 werden die vom Generator 24 ausgegebenen Impulse an das Energienetz 6 angekoppelt und gelangen an den Eingang E des Filters 4. Das Energienetz 6 versorgt sowohl die Anlagenteile im Inneren des Käfigs 5 als auch die verschiedenen elektrischen Schaltungen, die das System 1 bilden.
• Die Impulse Ve, die vom Generator 24 geliefert und an das Energienetz 6 angekoppelt werden und sich zur Speisespannung U hinzuaddieren, können aber Versorgungsüberspannungen verursachen, die für die zu speisenden Schaltungen schädlich sind. Um dies zu verhindern, filtert man die eingekoppelte Spannung durch ein Tiefpaßfilter 26, das sich im Energienetz 6 vor dem Versorgungssystem 27 der Schaltungen befindet. Das Filter 26 eliminiert die Spannung Ve und behält die Speisespannung U bei (die je nach Land eine Frequenz von 50, 60 oder 400 Hz aufweist).
• Am Ausgang S des Filters 4 erhält man ein Signal, das die Summe der Ausgangsspannung Vs (siehe Figur 41 in Figur 3) entsprechend der durch das Filter 4 gedämpften Spannung Ve und der praktisch nicht gedämpften Speisespannung U darstellt (das Filter 4 ist ein Tiefpaßfilter). Um das Ausgangssignal Vs zu verarbeiten und zu analysieren, durchläuft das vom Filter 4 ausgegebene Signal ein Hochpaßfilter 31, das dazu bestimmt ist, die Speisespannung U zu eliminieren und die Spannung Vs von der Spannung U zu trennen.
• Weiter verfügt das Empfangs-Untersystem 3, das sich außerhalb des Käfigs 5 befindet, noch über ein Tiefpaßfilter 32, das die gleiche Funktion wie das Tiefpaßfilter 26 hat. Es ermöglicht nämlich, die Ausgangsspannung Vs auszuscheiden und an die verschiedenen Schaltungen nur die für deren Versorgung 33 benötigte Spannung U zu liefern.
• In einer elektronischen Formgebungsvorrichtung 34 erfährt das Signal Vs eine elektronische Selektierung, die es ermöglicht, der Kurve 41 die Werte der Hauptmerkmale von Vs zu entnehmen (es wird später angegeben, welches diese Merkmale sind). Diese Werte werden anschließend durch einen A/D-Umwand-1er 35 in Zahlenwerte umgewandelt. Die erhaltenen Werte werden in einem Komparator 36 mit vorher festgelegten Toleranzschwellenwerten 37 verglichen, und das am Ausgang des Komparators 36 erhaltene elektrische Signal wird durch einen Wandler 38A in ein optisches Signal umgewandelt und dann durch einen optischen Übertrager 38 und ein Lichtfaserkabel 39 durch den Faradaykäfig 5 hindurch an die Vorrichtung 7 übertragen.
• Wenn die charakteristischen Werte die Toleranzschwellenwerte überschreiten, löst das durch das Kabel 39 übertragene optische Signal bei der Vorrichtung 7 ein sichtbares oder hörbares Signal aus, das beispielsweise dem Benutzer anzeigt, daß das Filter gestört ist.
• Das System gemäß der Erfindung benutzt also das Energienetz, um den Eingangstestimpuls und die am Ausgang des Filters 4 erhaltene entsprechende Antwort zu transportieren. Aufgrund der mit Hilfe des Hochpaßfilters und des Tiefpaßfilters durchgeführten passenden Filterung stören die vom Generator 24 ausgegebenen Impulse die Versorgung der Stromkreise des Systems nicht, und das entsprechende Ausgangssignal wird von der Speisespannung abgekoppelt. Auf diese Weise kann die Bewertung des Leistungsverhaltens des Filters durchgeführt werden, ohne das Energienetz abzutrennen, was es dem System gemäß der Erfindung weiter ermöglicht, ständig an das zu überprüfende Filter 4 angeschlossen zu bleiben.
• Außerdem benutzt man vom Generator 24 ausgegebene Impulse Ve (siehe Kurve 40 in Figur 2), die in Bezug auf die Dauer (Anstiegdauer in der Größenordnung von 1 Nanosekunde) und die Amplitude (maximale Amplitude von ungefähr 400 V) kalibriert sind, um ein Ausgangssignal Vs zu erhalten (siehe Kurve 41 in Figur 3), das durch seine Anstiegsdauer (Dauer, an deren Ende die maximale Amplitude erreicht wird), seine maximale Amplitude und seine Schwingungs-Pseudofrequenzen gekennzeichnet ist. Dann kann man anhand der Eigenschaften der Fouriertransformierten die charakteristischen Werte ermitteln, die mit den Koeffizienten der Transferfunktion des Filters verknüpft sind, die ihrerseits von den Parametern des Filters abhängig sind, d.h. von den Werten der Induktivitäten und Kapazitäten, die das Filter bilden.
• Man kann also durch Berechnen der charakteristischen Werte der Ausgangs spannung bei der elektronischen Formgebung und durch Vergleichen dieser Werte im Komparator 36 mit tolerierten Grenzwerten feststellen, ob sich die das Filter bildenden Elemente verschlechtert haben oder nicht.
• Infolgedessen ist es aufgrund der durchgeführten Verarbeitung des Signals nicht nötig, die Frequenzkennlinie des Filters zur Feststellung seines Zustands zu ermitteln. Daher kann auf Messungen des Filters für eine beträchtliche Anzahl von Frequenzen verzichtet werden, die zu seinem Durchlaßbereich gehören, und die Bewertung des Leistungsvermögens erfolgt also relativ schnell. Das Ergebnis wird nach der Aussendung eines Impulses durch den Generator in einigen Sekunden erhalten.
• Schließlich verhindert die Übertragung der Endinformation an den Benutzer mit Hilfe von Lichtleitfasern eine Störung der elektromagnetischen Dichtheit des Faradaykäfigs.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebene Ausführungsform beschränkt.
• Zunächst einmal kann das System gemäß der Erfindung auf jedes elektrische Filter angewandt werden, das auf einem Faradaykäfig oder auf einem als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäuse benutzt wird. Beispielsweise kann das System zur Durchführung der dauernden oder zyklischen Überprüfung von Filtern des Typs EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) oder von Hilfsfiltern benutzt werden, die auf den Zusatznetzen der Faradaykäfige installiert sind (Feuererkennung, Alarm, Stromausfall, verschiedene Signalisationen, Telefon, Hausruf, ...).
• Wenn andererseits das im Sende-Untersystem benutzte Kopplungsmittel eine genügende Richtwirkung besitzt, ist es nicht nötig, in diesem Untersystem ein Tiefpaßfilter zu verwenden. Der vom Generator ausgegebene Impuls wird dann nämlich durch das Filter an das Netz angelegt und stört nicht die Versorgung der Schaltungen. In der Praxis ist es allerdings vorzuziehen, das Tiefpaßfilter mit einem Richtkoppler, einem Stromsensor oder einer aktiven Kapazität zu benutzen.
• Darüber hinaus hängen die Form und die Charakteristika des Impulses von dem zu überprüfenden Filter ab und sind in keiner Weise auf das obengenannte Beispiel beschränkt.
• Weiter ist es möglich, alle Filter ein und derselben Vorrichtung durch Einspeisen einer Gleichtaktspannung zu überprüfen und daraus das Ausgangssignal ebenfalls im Gleichtakt abzuleiten. Man erhält dann eine qualitativ globale Antwort, die eine Information über den allgemeinen Zustand der Schaltungen liefert. Falls die globale Antwort das Bestehen einer Verschlechterung anzeigt, muß anschließend jedes Filter getrennt überprüft werden, um dasjenige oder diejenigen Filter zu ermitteln, die ein verschlechtertes Leistungsverhalten aufweisen.
• Das System gemäß der Erfindung kann auch eine Anzeige der Spannung Vs und ihrer charakteristischen Werte ergeben. Dadurch wird dann durch das System gemäß der Erfindung eine Merkmalsaufstellung des Filters geliefert.
• Schließlich kann die Versorgung des Systems gemäß der Erfindung entweder mit eingeprägtem Strom oder mit eingeprägter Spannung durchgeführt werden.

Claims (10)

1. System zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines elektrischen Filters (4), das im Bereich einer Wand eines als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäuses (5) auf einem elektrischen Stromversorgungsnetz (6) installiert ist, das die Wand durchquert,

- mit Mitteln (2) zum Anlegen eines elektrischen Impulses an den Eingang (E) des Filters (4),

- mit Mitteln (3) zum Empfangen und Verarbeiten des elektrischen Antwortsignals auf diesen Impuls am Ausgang (S) des Filters,

- und mit Mitteln (7) zum Anzeigen des nach der Verarbeitung des Signals erhaltenen Ergebnisses, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Eingangsimpuls an das elektrische Netz (6) gekoppelt und vom elektrischen Netz (6) durch das Filter (4) übertragen wird, wobei die Antwort am Ausgang (5) des Filters (4) durch Entkopplung erhalten wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Energienetz (6) gekoppelte Antwort vom Netz (6) mit Hilfe eines Filters (31) entkoppelt wird, dessen Durchlaßbereich so beschaffen ist, daß die Antwort eine Frequenz aufweist, die zum Durchlaßbereich gehört, während die Frequenz des Netzes (6) nicht zu diesem Durchlaßbereich gehört.

3. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2) zum Anlegen eines Impulses durch ein optisches Signal gesteuert werden, das einen elektrischen Impulsgenerator (24) auslöst.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal über ein Lichtfaserkabel (21) an Mittel (22) zum Empfang dieses optischen Signals und zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrische Signal übertragen wird, das das Auslösen des lmpulsgenerators (24) ermöglicht.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Eingangsimpuls in das Energienetz (6) durch ein Kopplungsmittel (25) eingekoppelt wird, das unter einem Richtkoppler, einem Stromsensor und einer aktiven Kapazität gewählt ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Verarbeitungsmittel (3) aufweisen

- Mittel (34) zur elektronischen Selektion der Antwort, um nur die charakteristischen Werte, Anstiegsdauer, maximale Amplitude und Pseudofrequenz dieser Antwort zu speichern,

- Mittel (35) zur A/D-Umwandlung der so erhaltenen charakteristischen Werte,

- Mittel (36) zum Vergleichen dieser erhaltenen charakteristischen Werte mit einem zuvor erstellten Schwellenwert (37).

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich der Benutzer des Systems (1) im Inneren des als Faradaykäfig ausgebildeten Gehäuses (5) befindet, während die Empfangs- und Verarbeitungsmittel (3) außerhalb des Gehäuses und die Anzeigemittel (7) innerhalb desselben liegen, diese Mittel vorzugsweise untereinander durch ein Lichtfaserkabel (39) verbunden sind, wobei dann das nach der Verarbeitung der Antwort erhaltene Ergebnis in ein optisches Signal umgewandelt wird, um durch dieses Kabel (39) transportiert zu werden.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das nach der Verarbeitung erhaltene Ergebnis einen vorher erstellten Schwellenwert (37) überschreitet, das Ergebnis in den Anzeigemitteln (7) ein optisches oder akustisches Warnsignal auslöst.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls nach Dauer und Amplitude kalibriert ist.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mittel (22) zum Anlegen eines Impulses im Inneren des Gehäuses (5) befinden, und daß sich die Empfangs- und Verarbeitungsmittel (3) außerhalb des Gehäuses (5) befinden.