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Technischer
Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Isolationssysteme zum Verbinden eines elektronischen Mess-
und Anzeigegerätes
mit einem zu prüfenden
Gerät zur
Durchführung
zufriedenstellender elektrischer Messungen, während das zu prüfende Gerät elektrischen
Störungen
hoher Leistung wie z. B. elektromagnetischer Interferenz und/oder
elektrostatischer Entladung ausgesetzt wird. Die vorliegende Erfindung
betrifft insbesondere ein elektro-optisches Isolationssystem, das
akkurate Messungen von Signalen innerhalb eines breiten Frequenzbereiches
durchführt
und ein Handgerätedesign
hat, bei dem die Sendereinheit in der Messsonde integriert ist,
um die Unterdrückung
hoher Gleichtaktsignale zu erhöhen
und gleichzeitig unerwünschte
Eigenkapazität
zu reduzieren.
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Technischer
Hintergrund
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Es wurde eine Reihe verschiedener
Isolationssysteme zur Erzeugung einer Trennung zwischen einer Prüfsonde und
anderen Prüfgeräten entwickelt, um
elektrische Störungen
zu eliminieren, die dazu neigen, die Genauigkeit der Prüfmessung
zu beeinträchtigen.
Einige dieser bekannten Isolationssysteme trennen die Prüfsonde optisch
vom Messinstrument, indem sie das Eingangssignal über ein
faseroptisches Medium zu einem Empfänger senden. Es ist natürlich Aufgabe
dieser Geräte,
die Passage von elektrischen Signalen von der Sendereinheit zur Empfängereinheit
zu verhindern, wenn diese nicht Teil des Eingangssignals von dem
zu prüfenden
Gerät sind,
das mit der Prüfsonde
erfasst wird.
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Ein solches Beispiel ist das "Fiber Optic Isolation
System", das von
Tektronix, Inc. mit der Teilenummer A6905S hergestellt wird.
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Dieses Gerät, von dem behauptet wird,
dass es das Isolationssystem mit der höchsten verfügbaren Leistung ist, hat eine
Frequenzbandbreite, die auf 100 MHz begrenzt ist, und eine maximale
Arbeitsspannung von 850 Volt. Demzufolge ist die Verwendung dieses
Gerätes
zur Durchführung
zufriedenstellender elektrischer Messungen, während das Gerät elektrischen
Störungen
hoher Leistung wie z. B. hohen Spannungsspitzen oder -transienten,
elektromagnetischer Interferenz und/oder elektrostatischer Entladung
erfährt,
ineffektiv.
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Das obige Gerät umfasst zwar eine unabhängige Batteriequelle
zum Speisen des Senders, um einen galvanischen Erdschluss zu verhüten, aber die
Trennung zwischen Prüfsonde
und Sendereinheit sowie der relativ große Oberflächenbereich des Sendergehäuses erzeugen
wiederum unerwünschte Gleichtaktmasseschleifen,
erhöhen
die kapazitive Belastung des zu prüfenden Gerätes und erhöhen die elektromagnetische
Strahlungsempfindlichkeit des Messgerätes, was zu ungenauen und häufig unzuverlässigen Messungen
führt.
Diese unerwünschten
Effekte in Verbindung mit dem Fehlen einer notwendigen Abschirmung
schließen
seinen Einsatz in Hochleistungsnachweisprüfungen aus.
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Ein weiteres Gerät, Patent Nr. 5,181,026 von Granville,
offenbart ein Messsystem zur Überwachung
verschiedener Parameter einer Hochspannungsübertragungsleitung. Die erfassten
Daten werden mit Leuchtdioden in moduliertes Licht umgewandelt und über ein
faseroptisches Kabel zu einem Empfänger auf Massebasis übertragen.
Das Granville-Gerät
ist jedoch für
einen festen seriellen Anschluss an eine Hochspannungsleitung vorgesehen und
ist somit nicht tragbar und eignet sich auch nicht für Nachweisprüfungen an
Tischgeräten,
wo mehrere Messungen durchgeführt
werden.
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Ferner ist der Frequenzgang auf 60
Hz Wechselstrom festgelegt, obwohl Hochspannungsmessungen vorgesehen
sind.
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Es gibt Geräte im Stand der Technik, die
die oben beschriebenen Konzepte nutzen, mit denen aber keine zufriedenstellenden
elektrischen Messungen durchgeführt
werden können,
während
das Gerät
elektrischen Störungen
hoher Leistung ausgesetzt wird. Derzeitige Methoden arbeiten mit
dem "Experimentier"-Ansatz, indem sie
die Störungen
erzeugen und Hypothesen über
die resultierenden Auswirkungen aufstellen, ohne direkte Beobachtungen zu
machen.
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Die US5311116 von Rogers beschreibt
eine elektromagnetisch transparente Mehrkanal-Spannungsprüfsonde und ein Übertragungsverbindungssystem,
wobei verschiedene Teile eines zu prüfenden Gerätes mit den verschiedenen Kanälen des Systems
verbunden werden können.
Jeder Kanal hat zwei Spannungsprüfsonden,
einen Optiksignalsender, eine Optiksignal-Übertragungsleitung und einen Empfänger, der
sich entfernt von der Stelle befindet, an der die elektromagnetischen
Störungen
auftreten. Ein elektromagnetisch transparenter Dämpfer kann ebenfalls in jedem
Kanal eingesetzt werden. Da mehrere Kanäle vorhanden sind, kann zwischen
digitalen und analogen Kanälen
ausgewählt
werden, da die Ersteren zum Übertragen
von Frequenzen über
5 MHz und die Letzteren für
Frequenzen unter 5 MHz nützlich
sind.
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Keines der Dokumente der Geräte des Standes
der Technik lehrt ein Isolationssystem, das ein Frequenzband von
DC bis 1 GHz hat und mit dem Signalparameter wie Strom und Spannung
in analoger oder digitaler Wellenform beobachtet werden können, während die
Schaltung einer Hochleistungsnachweisprüfung unterzogen wird. Es sind
keine Geräte
bekannt, die eine elektromagnetische Störfestigkeit hätten, um
Signale mit nutzbarer Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu überwachen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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1) Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist daher die Hauptaufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Isolationssystem zum Verbinden eines
elektronischen Mess- und/oder Anzeigegerätes mit einem zu prüfenden Gerät bereitzustellen,
um zufriedenstellende elektrische Messungen durchzuführen, während das
zu prüfende
Gerät elektrische Störungen hoher
Leistung wie z. B. Hochspannungsspitzen oder -transienten, elektromagnetische
Interferenz und/oder elektrostatische Entladung erfährt.
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Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung,
ein Breitbandisolationssystem bereitzustellen, mit dem genaue Eingangssignalmessungen
innerhalb eines breiten Frequenzbereiches von 0 bis 1 GHz durchgeführt werden
können.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Sendereinheit bereitzustellen, die so in die Prüfsonde integriert
ist, dass sie elektromagnetische Strahlung reduziert.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Isolationssystem mit einer Sendereinheit bereitzustellen, die
auf einem relativ minimalen Oberflächenbereich gepackt ist, um
die kapazitive Belastung des zu prüfenden Gerätes zu reduzieren.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine gut tragbare Handsendereinheit bereitzustellen, die sich leicht
zwischen Prüfknoten
des zu prüfenden
Gerätes
bewegen lässt
und die Flexibilität
in schwer zugängigen
Bereichen und Prüforten bietet,
die sich ortsfern von der Empfängereinheit
befinden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine unnötige
Fehlersuche in Verbindung mit Produktnachweisprüfungen zu reduzieren, um so die
Effizienz und die daraus resultierende effektive Verwendung von
Engineering-Ressourcen zu erhöhen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Mehrschichtabschirmung der Sendereinheit bereitzustellen, um
Gleichtaktunterdrückung
und Strahlungsimmunität
bei der Prüfung
zu verbessern.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein faseroptisches Isolationssystem bereitzustellen, das Signalverluste
bei der Übertragung des
Signals durch ein faseroptisches Medium minimiert.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine unabhängige
und isolierte Stromquelle für
die Sendereinheit bereitzustellen, um Gleichtaktmasseschleifen zu reduzieren.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Hochgeschwindigkeitsschaltung zur Eigenkalibrierung der Sendereinheit
zu integrieren, um kontinuierliche genaue Messungen und die Austauschbarkeit
zwischen elektrooptischen Konvertergeräten mit verschiedenen Charakteristiken
zu ermöglichen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Isolationssystem bereitzustellen, das mit Hilfe eines Tischaufbaus
das gemeinsame Erdungssystem der elektronischen Instrumente und
der Prüfgeräte abgleicht,
um kritische Hochfrequenztransientenmessungen durchzuführen.
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Diese und andere Aufgaben werden
gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass ein Isolationsprüfsender
zum Durchführen
zufriedenstellender Signalmessungen über einen großen Bereich
von Eingangssignalfrequenzen bereitgestellt wird, wobei der genannte
Sender Folgendes umfasst: einen Sensor für die Kommunikation mit einem
gewählten
Punkt an einem zu prüfenden
Gerät und
zum Empfangen eines Eingangssignals an dem genannten gewählten Punkt,
einen Dämpfer,
der mit dem genannten Sensor verbunden ist, um das genannte Eingangssignal zu
empfangen und die Größe eines
Parameters des genannten Signals um einen vorbestimmten Betrag zu
reduzieren, einen Verstärker,
der mit dem genannten Dämpfer
verbunden ist, um das genannte, in einem Frequenzbereich zwischen
0 Hz und 1 GHz anliegende gedämpfte
Signal zu verstärken,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sender ferner einen elektrooptischen
Laserdiodenkonverter umfasst, dessen optischer Ausgang durch den
genannten Verstärker moduliert
wird, der das genannte verstärkte
Signal in ein moduliertes optisches Signal konvertiert, und einen
Treibercontroller, der den Pegel des genannten optischen Signalausgangs
durch den genannten optoelektrischen Konverter automatisch auf einen
vorbestimmten Wert regelt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird ein Isolationsprüfsystem
zum Durchführen
von zufriedenstellenden Signalmessungen an einem zu prüfenden Gerät bereitgestellt,
während
das genannte Gerät
einen großen
Bereich von elektrischen Hochleistungsstörungen (14) erfährt, wobei
das genannte Prüfsystem
Folgendes umfasst: einen Handsender wie oben erwähnt zum Empfangen eines elektrischen
Signals von dem genannten Gerät
und zum Konvertieren des genannten Signals in ein optisches Signal,
ein faseroptisches Übertragungssystem,
das mit dem genannten Sender verbunden ist, um das genannte optische
Signal zu empfangen und es zu einem Empfangsende zu führen, und
einen Empfänger,
umfassend einen Optisch-in-elektrisch-Konverter zum Empfangen des
genannten geleiteten Signals von dem genannten Empfangsende der
genannten optischen Faser und zum Konvertieren des genannten optischen
Signals in ein elektrisches Signal.
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Die Sendereinheit hat vorzugsweise
eine integrierte Prüfsonde,
die auf ein zu prüfendes
Gerät angewendet
wird, um ein zu analysierendes elektrisches Signal zu empfangen.
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Sender- und Empfängereinheit werden vorzugsweise
während
des Betriebs des Systems unabhängig
durch jeweilige Batterien gespeist, um elektrische Masseschleifen
in dem zu prüfenden
Gerät und in
anderen Schaltkreisen des Isolationssystems zu vermeiden.
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Der Eingangsschaltkomplex der Sendereinheit
beinhaltet Überspannungsschutz,
wählbare Spannungsbereiche
und wählbare
Eingangsimpedanzen. Unter der Steuerung eines Mikroprozessors wird
der Pegel des Ausgangssignals von der Sendereinheit durch das von
der Prüfsonde
empfangene Signal moduliert. Ein Breitbandfrequenzgang zwischen 0
Hz und 1 GHz wird durch die Verwendung einer Verstärkerschaltung
bereitgestellt. Der Mikroprozessor in der Sendereinheit tastet den
Pegel des von dem optischen Konverter in der Transmittereinheit emittierten
optischen Signals automatisch und periodisch ab und kalibriert die
Treiberschaltung weiter, um die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten.
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Das modulierte optische Signal, das
vom elektrooptischen Konverter der Sendereinheit emittiert wird,
wird von einer optischen Faser zur Empfängereinheit geleitet. Der Empfänger enthält ein Gerät zum Konvertieren
der empfangenen optischen Energie zurück in elektrische Energie.
Dieses elektrische Signal wird dann verstärkt und zur externen Prüfmessausrüstung gesendet.
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Weitere Einzelheiten über das
Isolationssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor,
die in Verbindung mit den folgenden Illustrationen zu lesen ist.
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2) Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Gesamtansicht der vorliegenden Erfindung in
einer typischen Prüfumgebung;
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2 ist
eine Perspektivansicht der Sendereinheit der vorliegenden Erfindung,
wobei ein Teil der Abschirmung für
Illustrationszwecke weggeschnitten ist;
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3 ist
ein Schaltungsblockdiagramm des Schaltkomplexes der Sendereinheit;
und
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4 ist
eine perspektivische Ansicht von Instrumentierung und Ausrüstung des
Empfängersystems
an einem Arbeitsplatzaufbau, um den Fluss von Störströmen bei Vorliegen elektromagnetischer Störungen und
einen ordnungsgemäßen Aufbau
zum Ausgleichen des Erdungssystems zur Durchführung kritischer Hochfrequenztransientenmessungen
zu illustrieren.
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3) Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung
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Zunächst bezugnehmend auf 1, dort ist ein Isolationsprüfsystem 10 der
vorliegenden Erfindung in einer typischen Prüfumgebung dargestellt. Wie
gezeigt, ist das Isolationsprüfsystem 10 so
aufgebaut, dass genaue Signalmessungen an einem zu prüfenden Gerät 12 durchgeführt werden
können, während dieses
einem großen
Bereich elektrischer Störungen
unterzogen wird, die entweder auf natürliche Weise in der Prüfumgebung
vorhanden sind oder die infolge der Prüfung künstlich erzeugt werden, einschließlich, aber nicht
begrenzt auf, elektrostatische Entladung 14 und elektromagnetische
Strahlung 16.
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Das Isolationsprüfsystem 10 arbeitet
mit einer Sendereinheit 18 zum Empfangen eines elektrischen
Signals von dem zu prüfenden
Gerät 12 und zum
Konvertieren des elektrischen Signals in ein optisches Signal für die Weitersendung
zu einer Empfängereinheit 22.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist das Übertragungsmedium ein faseroptisches
Kabel 20a, das aus einer Reihe verschiedener Typen und
Kennwerten ausgewählt
wurde. So kann das faseroptische Kabel 20a beispielsweise
für Arbeitsplatz- oder Tischanwendungen
relativ kurz sein, oder es kann für abgesetzte Fernanwendungen
relativ lang sein.
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Je nach der jeweiligen Prüfanwendung
kann das faseroptische Kabel 20a ein Einmodenkabel sein und
kann eine Länge
von mehr als einer Meile haben. Die Verwendung einer Einmodenfaser
hat den klaren Vorteil, dass Signalverluste minimal gehalten werden,
die infolge von Vibrationen bei der Nachweisprüfung des Produktes entstehen.
Spezifischer ausgedrückt,
der Lichtwellenleiter einer Einmodenfaser akzeptiert nur den mittleren
Strahl als Übertragungspfad
und vermeidet somit Pfade, die sich am Rand der Faser befinden.
Wenn also das faseroptische Kabel gebogen wird oder sich infolge
des Prüfablaufs bewegt,
dann werden Signalverluste minimal gehalten.
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Die Sendereinheit 18 enthält eine
integrierte Prüfsonde 24,
die in Bezug auf das zu prüfende
Gerät 12 mittels
eines verstellbaren Senderstativs 26 positioniert werden
kann. So kann die inhärente
Eigenkapazität
reduziert werden, während
die Wiederholbarkeit der Prüfmessungen
gewährleistet
wird. Der Sender 18 kann mit einem Stativverbinder 30 am Stativ 26 befestigt
werden.
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Die Empfängereinheit 22 kann
Mehrkanalkapazität
haben, wobei jeder Kanal über
zwei separate faseroptische Kabel 20a, b mit der
Sendereinheit 18 in Verbindung ist. Wie oben erwähnt, transportiert
ein faseroptisches Kabel 20a das optische Signal zur Empfängereinheit 22 zur
Weitersendung zu einem elektronischen Messgerät 32. Das andere faseroptische
Kabel 20b ist vorzugsweise mehrdirektional und überträgt Steuerdaten
zu und von dem Sender 18.
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Die Empfängereinheit 22 ist
mit einer Schalttafel 34 ausgestattet, über die der Prüftechniker
verschiedene Parameter des Senders 18 von einem fernen
Ort aus einstellen oder regeln und gleichzeitig wichtige Informationen über das
Verhalten der Schaltung ablesen kann, die sonst nicht zur Verfügung stünden.
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Jeder Kanal der Empfängereinheit 22 ist über ein
geschirmtes Kabel 38 mit dem elektronischen Messgerät 32 in
Verbindung. Das Display 40 des elektronischen Messgerätes 32 zeigt,
nur zur Illustration, eine digitale Signalmessung 42 des
zu prüfenden
Gerätes 12 vor,
während
und nach der an einem bestimmten Zeitpunkt 44 aufgetretenen
Störung.
Wie gezeigt, zeigt das Display 40, dass die Störung eine
Reihe von Rauschspitzen verursacht hat, aufgrund derer das zu prüfende Gerät 12 zwei
anormale Rechteckwellenimpulse 46 erzeugt hat. In der bevorzugten
Ausgestaltung ist das elektronische Messgerät 32 durch die Befestigung
des Gerätes 32 über eine
leitende Halterung 50 an einer Metallblechplatte 48 an
Erdungsmasse gebunden.
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In der bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung haben sowohl die Sendereinheit 18 als
auch die Empfängereinheit 22 separate
und unabhängige
Stromquellen zum Reduzieren von Gleichtaktmasseschleifen. Die Leistungsquelle
kann eine beliebige bekannte Batterievorrichtung oder ein isoliertes
Leistungsmodul sein, das Leistung über ein isoliertes faseroptisches
Kabel zu einem fernen Ort leitet. Ein bekanntes Gerät ist ein
fotovoltaischer Galliumarsenid-Konverter, der von Photonic Power
Systems, Inc. hergestellt wird.
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Das Folgende ist lediglich eine Anwendung der
vorliegenden Erfindung in einer typischen Prüfumgebung und soll den Umfang
der vorliegenden Erfindung nicht begrenzen. Während der Nachweisprüfung eines
zu prüfenden
Gerätes 12 wird
ein elektrostatisches Prüfgerät 52 oder
ein ähnliches
Gerät zum Erzeugen
einer elektrostatischen Entladung 14 zwischen der elektrostatischen
Prüfsonde 54 und
dem zu prüfenden
Gerät 12 verwendet.
Nach erfolgter Entladung 14 fließen elektrostatische Ströme 56 über das
zu prüfende
Gerät 12 und
erzeugen so Leistungsfehlfunktionen in der Schaltung. Zweck der
vorliegenden Erfindung ist es, dieses Schaltungsverhalten ohne Interferenzen
genau zu lesen.
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Die elektrostatischen Ströme 56 fließen durch
das zu prüfende
Gerät 12 in
die Montageschrauben und Ausschlusspole der gedruckten Schaltkarte,
um einen Pfad zurück
zu Masse zu finden. So entstehen Masserückleitungsströme 62, während der
Strom durch die Krokodilklemme 58 und weiter durch das
Flechtkabel 60 und zurück
zum elektrostatischen Prüfgerät 52 fließt. Dabei
geht ein Teil des Masserückleitungsstroms 62 in
die Stromleitung verloren, so dass ein Leckstrom 64 durch
das Stromkabel 66 des elektrostatischen Prüfgerätes entsteht.
Dieser Stromfluss, der als elektrostatischer Strom 56,
Masserückleitungsstrom 62 und
Leckstrom 64 definiert ist, verursacht elektromagnetische Strahlung 56,
die in die Prüfumgebung
ausstrahlt, wie durch die konzentrischen Kreise angedeutet ist,
die von den Strompfaden ausgehen.
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Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung
ist deren Einsatz bei Nachweisprüfungen von
Stromleitungsinterferenzen. Bei diesen Prüfungen werden Stromleitungsstörungen und
Hochspannungsspitzen sowie rasche Anstiegszeiten an die Eingangsstromquelle
des zu prüfenden
Gerätes 12 angelegt.
Dadurch entstehen wiederum Störungen und
Ströme
in der Schaltung, ähnlich
wie bei der oben erwähnten
elektrostatischen Entladungsprüfung.
Der Isolator 10 kann zum Prüfen des Schaltungsverhaltens
verwendet werden, während
solche Störungen
erzeugt werden.
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2 zeigt
die Sendereinheit 18 der vorliegenden Erfindung als zylindrischen
Körper 68 mit zwei
Endplatten 70a, b. Die Abmessungen des zylindrischen
Körpers 68 können variieren
und liegen vorzugsweise bei weniger als sechs Zoll Länge und
zwei Zoll Durchmesser. Je kleiner der äquivalente Oberflächenbereich
des zylindrischen Körpers 68 und
der Endplatten 70a, b, desto geringer die Eigenkapazität, die zwischen
Sendereinheit 18 und zu prüfendem Gerät 12 erzeugt wird.
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Wie gezeigt, beinhalten die Umfangswände des
zylindrischen Körpers 68 eine
Außenschicht 72 aus
vernickeltem Stahl mit einer relativen Dicke von 1/8 Zoll und einer
Innenschicht 74 aus Kupfer mit einer relativen Dicke von
20 mit. Eine mittlere Schicht 76 aus Mylarisolierung mit
einer relativen Dicke von 10 mil befindet sich zwischen der Außenschicht
und der Innenschicht. Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung
lediglich eine Ausgestaltung einer Mehrschichtabschirmung ist und
dass Abschirmungen mit einer Reihe verschiedener Dicken und Materialien
verwendet werden können,
die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
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Die Sendereinheit 18 enthält ein internes
zylindrisches Batteriegehäuse 78 zum
Speisen der intern montierten gedruckten Schaltkartenbaugruppen 80, 82.
Gemäß der Darstellung
ist ein Stöpsel 84 für den Zugang
zum Batteriegehäuse 78 vorgesehen.
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Die gedruckten Schaltkartenbaugruppen 80, 82 sind
auf eine solche Weise montiert, dass der kürzeste Abstand zwischen jeder
jeweiligen Baugruppe und der Innenschicht 74 im Wesentlichen
gleich ist. Demzufolge ist die Kapazität an jedem Punkt auf der Baugruppe
ausgeglichen. Zum Beispiel, bei einer Gleichtaktspannungsentladung
am zylindrischen Körper 68 fließen Ströme von einem
Ende zum anderen, da die Messsonde 24 geerdet werden kann. Während des
Stromflusses werden Spannungen am Gehäuse erzeugt, die mit den Schaltkartenbaugruppen 80, 82 gekoppelt
sein können,
da sie durch die Abschirmung nicht vollständig gedämpft werden. An irgendeinem
Punkt auf den Baugruppen 80, 82 sind Kapazitäten und
gekoppelte Spannungen gleich, was dazu führt, dass in den Schaltungen
kein Strom erzeugt wird.
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Ein elektrischer Verbinder 86 ist
an der vorderen Endplatte 70a montiert und kann mit der
Verstärkerbaugruppe 82 verbunden
werden. Der Verbinder 86 kann ein beliebiges in der Technik
bekanntes Gerät
sein, wie z. B. eine rechtwinklige Schottdurchführungs-Klinkenbuchse. Eine Sondenspitze 24 mit einer
Rückzugsdoppelabschirmung 88 kann
an dem Verbinder 86 befestigt werden, um die Strahlungskopplung
in die Sendereinheit 18 zu minimieren. Die Sondenspitze 24 kann
ein beliebiges Bauelement sein, das einen Schaltungsparameter wie
z. B. Temperatur, Strom, Spannung, Magnetfeld usw. erfassen kann.
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Die Controller-Baugruppe 80 beinhaltet
ein optisches Sender-/Empfängermodul
90, das durch die hintere Endplatte 70b verläuft. Das
Modul 90 kann ein beliebiges in der Technik bekanntes Bauelement
sein, wie z. B. eine Leucht- oder Laserdiode, mit der digitale Informationen,
einschließlich
Leistung, zwischen der Sendereinheit 18 und der Empfängereinheit 22 übertragen
werden können.
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Die Verstärkerbaugruppe 82 enthält ein elektrooptisches
Modul 92, das durch die hintere Endplatte 70b verläuft. In
der bevorzugten Ausgestaltung ist das elektrooptische Modul 92 eine
Laserdiode und Fotodiode mit Teilenummer GCA-337, hergestellt von GCA
Fiberoptics Ltd, aber es fällt
eine ganze Reihe von in der Technik bekannten Laserdiodenmodulen in
den Umfang der vorliegenden Erfindung. Das Modul 92 kann
zum Übertragen
von Informationen in analoger oder digitaler Form zur optischen
Faser 20a verwendet werden.
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3 zeigt
ein Schaltungsblockdiagramm der Senderschaltung 100 zum
Durchführen
zufriedenstellender Signalmessungen über einen großen Eingangssignalfrequenzbereich.
Die Senderschaltung 100 beinhaltet einen Eingangssensor 102 mit der
Aufgabe, ein elektrisches Eingangssignal an einem gewählten Punkt
an einem zu prüfenden
Gerät 12 zu
empfangen.
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Eine Überspannungsschutzschaltung 104 erster
Ebene ist mit dem Eingangssensor 102 gekoppelt und hat
die Aufgabe, Eingangssignale über
einen vorbestimmten Spannungspegel und mit einer vorbestimmten Dauer
nebenzuschließen,
so dass sie nicht durch die Senderschaltung 100 gehen.
Die Überspannungsschaltung 104 beinhaltet
eine Elektronenröhre 106,
die mit einer kurzzeitigen Überspannung oder
Spitzenspannung wie z. B. elektrostatische Entladung oder Stromleitungstransienten
kurzgeschlossen wird. Ein Parallelkondensator 108 und ein
Widerstand 110 sind zwischen der elektronischen Röhre
106 und
der Referenzschaltung geschaltet, um zu gewährleisten, dass der Schutz
für eine
gewählte Zeitdauer
vorhanden ist.
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Eine Überspannungsschutzschaltung 112 zweiter
Ebene besteht aus einem Schaltbauelement 114, wie z. B.
einem Relais, das als Schutzschaltung längerer Dauer wirkt. Das Schaltbauelement 114 wird aktiviert
oder geöffnet,
wenn ein Überspannungszustand
durch einen Mikroprozessor 116 festgestellt wird.
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Wenn das Schaltbauelement 114 geschlossen
oder inaktiviert wird, wird das Eingangssignal mit einer Dämpfungsschaltung 118 gekoppelt,
die das Signal empfängt
und die Größe des elektrischen
Parameters des genannten Signals um einen vorbestimmten Betrag reduziert.
Der Bereich der Dämpfungsschaltung 118 kann
ebenfalls vom Mikroprozessor 116 gesteuert werden.
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Eine Überspannungsschutzschaltung 120 dritter
Ebene ist zwischen dem Ausgang der Dämpferschaltung 118 und
dem Eingang der Breitbandverstärkerschaltung 122 geschaltet.
Die Schaltung 120 bietet Überspannungsschutz auf mittlerer
Ebene und von mittlerer Dauer durch Klemmen der Spannung an dem
Knoten, der mit dem Eingang der Verstärkerschaltung 122 verbunden
ist.
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Die Verstärkerschaltung 122 ist
so ausgelegt, dass das gedämpfte
Signal, das in einer Frequenzbandbreite zwischen 0 Hz und 1 GHz
auftritt, verstärkt
wird. Die Verstärkerschaltung 122 kann
indirekt durch den Mikroprozessor 116 gesteuert werden,
indem eine automatische Analogausgleichsregelung und Verstärkungsregelung
bereitgestellt wird.
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Ein Elektrisch-in-optisch-Modul 124,
dessen optischer Ausgang 126 von der Verstärkerschaltung 122 moduliert
wird, konvertiert das verstärkte
Signal in ein moduliertes optisches Signal. In der bevorzugten Ausgestaltung
beinhaltet das Konvertermodul 124 sowohl eine Laserdiode 128 als
auch eine Überwachungsfotodiode
130.
Die Laserdiode 128 legt ein optisches Signal sowohl an
die Überwachungsfotodiode 130 als
auch an die optische Faser 20a an. Es ist zu bemerken,
dass eine Reihe verschiedener Laserdioden-Konvertermodulgeräte innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen könnten.
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Ein Treibersteuersystem regelt automatisch den
Pegel des optischen Signalausgangs 126 durch das Elektrisch-in-optisch-Modul 124 auf
einen vorbestimmten Wert. Dieses Treibersteuersystem umfasst einen
Treiber 134 zum Aufrechterhalten eines stabilen Gleichstromsignals 136 durch
das Konvertermodul 124 und die Laerdiode 128 im
Falle der bevorzugten Ausgestaltung. Der Verstärker 122 dient zum Empfangen
eines nützlichen
Analogsignals und zum Erzeugen eines Signalstroms 137.
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Ein Wandlergerät 138 zum Messen eines Kennwertes
des Konverters 124 dient zum Konvertieren des Kennwertes
in ein nützliches
elektrisches Signal. In der bevorzugten Ausgestaltung ist das Wandlergerät 138 ein
Temperatursensor, der thermisch mit dem Lasermodul 124 verbunden
ist und Informationen über
die Temperatur der Laserdiode 128 zum Mikroprozessor 116 sendet.
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Die Überwachungsfotodiode 130,
die im Lasermodul 124 eingebaut ist, gibt analoge Informationen über die
Menge an Lichtausgang aus der Laserdiode 128. Diese Informationen
werden vom programmierbaren Prozessor 116 analysiert und
erzeugen ein digitales Ausgangssignal, das von einem oder mehreren
Konverterkennwerten abhängig
ist. Wenn beispielsweise eine Überspannung
vom Mikroprozessor 116 erfasst wird, dann wird ein Signal
zur Überspannungsschutzschaltung 112 zweiter
Ebene gesendet, um das Schaltbauelement 114 zu aktivieren,
um so das Eingangsüberspannungssignal
zu isolieren.
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Es wird ein D/A-Wandler 142 zum
Umwandeln des digitalen Ausgangssignals vom Mikroprozessor 116 in
ein Analogsignal zur weiteren Verwendung durch den Treiber 134 vorgesehen,
um ein gewünschtes
stabiles Gleichstromsignal 136 zu erzeugen. In der bevorzugten
Ausgestaltung umfasst der Treiber 134 einen Verstärker 146,
einen Transistor
140 und einen Widerstand 150.
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Ungenauigkeiten im optischen und
elektronischen System können
durch eine Kombination von Autokalibrierung und Werkskalibrierung
auskalibriert werden, wobei der ideale Ausgang von einem Referenzsignal
erfasst wird. Das Referenzsignal kommt von der Referenzschaltung,
indem der Schalter 144 geschlossen wird, oder von einer
externen Referenz, die mit dem Eingangssensor 102 verbunden
ist. Diese Signale steuern wiederum die Dämpferschaltungen 118 und
den Verstärker 122 an.
Dadurch wird wiederum Laserausgangslicht 128 erzeugt, und
so entsteht wiederum ein Strom in der Fotodiode 130, der
proportional zum Eingangsreferenzsignal ist. Der Strom in der Fotodiode 130 wird
vom Mikroprozessor 116 zum Neukalibrieren der Laserdiode 128 verarbeitet.
Der Mikroprozessor 116 justiert den D/A-Konverter 142,
um Ausgleichs- und Verstärkungsfehler
zu nullen. Ferner wird der Treiber 134 selbst durch Algorithmen
im internen Prozessor 116 kalibriert, der die Temperatur
der Umgebung erfasst und den Treiber 134 für verschiedene
Temperaturen korrigiert.
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Der Mikroprozessor 116 hat
auch die Fähigkeit,
Ladestrom 152 und Ladespannung 154 zu erfassen
und diese Informationen zum Steuern des Batterieladegerätes 156 zu
nutzen. Das Batterieladegerät 156 lädt die Batterie 158 zum
Speisen der Sendereinheit 18 mit Strom 160.
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Der Mikroprozessor 116 bietet
auch bidirektionale 162a, b Kommunikation mit
der Empfängereinheit 22 mit
Hilfe eines bidirektionalen Moduls 164, das mit einem faseroptischen
Mehrmodenkabel 20b gekoppelt ist.
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Gemäß 4 ist die Empfängereinheit 22 auf
einer Erdungsmasseplatte 48 montiert. Wie oben erwähnt, wird
das optische Signal in ein elektrisches Signal zur Weitersendung
zu einem elektrischen Messgerät 32 über ein
geschirmtes Kabel 38 umgewandelt. Ein Fern-Hostcomputer (nicht
dargestellt) kann zum Steuern des Isolationssystems 10 und
des elektronischen Messgeräts 32 durch
digitale Kommunikation verwendet werden, die durch jeweilige faseroptische
Kabel 166 und 180 übertragen wird. Eine bidirektionale
(elektrisch in optisch und optisch in elektrisch) Ein-/Ausgabeeinheit 182 kann
nach Bedarf intern oder extern konstruiert werden.
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Jeder Kanal der Empfängereinheit 22 kommuniziert
mit dem elektronischen Messgerät 32 durch
ein geschirmtes Kabel 38. Wie illustriert, hat das elektronische
Messgerät 32 ein
Stromkabel 168, das mit einem Leitungsfilter 170 gekoppelt
ist, und einen Isolationstransformator 172, bevor es seinen Strom
von einem Verdrahtungskasten 174 erhält. Elektronisches Messgerät 32,
Leitungsfilter 170, Isolationstransformator 172 und
Verdrahtungskasten 174 sind jeweils durch Massehalterungen 50 fest
an der Masseplatte 48 befestigt.
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Während
des Prüfens
umgibt elektromagnetische Strahlung 16 die Prüfumgebung,
besonders dann, wenn sich das Empfängergerät 22 in unmittelbarer
Nähe zu
dem zu prüfenden
Gerät 12 befindet. Demzufolge
durchflutet die elektrische Strahlung das gesamte Empfängersystem,
was dazu führt,
dass elektromagnetische Interferenzströme 176 durch das Gehäuse des
elektronischen Messgeräts 32 und
zur Masseplatte 48 durch die Massehalterungen 50 fließen. Demgemäß wird Stromfluss
im internen Schaltkomplex des Gerätes 32 minimal gehalten,
was ein höheres
Strahlungsimmunitätsniveau
zulässt.
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Ströme 176 fließen weiter über die
Masseplatte 48 und in Richtung auf das Stromkabel 178 des Verdrahtungskastens 174.
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Isolationstransformator 172 und
Leitungsfilter 170 erhöhen
die Impedanz des Empfängersystems
zur Erdungsmasse, so dass wiederum die Menge an Strahlungsstrom 176 abnimmt.
Die Verringerung des Strahlungsstroms 176 minimiert die
Gesamtinterferenz des Empfängersystems,
weil weniger Strom in die Empfängereinheit
und das elektronische Messgerät
fließt.
Ebenso bewirkt ein geringerer Stromfluss weniger Magnetfelder, während der Strom
fließt.
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Falls gewünscht, kann für stärkere Eingangsfelder
ein kompletter Faraday-Käfig
(nicht dargestellt) um das Empfängersystem
platziert werden. So kann ein Hostcomputer (nicht dargestellt) zum Steuern
und Abrufen von Daten aus der Empfängereinheit und dem Mess- und Anzeigegerät verwendet werden.
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Es ist daher zu verstehen, dass verschiedene Änderungen
im Hinblick auf Details, Materialien und Anordnung von Teilen, die
hierin zur Erläuterung der
Natur der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, von der
Fachperson innerhalb des Grundsatzes und Umfangs der Erfindung gemäß den nachfolgenden
Ansprüchen
vorgenommen werden können.
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CAPTIONS TO FIGURES
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Fig. 3
- 118
- DÄMPFER
- 120
- SPANNUNGSKLEMMSCHALTUNG
- 138
- WANDLER
- 116
- MIKROPROZESSOR
- 156
- BATTERIELADEGERÄT
- 158
- BATTERIE
- 160
- STROMVERSORGUNG
- 164
- SERIELLE
KOMMUNIKATIONSSCHALTUNGEN
- 142
- D/A-WANDLER