DE9216141U1 - Vorrichtung zur Überwachung von periodischen Spannungssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von periodischen Spannungssignalen, insbesondere Wechselspannungen, und davon abhängigen elektrischen Größen.

Die genaue Kontrolle von Wechselspannungen ist bspw. beim Einsatz hochempfindlicher Computertechnologie von großer Bedeutung. Aus der Praxis sind bereits Geräte bekannt, mit denen es möglich ist, den Echt-Effektivwert der Netzspannung zu messen, wobei das Meßintervall, d.h. das Zeitintervall, für das der Effektivwert ermittelt wird, in weiten Grenzen frei einstellbar ist. Über- und Unterschreitungen eines Sollwertes für den Effektivwert, der individuell vorgegeben werden kann, werden erfaßt und gespeichert. Es sind außerdem Geräte bekannt, die zusätzlich transiente Spannungsspitzen erkennen und deren Häufigkeit abspeichern.

Die bekannten Geräte beruhen auf dem Prinzip der Echt-Effektivwerterfassung des Spannungssignals. Da der Effektivwert eines Signals eine Art Mittelwert über ein Zeitintervall darstellt, ist eine exakte Bestimmung des Zeitpunktes einer aufgetretenen Störung nicht möglich. Außerdem läßt sich mit dem bekannten Gerät lediglich feststellen, daß eine Störung in einem bestimmten Zeitintervall aufgetreten ist, aber nicht, um welche Art von Störung es sich gehandelt hat, also ob es sich bspw. um eine Transiente, einen Signaleinbruch oder auch eine Oberwelle gehandelt hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzgeben, wo mit Störungen des Spannungssignals bzw. Abweichungen des Spannungssignals von einem Sollsignal mit möglichst geringem zeitlichen Versatz erfaßt werden können, so daß auch Rückschlüsse auf die Art der Störung möglich sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruches 1. Dazu wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein Netzteil, ein Anzeige- und Bedienteil, mindestens einen Spannungskanal als Eingang für das zu überwachende Spannungssignal, Speichereinrichtungen und mindestens eine Verarbeitungseinheit umfaßt. Diese Vorrichtung ist derart ausgebildet, daß ein Analog/Digital-Wandler für das Spannungssignal vorgesehen ist und daß die Verarbeitungseinheit mindestens einen Microprozessor, vorzugsweise einen programmierbaren Signalprozessor, umfaßt. Danach wird mindestens ein Spannungssignal erfaßt und periodenweise mit einem Sollsignal verglichen, indem ein Differenzsignal gebildet wird. Das Differenzsignal wird für jede Signalperiode ausgewertet.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß es zweckmäßig ist, den Verlauf des Spannungssignals selbst zu erfassen und zu überwachen, wenn der genaue Zeitpunkt des Auftretens von Störungen erfaßt werden soll. Es ist ferner erkannt worden, daß das Spannungssignal dazu in vorteilhafter Weise mit einem Sollsignal verglichen wird. In einfacher Weise wird dazu die Differenz zwischen dem Spannungssignal und dem Sollsignal gebildet. Das dabei entstehende Differenzsignal kann schließlich ausgewertet werden. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß diese Methode nur anwendbar ist, wenn das Spannungssignal abschnittsweise mit entsprechenden Abschnitten des Sollsignals verglichen wird. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung von periodischen Signalverläufen ausgeht, wird vorgeschlagen, das Spannungssignal in Abschnitten von jeweils einer Signalperiode mit dem Sollsignal zu vergleichen. Es hat sich gezeigt, daß die Auswertung des Differenzsignals dann mit einm systembeding-

ten Zeitversatz von maximal einer Periode möglich ist. Folglich ist also praktisch eine Echtzeitüberwachung möglich.

Das reale Spannungssignal, insbesondere wenn es fehlerbehaftet bzw. Schwankungen unterworfen ist, entspricht nicht einem ideal periodischen Signal. Es ist also erforderlich, einzelne Signalabschnitte des Spannungssignals als Periode zu definieren, die dann mit einer idealen Periode des Sollsignals verglichen werden können. Hinsichtlich einer einfachen Realisierung und der damit erzielten Ergebnisse ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Periode des Spannungssignals jeweils als der Signalabschnitt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überschreitungen oder Unterschreitungen eines vorgebbaren Signalpegels bestimmt wird. Wahlweise kann hier als Signalpegel ein scharfer Grenzwert oder auch ein Toleranzintervall gewählt werden. Im Falle eines sinusförmigen Signalverlaufs bietet sich bspw. der Nullpegel als Signalpegel an. Als eine Periode wird dann der Signalabschnitt zwischen zwei Nulldurchgängen des Spannungssignals mit gleichen Vorzeichen, d.h. von positiv nach negativ oder von negativ nach positiv, bestimmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Spannungssignal bezüglich einem Nulleiter erfaßt. Dies ist insbesondere im Hinblick einer einfachen und übersichtlichen Auswertung des Spannungssignals vorteilhaft.

Die Auswertung des Spannungssignals bzw. des Differenzsignals kann sowohl analog als auch digital erfolgen, wozu jeweils entsprechende Vorrichtungen erforderlich sind. Zur digitalen Verarbeitung wird das analog erfaßte Spannungssignal analog/digital gewandelt und periodenweise mit einem digitalisiert abgespeicherten Sollsignal verglichen. Diese

Vergleichs-Operation läßt sich bei digital vorliegenden Daten wesentlich schneller ausführen, als wenn sowohl das Spannungssignal als auch das Sollsignal in analoger Form vorliegen.

In einer besonders bevorzugten Realisierung werden Störungen des Spannungssignals nicht nur erfaßt und deren genaues Auftreten im Kurvenverlauf des Spannungssxgnals detektiert, solche Störungen werden auch klassifiziert, d.h. definierten Störklassen zugeordnet. Je nach der verwendeten Vorrichtung kann der Benutzer sich individuell, auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Störklassen definieren. Üblicherweise handelt es sich jedoch um die Störklassen: Signaleinbruch, Transiente und/oder Oberwellen. Es ist nun also möglich das Spannungssignal dahingehend statistisch auszuwerten, daß sämtliche Abweichungen des Spannungssignals vom Sollsignal mit dem Zeitpunkt ihres Auftretens erfaßt und einer gewissen Störklasse zugeordnet werden können.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Spannungssignal wahlweise, vorzugsweise in Abhängigkeit des Grades der Abweichung des Spannungssxgnals vom Sollsignal bzw. vom Ausmaß der Störung, periodenweise abgespeichert wird. D.h., daß besonders gestörte Signalabschnitte abgespeichert werden und ggf. einer zusätzlichen Analyse unterzogen werden können. Auch die Visualisierung solcher Signalverläufe ist oftmals sehr aufschlußreich. In Verbindung mit dem Zeitpunkt der Erfassung solcher Signalabschnitte können dann Rückschlüsse auf etwaige Fehlfunktionen von an die entsprechende Spannungsquelle bzw. das entsprechende Netz angeschlossenen Geräten gezogen werden.

Wie vorab beschrieben, können in erfindungsgemäßer Weise sowohl Signaleinbrüche, Transienten als auch Oberwellen erfaßt werden.

Im folgenden werden vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben, mit denen weitere Kenngrößen des Spannungssignals erfaßt und Störungen anderer Art ermittelt werden können.

Für viele technische Anwendungen wird in der Praxis Drehstrom verwendet. Es ist daher vorteilhaft, wenn mehrere, vorzugsweise drei, Spannungssignale gleichzeitig überwacht werden können. Wesentlich für den einwandfreien Betrieb von durch Drehstrom angetriebenen Geräten ist eine exakte Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spannungssignalen von 120°. In einer vorteilhaften Weiterbildung besteht daher auch die Möglichkeit, die Phasen der Spannungssignale bzw. die Phasenverschiebungen der Spannungssignale zueinander zu erfassen.

Niederfrequente Schwankungen des Spannungssignals, das sog. Flickern, lassen sich durch Ermittlung und Überwachung des Effektivwertes des Spannungssignals erfassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung besteht daher die Möglichkeit, den Effektivwert des Spannungssignals in einem vorgebbaren Zeitintervall zu ermitteln und auszuwerten.

Weitere Störungen des Spannungssignals können bspw. dadurch auftreten, daß der Nulleiter, gegen den das Spannungssignal gemessen wird, nicht auf einem definierten Potential liegt. Daher wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Spannung zwischen dem Nulleiter und einem Schutzleiter gemessen, erfaßt und ggf. ausgewertet.

Natürlich lassen sich auch von der Wechselspannung abhängige elektrische Größen wie das Stromsignal sowie die anliegende Leistung ermitteln und überwachen.

Wie bereits angedeutet, läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders schnell und störunanfällig mit digitalisiert vorliegenden Signalen betreiben. Es wird nun vorgeschlagen, das digitalisierte Spannungssignal mindestens einem Microprozessor, vorzugsweise einem programmierbaren Signalprozessor, zuzuführen und die weitere Verarbeitung und Auswertung des Spannungssignals im wesentlichen mit Hilfe des Microprozessors durchzuführen. Dieser kann dann bspw. auch die Übertragung der übermittelten Daten zu einer übergeordneten Einheit vorbereiten.

Für den Benutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es von besonderem Vorteil, wenn diese übergeordnete Einheit nicht nur als Speichermedium und zur Weiterverarbeitung der ermittelten Daten dient, sondern diese Daten auch mit Hilfe der übergeordneten Einheit visualisiert werden können. Als übergeordnete Einheit kommt bpsw. ein Personalcomputer mit einem Bildschirm in Frage, auf dem dann die Kurvenverläufe von kritischen Signalabschnitten dargestellt werden könnten. Es ist auch eine numerische Darstellung der Meßdaten möglich, die dann bspw. mit Hilfe eines Druckers ausgedruckt werden könnten.

Es gibt nun viele Möglichkeiten zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es wird im folgenden daher darauf verzichtet, eine konkrete Schaltungsanordnung mit den genauen Bezeichnungen der verwendeten elektronischen Bauteile anzugeben. Wesentlich ist, daß die Vorrichtung ein Netzteil, ein Anzeige- und Bedienteil, mindestens einen Spannungskanal als Eingang für das zu überwachende Span-

nungssignal, Speichereinrichtungen und mindestens eine Verarbeitungseinheit aufweist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Analog/Digital-Wandler für das Spannungssignal vorzusehen und mindestens einen Microprozessor, vorzugsweise einen programmierbaren Signalprozessor, als Bestandteil der Verarbeitungseinheit. Da es sich bei den vorab beschriebenen Operationen zur Auswertung des Spannungssignals, wie z.B. die Bildung eines Differenzsignals oder die Berechnung des Effektivwertes des Signals, um typische standardmäßig im Bereich der Signalverarbeitung auftretende Einzeloperationen handelt, ist es vorteilhaft, diese Operationen in einem dafür ausgelegten Signalprozessor durchzuführen. Dieser ist dann entsprechend zu programmieren.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform verfügt das Netzteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine automatische Netzfrequenzanpassung. Dadurch ist die Vorrichtung besonders vielfältig verwendbar und einfach bedienbar.

Um nun auch im Falle eines Netzausfalls einsatzfähig zu sein, kann die Vorrichtung über einen Akku, eine Baterie, Solarzellen und/oder andere geeignete Mittel zur Energieversorgung verfügen. Dabei eignet sich besonders ein Akku, da dieser automatisch bei Normalbetrieb über die Netzspannung wieder aufgeladen wird und daher stets zur Notversorgung der Vorrichtung bereit ist.

Besonders bedienungsfreundlich sind Vorrichtungen zur Überwachung von Wechselspannungen, die über ein Anzeige- und Bedienteil mit einer LC-Anzeige verfügen. Darüber können

dem Benutzer Bedienhilfen gegeben werden, wie bspw. Angaben üder die Funktion bestimmter Tastenkombinationen.

Wie bereits voranstehend beschrieben, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Vorrichtung über mehrere Spannungskanäle, insbesondere drei Spannungskanäle, als Eingänge für die Spannungssignale verfügt und zusätzlich über mindestens einen Nulleitereingang und/oder mindestens einen Schutzleitereingang. In diesem Falle kann bspw. auch die Spannung zwischen dem Nulleiter und dem Schutzleiter gemessen werden und Rückschlüsse aus diesem Spannungsverlauf auf etwaig auftretende Störungen des zu überwachenden Spannungssignals gezogen werden.

Um nun die Bedienung einer Vorrichtung mit mehreren Eingängen unterschiedlicher Funktion so einfach wie möglich zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn alle Eingänge symmetrisch ausgelegt sind. In diesem Falle ist es irrelevant, ob der Benuter versehentlich den Nulleiter an einen Spannungskanal anschließt bzw. ein zu überwachendes Spannungssignal auf den Nulleitereingang legt. Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung bleibt in jedem Fall gewährleistet.

Damit auch der Zeitpunkt des Erfassens eines bestimmten Signalabschnitts festgehalten werden kann weist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Uhr vorzugsweise mit Datumsfunktion auf.

Von besonderem Vorteil ist es nun, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit mindestens einer Schnittstelle für eine übergeordnete Einheit ausgestattet ist. Eine übergeordnete Einheit kann bspw. ein Personalcomputer sein, mit Hilfe dessen weitere Prozesse, Geräte oder Maschinen, die

in Verbindung mit der überwachten Wechselspannung stehen, gesteuert werden können. Die Vorrichtung kann dazu bspw. über eine serielle Schnittstelle verfügen. Eine parallele Schnittstelle kann vorteilhafterweise zum Anschluß eines Druckers vorgesehen sein, der Meßdaten oder auch Kurvenverläufe ausdrucken kann.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Schutzanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

die einzige Figur in einem schematischen Ablaufdiagramm

einzelne Schritte zur Überwachung von Wechselspannungen und davon abhängigen elektrischen Größen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die einzige Figur zeigt ein zu überwachendes Spannungssignal 1, das im folgenden auch als Spannungssignal MS bezeichnet wird. Erfindungsgemäß wird dieses Spannungssignal MS zunächst erfaßt. Dies kann bspw. durch Anlegen des zu überwachenden Spannungssignals MS an den Eingang einer entsprechenden Vorrichtung erfolgen. In der einzigen Figur ist der Vorgang des Erfassens als Verfahrensschritt 2 bezeichnet. Erfindungsgemäß wird das erfaßte Spannungssignal MS periodenweise mit einem Sollsignal SS verglichen, das vorteilhafter Weise in der Meßvorrichtung abgespeichert ist.

Dieser Vergleich besteht in einer Differenzbildung zwischen dem Spannungssignal MS und dem Sollsignal SS und resultiert in einem Differenzsignal DS. Die Differenzbildung erfolgt in dem Verfahrensschritt 5. Das Differenzsignal DS wird in einem weiteren Verfahrensschritt 6 ausgewertet.

In dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird nach dem Erfassen des Spannungssignals MS in dem Verfahrensschritt 2 das Spannungssignal MS zunächst in Signalabschnitte aufgeteilt, die jeweils mit einer Periode des Sollsignals SS verglichen werden. Dazu werden jeweils zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge des Spannungssignals MS mit gleichem Vorzeichen bestimmt. Der dazwischenliegende Signalabschnitt wird als eine Periode des Spannungssignals MS definiert. In einem anschließenden Verfahrensschritt 4 wird dieser Signalabschnitt dann analog/digital gewandelt, bevor er mit einer entsprechenden Periode des Sollsignals SS verglichen wird bzw. das Differenzsignal DS im Verfahrensschritt 5 ermittelt wird. Die Auswertung 6 des Differenzsignals DS besteht nun in einer Klassifizierung der Abweichungen des Spannungssignals MS vom Sollsignal SS. Die Abweichungen werden bspw. den Störklassen Signaleinbruch, Transiente und/oder Oberwellen zugeordnet. In einem folgenden Verfahrensschritt 7 werden diese klassifizierten Abweichungen zusammen mit dem Zeitpunkt tM ihres Auftretens abgespeichert. Dieser Zeitpunkt tM wird bspw. über eine interne Uhr der Meßvorrichtung jeweils mit dem Erfassend eines Signalabschnitts in einem Verfahrensschritt 10 festgehalten.

Parallel zu der voranstehend beschriebenen Ermittlung und Auswertung des Differenzsignals DS wird die Spannung zwischen einem ebenfalls an die Meßvorrichtung angeschlossenen Schutzleiter SL und dem Nulleiter NL bestimmt, bezüglich

dessen das Spannungssignal MS erfaßt wird. Im Idealfalle ist die Spannung zwischen dem Schutzleiter SL und dem Nulleiter NL O. Abweichungen davon ermöglichen Rückschlüsse auf auftretende Störungen des Spannungssignals MS. Die in einem Verfahrensschritt 13 bestimmte Differenz zwischen den Spannungen des Schutzleiters SL und des Nulleiters NL kann wahlweise ebenfalls in einem Verfahrensschritt 14 analog/digital gewandet werden und in digitalisierter Form ausgewertet werden. Auch diese Resultate werden im Verfahrensschritt 7 abgespeichert.

Des weiteren parallel zu den vorab beschriebenen Messungen wird in einem Verfahrensschritt 11 der Effektivwert EW des Spannungssignals MS über eine in einem Eingabeschritt 12 vorgebbare Zeitdauer bestimmt. Auch dieser Effektivwert EW wird im Verfahrensschritt 7 abgespeichert. An die Abspeicherung 7 kann sich nun eine Übertragung zu einer übergeordneten Einheit anschließen, die hier im Verfahrensschritt 8 durchgeführt wird. In der übergeordneten Einheit in einem Verfahrensschritt 9 werden die ermittelten Daten nun weiterverarbeitet. Eine Weiterverarbeitung kann in unterschiedlichster Form erfolgen. Bspw. können die ermittelten Daten zur Steuerung eines angeschlossenen Prozesses dienen. Die Daten können aber auch einfach visualisiert werden, so daß dem Benutzer selbst eine Interpretation der Meßdaten möglich ist.

Abschließend sei hervorgehoben, daß die erfindungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Überwachung von Wechselspannungen beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich auch zur Überwachung von anders gearteten periodischen Spannungsverläufen anwenden. Als erfindungsgemäße Vorrichtung kommen die verschiedensten Schaltungsanordnungen mit

den verschiedensten elektronischen Bauteilen in Frage, mit denen die zuvor beschriebenen Funktionen realisiert werden können.

Claims (10)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Überwachung von periodischen Spannungssignalen, insbesondere Wechselspannungen, und davon abhängigen elektrischen Größen, umfassend ein Netzteil, ein Anzeige- und Bedienteil, mindestens einen Spannungskanal als Eingang für das zu überwachende Spannungssignal, Speichereinrichtungen und mindestens eine Verarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analog/Digital-Wandler für das Spannungssignal vorgesehen ist und daß die Verarbeitungseinheit mindestens einen Microprozessor, vorzugsweise einen programmierbaren Signalprozessor, umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Netzfrequenzanpassung des Netzteils vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Akku, eine Batterie und/oder eine Solarzelle vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeige- und Bedienteil eine LC-Anzeige umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nulleitereingang und/oder mindestens ein Schutzleitereingang vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskanal, der Nulleitereingang und der Schutzleitereingang symmetrisch ausgelegt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Uhr vorzugsweise mit Datumsfuktion vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schnittstelle für eine übergeordnete Einheit vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine serielle Schnittstelle zum Anschluß eines Personalcomputers vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallele Schnittstelle zum Anschluß eines Druckers vorgesehen ist.