WO1998018223A1 - Method and device for combined analogue and digital transmission of an analogue ac measuring signal by means of an optical fibre - Google Patents

Method and device for combined analogue and digital transmission of an analogue ac measuring signal by means of an optical fibre Download PDF

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WO1998018223A1
WO1998018223A1 PCT/DE1997/002305 DE9702305W WO9818223A1 WO 1998018223 A1 WO1998018223 A1 WO 1998018223A1 DE 9702305 W DE9702305 W DE 9702305W WO 9818223 A1 WO9818223 A1 WO 9818223A1
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analog
measurement signal
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PCT/DE1997/002305
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Walter Gross
Stefan Hain
Franz-Josef Unterlass
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J7/00—Multiplex systems in which the amplitudes or durations of the signals in individual channels are characteristic of those channels

Definitions

  • the intermediate circuit voltages in large converters are already around 5 kV with a tendency towards 10 kV and 20 kV. Such high intermediate circuit voltages also place high demands on the insulation strength of the used ones
  • the partial discharge resistance is the decisive dimension for the insulation resistance. At 5 kV intermediate circuit voltage, a partial discharge resistance of 20 kV must be required.
  • the transformer systems used today are compensating current transformers. In order to maintain the required partial discharge resistance, these converters have to go through special manufacturing processes which make the converters very expensive. In addition, these converters take up a large amount of installation space and the lines for the power supply to the converter and for the transmission of the measurement signals must be laid in compliance with the prescribed clearances and creepage distances in order to guarantee safe separation. This further increases the space required.
  • Analog-digital converter and a transmitter with light-emitting diode at high potential An optical fiber establishes the connection to the interface device at earth potential.
  • the electronics at high voltage potential built as a low-energy CMOS circuit, has less than 150 ⁇ W power consumption.
  • a laser diode that sends energy between two data telegrams via the same optical waveguide is sufficient as an energy supply. In the case of larger distances between the sensor and the interface device, the a parallel optical fiber is required for power supply.
  • a problem with such optical energy transmission systems are fluctuations in the intensity of the light source, in particular as a result of signs of aging or changes in the ambient temperature. These intensity fluctuations of the light source can be compensated for by a constant current source for the light source or by measuring the emitted optical power of the light source by means of a monitor photodiode or a monitor photo element and according to rules of the supply current for the light source. Influences of interference on the transmission path between the light source and the photoelectric converter and changes in the conversion efficiency of the photoelectric converter cannot be compensated for with these known regulations.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal by means of an optical waveguide, the problems of an optical transmission system no longer occurring.
  • the analog AC measurement signal is processed in two different paths.
  • This analog AC measurement signal is low-pass filtered in one path, digitized with sufficient accuracy and provided as a digital data stream.
  • the analog AC measurement signal is bandpass filtered and superimposed on a constant DC signal.
  • the digital data stream and the analog sum signal are converted into an optical signal that is transmitted via an optical fiber.
  • This transmitted optical signal is composed of three signals in different frequency ranges.
  • On the receiver side this optical signal is first converted back into an electrical signal and then split into the three signals.
  • the analog AC measurement signal is normalized by means of the transmitted constant DC signal, so that changes in attenuation and efficiency of the optical waveguide, optical transmitter and optical receiver are compensated.
  • a digital data stream and an analog value of a transmitted analog AC measurement signal are present at the output of the receiver, the digital data stream being used for control and regulation purposes and the analog value being used for protection purposes.
  • an analog AC measurement signal is transmitted analog and digital by means of an optical waveguide, with slow changes at the same time (Temperature drift, aging) in the transmission behavior of the
  • Optical fiber system can be compensated.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a transmitter of the device according to the invention, wherein in
  • FIG. 4 shows a second embodiment of part of the analog part of the transmitter according to FIG. 1 and
  • FIG. 5 shows a block diagram of a receiver of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a transmitter 2 of a device for carrying out the method according to the invention for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal Sa.
  • This device has, in addition to the transmitter 2, an optical waveguide 4 and a receiver 6 (FIG. 5) on.
  • the transmitter 2 and the receiver 6 are connected to one another by means of the one optical waveguide 4.
  • the transmitter 2 is divided into two channels 8 and 10, which are linked on the input side with a measurement signal input 12 and on the output side with a conversion stage 14.
  • Channel 8 has a low-pass filter 16 and an analog-digital converter 18, a 12-bit converter being provided as converter 18, for example.
  • At the output of this analog-to-digital converter 18 there is a digitized AC measurement signal Sd as a data telegram.
  • An anti-aliasing filter is provided as the low-pass filter 16, the cut-off frequency of which is less than half the sampling frequency of the analog-digital converter 18.
  • the low-pass filter 16 is preceded by a matching amplifier 20, which is connected on the input side to the measurement signal input 12 of the transmitter 2. By means of this matching amplifier 20, the analog AC measurement signal Sa is processed for further processing.
  • the channel 10 of the transmitter 2 has a bandpass filter 22 and an addition device 24, at the second input of which a constant one
  • the conversion stage 14 the digitized AC measurement signal Sd and the sum signal SRa are converted into an optical transmission signal SL and transmitted to the receiver 6 by means of the one optical waveguide 4.
  • the FIG 2 shows a first embodiment of the Additionsein ⁇ direction 24 and the conversion stage 14 of the transmitter 2 of FIG 1.
  • a Umlotaddierer provided, which comprises an operational amplifier 26th
  • the non-inverting input of this operational amplifier 26 is connected to a reference potential, whereas the bandpass-filtered, analog AC measurement signal Sa and the constant direct signal SR each arrive at the inverting input of this operational amplifier 26 by means of a resistor R1, R2.
  • the output of the operational amplifier 26 is fed back to its inverting input by means of the resistor R3.
  • the conversion stage has a first-order low-pass filter 28 and a light-emitting diode 30.
  • the low-pass filter 28 consists of an operational amplifier 32, two resistors R4, R5 and a capacitor Cl.
  • the resistor R5 and the condensate ⁇ sator Cl are electrically connected in parallel and arranged in the lung vomkopp- branch of the operational amplifier 32 '.
  • the resistor R4 is connected with one connection to the inverting input of the operational amplifier 32 and with another connection to the output of the adder 24. ties.
  • the output of the low-pass filter 28 is by means of a
  • Resistor R6 is connected in an electrically conductive manner via a resistor R8 to the inverting input of the operational amplifier 26 of the addition device 24 and on the other hand to the light-emitting diode 30.
  • the anode of this light-emitting diode 30 is connected to a terminal of the resistor R6, R8.
  • this light-emitting diode 30 is linked by means of a capacitor C2 to a resistor R7, at whose other connection the digitized AC measurement signal Sd is present.
  • the analog, bandpass-filtered AC measurement signal Sa, the constant DC signal SR and the digitized AC measurement signal Sd become a modulation signal SM, which is converted into an optical transmission signal by means of the light-emitting diode 30 SL is converted, which is shown in the diagram over time t in FIG 3.
  • the constant DC signal SR is converted into a transmitted light, i.e. the light emitting diode 30 sends a constant light signal.
  • the analog, bandpass-filtered AC measurement signal Sa is now applied to the addition device 24, the transmitted constant light signal of the diode 30 is modulated.
  • FIG. 4 shows an advantageous embodiment of the arrangement, consisting of the addition device 24 and the conversion stage 14, of the transmitter 2 according to FIG. 1.
  • only one operational amplifier 32 is used here, which is connected as a reversing adder and as a low-pass filter 28 of the first order. This saves the operational amplifier 28 and two resistors R3 and R4 without changing anything in the method.
  • the output of the operational amplifier 32 is provided with an inductance L.
  • This inductance L has the task of keeping the digitized AC measurement signal Sd away from the operational amplifier 32.
  • the capacitor C2 has the task of keeping the analog sum signal SRa away from the analog-digital converter 18. Since fewer components, in particular only one operational amplifier, are used in this embodiment, this embodiment consumes less energy than that shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the receiver 6 of the device for performing the method according to the invention for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal Sa.
  • the transmitted optical transmission signal SL is converted into an electrical modulation signal SM by means of a photodiode 34 and fed to a low-pass filter 36, a high-pass filter 38 and a band-pass filter 40.
  • the individual signals SR, Sd and Sa are recovered from the modulation signal SM by means of these filters 36, 38 and 40.
  • the digitized AC measurement signal Sd is pending as a data telegram, which is used for control and regulation tasks.
  • the constant DC signal SR At the output of the low-pass filter 36 is the constant DC signal SR, which is fed to a normalization device 42.
  • the analog AC measurement signal Sa is present at the output of the bandpass filter 40 and is fed to the standardization device 42 by means of a preamplifier 44.
  • a voltage-controlled amplifier can be provided as the normalization device 42, at the output of which the standardized analog AC Measurement signal Sa is present.

Abstract

The invention relates to a method for combined analogue and digital transmission of an analogue AC measuring signal (Sa) by means of an optical fibre, and to a device to carry out this method. According to the invention the analogue AC measuring signal (Sa) is both digitized and combined with a constant direct voltage signal (SR), the digitized AC measuring signal (Sd) and the analog summated signal (SRa) are combined to form a modulation signal and converted to an optical transmission signal (SL), the optical transmission signal is reconverted into a modulation signal in the receiver (6), where the signals (Sa, Sd,SR) are filtered out and the recovered AC measuring signal (Sa) is normalized by the filtered out direct voltage signal (SR). This enables a method for combined analog and digital transmission to be obtained, whereby ageing phenomena of the optical fibre system (2,4,6) can be compensated.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals mittels eines LichtwellenleitersMethod and device for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal by means of an optical waveguide
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals mittels eines Lichtwellenleiters und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal by means of an optical waveguide and to an apparatus for performing this method.
Die Zwischenkreisspannungen in Großstromrichtern liegen heute bereits bei ca. 5 kV mit der Tendenz hin zu 10 kV und 20 kV. Derartig hohe Zwischenkreisspannungen stellen auch hohe An- forderungen an die Isolationsfestigkeit der verwendetenThe intermediate circuit voltages in large converters are already around 5 kV with a tendency towards 10 kV and 20 kV. Such high intermediate circuit voltages also place high demands on the insulation strength of the used ones
Strom- und Spannungswandler. Die Teilentladungsfestigkeit ist dabei die entscheidende Bemessungsgröße für die Isolationsfestigkeit. Bei 5 kV Zwischenkreisspannung muß eine Teilentladungsfestigkeit von 20 kV gefordert werden.Current and voltage transformers. The partial discharge resistance is the decisive dimension for the insulation resistance. At 5 kV intermediate circuit voltage, a partial discharge resistance of 20 kV must be required.
Die heute verwendeten Wandlersysteme sind kompensierende Stromwandler. Zur Einhaltung der geforderten Teilentladungs- festigkeit müssen diese Wandler jedoch spezielle Herstel- lungsprozesse durchlaufen, die die Wandler sehr verteuern. Dazu kommt, daß diese Wandler einen großen Bauraum beanspruchen und die Leitungen zur Stromversorgung des Wandlers sowie zur Übertragung der Meßsignale unter Einhaltung der vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken verlegt werden müssen, um eine sichere Trennung zu garantieren. Dadurch vergrößert sich der notwendige Bauraum weiter.The transformer systems used today are compensating current transformers. In order to maintain the required partial discharge resistance, these converters have to go through special manufacturing processes which make the converters very expensive. In addition, these converters take up a large amount of installation space and the lines for the power supply to the converter and for the transmission of the measurement signals must be laid in compliance with the prescribed clearances and creepage distances in order to guarantee safe separation. This further increases the space required.
Eine immer aufwendigere Isolation scheint nicht der geeignete Weg zu sein, um die Wandlersysteme für noch höhere Zwischenkreisspannungen bei einem gleichzeitigen niedrigen Preis- niveau zu ertüchtigen. Ein grundsätzlicher anderer Ansatz zur Lösung dieses Problems ist, die sichere Trennung mittels Lichtwellenleiter durchzuführen. Das bedeutet allerdings, daß sensorseitig eine Elektronik notwendig ist, die zumindest die vom Sensor geliefer- ten Meßsignale verstärkt und einen Lichtwellenleitersender ansteuert. Die Energieversorgung dieser Elektronik muß dann aber ebenfalls über einen Lichtwellenleiter erfolgen. Derartige Energieübertragungssysteme bestehen aus einem Laser, dem Lichtwellenleiter und einem Energiekonverter. Die übertragba- re Leistung ist allerdings auf einige 100 mW beschränkt. Aus diesem Grunde kann in solchen Lichtenergieversorgungssystemen kein kompensierender Stromwandler eingesetzt werden, da der Leistungsbedarf dieser Wandler aufgrund des Kompensati- onsstrom.es zu groß ist.An increasingly complex insulation does not seem to be the appropriate way to upgrade the converter systems for even higher DC link voltages at a low price. A fundamentally different approach to solving this problem is to carry out the safe separation using optical fibers. However, this means that electronics is necessary on the sensor side, which at least amplifies the measurement signals supplied by the sensor and controls an optical waveguide transmitter. The energy supply for this electronics must then also be provided via an optical fiber. Such energy transmission systems consist of a laser, the optical fiber and an energy converter. However, the transferable power is limited to a few 100 mW. For this reason, no compensating current transformer can be used in such light energy supply systems, since the power requirement of these transformers is too great due to the compensation current.
Aus dem Aufsatz "Optische Stromwandler - erster Feldversuch im 380-kV-Netz erfolgreich", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "ABB Technik", Band 3, 1994, Seiten 12 bis 18, ist ein aktives optisches Stro meßsystem bekannt. Dieser Aufsatz stellt verschiedene optische Stromwandler vor, die unter realen Bedingungen in einem deutschen 380 kV-Netz getestet wurden. Der aktive Stromwandler arbeitet im wesentlichen nach dem Prinzip einer konventionellen Strommessung, ergänzt durch eine digitale optische Übertragungsstrecke. Im einzelnen besteht das System aus einer Luftkernspule einschließlich Bürde, einemAn active optical current measurement system is known from the article "Optical current transformers - first field test successful in the 380 kV network", printed in the DE magazine "ABB Technik", volume 3, 1994, pages 12 to 18. This article presents various optical current transformers that have been tested under real conditions in a German 380 kV network. The active current transformer essentially works on the principle of a conventional current measurement, supplemented by a digital optical transmission link. In detail, the system consists of an air core coil including a burden
Analog-Digital-Wandler und einer Sendeeinrichtung mit licht- emitierender Diode auf hohem Potential. Ein Lichtwellenleiter stellt die Verbindung zum Schnittstellengerät auf Erdpotential her. Die Elektronik auf hohem Spannungspotential, als Nie- derenergie-CMOS-Schaltung aufgebaut, hat weniger als 150 μW Leistungsbedarf . Als Energieversorgung genügt eine Laserdiode, die zwischen zwei Datentelegrammen über den gleichen Lichtwellenleiter Energie sendet. Bei größeren Entfernungen zwischen Sensor und Schnittstellengerät wird wegen der höhe- ren Sendeleistung ein paralleler Lichtwellenleiter zur Energieversorgung benotigt.Analog-digital converter and a transmitter with light-emitting diode at high potential. An optical fiber establishes the connection to the interface device at earth potential. The electronics at high voltage potential, built as a low-energy CMOS circuit, has less than 150 μW power consumption. A laser diode that sends energy between two data telegrams via the same optical waveguide is sufficient as an energy supply. In the case of larger distances between the sensor and the interface device, the a parallel optical fiber is required for power supply.
Mit einem derartigen aktiven optischen Stromwandler kann man sehr genau den Wert eines Meßsignals erfassen. Dabei hangt die Genauigkeit wesentlich vom verwendeten Analog-Digital- Wandler ab. Die Kosten eines Analog-Digital-Wandlers wird bestimmt von der Wandlerauflosung und seiner Abtastrate. Um den Wert eines 50 Hz-Meßsignals möglichst genau zu erfassen, reicht eine Auflösung von 12 Bit und eine Abtastfrequenz von 1 kHz aus. Damit kann man jedoch nicht die schnellen Veränderungen des Meßsignals ermitteln. Da jedoch nicht nur der exakte Wert eines Meßsignals allein von Interesse ist, sondern auch dessen Transienten, wurden bis jetzt parallel zur digi- talen Übertragung mittels eines Lichtwellenleiters ein zweiter Lichtwellenleiter zur Übertragung des analogen Meßsignals verwendet. Somit können Meßgrößen schnell für Schutzzwecke (analoge Übertragung) und sehr genau für Steuerungs- und für Regelungszwecke (digitale Übertragung) ermittelt werden.With such an active optical current transformer, the value of a measurement signal can be detected very precisely. The accuracy depends largely on the analog-to-digital converter used. The cost of an analog-digital converter is determined by the converter resolution and its sampling rate. In order to record the value of a 50 Hz measurement signal as precisely as possible, a resolution of 12 bits and a sampling frequency of 1 kHz are sufficient. However, this cannot be used to determine the rapid changes in the measurement signal. However, since it is not only the exact value of a measurement signal that is of interest, but also its transients, a second optical fiber has been used to transmit the analog measurement signal in parallel with digital transmission by means of an optical fiber. Measured variables can thus be determined quickly for protection purposes (analog transmission) and very precisely for control and regulation purposes (digital transmission).
Ein Problem bei solchen optischen Energieübertragungssystemen sind Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, insbesondere infolge von Alterungserscheinungen oder Änderungen m der Umgebungstemperatur. Diese Intensitätsschwankungen der Licht- quelle können über eine Konstantstromquelle für die Lichtquelle oder über eine Messung der abgegebenen optischen Leistung der Lichtquelle durch eine Monitor-Fotodiode oder ein Monitor-Fotoelement und nach Regeln des Versorgungsstromes für die Lichcquelle kompensiert werden. Einflüsse von Stör- großen auf die Ubertragungsstrecke zwischen Lichtquelle und fotoelektrischem Wandler sowie Änderungen des Konvertierungswirkungsgrades des fotoelektrischen Wandlers können mit diesen bekannten Regelungen nicht kompensiert werden. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals mittels eines Lichtwellenleiters anzugeben, wobei die Probleme eines optischen Übertragungssystems nicht mehr auftreten.A problem with such optical energy transmission systems are fluctuations in the intensity of the light source, in particular as a result of signs of aging or changes in the ambient temperature. These intensity fluctuations of the light source can be compensated for by a constant current source for the light source or by measuring the emitted optical power of the light source by means of a monitor photodiode or a monitor photo element and according to rules of the supply current for the light source. Influences of interference on the transmission path between the light source and the photoelectric converter and changes in the conversion efficiency of the photoelectric converter cannot be compensated for with these known regulations. The invention is based on the object of specifying a method and a device for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal by means of an optical waveguide, the problems of an optical transmission system no longer occurring.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 (Verfahren) bzw. Anspruch 2 (Vorrichtung) .This object is achieved according to the invention with the features of claim 1 (method) and claim 2 (device).
Gemäß den Verfahrensschritten wird das analoge AC-Meßsignal in zwei verschiedenen Pfaden aufbereitet. In dem einen Pfad wird dieses analoge AC-Meßsignal tiefpaßgefiltert, mit ausreichender Genauigkeit digitalisiert und als digitaler Daten- stro bereitgestellt. In dem anderen Pfad wird das analoge AC-Meßsignal bandpaßgefiltert und einem konstanten Gleichsignal überlagert. Der digitale Datenstrom und das analoge Summensignal werden in ein optisches Signal gewandelt, das über einen Lichtwellenleiter übertragen wird. Dieses übertragene optische Signal setzt sich zusammen aus drei Signalen in un- terschiedlichen Frequenzbereichen. Empfängerseitig wird dieses optische Signal zunächst wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt- und anschließend in den drei Signalen aufgespalten. Mittels des übertragenen konstanten Gleichsignals wird das analoge AC-Meßsignal normiert, so daß Dämpfungs- und Wirkungsgradänderungen vom Lichtwellenleiter, optischer Sender und optischer Empfänger kompensiert werden. Am Ausgang des Empfängers steht einerseits ein digitaler Datenstrom und ein analoger Wert eines übertragenen analogen AC-Meßsignals an, wobei der digitale Datenstrom für Steuer- und Regelungs- zwecke und der analoge Wert für Schutzzwecke verwendet werden kann.According to the process steps, the analog AC measurement signal is processed in two different paths. This analog AC measurement signal is low-pass filtered in one path, digitized with sufficient accuracy and provided as a digital data stream. In the other path, the analog AC measurement signal is bandpass filtered and superimposed on a constant DC signal. The digital data stream and the analog sum signal are converted into an optical signal that is transmitted via an optical fiber. This transmitted optical signal is composed of three signals in different frequency ranges. On the receiver side, this optical signal is first converted back into an electrical signal and then split into the three signals. The analog AC measurement signal is normalized by means of the transmitted constant DC signal, so that changes in attenuation and efficiency of the optical waveguide, optical transmitter and optical receiver are compensated. A digital data stream and an analog value of a transmitted analog AC measurement signal are present at the output of the receiver, the digital data stream being used for control and regulation purposes and the analog value being used for protection purposes.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird ein analoges AC-Meßsignal analog und digital mittels eines Lichtwellen- leiters übertragen, wobei gleichzeitig langsame Änderungen (Temperaturdrift, Alterung) im Übertragungsverhalten desBy means of this method according to the invention, an analog AC measurement signal is transmitted analog and digital by means of an optical waveguide, with slow changes at the same time (Temperature drift, aging) in the transmission behavior of the
Lichtwellenleiter-Systems kompensiert werden.Optical fiber system can be compensated.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen 3 bis 9 zu entnehmen.Advantageous embodiments can be found in the dependent claims 3 to 9.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sche- matisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which an exemplary embodiment of the device for carrying out the method according to the invention is illustrated schematically.
FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Senders der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung, wobei in1 shows a block diagram of a transmitter of the device according to the invention, wherein in
FIG 2 eine erste Ausführungsform eines Teils des analogen Teils des Senders veranschaulicht ist,2 shows a first embodiment of a part of the analog part of the transmitter,
FIG 3 zeigt in einem Diagramm über der Zeit t das optische Ubertragungssignal, die3 shows in a diagram over time t the optical transmission signal
FIG 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Teils des analogen Teils des Senders nach FIG 1 und in FIG 5 ist ein Blockschaltbild eines Empfängers der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht.4 shows a second embodiment of part of the analog part of the transmitter according to FIG. 1 and FIG. 5 shows a block diagram of a receiver of the device according to the invention.
Die FIG 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Senders 2 einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals Sa. Diese Vorrichtung weist neben dem Sender 2 noch einen Lichtwellenleiter 4 und einen Empfänger 6 (FIG 5) auf. Der Sender 2 und der Empfänger 6 sind mittels des einen Lichtwellenleiters 4 miteinander verbunden. Der Sender 2 ist in zwei Kanäle 8 und 10 unterteilt, die ein- gangsseitig mit einem Meßsignal-Eingang 12 und ausgangsseitig mit einer Umsetzstufe 14 verknüpft sind. Der Kanal 8 weist einen Tiefpaßfilter 16 und einen Analog-Digital-Wandler 18 auf, wobei als Wandler 18 beispielsweise ein 12-Bit-Wandler vorgesehen ist. Am Ausgang dieses Analog-Digital-Wandlers 18 steht ein digitalisiertes AC-Meßsignal Sd als Daten-Telegramm an. Als Tiefpaßfilter 16 wird ein Anti-Aliasing-Filter vorgesehen, dessen Grenzfrequenz kleiner der halben Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers 18 ist. Dem -Tiefpaßfilter 16 ist ein Anpaßverstärker 20 vorgeschaltet, der eingangsseitig mit dem Meßsignal-Eingang 12 des Senders 2 verbunden ist. Mittels diesem Anpaßverstärker 20 wird das analoge AC-Meßsignal Sa für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Der Kanal 10 des Senders 2 weist einen Bandpaßfilter 22 und eine Additionsein- richtung 24 auf, an dessen zweitem Eingang ein konstantes1 shows a block diagram of a transmitter 2 of a device for carrying out the method according to the invention for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal Sa. This device has, in addition to the transmitter 2, an optical waveguide 4 and a receiver 6 (FIG. 5) on. The transmitter 2 and the receiver 6 are connected to one another by means of the one optical waveguide 4. The transmitter 2 is divided into two channels 8 and 10, which are linked on the input side with a measurement signal input 12 and on the output side with a conversion stage 14. Channel 8 has a low-pass filter 16 and an analog-digital converter 18, a 12-bit converter being provided as converter 18, for example. At the output of this analog-to-digital converter 18 there is a digitized AC measurement signal Sd as a data telegram. An anti-aliasing filter is provided as the low-pass filter 16, the cut-off frequency of which is less than half the sampling frequency of the analog-digital converter 18. The low-pass filter 16 is preceded by a matching amplifier 20, which is connected on the input side to the measurement signal input 12 of the transmitter 2. By means of this matching amplifier 20, the analog AC measurement signal Sa is processed for further processing. The channel 10 of the transmitter 2 has a bandpass filter 22 and an addition device 24, at the second input of which a constant one
Gleichsignal SR ansteht. In der Umsetzstufe 14 werden das digitalisierte AC-Meßsignal Sd und das Summensignal SRa zu einem optischen Ubertragungssignal SL umgesetzt und mittels des einen Lichtwellenleiters 4 zum Empfänger 6 übertragen.DC signal pending. In the conversion stage 14, the digitized AC measurement signal Sd and the sum signal SRa are converted into an optical transmission signal SL and transmitted to the receiver 6 by means of the one optical waveguide 4.
Die FIG 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Additionsein¬ richtung 24 und der Umsetzstufe 14 des Senders 2 nach FIG 1. Als Additionseinrichtung 24 ist ein Umkehraddierer vorgesehen, der einen Operationsverstärker 26 aufweist. Der nicht- invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers 26 ist mit einem Bezugspotential verbunden, wogegen das bandpaßgefilterte, analoge AC-Meßsignal Sa und das konstante Gleichsignal SR jeweils mittels eines Widerstandes Rl,R2 zum invertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers 26 gelangt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 26 ist mittels des Widerstandes R3 auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt. Die Umsetzstufe weist einen Tiefpaßfilter 28 erster Ordnung und eine lichtemittierende Diode 30 auf. Das Tiefpaßfilter 28 besteht aus einem Operationsverstärker 32, zwei Widerständen R4,R5 und einem Kondensator Cl . Der Widerstand R5 und der Konden¬ sator Cl sind elektrisch parallel geschaltet und im Rückkopp- lungszweig des Operationsverstärkers 32 'angeordnet. Der Widerstand R4 ist mit einem Anschluß mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 und mit einem anderen Anschluß mit dem Ausgang der Additionseinrichtung 24 ver- knüpft. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 28 ist mittels einesThe FIG 2 shows a first embodiment of the Additionsein ¬ direction 24 and the conversion stage 14 of the transmitter 2 of FIG 1. As an addition means 24 is a Umkehraddierer provided, which comprises an operational amplifier 26th The non-inverting input of this operational amplifier 26 is connected to a reference potential, whereas the bandpass-filtered, analog AC measurement signal Sa and the constant direct signal SR each arrive at the inverting input of this operational amplifier 26 by means of a resistor R1, R2. The output of the operational amplifier 26 is fed back to its inverting input by means of the resistor R3. The conversion stage has a first-order low-pass filter 28 and a light-emitting diode 30. The low-pass filter 28 consists of an operational amplifier 32, two resistors R4, R5 and a capacitor Cl. The resistor R5 and the condensate ¬ sator Cl are electrically connected in parallel and arranged in the lung Rückkopp- branch of the operational amplifier 32 '. The resistor R4 is connected with one connection to the inverting input of the operational amplifier 32 and with another connection to the output of the adder 24. ties. The output of the low-pass filter 28 is by means of a
Widerstandes R6 einerseits über einen Widerstand R8 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 26 der Additionseinrichtung 24 und andererseits mit der lichtemittieren- den Diode 30 elektrisch leitend verbunden. Dabei ist die Anode dieser lichtemittierenden Diode 30 mit einem Anschluß des Widerstandes R6,R8 verbunden. Außerdem ist diese lichtemittierende Diode 30 mittels eines Kondensators C2 mit einem Widerstand R7 verknüpft, an dessen anderem Anschluß das digi- talisierte AC-Meßsignal Sd ansteht.Resistor R6 is connected in an electrically conductive manner via a resistor R8 to the inverting input of the operational amplifier 26 of the addition device 24 and on the other hand to the light-emitting diode 30. The anode of this light-emitting diode 30 is connected to a terminal of the resistor R6, R8. In addition, this light-emitting diode 30 is linked by means of a capacitor C2 to a resistor R7, at whose other connection the digitized AC measurement signal Sd is present.
Mittels dieser Anordnung, bestehend aus der Additionseinrichtung 24 und der Umsetzstufe 14, wird aus dem analogen, bandpaßgefilterten AC-Meßsignal Sa, dem konstanten Gleichsignal SR und dem digitalisierten AC-Meßsignal Sd ein Modulationssignal SM, das mittels der lichtemittierenden Diode 30 in ein optisches Ubertragungssignal SL umgewandelt wird, das im Diagramm über der Zeit t in der FIG 3 dargestellt ist. Steht noch kein analoges AC-Meßsignal Sa und auch noch kein digita- lisiertes Meßsignal Sd an und ist der Sender 2 eingeschaltet, so wird das konstante Gleichsignal SR in ein gesendetes Licht gewandelt, d.h. die lichtemittierende Diode 30 sendet ein konstantes Lichtsignal. Wird nun an der Additionseinrichtung 24 das analoge, bandpaßgefilterte AC-Meßsignal Sa angelegt, so wird das gesendete konstante Lichtsignal der Diode 30 moduliert. D.h., die Intensität des gesendeten Lichtsignals SL schwankt entsprechend dem analogen AC-Meßsignal Sa. Diesem in der Intensität modulierten Lichtsignal SL wird nun noch das digitalisierte AC-Meßsignal Sd überlagert, so daß das gesen- dete Lichtsignal SL den in der FIG 3 gezeigten Verlauf annimmt .By means of this arrangement, consisting of the addition device 24 and the conversion stage 14, the analog, bandpass-filtered AC measurement signal Sa, the constant DC signal SR and the digitized AC measurement signal Sd become a modulation signal SM, which is converted into an optical transmission signal by means of the light-emitting diode 30 SL is converted, which is shown in the diagram over time t in FIG 3. If there is still no analog AC measurement signal Sa and also no digitized measurement signal Sd and the transmitter 2 is switched on, the constant DC signal SR is converted into a transmitted light, i.e. the light emitting diode 30 sends a constant light signal. If the analog, bandpass-filtered AC measurement signal Sa is now applied to the addition device 24, the transmitted constant light signal of the diode 30 is modulated. This means that the intensity of the transmitted light signal SL fluctuates in accordance with the analog AC measurement signal Sa. The digitized AC measurement signal Sd is now superimposed on this light signal SL, which is modulated in intensity, so that the transmitted light signal SL follows the course shown in FIG assumes.
In der FIG 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung, bestehend aus der Additionseinrichtung 24 und der Um- setzstufe 14, des Senders 2 gemäß FIG 1 dargestellt. Gegen- über der Ausführungsform gemäß FIG 2 wird hier nur ein Operationsverstärker 32 verwendet, der als Umkehraddierer und als Tiefpaßfilter 28 erster Ordnung beschaltet ist. Dadurch werden der Operationsverstärker 28 und zwei Widerstände R3 und R4 eingespart, ohne daß sich am Verfahren etwas ändert. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit einer Induktivität L versehen. Diese Induktivität L hat die Aufgabe, das digitalisierte AC-Meßsignal Sd vom Operationsverstärker 32 fernzuhalten. Der Kondensator C2 hat die Aufgabe, das analoge Summensignal SRa vom Analog-Digital-Wandler 18 fernzuhalten. Da bei dieser Ausführungsform weniger Bauelemente, insbesondere nur ein Operationsverstärker, verwendet werden, verbraucht diese Ausführungsform gegenüber der gemäß FIG 2 weniger Energie.FIG. 4 shows an advantageous embodiment of the arrangement, consisting of the addition device 24 and the conversion stage 14, of the transmitter 2 according to FIG. 1. Against- In the embodiment according to FIG. 2, only one operational amplifier 32 is used here, which is connected as a reversing adder and as a low-pass filter 28 of the first order. This saves the operational amplifier 28 and two resistors R3 and R4 without changing anything in the method. The output of the operational amplifier 32 is provided with an inductance L. This inductance L has the task of keeping the digitized AC measurement signal Sd away from the operational amplifier 32. The capacitor C2 has the task of keeping the analog sum signal SRa away from the analog-digital converter 18. Since fewer components, in particular only one operational amplifier, are used in this embodiment, this embodiment consumes less energy than that shown in FIG.
In der FIG 5 ist ein Blockschaltbild des Empfängers 6 der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals Sa dargestellt. Eingangsseitig wird das übertragene optische Ubertragungssignal SL mittels einer Fotodiode 34 in ein elektrisches Modulationssignal SM umgesetzt und einem Tiefpaßfilter 36, einem Hochpaßfilter 38 und einem Bandpaßfilter 40 zugeführt. Mittels dieser Filter 36,38 und 40 werden die einzelnen Signale SR,Sd und Sa aus dem Modula- tionssignal SM zurückgewonnen. Am Ausgang des Hochpaßfilters 38 steht das digitalisierte AC-Meßsignal Sd als Daten- Telegramm an, das für Steuer- und Regelaufgaben verwendet wird. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 36 steht das konstante Gleichsignal SR an, das einer Normierungseinrichtung 42 zuge- führt ist. Am Ausgang des Bandpaßfilters 40 steht das analoge AC-Meßsignal Sa an, das mittels eines Vorverstärkers 44 der Normierungseinrichtung 42 zugeführt ist. Als Normierungseinrichtung 42 kann ein spannungsgesteuerter Verstärker vorgesehen sein, an dessen Ausgang das normierte analoge AC- Meßsignal Sa ansteht. Durch die Normierung des rückgewonnenen AC-Meßsignals mittels des rückgewonnenen Gleichsignals SR werden Dämpfungs- und Wirkungsgradänderungen vom Lichtwellenleiter 4, Sender 2 und Empfänger 6 kompensiert. 5 shows a block diagram of the receiver 6 of the device for performing the method according to the invention for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal Sa. On the input side, the transmitted optical transmission signal SL is converted into an electrical modulation signal SM by means of a photodiode 34 and fed to a low-pass filter 36, a high-pass filter 38 and a band-pass filter 40. The individual signals SR, Sd and Sa are recovered from the modulation signal SM by means of these filters 36, 38 and 40. At the output of the high-pass filter 38, the digitized AC measurement signal Sd is pending as a data telegram, which is used for control and regulation tasks. At the output of the low-pass filter 36 is the constant DC signal SR, which is fed to a normalization device 42. The analog AC measurement signal Sa is present at the output of the bandpass filter 40 and is fed to the standardization device 42 by means of a preamplifier 44. A voltage-controlled amplifier can be provided as the normalization device 42, at the output of which the standardized analog AC Measurement signal Sa is present. By normalizing the recovered AC measurement signal by means of the recovered DC signal SR, attenuation and efficiency changes of the optical waveguide 4, transmitter 2 and receiver 6 are compensated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur kombinierten Analog- und Digitalübertragung eines analogen AC-Meßsignals (Sa) mittels eines Lichtwellen- leiters (4), wobei Störgrößen das zu übertragende AC-Meßsignal (Sa) nicht beeinflussen können, mit folgenden Verfahrensschritten : a) Tiefpaßfilterung des analogen AC-Meßsignals (Sa) mit anschließender Digitalisierung, b) Bandpaßfilterung des analogen AC-Meßsignals (Sa) mit anschließender Aufaddierung auf ein konstantes Gleichsignal (SR) , c) Überlagerung des digitalisierten AC-Meßsignals (Sd) mit dem analogen Summensignal (SRa) mit anschließender Umsetzung in ein optisches Ubertragungssignal (SL) , d) Übertragung dieses optischen Übertragungssignals (SL) mittels des einen Lichtwellenleiters (4) und anschließender Umsetzung in ein elektrisches Modulationssignal (SM) , e) Ausfilterung des digitalen AC-Meßsignals (Sd) , des analogen AC-Meßsignals (Sa) und des Gleichsignals (SR) aus dem übertragenen Modulationssignal (SM) und f) Normierung des analogen Meßsignals (Sa) mit Hilfe des ausgefilterten Gleichsignals (SR) .1. Method for the combined analog and digital transmission of an analog AC measurement signal (Sa) by means of an optical waveguide (4), whereby disturbances cannot influence the AC measurement signal (Sa) to be transmitted, with the following method steps: a) low-pass filtering of the analog AC measurement signal (Sa) with subsequent digitization, b) bandpass filtering of the analog AC measurement signal (Sa) with subsequent addition to a constant DC signal (SR), c) superimposition of the digitized AC measurement signal (Sd) with the analog sum signal (SRa) with subsequent conversion into an optical transmission signal (SL), d) transmission of this optical transmission signal (SL) by means of the one optical waveguide (4) and subsequent conversion into an electrical modulation signal (SM), e) filtering out of the digital AC measurement signal (Sd), the analog AC measurement signal (Sa) and the DC signal (SR) from the transmitted modulation signal (SM) and f) normalization of the alogen measurement signal (Sa) using the filtered direct signal (SR).
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verf hrens nach Anspruch 1 mit einem Sender (2) und einem Empfänger (6), der mittels eines Lichtwellenleiters (4) mit dem Sender (2) verknüpft ist, wobei der Sender (2) zwei Kanäle (8 und 10) aufweist, die eingangsseitig mit einem Meßsignal-Eingang (12) und aus- gangsseitig mit einer Umsetzstufe (14) verknüpft sind, die ausgangsseitig mit dem einen Lichtwellenleiter (4) verbunden ist, wobei der erste Kanal (8) einen Tiefpaßfilter (16) und einen Analog-Digital-Wandler (18) und der zweite Kanal (10) einen Bandpaßfilter (22) und eine Additionseinrichtung (24) aufweisen, an dessen zweiten Eingang ein Gleichsignal (SR) ansteht, wobei der Empfänger (6) einen Tiefpaßfilter (36), einen Hochpaßfilter (38), einen Bandpaßfilter (40) und eine2. Device for performing the method according to claim 1 with a transmitter (2) and a receiver (6) which is linked by means of an optical waveguide (4) to the transmitter (2), the transmitter (2) having two channels (8 and 10), which are linked on the input side to a measurement signal input (12) and on the output side to a conversion stage (14) which is connected on the output side to one optical waveguide (4), the first channel (8) having a low-pass filter ( 16) and an analog-digital converter (18) and the second channel (10) a bandpass filter (22) and an adder (24) have at the second input of a DC signal (SR), the receiver (6) a low-pass filter (36), a high-pass filter (38), a band-pass filter (40) and one
Normierungseinrichtung (42) aufweist, wobei diese Filter (36,38,40) eingangsseitig mittels einer Fotodiode (34) mit dem Lichtwellenleiter (4) und der Bandpaßfilter (40) und derHas normalization device (42), these filters (36, 38, 40) on the input side by means of a photodiode (34) with the optical waveguide (4) and the bandpass filter (40) and
Tiefpaßfilter (36) ausgangsseitig mit einem Eingang derLow pass filter (36) on the output side with an input of
Normierungseinrichtung (42) verknüpft sind, an dessen Ausgang ein analoges, normiertes AC-Meßsignal (Sa) und am Ausgang des Hochpaßfilters (38) ein digitalisiertes AC-Meßsignal (Sd) anstehen.Normalization device (42) are linked, at the output of which there is an analog, standardized AC measurement signal (Sa) and at the output of the high-pass filter (38) a digitized AC measurement signal (Sd).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Normierungseinrichtung (42) ein spannungsgesteuerter Verstärker vorgesehen ist.3. Apparatus according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a voltage-controlled amplifier is provided as a normalization device (42).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Additionseinrichtung (24) ein Umkehraddierer vorgesehen ist.4. Apparatus according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a reversing adder is provided as the addition device (24).
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Umsetzstufe (14) ein Tiefpaßfilter (28) erster5. The apparatus of claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a low-pass filter (28) first as the conversion stage (14)
Ordnung und eine lichtemittierende Diode (30) vorgesehen ist, die anodenseitig einerseits mit dem Tiefpaßfilter (28) und andererseits mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (18) verbunden ist. Order and a light-emitting diode (30) is provided, which on the anode side is connected on the one hand to the low-pass filter (28) and on the other hand to the output of the analog-to-digital converter (18).
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Additionseinrichtung (24) und als Umsetzstufe (14) ein Operationsverstärker (32) vorgesehen ist, der als U kehr- addierer und als Tiefpaßfilter erster Ordnung beschaltet ist,6. The apparatus of claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that as an addition device (24) and as a conversion stage (14) an operational amplifier (32) is provided, which is connected as U-add and as a first order low-pass filter,
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Kanäle (8,10) des Senders (2) jeweils ein Entkopplungselement aufweist.7. The device according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the two channels (8,10) of the transmitter (2) each have a decoupling element.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Entkopplungselement eine Induktivität (L) vorgesehen ist.8. The device according to claim 7, that a inductance (L) is provided as the decoupling element.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Entkopplungselement ein Kondensator (C2) vorgesehen ist. 9. The device according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a capacitor (C2) is provided as a decoupling element.
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