WO2004072662A2 - Messsystem mit intelligentem sensorkopf und reduziertem energieverbrauch für mittel- oder hochspannungsanlagen oder im bergbau und verfahren hierzu - Google Patents

Messsystem mit intelligentem sensorkopf und reduziertem energieverbrauch für mittel- oder hochspannungsanlagen oder im bergbau und verfahren hierzu Download PDF

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WO2004072662A2
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/22—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-emitting devices, e.g. LED, optocouplers
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Definitions

  • the invention relates primarily to a measuring system for medium or high voltage systems or in mining with optical signal and energy transmission between a sensor head and a central measuring device (claim 1).
  • the invention further relates to a method for this (claim 12). '
  • Voltage transformers are generally used to measure the operating voltage in medium or high-voltage switchgear.
  • the insulation and the turn ratio must be selected according to the operating voltage of the switchgear in order to reduce the operating voltage to an internal voltage of less than 100 V suitable for measurement purposes.
  • single-pole or double-pole insulated voltage transformers in various designs are used.
  • Voltage converters generally have a high share of the costs of switchgear panels and switchgear measurement technology. They have large dimensions and influence the construction of the switchgear. She . are sensitive to overvoltages and are the weakest link in switchgear engineering in terms of device technology. Secondary connecting cables between voltage transformers and protective relays or between voltage transformers and
  • Measuring devices can be strongly influenced by magnetic fields, earth leakage currents, short-circuit currents and interference fields, which in many cases falsifies the measurement result.
  • a device for carrying out voltage measurements in medium or high voltage switchgear is known, which offers a complete replacement for the use of voltage transformers in the context of operational measurement technology.
  • the opto-electronic sensors used there enable electrical and mechanical decoupling between the measuring point and the display, are insensitive to interference fields and overvoltages, and are also characterized by small dimensions and relatively low costs.
  • two optoelectronic sensors connected to the part supporter with a coupling electrode are provided.
  • two optoelectronic sensors in a ferroelectric design are provided, which are connected via fiber optics to a remotely located transceiver and are simultaneously scanned by these transceivers using the reflection method.
  • a phase comparison device is connected to the two transceivers, two comparators connected to the two transceivers converting the supplied analog input signal into a square-wave signal.
  • Two monostable multivibrators connected to the comparators generate synchronous short pulses from the square wave signals with the zero crossings of the two phases.
  • a totalizer connected to the output of the two multivibrators is provided, which counts incoming pulses as a single pulse, incoming pulses, however, counts as separate pulses, and devices for evaluating and displaying phase equality, phase opposition, and lack of one are connected to the outputs of the totalizer Phase disturbance and operability connected.
  • a series circuit with a diode and a further capacitance is arranged parallel to the capacitor arranged between the coupling electrode and ground, and a voltage-dependent CMOS pulse generator is connected in parallel therewith.
  • the capacitor in the ferroelectric design opto-electronic sensor which via the Optical fiber is connected to a light transmitter-receiver with measuring amplifier.
  • the measuring amplifier contains an element designed as a digital-analog converter or frequency-voltage converter for converting the pulse frequency into a value suitable for the input of a voltage measuring device.
  • the signal processing and evaluation takes place remotely from the measurement location, namely centrally.
  • a monitoring device for protection against mast damage is known from DE 38 24 000 C2, in which other sensors can be used in addition to fiber optic sensors.
  • an optical waveguide, an infrared detector or a structure-borne sound microphone is used as a sensor on each mast foot and an optical waveguide line is routed from it to the monitoring device.
  • the fiber optic sensor With the fiber optic sensor, a stripped fiber optic cable in the form of a loop is guided along a corner post base of the mast, and it merges into a double-core jacketed fiber optic cable at the upper end of the monitoring area. This line is continued along a mast corner post to a central monitoring device, which is arranged in a metal housing in the upper third of the mast on a mast traverse.
  • each infrared detector and structure-borne sound microphone which is designed as an electronic module in a metal housing and is arranged at the upper end of the monitoring area in a corner post of the mast. From there, a single-core fiber optic cable is led to the central monitoring device. While infrared detectors or structure-borne sound microphones are built into the signal device, only the cable of the fiber optic sensor is inserted into the signal device. The optical signals emitted by the individual devices are converted in the central device and fed to the evaluation logic which, in cooperation with the sequence control, translates the alarm message via a radio data link to the control room. A distinction can be made there from which signal devices triggered the message
  • the signaling devices with infrared detector or structure-borne sound microphone have a battery supply and the following components connected in series: sensor, amplifier, Filters, evaluation logic.
  • Light-emitting diode and socket for the connector of the fiber optic cable to the central device.
  • An HP infrared filter is used for a passive infrared detector to suppress unwanted temperature outputs, while an active BP filter is used for frequency selection for a structure-borne sound microphone.
  • the evaluation logic decides whether it is an alarm or not. In the monitoring device according to DE 38 24 000 C2, signal preprocessing and evaluation take place at the measuring location.
  • a combined current and voltage converter for outdoor switchgear with a semi-conventional voltage converter in the form of a CC, RR or RC divider and a purely optical current converter in the form of an optical fiber loop surrounding the high voltage conductor is known from DE 198 32 707 C2. Furthermore, a common transformer evaluation device, which is at ground potential, is provided for the current transformer and the voltage transformer. In this way, the measured variables of the individual phases can be assigned to one another when evaluating the signals from the voltage converter part and the current converter part, and a phase-synchronous measurement of the individual phases can take place.
  • DE 195 43 363 C2 describes a measuring transducer arrangement for measuring currents or voltages in medium or high voltage systems, with at least one current or voltage sensor for recording the measured values, with at least one encoder for coding the measured values, with at least one light transmitter for
  • Measured values and known with at least one decoder for decoding the measured values at the receiving location.
  • the measuring transducer arrangement is composed of mutually combinable modules with standardized interfaces. Furthermore, at least one sensor module with the current or voltage sensor, at least one transmitter module with the encoder and the Light transmitter and at least one receiver module provided with the light receiver and the decoder. The dimensions and connections of the sensor module and transmitter module are matched to one another and mechanically combined to form a high-voltage assembly, which as a unit ensures simple installation in the high-voltage system.
  • the sensor module for measuring DC or AC voltages has a voltage sensor in the form of a preferably frequency-compensated ohmic divider, which is provided on the low-voltage side with an overvoltage arrester.
  • the transmitter module can have a voltage-frequency converter for generating a pulsed carrier signal and a light transmitter with at least one transmitter diode for converting the carrier signal into light pulses.
  • the receiver module accordingly has a light receiver with a light-sensitive receiving diode for converting light pulses into an electrical pulsed carrier signal and as a decoder a frequency-voltage converter.
  • the transmitter module and receiver module are optically connected to one another by an optical waveguide.
  • the high-voltage assembly has an auxiliary power supply unit for supplying the transmitter module, the auxiliary power supply unit being fed via optical fibers.
  • DE 100 10 913 Cl describes a device for monitoring the
  • Gas density of an insulating gas-filled high-voltage transmission line, which is divided into a plurality of line sections by bulkheads, is known, which is in the area of
  • the measuring components are fed from a centrally arranged energy source containing a light source via at least one energy supply line designed as an optical waveguide, the measuring components opto-electrical energy converters for converting light into contain electrical energy, and several measuring components are serially connected to the light source via a common power supply line.
  • the power supply line and the signal transmission line can also be combined in the form of a simple optical waveguide.
  • the measuring component essentially consists of an energy processing unit, a computing unit and a sensor unit.
  • Energy processing unit is supplied with energy from an energy source containing a light source via an energy supply line designed as an optical waveguide and an opto-electrical energy converter.
  • the light source contains one or more laser diode modules, each with up to 500 mW of power.
  • the energy processing unit contains a capacitor, for example a low leakage current ELKO or an array of tantalum or ceramic capacitors, which stores the energy emitted by the energy source and emits it to the computing unit if required.
  • the computing unit which essentially comprises a microprocessor, is used to control the sensor unit, to record and process the values measured by the sensor unit and to transmit the processed measured values via a light diode, a signal transmission line designed as an optical waveguide and a light sensor to the signal processing unit.
  • a light diode a signal transmission line designed as an optical waveguide and a light sensor to the signal processing unit.
  • High-voltage transmission line is provided that the measurement component is supplied with constant power from the energy source during a wait state, then the gas density is measured by the measurement component, the measurement value is transmitted to the signal processing unit, and then the measurement component is returned to the wait state until the next measurement.
  • a fiber-optic interface system is known from DE 695 20 371 T2, in which a control ensures that the current that is supplied to a laser light source is as low as permissible, so that a remote interface and a process variable transmitter still have sufficient energy at the same time provided.
  • a first, locally stationed microcontroller device is provided, which serves for the controllable supply of light energy at a first output connection and for receiving digitally coded, optically transmitted information of the remote location at a first input connection of the microcontroller device.
  • An analog transmission device is electrically connected to the first, locally stationed microcontroller device and is set up in such a way that either analog or digital information or both are simultaneously transmitted to a local control system.
  • a second microcontroller is stationed at a remote location, ie remote from the first microcontroller, and is used to receive analog and / or digital signals which define the state of a process variable, such as pressure, temperature, flow, movement, density or other parameters, which was detected by a remote process variable transmitter, and for delivering optically coded status information to a second output connection.
  • a process variable such as pressure, temperature, flow, movement, density or other parameters
  • Coupled energy supply device that supplies them with electrical energy.
  • the energy supply device contains an optical-to-electrical
  • the output connection of the locally stationed equipment and the second input connection of the remotely stationed optical-to-electrical energy converter are connected to at least one optical fiber.
  • Microcontroller and the first input connection of the first, locally stationed microcontroller Furthermore, a device including the first microcontroller initially feeds light energy at an eye safe low level to the first output port.
  • the second microcontroller responds to the reception of the eye-safe low light energy value • via the first optical fiber and sends a start-up command via the optical fiber connection to the first, locally stationed microcontroller, whereby the first optical fiber has additional ones Light energy above the eye safe lower value is only supplied if it is properly connected between the corresponding output and input connections.
  • a light source energy supply device at the local location which supplies a light source, such as a gas laser, a laser diode or an LED, with electrical energy, the light source being a device for modulating the intensity of the light energy, which is provided to the first output connection , contains.
  • the first microcontroller also contains a first microprocessor for controlling the light source energy supply device and the light source modulation device.
  • the first microprocessor receives energy status information from the remotely located second microcontroller, so that regulation, in particular PI regulation (proportional integral regulation), of the optical energy, ie the laser current, is made available from the local location to the remote location is carried out in "quasi-static operation” while checking the laser voltage at regular intervals (status messages: message from six 8-bit bytes).
  • regulation in particular PI regulation (proportional integral regulation)
  • PI regulation proportional integral regulation
  • I known differently designed measuring systems which mostly contain a central signal processing unit and several electrical measuring components and in which the measured values supplied by the measuring components optically
  • Measuring components leads to a significant reduction in the life of the laser diode.
  • interference signals during optical signal transmission are a Can cause interference due to clock shift of the measuring signals (measuring currents or measuring voltage).
  • the fiber-optic interface system according to DE 695 20 371 T2 with its "quasi-static operation" only ensures that the current that is supplied to the laser light source is as low as permissible. For this reason, in practice there is no fiber-optic measuring system which has low power consumption This is particularly important because the medium or high-voltage equipment manufacturing industry can be seen as an extremely progressive, development-friendly industry that quickly takes up improvements and simplifications and puts them into practice
  • the object of the invention is to provide such a measuring system which has low energy consumption and enables reliable optical data transmission.
  • This task is based on a measuring system for medium or
  • a light receiver connected to the first optical waveguide and a microprocessor are provided in the sensor head, the
  • Sensor element which is used to record and process the values measured by the sensor element and a data communication for transmitting the processed measured values to the central measuring device via a light transmitter second optical fiber and one arranged in the central measuring device
  • the light receiver controls such that the two microprocessors perform transmission, measurement and monitoring tasks as a distributed control with bidirectional data communication, a frame synchronization signal being used both for energy supply and for deriving a clock signal for block-oriented data transmission and / or a data communication for parameterization and / or or programming between the central measuring device and the sensor head as well as preprocessing of the measured values in the sensor head, in particular a measured value correction and / or a measuring range switchover and / or reprogramming of the filter characteristics and / or an automatic adjustment in the sensor head.
  • the measuring system according to the invention has the advantage that, due to the distributed control, faults in the measuring transducer system are immediately recognized and undesired consequences, for example a false alarm or a shutdown of the means or
  • High-voltage system or the monitored device can be avoided.
  • measurements with high resolution for example from previously 12 bits to 16 bits
  • a measuring range switchover can be carried out and a measurement value correction with regard to offset, gain, temperature or
  • Lifetime (aging) can be made.
  • the automatic adjustment can be carried out both in manufacturing (thereby improved testing and manufacturing technology) and in
  • the overall low power consumption and the dynamic operating mode mean that the service life of the light transmitter (laser diode) is greater than that of the appreciated one
  • this object by a method for measuring currents or voltages in medium or high voltage systems and solved in mining with optical signal and energy transmission between a central measuring device and a sensor head with at least one sensor element, in which microprocessors arranged in the measuring device and in the sensor head carry out transmission, measurement and monitoring tasks as distributed control with bidirectional data communication, in which the measuring device Arranged microprocessor controls the energy transfer in dynamic operation in accordance with a frame synchronization signal in which, for preprocessing the measured values and / or for automatic adjustment in the sensor head, the reference voltage is measured in the climatic cabinet and stored in at least one microprocessor and in which the microprocessor arranged in the sensor head performs an adjustment process and carries out an error calculation and controls a DC-free and error-correcting data transmission.
  • the method according to the invention has the advantage that low energy consumption and reliable optical data transmission are made possible in a surprisingly simple manner, depending on the operating state between the two microprocessors as. distributed control with bidirectional data communication transfer parameters or data and the data / messages are monitored according to their data transmission quality and for timely arrival.
  • an analog-digital converter is provided in the sensor head, which is connected to the microprocessor, and the microprocessor corrects the digital supplied via the analog-digital converter. Measured value and / or supplemented by data with system information, segments the resulting data, encodes by means of block coding and provides this with information for segmentation in such a way that DC-free and error-correcting data transmission is possible;
  • This embodiment of the invention has the advantages that overdriving of amplifiers provided during data transmission is reliably prevented (due to the absence of DC voltage) and that reliable data transmission can be established by adding redundancy at the transmitter and error correction at the receiver (due to the error correctability).
  • the sensor head has a multiplexer, the inputs of which are each connected to sensor elements, the measurement channel being switched over by means of the microprocessor.
  • This development of the invention has the advantage that further measurement signals can be fed to the microprocessor, so that, for example, an adjustment in the sensor head or phase comparison measurements (several sensor heads) can be carried out.
  • an impedance converter for the tapped measurement value is connected to the output of the multiplexer and a differential amplifier is arranged between the output of the impedance converter and the input of the analog-digital converter, which is connected to the microprocessor for measuring range switching.
  • This embodiment of the invention has the advantage that the impedance converter generates a high-resistance input, the differential amplifier making it possible to adapt to the modulation limit of the analog-digital converter. Furthermore, the measuring range switchover allows the measuring system according to the invention to be used for several measuring ranges (a separate measuring system was previously required for each range).
  • AC voltage measurement an ohmic voltage divider and / or for current measurement an inductive current transformer with a downstream filter Transient and high-voltage pulse filtering and a protective element arranged serially to this.
  • the combination of filter and protective element reliably prevents the measurement from being falsified by transient and high-voltage pulses as well as the damage / destruction of the measuring system.
  • a temperature sensor is arranged in the sensor head, which is connected to one of the inputs of the multiplexer. is. Furthermore, according to claim 7, the sensor head has a reference voltage source and - for comparison - controlled by the microprocessor, the respective temperature-dependent reference voltage value can be supplied via an input of the multiplexer or a control input of the analog-digital converter.
  • This further development of the invention has the advantage that an adjustment with respect to temperature and aging, i.e. the calculation of the temperature response of the reference voltage and the temperature response and the aging of the components, for example the amplifier, is made possible.
  • a filter connected to the light receiver is preferably arranged in the sensor head. the output of which the frame synchronization signal and / or the subsequent data signal can be tapped and fed to the microprocessor.
  • the filter enables the signals of interest to be filtered out (frame synchronization / data) or the removal of higher-frequency interference signals, the frame synchronization allowing the transmitter and receiver to be synchronized in a simple manner.
  • a voltage converter connected to the light receiver is arranged in the sensor head, which serves to supply voltage in the sensor head, and the microprocessor monitors the voltage that can be tapped from the energy converter of the voltage converter.
  • the energy is supplied optically, which enables potential isolation in a simple manner.
  • By monitoring the voltage only as much energy as necessary is transmitted, which results in a longer lifespan for the light transmitter / laser diode.
  • Light pulses are preferably generated using the pulse width modulation method (instead of amplitude modulation), so that the energy consumption can be optimized.
  • a defined start-up / shutdown behavior especially communication only takes place when the necessary voltage has been reached.
  • an amplifier is arranged in front of each light transmitter and further a further amplifier is arranged downstream of the light receiver in the central measuring device.
  • amplifiers allow the energy-saving mode of operation and the flawless functioning of the light transmitters / laser diodes at the same time by generating only the necessary current for them.
  • the central measuring device has at least one interface circuit and in the central measuring device there is a digital signal processor connected to the microprocessor, which can be configured and read from the outside via the interface circuit.
  • the digital signal processor can be read out from the outside as well as configurable / programmable in a simple manner, so that, for example, other calculations can be set.
  • FIG. 1 the block diagram of the entire measuring system
  • FIG. 2 shows the block diagram of an embodiment of the sensor head according to the invention
  • FIG. 3a the structure of a transmission telegram
  • FIG. 3b, 3c the data transmission at two different sampling frequencies
  • FIG. 3d the time course of the energy transfer to the sensor head
  • FIG. 4 shows an example of the temperature response of the reference voltage VR e f
  • FIG. 5 an example of the characteristic field with compensation parabolas
  • FIG. 6a and 6b the timing diagram for the control by the microprocessor in the sensor head
  • FIG. 7 shows the block diagram of a second embodiment of the sensor head according to the invention.
  • FIG. 8 shows the processing sequence for the interpolation of the measured values (n-2) and (n-1) according to (n) and FIG. 9 the processing sequence for the correction factor determination.
  • FIG. 1 block diagram of the entire measuring system is preferably used for voltage and / or current measurement in medium or high voltage systems; this can also be used in mining.
  • a light transmitter LSI controlled by a microprocessor MP1 (for example a transmission laser with a wavelength between 800 nm and 950 nm) is provided in the central measuring device MG, which is used for Data communication and for the energy supply of the sensor head SK preferably ; emits a light superimposed on an AC and a DC component to a first optical waveguide LW1. , • .
  • FIG. 2 The block diagram of a first embodiment of the sensor head according to the invention is shown in FIG. 2, wherein a light receiver LE2 connected to the first optical waveguide LW1 and a microprocessor MP2 are provided in the sensor head SK.
  • the microprocessor MP2 after activation by the light receiver LE2, is used to control the sensor element S1, to record and process the values measured by the sensor element S1 and to transmit the processed measured values to the central measuring device MG.
  • the microprocessor MP2 controls a light transmitter LS2 arranged in the sensor head SK, the data communication taking place via a second optical waveguide LW2 to a light receiver LEI arranged in the central measuring device MG.
  • the two microprocessors MP1, MP2 carry the transmission, measurement and
  • the measurement values are preprocessed in the sensor head SK, in particular a measurement value correction and / or Measuring range switchover and / or reprogramming of the filter characteristics and / or automatic adjustment; as will be explained in more detail below.
  • a frame synchronization signal is transmitted between the central measuring device MG and the sensor head SK, which is used both for energy supply and for deriving a clock signal for block-oriented data transmission (see FIG. 3d).
  • the sensor head SK receives the supply voltage from the light transmitter LSI via the first optical fiber LW1 by means of time-discrete laser pulses, which together with the laser pulse width are a measure of the supply voltage: FIG. 3d shows the laser pulse and LI ', the pause P, the greatest width of the laser pulse LI is represented by a dotted line.
  • the central measuring device MG optionally sends a byte long data (plus start and stop bit ST, SB see FIG. 3a).
  • the following parameters can be sent, for example: Measuring range to be set, filter setting, distance between the reference measurements.
  • the data transmission takes place with the method agreed in the parameter exchange, whereby the data security can preferably take place via parity bit and checksum.
  • a timer starts in the MP2 microprocessor. If the timer runs longer than a pregivable time period, it can be assumed that the supply of the module is faulty.
  • the central measuring device MG is informed of this by a telegram, the sensor head SK goes into an idle state and waits for the next signals from the light transmitter LSI (laser diode).
  • the clock of the laser pulses LI thus controls the time of transmission of the measurement data from the sensor head SK to the central measuring device MG.
  • Each request to send data to the central measuring device MG is identified by the start of a laser pulse LI.
  • the microcontroller MP1 receives two pieces of information about its operating voltage generation for a 2-point control. For this purpose, two voltage comparators report when the laser pulse LI emits too much voltage (upper threshold) or receives too little (lower threshold), so that the laser pulse LI is gradually (decremented, i.e. reducing energy supply gradually or continuously or incremented, i.e., in certain time intervals) Energy supply gradually or continuously increase) is changed (dynamic operation).
  • One bit in the transmission telegram is sufficient for this voltage information, which the sensor head SK reports to the central measuring device MG (increase or decrease).
  • a simple threshold value control to a predefinable threshold value for example to the lower threshold value, can preferably also be carried out.
  • the influences of the measured temperature, reference voltages and offset voltage are also taken into account (see explanations below).
  • An analog-to-digital converter ADC is provided in the sensor head SK and is connected to the microprocessor MP2.
  • the microprocessor MP2 reads in the digitized measured value MW (see FIG. 3a) from the analog-digital converter ADC, carries out error correction and coding, and sends the corrected and coded data serially to the central measuring device MG via the second optical fiber LW2 .
  • the sensor head SK has a multiplexer MUX, the inputs of which are each connected to sensor elements S1 (FIG. 2, FIG. 7), the. Measuring channel switchover KU takes place by means of the microprocessor MP2.
  • An impedance converter IW for the tapped measurement value is connected to the output of the multiplexer MUX, and a differential amplifier DV with adjustable gain is arranged between the output of the impedance converter IW and the input of the analog-digital converter ADC, which serves for measuring range switchover BU and is controlled or controlled by the microprocessor MP2 is switched with adjustable gains.
  • the sensor head SK has a reference voltage source REF.
  • the microprocessor MP2 generates a correction (for example three-point calibration) from the measurement of the reference voltage.
  • the "relevant temperature-dependent reference voltage value is supplied via an input of multiplexer MUX or a control input of the analog-to-digital converter ADC , Furthermore, a filter FI connected to the light receiver LE2 is arranged in the sensor head SK, at whose output the frame synchronization signal and / or the subsequent data signal can be tapped and fed to the microprocessor MP2. In this way, the rising edge of the frame synchronization signal at the beginning of each data transmission, ie the laser pulse, can be recognized (comparator).
  • a voltage converter SPW connected to the light receiver LE2 is arranged in the sensor head SK and serves to supply voltage in the sensor head SK (including the amplifier V2), the microprocessor MP2 monitoring the voltage which can be tapped from the energy store of the voltage converter SPW.
  • the sensor element S1 for DC or AC voltage measurement has an ohmic voltage divider and / or for current measurement an inductive current transformer with downstream filter F1 for transient and high-voltage pulse filtering and a protective element SCH (for overvoltage) arranged in series therewith.
  • the voltage at the measuring shunt is measured at four points to reduce the thermal voltage, with the measuring lines being twisted and shielded and connected to a terminal block.
  • the terminal strip and also the four inner and outer screens are bridged on the terminal strip.
  • the potential of the shields serves as the reference potential in the sensor head SK and it is possible to connect several sensor heads SK (see FIG. 7) in parallel for measuring a measuring shunt.
  • a temperature sensor TS is arranged in the sensor head SK and is connected to one of the inputs of the multiplexer MUX.
  • the microprocessor MP2 calculates a correction value from the temperature and, for example, the temperature increase caused by the current flow through the shunt. With the help of this correction value and a shunt correction value (see system information S1), the error caused by the temperature change is compensated.
  • the data are coded according to the invention before transmission.
  • FIG. 3 a shows the structure for an embodiment of a send telegram.
  • the 16-bit wide data word MW supplied via the analog-to-digital converter ADC is segmented by the microprocessor MP2, for example into four bits, and these words are converted into a 7-bit code table stored in the microprocessor MP2 or a memory (not shown) encoded wide words (with segmentation information).
  • a word with system information S1 is preferably sent (voltage control, temperature, etc.).
  • the expected data volume is calculated from the blocks sent per frame.
  • 45 bits must be transmitted for a converted value of 16-bit width after coding (including start and stop bits ST, SB), which corresponds to a block.
  • start and stop bits ST, SB start and stop bits
  • different numbers of blocks have to be sent in one frame. Since the number of blocks must be an integer n, no sampling frequencies can be set. Below are some examples of transmission rates at different sampling frequencies:
  • sampling frequency 10 kHz The frame structure at two different sampling frequencies, namely preferably a sampling frequency of 60 kHz, is shown in FIG. 3b and sampling frequency 10 kHz is shown in FIG. 3c.
  • Measured values MW for example voltage values
  • the correction factors required for this are determined by a periodic adjustment process by the microprocessor MP2 arranged in the sensor head SK and are used for correction until the next adjustment. Since no current measuring voltage value MW can be read in and processed during the reading in of an adjustment value, according to the invention, instead of the regular value
  • interpolated value coded and transmitted The processing sequence for the interpolation of the measured values (n-2) and (n-1) according to (n) is shown in FIG. 8 and the processing sequence for the correction factor determination is shown in FIG. 9 shown; The difference to normal operation is emphasized by the word "or".
  • the interpolation of the measured values (n-2) and (n) after (n-1) results in an analogous manner (not shown).
  • an interpolation of the measured value (n-1) can be carried out.
  • the interval between the acquisition of the adjustment values is preferably in the range of minutes.
  • the reference voltage in the climatic cabinet is measured from the outside using a precise measuring instrument.
  • the measured values measured, for example, at temperatures of -40 ° C, 0 ° C and + 85 ° C are stored in the MP2 microprocessor; an example of this is shown in FIG. 4 shown.
  • the measured values describe a parabola that is used for error correction.
  • the parabola equation it is possible to have one for every temperature Determine the value for the reference voltage.
  • a table with intermediate values is created as follows using a parabola equation:
  • an error correction can be carried out as follows.
  • the value of the reference voltage can be determined from the table.
  • the compensation parabola is calculated with the real value of the reference voltage (temperature-dependent), the measured values of the reference voltage (pos., Neg.) And the offset at GND.
  • the correction method is reduced to multiplication and addition.
  • the correction factors can be determined with less computational effort, the temperature correction calculation of the measurement value obtained, for example, from the measuring shunt, using a polygon stored in the microprocessor MP2 and the temperature of the shunt (via the measured temperature in the sensor head SK) being carried out (the aging of the measuring shunt is carried out at not taken into account in the error calculation).
  • the time interval between the reference measurements is communicated by the microprocessor MP1 to the microprocessor MP2 of the sensor head SK during the parameterization, no measurement value being recorded during a reference measurement and the previous measurement value being transmitted.
  • the measured value is recorded directly with the frame synchronization signal.
  • FIG. 6a shows an interface circuit (serial peripheral interface) arranged between the analog-digital converter ADC and the microprocessor MP2.
  • the SPI interface is based on an 8-bit shift register.
  • the clock (SCK) is provided by the microprocessor MP2. Clock generation by the microprocessor MP2 only takes place when data is being sent. SCK is idle between transmissions. Sending and receiving take place simultaneously. While the microprocessor MP2 is sending its data, the data is received by the analog-to-digital converter ADC. It follows that data must always be sent, even when nothing is being received.
  • the in FIG. The data exchange shown in FIG. 6a shows the following: Data to SDO are sent with the falling edge, data to SDI are received with the rising edge. The SCK resting level is HIGH.
  • Tasks in the interrupt service routine are:
  • the ADC analog-to-digital converter can possibly be activated by connecting the MOSI pin (master out, slave in) to the ADC analog-to-digital converter.
  • the analog-digital converter ADC can be activated or deactivated by sending appropriate data.
  • the MUX multiplexer enables reference voltages to be applied to the ADC analog-to-digital converter. These tensions. are used by the MP2 microprocessor to correct the gain errors that occur on the analog path. The correction calculation can be switched off in order to obtain the pure measurement data of the ADC analog-digital converter in test mode. ⁇ ' ⁇
  • the power loss of the measuring system according to the invention was determined in extensive test series as follows:
  • the power loss of the voltage reference REF and the multiplexer MUX can be any power loss.
  • FIG. 7 A second embodiment with multiple sensor heads is shown in FIG. 7, using identical reference numerals.
  • the measuring system according to the invention is used wherever high demands are placed on the optical signal and energy transmission and a maximum of efficient and secure measurement data transmission must be ensured, for example in mining, in medium or high voltage systems or in industrial electronics, in particular automation technology .
  • dynamic operation based on the frame synchronization signal and a Pulse width modulation is carried out in conjunction with a two-point control or simple threshold value control (fine adjustment), the measurement values MW, which are inherently faulty, are corrected with the aid of the ambient temperature measured in the SK sensor head, the measured reference voltages and the measured offset voltage in the SK sensor head and, depending on the operating state, between the two Microprocessors MP1, MP2 as distributed control with bidirectional data communication transfer parameters or data and the data / messages according to their data transmission quality and on time
  • the measuring system according to the invention can be used in the context of real-time networking of controls (also real-time control via Ethernet or Powerlink), where the synchronizability of the participants (for example drives, fast I / Os, sensors, actuators, vision systems) with one another and the processing of the data in the control cycle of the drives is a prerequisite; the temperature TS is connected to the microprocessor MP2 via the interface circuit SPI and is queried cyclically by the latter; Instead of the microprocessors, programmable logic for the preprocessing of the measured values can also be used; Sensor signals supplied to the microprocessor MP1 from external sensors S1 via a digital signal processor DSP can be fed in, among other things.
  • controls also real-time control via Ethernet or Powerlink
  • the synchronizability of the participants for example drives, fast I / Os, sensors, actuators, vision systems
  • the processing of the data in the control cycle of the drives is a prerequisite
  • the temperature TS is connected to the microprocessor MP2 via the interface circuit SPI and is

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Abstract

Es sind unterschiedlich ausgestaltete Messsysteme bekannt, welche meist eine zentrale Signalverarbeitungseinheit und mehrere elektrische Messkomponenten enthalten und bei welchen die von den Messkomponenten gelieferten Messwerte optisch über Lichtwellenleiter übertragen werden. Um ein solches Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches einen niedrigen Energieverbrauch aufweist und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht, ist zwischen einem zentralen Messgerät (MG) und einem Sensorkopf (SK) eine optische Schleife vorgesehen, wobei die im zentralen Messgerät (MG) und im Sensorkopf (SK) angeordneten Mikroprozessoren (MPI, MP2) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, wobei ein Rahmensynchronisationssignal sowohl zur Energieversorgung als auch zur Ableitung eines Taktsignals zur blockorientierten Datenübertragung dient und wobei eine Datenkommunikation zur Parametrierung und/oder Programmierung zwischen zentralem Messgerät (MG) und Sensorkopf (SK) sowie eine Vorverarbeitung der Messwerte im Sensorkopf (SK), insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich im Sensorkopf (SK) durchgeführt wird.

Description

"Messsystem mit intelligentem Sensorkopf und reduziertem Energieverbrauch für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau und Verfahren hierzu"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf und einem zentralen Messgerät (Patentanspruch 1). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren hierzu (Patentanspruch 12). '
Zur Messung der Betriebsspannung in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen werden in der Regel Spannungswandler verwendet. Entsprechend der Betriebsspannung der Schaltanlage muss die Isolation und das Windungs-Übersetzungsverhältnis gewählt werden, um die Betriebsspannung auf eine für messtechnische Zwecke geeignete Änzeigespannung von unter 100 V herabzusetzen. Je nach Aufgabenstellung (Verrechnungsmessung, Leitungs- und Geräteschutztechnik, Betriebsmesstechnik) finden einpolig oder zweipolig isolierte Spannungswandler in den unterschiedlichsten Bauformen Anwendung.
Spannungswandler haben ganz allgemein einen hohen Anteil an Kosten der Schaltanlagenfelder und der Schaltanlagen-Messtechnik. Sie besitzen große Abmessungen und beeinflussen die Konstruktion der Schaltanlage. Sie . sind empfindlich gegen Überspannungen und stellen gerätetechnisch das schwächste Glied im Schaltanlagenbau dar. Sekundär-Verbindungsleitungen zwischen Spannungswandler und Schutzrelais oder zwischen Spannungswandler und
Messeinrichtung können durch Magnetfelder, Erdschlussströme, Kurzschlussströme und Störfelder stark beeinflusst werden, wodurch vielfach das Messergebnis verfälscht wird. Aus der DE 37 27 950 C2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Spannungsmessungen in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen bekannt, welche einen vollständigen Ersatz für die Verwendung von Spannungswandlern im Rahmender Betriebsmesstechnik bietet. Die dort verwendeten opto-elektronischen Sensoren ermöglichen eine elektrische und mechanische Entkopplung zwischen Messort und Anzeige, sind unempfindlich gegen Störfelder und Überspannungen und zeichnen sich außerdem durch geringe Abmessungen und verhältnismäßig niedrige Kosten aus. Zur Durchführung von Spannungsmessungen in Form einer Phasenvergleichsmessung sind im einzelnen zwei am Teilerstützer mit Koppelelektrode angeschlossene opto-elektronischem Sensoren vorgesehen. Ferner sind zwei opto-elektronische Sensoren in ferroelektrischer Bauform vorgesehen, die über Lichtleiter mit je einer entfernt angeordneten Sende-Empfangseinrichtung verbunden sind und durch diese Sende-Empfangseinrichtungen im Reflexionsverfahren zeitgleich abgetastet werden. An die beiden Sende-Empfangseinrichtungen ist ein Phasenvergleichsgerät angeschlossen, wobei zwei mit den beiden Sende-Empfangseinrichtungen verbundene Komparatoren das zugeführte Analog-Eingangssignal in ein Rechtecksignal umformen. Zwei an die Komparatoren angeschlossene, monostabile Multivibratoren erzeugen aus den Rechtecksignalen mit den Nulldurchgängen der beiden Phasen synchrone kurze Impulse. Schließlich ist ein mit dem Ausgang der beiden Multivibratoren verbundener Summenzähler vorgesehen, der zeitgleich einlaufende Impulse als einen einzigen Impuls, zeitlich versetzt einlaufende Impulse dagegen als gesonderte Impulse zählt und an die Ausgänge des Summenzählers sind Einrichtungen zur Auswertung und Anzeige von Phasengleichheit, Phasenopposition, Fehlen einer Phasen-Störung und Funktionsfähigkeit angeschlossen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist parallel zum zwischen Koppelelektrode und Erde angeordneten Kondensator eine Reihenschaltung mit einer Diode und einer weiteren Kapazität angeordnet und parallel hierzu ist ein spannungsabhängiger CMOS-Impulsgenerator geschaltet. An die Ausgänge des Impulsgenerators ist über einen Kondensator der in ferroelektrischer Bauform ausgebildete opto-elektronische Sensor angeschlossen, welcher über den Lichtleiter mit einem Licht-Sende-Em fangsgerät mit Messverstärker verbunden ist. Der Messverstärker enthält ein als Digital-Analog-Wandler oder Frequenz-Spannungswandler ausgebildetes Element zur Umsetzung der Impulsfrequenz in einen für den Eingang eines Spannungsmessgerätes geeigneten Wert. Bei der Vorrichtung gemäß der DE 37 27 950 C2 erfolgt die Signalverarbeitung und -auswertung entfernt vom Messort, nämlich zentral.
Aus der DE 38 24 000 C2 ist eine Überwachungseinrichtung zum Schutz gegen eine Mastbeschädigung bekannt, bei der außer LWL-Sensoren auch andere Sensoren eingesetzt werden können. Im einzelnen ist an jedem Mastfuß als Sensor ein Lichtwellenleiter, ein Infrarotdetektor oder ein Körperschallmikrofon eingesetzt und von ihm aus eine Lichtwellenleiterleitung zum Überwachungsgerät geführt. Beim LWL-Sensor ist ein abgemantelter Lichtwellenleiter in Form einer Schleife an einem Eckstielfuß des Mastes entlanggeführt, und er geht am oberen Ende des Überwachungsbereichs in eine doppeladrige ummantelte LWL-Leitung über. Diese Leitung ist längs eines Masteckstiels bis zu einem zentralen Überwachungsgerät weitergeführt, das in einem Metallgehäuse im oberen Drittel des Mastes auf einer Masttraverse angeordnet ist. Außer dem zentralen- Überwachungsgerät gibt es zu jedem Infrarotdetektor und Körperschallmikrofon ein einzelnes Überwachungsgerät, das als ein Elektronikmodul in einem Metallgehäuse ausgebildet und am oberen Ende des Überwachungsbereichs in einem Eckstiel des Mastes angeordnet ist. Von ihm aus ist eine einadrige LWL-Leitung zu dem zentralen Überwachungsgerät geführt. Während Infrarotdetektor oder Körperschallmikrofon in dem Signalgerät eingebaut sind, ist beim LWL-Sensor lediglich dessen Leitung in das Signalgerät eingeführt. In dem Zentralgerät werden die von den Einzelgeräten ausgesendeten optischen Signale umgesetzt und der Bewertungslogik zugeführt, die im Zusammenwirken mit der Ablaufsteuerung die Alarmmeldung über eine Datenfunkstrecke zur Warte übersetzt. Dort kann unterschieden werden, von welchen Signalgeräten die Meldung ausgelöst
/ wurde. Die Signalgeräte mit Infrarotdetektor oder Körperschallmikrofon haben eine Batterieversorgung und folgende in Reihe geschaltete Aufbauteile: Sensor, Verstärker, Filter, Bewertungslogik. Lichtsendediode und Buchse für den Stecker der LWL-Leitung zum Zentralgerät. Dabei ist zu einem passiven Infrarotdetektor ein HP-Filter zur Unterdrückung unerwünschter Temperaturausgänge, dagegen zu einem Körperschallmikrofon ein aktiver BP-Filter zur Frequenzselektion eingesetzt. In der Bewertungslogik wird entschieden, ob es sich um einen Alarmfall handelt oder nicht. Bei der Überwachungseinrichtung gemäß der DE 38 24 000 C2 erfolgt am Messort schon eine Signalvorverarbeitung und- auswertung.
Ein kombinierter Strom- und Spannungswandler für Freiluftschaltanlagen mit einem semi-konventionellen Spannungswandler in Form eines CC-, RR- oder RC-Teilers und einem rein optischen Stromwandler in Form einer den Hochspannungsleiter umgebenden Lichtwellenleiterschleife ist aus der DE 198 32 707 C2 bekannt. Weiterhin ist eine gemeinsame, auf Erdpotential liegende Wandlerauswerteeinrichtung für den Stromwandler und den Spannungswandler vorgesehen. Auf diese Weise können bei der Auswertung der Signale von dem Spannungswandlerteil und dem Stromwandlerteil die Messgrößen der einzelnen Phasen einander zugeordnet werden, und es kann eine phasensynchrone Messung der einzelnen Phasen stattfinden.
Weiterhin ist aus der DE 195 43 363 C2 eine Messwandleranordnung zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsanlagen, mit mindestens einem Strom- oder Spannungssensor zum -Erfassen der Messwerte, mit mindestens einem Kodierer zum Kodieren der Messwerte, mit mindestens einem Lichtsender zum
Senden und mindestens einem Lichtempfänger zum Empfangen der kodierten
Messwerte, und mit mindestens einem Dekodierer zum Dekodieren der Messwerte am Empfangsort bekannt. Um die Messwandleranordnung auf einfache Weise in einer
Mittel- oder Hochspannungsanlage zu installieren und ohne großen Aufwand an die jeweiligen Messerfordernisse anzupassen, ist die Messwandleranordnung aus untereinander kombinierbaren Modulen mit standardisierten Schnittstellen zusammengestellt Weiterhin ist mindestens ein Sensormodul mit dem Strom- oder Spannungssensor, mindestens ein Sendermodul mit dem Kodierer und dem Lichtsender und mindestens ein Empfängermodul mit dem Lichtempfänger und dem Dekodierer vorgesehen. Das Sensormodul und Sendermodul sind in ihren Abmessungen und Anschlüssen aufeinander abgestimmt und mechanisch zu einer Hochspannungsbaugruppe zusammengefügt, die als Einheit eine einfache Montage in der Hochspannungsanlage gewährleistet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sensormodul zur Messung von Gleich- oder Wechselspannungen einen Spannungssensor in Form eines vorzugsweise frequenzkompensierten ohmschen Teilers auf, wobei dieser niederspannungsseitig mit einem Überspannüngsableiter versehen ist. Das Seήdermodul kann als Kodierer einen Spannungs-Frequenz- Wandler zur Erzeugung eines gepulsten Trägersignals und einen Lichtsender mit mindestens einer Senderdiode zur Umwandlung des Trägersignals in Lichtimpulse aufweisen. Das Empfängermodul weist dementsprechend einen Lichtempfänger mit einer lichtempfindlichen Empfangsdiode zur Umwandlung von Lichtimpulsen in ein elektrisches gepulstes Trägersignal und als Dekodierer einen Frequenz-Spannungs- Wandler auf. Sendermodul und Empfängermodul sind dabei durch einen Lichtwellenleiter optisch miteinander verbunden. Weiterhin weist die Hochspannungsbaugruppe eine Hilfsenergieversorgungseinheit für die Versorgung des Sendermoduls auf, wobei die Hilfsenergieversorgungseinheit über Lichtwellenleiter gespeist wird.
Weiterhin ist aus der DE 100 10 913 Cl eine Vorrichtung zum Überwachen der
Gasdichte einer isoliergasgefüllten, durch Schottstellen in mehrere- Leitungsabschnitte unterteilten Hochspannungsübertragungsleitung bekannt, welche im Bereich der
Schottstellen angeordnete Komponenten zum Messen der Gasdichte in den • Leitungsabschnitten und zum Senden von Messresultaten und eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen und Auswerten der Messresultate enthält. Im einzelnen ist vorgesehen, dass die Messkomponenten von einer zentral angeordneten, eine Lichtquelle enthaltenden Energiequelle über mindestens eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Energieversorgungsleitung, gespeist werden, die Messkomponenten opto-elektrische Energiewandler zum Umwandeln von Licht in elektrische Energie enthalten, und mehrere Messkomponenten seriell über eine gemeinsame Energieversorgungsleitung mit der Lichtquelle verbunden sind. Die Energieversorgungsleitung und die Signalübertragungsleitung können auch kombiniert in der Form eines einfachen Lichtwellenleiters ausgebildet werden. Die Messkomponente setzt sich im wesentlichen aus einer Energieaufbereitungseinheit, einer Recheneinheit und einer Sensoreinheit zusammen. Die
Energieaufbereitungseinheit wird von einer eine Lichtquelle enthaltenden Energiequelle über eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Energieversorgungsleitung und einen opto-elektrischen Energiewandler mit Energie versorgt. Je nach Konfiguration der Überwachungsvorrichtung enthält die Lichtquelle ein oder mehrere Laser-Dioden-Module mit je bis zu 500 mW Leistung. Weiterhin enthält die Energieaufbereitungseinheit einen Kondensator, beispielsweise ein Low Leakage Current ELKO oder ein Array aus Tantal- oder Keramikkondensatoren, der die von der Energiequelle abgegebene Energie speichert und bei Bedarf an die Recheneinheit abgibt. Die im wesentlichen einen Mikroprozessor umfassende Recheneinheit dient denn Ansteuern der Sensoreinheit, dem Erfassen und Aufbereiten der von der Sensoreinheit gemessenen Werte und dem Übermitteln der aufbereiteten Messwerte über eine Lichtdiode, eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Signalübertragungsleitung und ein Lichtsensor an die Signalverarbeitungseinheit. Beim zugehörigen Verfahren zum Überwachen der Gasdichte einer isoliergasgefüllten
Hochspannungsübertragungsleitung ist vorgesehen, dass die Messkomponente während einem Abwartzustand von der Energiequelle mit konstanter Leistung gespeist wird, anschließend die Gasdichte durch die Messkomponente gemessen wird, der Messwert an die Signalverarbeitungseinheit übertragen wird, und anschließend die Messkomponente bis zum nächsten Messen in den Abwartzustand zurückgeführt wird'.
Schließlich ist aus der DE 695 20 371 T2 ein faseroptisches Schnittstellensystem bekannt, bei dem eine Regelung dafür sorgt, dass der Strom, der einer Laserlichtquelle zugeführt wird, so niedrig wie zulässig ist, damit gleichzeitig einer entfernten Schnittstelle und einem Prozessvariablen-Sender noch ausreichende Energie bereitgestellt wird. Im einzelnen ist eine erste, lokal stationierte MikrocontroUereinrichtung vorgesehen, welche zum regulierbaren Zuführen von Lichtenergie an einem ersten Ausgangsanschluss und zum Empfangen von digital codierten, optisch übertragenen Informationen des entfernten Orts an einem ersten Eingangsanschluss der MikrocontroUereinrichtung dient. Eine An-alogsendeeinrichtung ist elektrisch an die erste, lokal stationierte MikrocontroUereinrichtung angeschlossen und so eingerichtet, dass wahlweise entweder analoge oder digitale Informationen oder beides gleichzeitig an ein lokales Steuersystem übermittelt werden. Eine zweite MikrocontroUereinrichtung ist an einem entfernten Ort stationiert, d.h. entfernt von der ersten MikrocontroUereinrichtung, und dient zum Empfang von analogen und/oder digitalen Signalen, welche den Zustand einer Prozessvariablen, wie Druck, Temperatur, Fluss, Bewegung, Dichte oder andere Parameter definieren, die von einem entfernten Prozessvariablen-Sender erfasst wurde, und zur Abgabe optisch codierter Zustandsinformationen an einen zweiten Ausgangsanschluss. An die zweite Mikrocontrollereii-richtung und den entfernten Prozessvariablen-Sender ist eine
. Energieversorgungseinrichtung gekoppelt, die diese mit elektrischer Energie versorgt.
Die Energieversorgungseinrichtung enthält einen optisch-zu-elektrisch
Energiekonverter mit einem zweiten Eingangsanschluss. Zwischen, dem ersten
Ausgangsanschluss der lokal, stationierten Ausrüstung und dem zweiten Eingangsanschluss des entfernt stationierten optisch-zu-elektrisch Energiekonverters ist mindestens eine optische Faser angeschlossen. Dieselbe oder eine zweite optische
- Faser ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss der entfernt stationierten
MikrocontroUereinrichtung und dem ersten Eingangsanschluss der ersten, lokal stationierten MikrocontroUereinrichtung angeschlossen. Weiterhin leitet eine Einrichtung, die die erste MikrocontroUereinrichtung einschließt, dem ersten Ausgangsanschluss anfänglich Lichtenergie mit einem augensicheren niedrigen Wert zu. Die zweite MikrocontroUereinrichtung spricht auf den Empfang des augensicheren niedrigen Lichtenergiewerts • über die erste optische Faser, an und sendet über die optische Fäserverbindung einen Hochfahrbefehl an die erste, lokal stationierte MikrocontroUereinrichtung, wodurch der ersten optischen Faser zusätzliche Lichtenergie oberhalb des augensicheren niedrigeren Werts nur dann zugeleitet wird, wenn sie ordnungsgemäß zwischen den entsprechenden Ausgangs- und Eingangsanschlüssen angeschlossen ist. Weiterhin gibt es an dem lokalen Ort eine Lichtquellen-Energieversorgungseinrichtung, die eine Lichtquelle, wie etwa einen Gaslaser, eine Laserdiode oder eine LED, mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Lichtquelle eine Einrichtung zur Modulation der Intensität der Lichtenergie, welche dem ersten Ausgangsanschluss bereitgestellt wird, enthält. Die erste MikrocontroUereinrichtung enthält auch einen ersten Mikroprozessor zur Steuerung der Lichtquellen-Energie-Versorgungseinrichtung und der Lichtquellen- Modulationseinrichtung. Der erste Mikroprozessor empfängt Energie- Statusinformationen von der entfernt stationierten zweiten MikrocontroUereinrichtung, so dass eine Regelung, insbesondere eine PI-Regelung (Proportional-Integral- Regelung), der optischen Energie, d.h. des Laserstrorήs, die von dem lokalen Ort an den entfernten Ort bereitgestellt wird, im „quasistatischen Betrieb" unter Überprüfung der Laserspannung in regelmäßigen Zeitabständen (Statusmeldungen: Nachricht aus sechs 8-Bit Bytes) erfolgt.
Wie die vorstehende Würdigung des Standes, der Technik aufzeigt, sind
I unterschiedlich ausgestaltete Messsysteme bekannt, welche meist eine zentrale Signalverarbeitungseinheit und mehrere elektrische Messkomponenten enthalten und bei welchen die von den Messkomponenten gelieferten Messwerte optisch über
Lichtwellenleiter übertragen werden. Da von solchen Messsystemen jedoch eine hohe
Betriebssicherheit, beispielsweise bei der Überwachung eines
Hochspannungsleistungsschalters, gefordert wird, ist eine sichere Messwerterfassung und zuverlässige faseroptische Datenübertragung wünschenswert. Zuwenig Beachtung findet jedoch, dass die ständige Ansteuerung der, Laserdiode zur Fernspeisung der
Messkompoμente zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer der Laserdiode führt. Hinzu kommt, dass wegen von der Hochspannungs anläge ausgehenden elektromagnetischen Einflüssen, insbesondere aufgrund von Schaltvorgängen bei hohem Spannungsniveau, Störsignale bei der optischen Signalübertragung eine Störung durch Taktverschiebung der Messsignale (Messströme bzw. Messspanήung) bewirken können. Auch das faseroptische Schnittstellensystem gemäß der DE 695 20 371 T2 mit seinem „quasistatischen Betrieb" sorgt nur dafür, dass der Strom, der der Laserlichtquelle zugeführt wird, so niedrig wie zulässig ist. Deshalb fehlt in der Praxis ein faseroptisches Messsystem, welches einen niedrigen Leistungsverbrauch aufweist und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht. Besonders- bedeutsam ist dies, weil die Mittel- oder Hochspannungsanlager--,, herstellende Industrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt. i
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Messsystemen die Aufgabe zugrunde, ein solches Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches einen niedrigen Energieverbrauch aufweist und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Messsystem für Mittel- oder
Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und
Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf mit mindestens einem Sensorelement und einem zentralen Messgerät, gelöst, indem • im zentralen Messgerät ein von einem Mikroprozessor gesteuerter Lichtsender vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur Energieversorgung des
Sensorkopfs ein aus verschiedenen Komponenten überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter abgibt,
• im Sensorkopf ein an den ersten Lichtwellenleiter angeschlossener Lichtempfänger und ein Mikroprozessor vorgesehen sind, wobei der
Mikroprozessor nach Aktivierung durch den Lichtempfänger zum Ansteuern des
Sensorelements, dem Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement gemessenen Werte dient und eine Datenkommunikation zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät über einen Lichtsender, einen zweiten Lichtwellenleiter und einen im zentralen Messgerät angeordneten
Lichtempfänger steuert, derart, dass die beiden Mikroprozessoren Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung , mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, wobei ein Rahmensynchronisationssignal sowohl zur Energieversorgung als auch zur Ableitung eines Taktsignals zur blockorientierten Datenübertragung dient und/oder eine Datenkommunikation zur Parametrierung und/oder Programmierung zwischen zentralem Messgerät und ,Sensorkopf sowie eine Vorverarbeitung der Messwerte im Sensorkopf, insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/όder ein automatischer Abgleich im Sensorkopf, durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist den Vorteil auf, dass durch die verteilte Steuerung Störungen im Messwandlersystem sofort erkannt und ungewünschte Folgen, beispielsweise ein Fehlalarm oder ein Abschalten der Mittel- oder
Hochspannungsanlage bzw. des überwachten Geräts vermieden werden können.
Weiterhin können Messungen mit hoher Auflösung (beispielweise von bisher 12 Bit auf 16 Bit) sowie eine Messbereichsumschaltung durchgeführt werden und im Sensorkopf kann eine Messwertkorrektur hinsichtlich Offset, Gain, Temperatur oder
Lifetime (Alterung) vorgenommen werden. Der automatische Abgleich kann sowohl bei der Fertigung (dadurch verbesserte Prüf- und Fertigungstechnologie) als auch im
Betrieb erfolgen. Weiterhin wird beim erfindungsgemäßen Messsystem eine kombinierte Energie-Datenübertragungssteuerung ermöglicht und durch den insgesamt hierfür erforderlichen niedrigen Leistungsverbrauch und die dynamische Betriebsweise wird die Lebensdauer des Lichtsenders (Laserdiode), im Vergleich zum gewürdigten
Stand der Technik, beträchtlich erhöht.
*
Weiterhin wird diese Aufgabe, gemäß Patentanspruch 12, durch ein Verfahren zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspanήungsanlagen und im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät und einem Sensorkopf mit mindestens einem Sensorelement gelöst, bei dem im Messgerät und im Sensorkopf angeordnete Mikroprozessoren Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, bei dem der im Messgerät angeordnete Mikroprozessor die Energieübertragung im dynamischen Betrieb nach Maßgabe eines Rahmensynchronisationssignals steuert, bei dem zur Vorverarbeitung der Messwerte und/oder zum automatischen Abgleich im Sensorkopf eine Vermessung der Referenzspannung im Klimaschrank und Abspeicherung in mindestens einem Mikroprozessor erfolgt und bei dem der im Sensorkopf angeordnete Mikroprozessor einen Abgleichvorgang und eine Fehlerrechnung durchführt und eine gleichspannungsfreie und fehlerkorrigierende Datenübertragung steuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache Art und Weise ein niedriger Energieverbrauch und eine sichere optische Datenübertragung ermöglicht werden, wobei je nach Betriebszustand zwischen den beiden Mikroprozessoren als . verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation Parameter oder Daten übertragen und die Daten/Meldungen nach deren Datenübertragung-Güte und auf zeitgerechtes Eintreffen überwacht werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, im Sensorkopf ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen, welcher mit dem Mikroprozessor verbunden ist, und der Mikroprozessor korrigiert den über den Analog-Digital- Wandler zugeführten digitalen . Messwert und/oder ergänzt um Daten mit Systeminformation, segmentiert die resultierenden Daten, kodiert mittels Blockkodierung und versieht diese mit Informationen zur Segmentierung derart, dass eine gleichspannungsf eie und fehlerkorrigierende Datenübertragung ermöglicht ird; Diese Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorteile auf, dass ein Übersteuern von bei der Datenübertragung vorgesehenen Verstärkern zuverlässig verhindert wird (infolge der Gleichspannungsfreiheit) und dass durch Hinzufügen von Redundanz am Sender und Fehlerkorrektur am Empfänger eine sichere Datenübertragung aufgebaut werden kann (infolge der Fehlerkorrigierbarkeit).
In Weiterbildung der Erfindung weist, gemäß Patentanspruch 3, der Sensorkopf einen Multiplexer auf, dessen Eingänge jeweils an Sensorelemente angeschlossen sind, wobei die Messkanalumschaltung mittels, des Mikroprozessors erfolgt. Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, , dass weitere Messsignale dem Mikroprozessor zugeführt werden können, wodurch beispielsweise ein Abgleich im Sensorkopf oder Phasenvergleichmessungen (mehrere Sensorköpfe) durchführbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 4, am Ausgang des Multiplexers ein Impedanzwandler für den abgreifbaren Messwert angeschlossen und zwischen Ausgang des Impedanzwandlers und Eingang des Analog-Digital-Wandlers ist ein Differenzverstärker angeordnet, welcher zur Messbereichsumschaltung mit dem Mikroprozessor verbunden ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Impedanzwandler einen hochohmigen Eingang erzeugt, wobei der Differenzverstärker die Anpassung an die Aussteuergrenze des Analog-Digital- Wandler ermöglicht. Weiterhin erlaubt die Messbereichsumschaltung den Einsatz des erfindungsgemäßen Messsystems für mehrere Messbereiche (wobei bisher für jeden Bereich ein separates Messsystem erforderlich war).
Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 5, das Sensorelement zur Gleich- oder
Wechselspannungsmessung einen ohmschen Spannungsteiler und/oder zur Strommessung einen induktiven Stromwandler mit nachgeordnetem Filter zur Transienten- und Hochspannungsimpulsfilterung und ein seriell hierzu angeordnetes Schutzelement auf.
Die Kombination aus Filter und Schutzelement verhindert zuverlässig sowohl die Verfälschung der Messung durch Transienten- und Hochspannungsimpulse als auch die Beschädigung/Zerstörung des Messsystems.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 6, im Sensόrkopf ein Temperatursensor angeordnet, welcher an einem der Eingänge des Multiplexers angeschlossen . ist. Weiterhin weist, gemäß Patentanspruch 7, der Sensorkopf eine Referenzspannungsquelle auf und - zum Abgleich - ist gesteuert durch den Mikroprozessor der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert über einen Eingang des Multiplexers oder einem Steuereingang des Analog-Digital- Wandler zuführbar.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache Art und Weise eine Durchführung eines Abgleichs bzgl. Temperatur und Alterung, d.h. das Herausrechnen des Temperaturgangs der Referenzspannung und des Temperaturgangs und der Alterung der Bauelemente, beispielsweise der Verstärker, ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist, gemäß Patentanspruch 8, im Sensorkopf ein mit dem Lichtempfänger verbundenes Filter angeordnet, an . dessen Ausgang das Rahmensynchronisationssignal und/oder das nachfolgende Datensignal abgreifbar und dem Mikroprozessor zuführbar ist.
Das Filter ermöglicht das Herausfiltern der interessierenden Signale (Rahmensynchronisation/Daten) bzw. das Entfernen höherfrequenter Störsignale, wobei die Rahmensynchronisation auf einfache Art und Weise die Synchronisation von Sender und Empfänger ermöglicht. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 9, im Sensorkopf ein mit dem Lichtempfänger verbundener Spannungswandler angeordnet, welcher zur Spannungsversorgung im Sensorkopf dient und der Mikroprozessor überwacht die am Energiespeicher des Spannungswandlers abgreifbare Spannung.
Beim erfindungsgemäßen Messsystem erfolgt die Energieversorgung auf optischem Wege, wodurch auf einfache Art und Weise eine Potentialtrennung ermöglicht wird. Durch die Überwachung der Spannung wird nur soviel Energie wie nötig übertragen, wodurch sich eine längere Lebensdauer des Lichtsenders/der Laserdiode ergibt. Die Erzeugung von Lichtimpulsen erfolgt vorzugsweise mit dem Verfahren der Pulsweiten-Modulation (anstelle einer Amplitudenmodulation), so , dass der Energieverbrauch optimiert werden kann. Weiterhin findet ein definiertes Anlauf- /Abfahrverhalten (insbesondere Kommunikation) nur statt, wenn die notwendige, Spannung erreicht ist. -
Vorzugsweise ist, gemäß Patentanspruch 10, vor jedem Lichtsender ein Verstärker angeordnet u&d weiterhin ist ein weiterer Verstärker dem Lichtempfänger im zentralen Messgerät nachgeordnet. "
Die Verwendung von Verstärkern erlaubt gleichzeitig die energiesparende Arbeitsweise und ein einwandfreies Arbeiten der Lichtsender/Laserdioden durch die Erzeugung nur des notwendigen Stroms für diese.
Schließlich weist, gemäß Patentanspruch 11, das zentrale Messgerät mindestens eine Schnittstellenschaltung auf und im zentralen Messgerät ist ein mit dem Mikroprozessor verbundener digitaler Signalprozessor angeordnet, welcher über die Schnittstellenschaltung von außen her konfigurierbar als auch auslesbar ist. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise der digitale Signalprozessor sowohl von außen auslesbar als auch konfigurierbar/programmierbar, wodurch z.B. andere Berechnungen einstellbar sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
FIG. 1 das Blockschaltbild des gesamten Messsystems,
FIG. 2 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs,
FIG. 3a den Aufbau eines Sendetelegramms, FIG. 3b, 3c die Datenübertragung bei zwei verschiedenen Abtastfrequenzen und FIG. 3d den zeitlichen Verlauf der Energieübertragung zum Sensorkopf,
FIG. 4 ein Beispiel für den Temperaturgang der Referenzspannung VRef,
FIG. 5 ein Beispiel für das Kennlinienfeld mit Ausgleichparabeln,
FIG. 6a und 6b den Zeitablaufplan für die Steuerung durch den Mikroprozessor im ' Sensorkopf,
FIG. 7 das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs,
FIG.8 die Verarbeitungsfolge für die Interpolation der Messwerte (n-2) und (n-1) nach (n) und FIG. 9 die Verarbeitungsfolge für die Korrekturfaktorermittlung.
Das in FIG. 1 dargestellte Blockschaltbild des gesamten Messsystems dient vorzugsweise für die Spannungs- und/oder Strommessung in Mittel- oder > Hochspannungsanlagen; weiterhin kann dieses auch im Bergbau eingesetzt werden.
Zur optischen Signal- und Energieübertragung zwischen einem Sensorkopf SK mit mindestens einem Sensorelement Sl und einem zentralen Messgerät MG ist im zentralen Messgerät MG ein von einem Mikroprozessor MP1 gesteuerter Lichtsender LSI (beispielsweise ein Sendelaser mit einer Wellenlänge zwischen 800nm und 950nm) vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur Energieversorgung des Sensorkopfs SK vorzugsweise ;ein aus einer Wechselstrom- und einer Gleichstromkomponente überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter LW1 abgibt. . •.
Das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorkopfs ist in FIG. 2 dargestellt, wobei im Sensorkopf SK ein an den ersten Lichtwellenleiter LW1 angeschlossener Lichtempfänger LE2 und ein Mikroprozessor MP2 vorgesehen sind. Erfindungs gemäß dient der Mikroprozessor MP2 nach Aktivierung durch den Lichtempfänger LE2 zum Ansteuern des Sensorelements Sl, zum Erfassen und Aufbereiten der vom Sensorelement Sl gemessenen Werte und zur Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen- Messgerät MG. Hierzu steuert der Mikroprozessor MP2 einen im Sensorkopf SK angeordneten Lichtsender LS2 an, wobei die Datenkommunikation über einen zweiten Lichtwellenleiter LW2 zu einem im zentralen Messgerät MG angeordneten Lichtempfänger LEI erfolgt.
Die beiden Mikroprozessoren MP1, MP2 führen die Übertragungs-,, Mess- und
Überwachungsaufgaben als . verteilte Steuerung mit bidirektionaler
Datenkommunikation durch. Weiterhin erfolgt erfindungsgemäß eine Vorverarbeiturig der Messwerte im Sensorkopf SK, insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich; wie nachfolgend näher erläutert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Rahmensynchronisationssignal zwischen zentralem Messgerät MG und Sensorkopf SK übertragen, welches sowohl zur Energieversorgung als auch zur Ableitung eines Taktsignals zur blockorientierten Datenübertragung dient (siehe FIG. 3d). Dabei bezieht der Sensorkopf SK die Versorgungsspannung aus dem Lichtsender LSI über den ersten Lichtwellenleiter LW1 mittels zeitdiskreter Laser - Pulse, welche zusammen mit der Laser- Pulsweite ein Maß für die Versorgungsspannung sind: FIG. 3d zeigt den Laser-Impuls LI und'die Pause P, wobei die größte Weite des Laserimpulses LI durch eine Punktlinie dargestellt ist. Nach dem Laserimpuls LI sendet das zentrale Messgerät MG optional ein ein Byte langes Datum (plus Start- und Stoppbit ST, SB siehe FIG. 3a). Dabei können beispielsweise folgende Parameter gesendet werden: einzustellender Messbereich, Filtereinstellung, Abstand zwischen den Referenzmessungen. Die Datenübertragung erfolgt mit dem im Parameteraustausch vereinbarten Verfahren, wobei die Datensicherheit vorzugsweise über Paritätsbit und Prüfsumme erfolgen kann. Bei jedem ' erkannten Rahmensynchronisationssignal startet ein Timer im Mikroprozessor MP2. Läuft der Timer länger als eine vorgebbäre Zeitdauer ist davon ausgehen, dass die Versorgung der' Baugruppe fehlerhaft ist. Dem zentralem Messgerät MG wird dies durch ein Telegramm mitgeteilt, der Sensorkopf SK geht in einen Ruhezustand und wartet auf die nächsten Signale des Lichtsenders LSI (Laserdiode). Der Takt der Laserimpulse LI steuert also den Zeitpunkt der Übertragung der Messdaten vom Sensorkopf SK zum zentralen Messgerät MG. Jede Aufforderung Daten an das zentrale Messgerät MG zu' senden, wird durch den Beginn eines Laserimpulses LI gekennzeichnet. Der Mikrocontroller MP1 erhält dabei für eine 2-Punktregelung zwei Informationen über seine Betriebsspannungserzeugung. Hierzu melden zwei Spannungs-Komparatoren, wenn der Laserimpuls LI zu viel Spannung abgibt (oberer Schwellenwert) oder zu wenig erhält (unterer Schwellenwert), so dass der Laserimpuls LI in bestimmten Zeitabständen schrittweise (dekrementiert, d.h. Energiezufuhr schrittweise oder stufenlos reduzieren oder inkrementiert, d.h. Energiezufuhr schrittweise oder stufenlos erhöhen) verändert wird (dynamischer Betrieb). Für diese Spannungsinformation reicht ein Bit im Sendetelegramm aus, welches der Sensorkopf SK zum zentralen Messgerät MG meldet (vergrößern oder verkleinern). Vorzugsweise kann auch eine einfache Schwellwertsteuerung auf einen vorgebbaren Schwellenwert, beispielsweise auf den unteren Schwellenwert, vorgenommen werden. Bei diesem dynamischen Betrieb werden, da der Sensorkopf SK großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, auch die Einflüsse der gemessenen Temperatur, Referenzspannungen und Offsetspannung (Messung gegen Masse) berücksichtigt (siehe nachfolgende Erläuterungen).
Im Sensorkopf SK ist ein Analog-Digital-Wandler ADC vorgesehen, welcher mit dem Mikroprozessor MP2 verbunden ist. Im Normalbetrieb liest der Mikroprozessor MP2 seriell den digitalisierten Messwert MW (siehe FIG. 3a) vom Analog-Digital-Wandler ADC ein, führt eine Fehlerkorrektur und Codierung durch, und sendet die korrigierten und codierten Daten seriell über den zweiten Lichtwellenleiter LW2 zum zentralen Messgerät MG. Der Sensorkopf SK weist einen Multiplexer MUX auf, dessen Eingänge jeweils an Sensorelemente Sl (FIG. 2, FIG. 7) angeschlossen sind, wobei die . Messkanalumschaltung KU mittels des Mikroprozessors MP2 erfolgt. Am Ausgang des Multiplexers MUX ist ein Impedanzwandler IW für den abgreifbaren Messwert angeschlossen und zwischen Ausgang des Impedanzwandlers IW und Eingang des Analog-Digital-Wandlers ADC ist ein Differenzverstärker DV mit einstellbarer Verstärkung angeordnet, die zur Messbereichsumschaltung BU dient und vom Mikroprozessor MP2 angesteuert wird bzw. bei einstellbaren Verstärkungen umgeschaltet wird. Weiterhin weist der Sensorkopf SK eine Referenzspannungsquelle REF auf. Der Mikroprozessor MP2 erzeugt aus der Messung der Referenzspannung eine Korrektur (beispielsweise Drei-Punkt-Kalibrierung). Mit dieser Kalibrierung eliminiert das erfindungsgemäße Meßsystem den Gain - Fehler und Offset - Fehler (solange . die Nichtliniarität vernachlässigbar klein ist), wobei der "jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert über einen Eingang des Multiplexers MUX oder einen Steuereingang des -Analog-Digital-Wandler ADC zugeführt wird. Weiterhin ist im Sensorkopf SK ein mit dem Lichtempfänger LE2 verbundenes Filter FI angeordnet, an dessen Ausgang das Rahmensynchronisationssignal und/oder das nachfolgende Datensignal abgreifbar und dem Mikroprozessor MP2 zuführbar ist. Hierdurch kann die steigende Flanke des am Anfang jeder Datenübertragung stehenden Rahmensynchronisationssignals, d.h. des Laserpulses, (Komparator) erkannt werden. Weiterhin ist im Sensorkopf SK ein mit dem Lichtempfänger LE2 verbundener Spannungswandler SPW angeordnet, welcher zur Spannungsversorgung im Sensorkopf SK (einschließlich. des Verstärkers V2) dient, wobei der Mikroprozessor MP2 die am Energiespeicher des Spannungswandlers SPW abgreifbare Spannung überwacht.
Bei den in FIG.2 oder -FIG. 7 dargestellten Ausführungsformen weist - das Sensorelement Sl zur Gleich- oder Wechselspannungsmessung einen ohmschen Spannungsteiler und/oder zur Strommessung einen induktiven Stromwandler mit nachgeordnetem Filter Fl zur Transienten- und Hochspannungsimpulsfilteru g und ein hierzu seriell angeordnetes Schutzelement SCH (gegen Überspannung) auf. Bei Messung mit einem Meßshunt wird zur Verringerung der thermischen Spannung die Spannung am Meßshunt an vier Stellen gemessen, wobei die Messleitungen verdrillt und geschirmt an eine Klemmleiste angeschlossen werden. Die Klemmleiste und auch ' die vier Innen- und der Außenschirme sind auf der Klemmleiste gebrückt. Das Potential der- Schirme dient als Bezugspotential im Sensorkopf SK und es ist möglich mehrere Sensorköpfe SK (siehe FIG. 7) parallel zur Messung eines Meßshunts anzuschließen.
Weiterhin ist im Sensorkopf SK ein Temperatursensor TS angeordnet ist, welcher an einem der Eingänge des Multiplexers MUX angeschlossen ist. Aus der Temperatur und beispielsweise der durch den Stromfluss durch den Shunt bewirkten Temperaturerhöhung errechnet der Mikroprozessor MP2 einen Korrekturwert. Mit Hilfe dieses Korrekturwerts und einem Shunt -Korrekturwert (siehe Systeminformation Sl) wird der durch die Temperaturänderung hervorgerufene Fehler kompensiert. Um eine gleichspannungsfreie und sichere Übertragung zur erreichen, werden erfindungsgemäß die Daten vor dem Senden codiert. FIG. 3 a zeigt den Aufbau für eine Ausführungsform eines Sendetelegramms. Das über den Analog-Digital-Wandler ADC zugeführte 16-Bit breite Datenwort MW wird durch den Mikroprozessor MP2 segmentiert, beispielsweise in vier Bit, und diese Worte werden mit einer im Mikroprozessor MP2 oder einem Speicher (nicht dargestellt) gespeicherten Codetabelle in 7-Bit breite Worte (mit Informationen zur Segmentierung) codiert. Zusätzlich zu diesen vier Worten wird vorzugsweise ein Wort mit Systeminformationen Sl gesendet (Spannungssteuerung, Temperatur u.a.).
Das zu erwartende Datenvolumen berechnet sich bei dieser Ausführungsform aus den pro Frame gesendeten Blöcken. Für das in FIG. 3a dargestellte Beispiel; müssen für einen gewandelten Wert von 16-Bit Breite nach der Codierung (inklusive Start- und Stopbits ST, SB) 45 Bit übertragen werden, was einem Block entspricht. Je nach gewünschter Abtast-Frequenz müssen unterschiedlich viele Blöcke in einem Frame gesendet werden. Da die Anzahl der Blöcke eine ganze Zahl n sein muss, können keine beliebigen Abtast-Frequenzen eingestellt werden. Nachfolgend sind einige Beispiele für Übertragungsraten bei verschiedenen Abtast-Frequenzen angegeben:
tframe: l lδμs
Lfsample = 17,86 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 17,86 kHz = 803,7 kBit/s
tframe: 156μs Lfsample = 12,82 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 12,82 kHz = 576,9 kBit/s
tfirame: 118μs
Lfsample = 59,3 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 59,3 kHz = 2,67 MBit/s
tframe: 156μs Lfsample = 57,7 kHz; Übertragungsrate = 45 Bit * 57,7 kHz = 2,6 MBit/s '
Der Rahmenaufbau bei zwei verschiedenen Abtastfrequenzen, nämlich vorzugsweise Abtast-Frequenz 60 kHz ist in FIG. 3b und Abtast-Frequenz 10. kHz ist in FIG. 3c , dargestellt.
Zur Steigerung der Messgenauigkeit wird erfindungsgemäß an den digitalisierten. Messwerten MW (beispielsweise Spannungswerten) eine Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Die hierfür benötigten Korrekturfaktoren werden durch einen periodischen Abgleichvorgang von im Sensorkopf SK angeordnetem Mikroprozessor MP2 ermittelt und bis zum nächsten Abgleich zur Korrektur verwendet. Da während des Einlesens eines Abgleichwertes kein aktueller Messspannungswert MW eingelesen und verarbeitet werden kann, wird erfindungs gemäß anstatt des regulären Wertes ein
, interpolierter Wert codiert und übertragen. Die Verarbeitungsfolge für die Interpolation der Messwerte (n-2) und (n-1) nach (n) ist in FIG. 8 und die Verarbeitungsfolge für die Korrekturfaktorermittlung ist in FIG. 9 dargestellt; dabei ist der Unterschied zum Normalbetrieb durch das Wort „bzw." herausgestellt. Die .Interpolation der Messwerte (n-2) und (n) nach (n-1) ergibt sich in analoger Weise (nicht dargestellt). Durch Speicherung der beiden Messwerte (n-2) und (n), zwischen denen der Abgleichvorgang (n-1) liegt, kann eine Interpolation des Messwertes (n-1) durchgeführt werden." Der Abstand zwischen der Erfassung der Abgleichwerte liegt vorzugsweise im Bereich von Minuten.
Weiterhin wird beim erfindungs gemäßen Messverfahren die Referenzspannung im Klimaschrank von Außen mit einem präzisen Messinstrument vermessen. Die beispielsweise bei den Temperaturen -40°C, 0°C und +85°C gemessenen Messwerte werden im Mikroprozessor MP2 gespeichert; ein Beispiel hierfür ist in FIG. 4 dargestellt. Durch die Messwerte ist eine Parabel beschrieben, die zur Fehlerkorrektur verwendet wird. Mit der Parabel gleichung ist es möglich, für jede Temperatur einen Wert für die Referenzspannung zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer Parabelgleichung eine Tabelle mit Zwischenwerten wie folgt erstellt:
Δθ = +85°C - (-40°C) = 125 °C
L 1 Spannungswert / °C = 125 Spannungswerte (16-Bit Breite) L Speicherbedarf: 16 Bit * 125 = 2000 Bit = 250 Byte
Beim Abgleichvorgang werden beispielsweise zwei Spannungen
Figure imgf000024_0001
und GND nacheinander durch den Analog-Digital-Wandler ADC digitalisiert. Zusätzlich wird die aktuelle Temperatur der Baugruppe/Sensorkopf SK mittels Temperatursensor TS ermittelt. Mit diesen Parametern kann eine Fehlerkorrektur wie folgt durchgeführt werden.
Mit der aktuellen Temperatur kann aus der Tabelle der Wert der Referenzspannung ermittelt werden. Mit dem realen Wert der Referenzspannung (temperaturabhängig), ' den gemessenen Werten der Referenzspannung (pos., neg.) und dem Offset bei GND wird die Ausgleichsparabel berechnet.
I y. = aXj 2 + bxj + c mit y, = realer Wert VRef (pos.); x, gemessener Wert VRef
II y2 = ax2 2 + bx2 + c mit y2 = realer Wert VRef (neg.); x2 =gemessener Wert VRef III y3 = ax3 2 + bx3 + c mit y3 = realer Wert GND (= 0V); x3 =gemessener Wert GND
-
Demnach ist ein Gleichungssystem mit drei Unbekannten zu lösen, die Ausgleichsparabel zu bestimmen, die Korrekturfaktoren (a, b, c) abzulegen und bis zum nächsten Abgleich zu verwenden.
Korrekturrechnung: vEingang = avMess 2 + bvMess + c
Diese bedeutet, dass zur Korrektur eines Messwertes zwei Multiplikationen und zwei Additionen durchgeführt werden müssen. Bei Verwendung einer Ausgleichsgeraden an Stelle einer Parabelj reduziert sich das Korrekturverfahren auf eine Multiplikation und eine Addition. Zudem können die Korrekturfaktoren mit weniger Rechenaufwänd ermittelt werden, wobei die Temperaturkorrekturrechnung des beispielsweise vom Meßshunts erhaltenen Messwertes, anhand eines im Mikroprozessor MP2 hinterlegten Polygonzuges und der Temperatur des Shunts (über die gemessene Temperatur im Sensorkopf SK) durchgeführt wird (die Alterung des Meßshunts wird bei der Fehlerrechnung nicht berücksichtigt). Der zeitliche Abstand zwischen den Referenzmessungen wird vom Mikroprozessor MP1 dem Mikroprozessor MP2 des Sensorkopfs SK während der Parametrierung mitgeteilt, wobei während einer Referenzmessung kein Messwert aufgenommen wird und der vorhergehende Messwert übertragen wird. Um einen geringen Jitter (einige hundert ns) zwischen den einzelnen Messungen zu gewährleisten, wird der Messwert unmittelbar mit dem Rahmensynchronisationssignal aufgenommen.
In FIG. 6a ist eine zwischen Analog-Digital-Wandler ADC und Mikroprozessor MP2 angeordnete Schnittstellenschaltung (Serial Peripheral Interface) dargestellt. Das SPI- Interface basiert auf einem 8-Bit Schieberegister. Der Takt (SCK) wird vom Mikroprozessor MP2 zur Verfügung gestellt. Eine Takt-Erzeugung durch den Mikroprozessor MP2 findet nur statt, wenn Daten gesendet werden. Zwischen den Übertragungen ist SCK im Ruhemodus. Senden und Empfangen findet simultan statt. Während der Mikroprozessor MP2 seine Daten sendet, werden die Daten vom Analog- Digital-Wandler ADC empfangen. Daraus folgt, es müssen immer Daten gesendet werden, auch wenn gerade nichts empfangen wird. Der in FIG. 6a dargestellte Datenaustausch zeigt folgendes auf: Daten an SDO werden gesendet mit der fallenden Flanke, Daten an SDI werden mit der steigenden Flanke empfangen. Der SCK Ruhepegel ist HIGH.
Das Zusammenspiel zwischen Analog-Digital-Wandler ADC und Mikroprozessor MP2 ist nachfolgend beschrieben. Vom Mikroprozessor MP2 müssen ständig Daten gesendet werden, damit ein Takt für den Analog-Digital-Wandler ADC generiert wird. Diese Daten sind Dummydaten ohne Informationsgehalt, wobei Senden und Empfangen simultan stattfindet. Insgesamt müssen für einen Wandlungszyklus 24 Bit = 3 Byte gesendet werden. Nach erfolgter Übertragung des ersten Byte, was durch einen Interrupt signalisiert wird, muss in der Interrupt-Serviceroutine der Receive- Buffer gelesen sowie ein neues Byte in den Transmitt-Buffer geschrieben werden. Während dieser Zeit liefert die Schnittstellenschaltung SPI keinen Takt zum Analog- Digital-Wandler ADC, wodurch dieser auch nicht arbeitet. Es gehen keine Daten verloren. Nach Behandlung der Interrupt- Serviceroutine wird wieder ein Byte zum Analog-Digital-Wandler ADC gesendet und gleichzeitig eines empfangen. Der Zeitablaufplan für die Steuerung durch den Mikroprozessor MP2 ist in FIG. 6a und 6b dargestellt. . .
Der gesamte Wandlungszyklus benötigt 24 Takte, wobei die Zeit für die Behandlung der Interrupt- Serviceroutine zweimal hinzu addiert werden muss. Aufgaben in der Interrupt-Serviceroutine sind:
- Lesen des Receive-Buffer
- Schreiben des Transmitt-Buffer
L Der Interrupt wird gelöscht, wenn in den Transmitt-Buffer geschrieben oder vom Receive-Buffer gelesen wird.
Die Ansteuerung des Analog-Digital-Wandler ADC kann evtl. durch Anschluss des MOSI-Pin (Master out, Slave in) am Analog-Digital-Wandler ADC erfolgen. Durch Senden entsprechender Daten kann der Analog-Digital-Wandler ADC aktiviert bzw. deaktiviert werden. Durch den Multiplexer MUX besteht die Möglichkeit, Referenzspannungen an den Analog-Digital-Wandler ADC zu legen. Diese Spannungen. dienen dem Mikroprozessor MP2 zur Korrektur der Gain-Fehler, die auf dem analogen Pfad entstehen. Die Korrekturrechnung kann abgeschaltet werden, um im Testbetrieb die reinen Messdaten des Analog-Digital- Wändlers ADC zu erhalten. ■ ' ■ Die Verlustleistung des erfindungs gemäßen Messsystems wurde in umfangreichen Versuchsreihen wie folgt ermittelt:
Figure imgf000027_0001
Die Verlustleistung der Spannungsreferenz REF und des Multiplexers MUX kann
* vernachlässigt werden.
Eine zweite Ausführungsform mit mehreren Sensorköpfen ist in FIG. 7 dargestellt, wobei identische Bezugszeichen benutzt sind.
Das erfindungsgemäße Messsystem findet überall dort Anwendung, wo hohe Ansprüche an die optische Signal- und Energieübertragung gestellt werden und ein Höchstmaß an effizienter und sicherer Messdatenübertragung sichergestellt sein muss, beispielsweise im Bergbau, in Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder in der industriellen Elektronik, insbesondere der Automatisierungstechnik. Erfindungsgemäß wird ein dynamischer Betrieb auf Basis des Rahmensynchronisationssignal und einer Pulsweitenmodulation in Verbindung mit einer Zweipunktregelung oder einfachen Schwellenwertsteuerung (Feineinstellung) vorgenommen, es werden die ansich fehlerbehafteten Messwerte MW unter Zuhilfenahme der im Sensorkopf SK gemessenen Umgebungstemperatur, der gemessenen Referenzspannungen und der gemessenen Offsetspannung im Sensorkopf SK korrigiert und es werden je nach Betriebszustand zwischen den beiden Mikroprozessoren MP1, MP2 als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation Parameter oder Daten übertragen und die Daten/Meldungen nach deren Datenübertragung-Güte und auf zeitgerechtes
Eintreffen überwacht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise das erfindungsgemäße Messsystem im Rahmen einer Echtzeitvernetzung von Steuerungen (auch Echtzeitsteuerung über Ethernet oder Powerlink) eingesetzt werden, wo die Synchronisierbarkeit der Teilnehmer (beispielsweise Antriebe, schnelle E/As, Sensoren, Aktoren, Vision-Systeme) untereinander und die Verarbeitung der Daten im Regeltakt der Antriebe Voraussetzung ist; der Temperatur TS ist über die Schnittstellenschaltung SPI an den Mikroprozessor MP2 angeschlossen und wird zyklisch von diesem abgefragt; anstelle der Mikroprozessoren kann auch eine programmierbare Logik für die Messwertvorverarbeitung benutzt werden; von externen Sensoren Sl über einen Digitalsignalprozessor DSP dem Mikroprozessor MP1 zugeführte Sensorsignale können eingespeist werden u.a.

Claims

Patentansprüche
1. Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen oder im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät
(MG) und einem Sensorkopf (SK) mit mindestens einem Sensorelement (Sl), bei dem
5 » im zentralen Messgerät (MG) ein von einem Mikroprozessor (MPl) gesteuerter
Lichtsender (LSI) vorgesehen ist, welcher zur Datenkommunikation und zur
Energieversorgung des Sensorkopfs (SK) ein aus verschiedenen Komponenten überlagertes Licht an einen ersten Lichtwellenleiter (LW1) abgibt,
• im Sensorkopf (SK) ein an den ersten Lichtwellenleiter (LW1) angeschlossener
10 Lichtempfänger (LE2) und ein Mikroprozessor (MP2) vorgesehen sind, wobei der Mikroprozessor (MP2) nach Aktivierung durch den Lichtempfänger (LE2) zum Ansteuern des Sensorelements (Sl), dem Erfassen und Aufbereiten der vom
Sensorelement (Sl) gemessenen Werte dient und eine Datenkommunikation zur
Übermittelung der aufbereiteten Messwerte zum zentralen Messgerät (MG) über
15 einen Lichtsender (LS2), einen zweiten Lichtwellenleiter (LW2) und einen im zentralen Messgerät (MG) angeordneten Lichtempfänger (LEI) steuert, derart, dass die beiden Mikroprozessoren (MPl, MP2) Übertragungs-, Mess- und
Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler
Datenkommunikation durchführen, wobei ein Rahmensynchronisationssignal
'20 sowohl zur Energieversorgung als auch zur Ableitung eines Taktsignals zur blockorientierten Datenübertragung dient und wobei eine Datenkommunikation zur Parametrierung und/oder Programmierung zwischen zentralem Messgerät
(MG) und Sensorkopf (SK) sowie eine Vorverarbeitung der Messwerte im
Sensorkopf (SK), insbesondere eine Messwertkorrektur und/oder eine
25 Messbereichsumschaltung und/oder eine Umprogrammierung der
Filtercharakteristik und/oder ein automatischer Abgleich im Sensorkopf (SK) durchgeführt wird.
2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im S'ensorkopf (SK) ein Analog-Digital-Wandler (ADC) vorgesehen ist, welcher mit dem Mikroprozessor (MP2) verbunden ist, und dass der "Mikroprozessor (MP2) den über den Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführten digitalen Messwert (MW) korrigiert und/oder um Daten mit Systeminformation (Sl) ergänzt, die resultierenden' Daten segmentiert, mittels Blockkodierung kodiert sowie mit Informationen zur Segmentierung versieht, derart, dass eine gleichspannungsfreie und fehlerkorrigierende Datenübertragung ermöglicht wird.
3. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensόrkopf (SK) einen Multiplexer (MUX) aufweist, dessen Eingänge jeweils an Sensorelemente (Sl) angeschlossen sind, wobei die Messkanalumschaltung (KU) mittels des Mikroprozessors (MP2) erfolgt.
4. Messsystem nach Ansprach 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass am
Ausgang des Multiplexers (MUX) ein Impedanzwandler (IW) für den
' abgreifbaren Messwert angeschlossen ist und dass zwischen Ausgang des
Impedanzwandlers (IW) und Eingang des Analog-Digital-Wandlers (ADC) ein
Differenzverstärker (DV) mit einstellbaren Verstärkungen angeordnet ist, welcher zur Messbereichsumschaltung (BU) mit dem Mikroprozessor (MP2) verbunden ist. •
5. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, . dass das Sensorelement (Sl) zur Gleich- oder Wechselspannungsmessung einen ' ohmschen Spannungsteiler und/oder zur Strommessung einen ' induktiven Stromwandler mit nachgeordnetem Filter (Fl) zur Transienten- und Hochspannungsimpulsfilterung und seriell angeordnetem Schutzelement (SCH) aufweist.
6. Messsystem nach Ansprach 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein Temperätursensor (TS) angeordnet ist, welcher an einem der Eingänge des Multiplexers (MUX) angeschlossen ist.
7. Messsystem nach Ansprach 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (SK) eine Referenzspannungsquelle (REF) aufweist und dass zum Abgleich gesteuert durch den Mikroprozessor (MP2) der jeweilige temperaturabhängige Referenzspannungswert (VRef) über einen Eingang des Multiplexers (MUX) oder, einen Steuereingang des Analog-Digital-Wandler (ADC) zuführbar ist.
8. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein mit dem Lichtempfänger (LE2) verbundenes Filter (Fl) angeordnet ist, an dessen Ausgang, das Rahmensynchronisationssignal und/oder das nachfolgende Datensignal abgreifbar und dem Mikroprozessor (MP2) zuführbar ist. '
9. Messsystem nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkopf (SK) ein mit dem Lichtempfänger (LE2) verbundener Spannungswandler (SPW) angeordnet ist, welcher zur
Spannungsversorgung im Sensorkopf (SK) dient und dass der Mikroprozessor
(MP2) die am Energiespeicher - des Spannungswandlers (SPW) abgreifbare Spannung überwacht.
10. Messsystem nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Lichtsender (LSI, LS2) ein Verstärker (VI, V2) angeordnet ist und dass ein weiterer Verstärker (V3) dem Lichtempfänger (LEI) im zentralen Messgerät (MG) nachgeordnet ist.
11. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Messgerät (MG) mindestens eine Schnittstellenschaltung (10) aufweist und dass im zentralen Messgerät (MG) ein mit dem Mikroprozessor (MPl) verbundener digitaler Signalprozessor (DSP) angeordnet ist, welcher über die Schnittstellenschaltung (S 1) von außen her konfigurierbar als auch auslesbar ist.
12. Verfahren zur Messung von Strömen oder Spannungen in Mittel- oder Hochspannungsanlagen und im Bergbau mit optischer Signal- und Energieübertragung zwischen einem zentralen Messgerät (MG) und einem Sensorkopf (SK) mit mindestens einem Sensorelement (Sl) nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Messgerät (MG) und im Sensorkopf (SK) angeordnete Mikroprozessoren (MPl, MP2) Übertragungs-, Mess- und Überwachungsaufgaben als verteilte Steuerung mit bidirektionaler Datenkommunikation durchführen, dass der im Messgerät (MG) angeordnete Mikroprozessor (MPl) die Energieübertragung im dynamischen Betrieb nach
Maßgabe eines Rahmensynchronisationssignals steuert, dass zur Vorverarbeitung der Messwerte und/oder zum automatischen Abgleich im Sensorkopf (SK) eine Vermessung der Referenzspannung im Klimaschrank und Abspeicherung in mindestens einem Mikroprozessor (MPl, MP2) erfolgt und dass der im Sensorkopf (SK) angeordnete Mikroprozessor (MP2) einen Abgleichvorgang und eine Fehlerrechnung durchführt und eine gleichspannungsfreie und fehlerkorrigierende Datenübertragung steuert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feineinstellung der Energieübertragung mittels einer Pulsweitenmodulation in Verbindung mit einer Zweipunktregelung oder einer einfachen Schwellenwertsteuerang vorgenommen wird und dass vor der Datenübertragung die ansich fehlerbehafteten Messwerte (MW) unter Zuhilfenahme im Sensorkopf (SK) gemessener Umgebungstemperatur, Referenzspannungen und Offsetspannung im Sensorkopf (SK) korrigiert werden.
PCT/EP2004/001315 2003-02-12 2004-02-12 Messsystem mit intelligentem sensorkopf und reduziertem energieverbrauch für mittel- oder hochspannungsanlagen oder im bergbau und verfahren hierzu WO2004072662A2 (de)

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