Anordnung zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse jeweils liegt Den Gegenstand der Erfindung bildet eine An ordnung zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse, insbesondere die Frequenz der Spannung in einem elektrischen Netz, jeweils liegt.
Es sind Anordnungen bekanntgeworden, deren Eingangsspannung einem frequenzabhängigen Schal tungsteil mit von der zu überwachenden Frequenz der Eingangsspannung abhängigem Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom zugeführt wird. Diese bekannte Anordnung enthält Mittel, die beim Auf treten einer durch einen bestimmten Phasenwinkel wiedergegebenen vorbestimmten Abweichung der Frequenz der Eingangsspannung von ihrem Sollwert eine Befehls- und/oder Signalgabe bewirken. Als frequenzabhängiges Schaltungsteil kann beispielsweise ein Schwingkreis dienen.
Es ist vorgeschlagen worden, die Resonanzfre quenz des frequenzabhängigen Schaltungsteiles gleich der Frequenz der Eingangsspannung bei der vorbe stimmten Frequenzabweichung zu wählen und den bei Gleichheit von zu überwachender Frequenz und Resonanzfrequenz auftretenden Vorzeichenwechsel des Phasenwinkels dadurch als Kriterium für die Befehls- oder Signalgabe auszuwerten, dass diese nur bei einem bestimmten Vorzeichen des Phasenwinkels erfolgt.
In vielen Fällen liegt das Bedürfnis vor, beispiels weise bei der Frequenzüberwachung eine weiterge hende Staffelung, d. h. eine weitergehende Unter teilung in Frequenzbereiche vorzunehmen. So ist es bei Kurzschlüssen häufig nicht erforderlich, sämtliche Verbraucher vom Netz abzuschalten, sondern es ge nügt, nur diejenigen Verbraucher, die am ehesten auf die Stromversorgung verzichten können, vom Netz abzutrennen.
Bei einem praktisch widerstands- losen Kurzschluss kann es dagegen notwendig werden, sämtliche Verbraucher, also auch Krankenhäuser und dergleichen, für eine gewisse Zeit von der Stromver sorgung abzuschalten, da andernfalls ein beträchtli cher Schaden an den Netztransformatoren und den Generatoren auftreten könnte.
Die zu über wachende Grösse kann auch eine Spannung, eine Lei stung, ein Strom oder dergleichen sein, und die in der Anordnung ausgewertete elektrische Grösse kann ihrerseits ein Mass für eine mechanische, thermische oder sonstige physikalische Grösse, die überwacht werden soll, darstellen. Die im folgenden beschrie bene erfindungsgemässe Anordnung kann, um nur ein weiteres Beispiel zu nennen, dazu dienen, eine elektrische Spannung in der Weise auf optischem Wege zu überwachen, dass sie entsprechend dem Be reich, in dem die Spannung jeweils liegt, auf einer Skala Lampen zum Aufleuchten bringt, die also den Zeiger eines üblichen Messinstrumentes ersetzen.
Die Aufgabe der Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse, insbesondere die Fre quenz der Spannung in einem elektrischen Netz, je weils liegt, löst eine Anordnung mit dem Kennzei chen, dass erfindungsgemäss den Bereichen Schal tungsteile zugeordnet sind, die durch ein zur Steue rung bistabiler Multivibratoren geeignetes Steuersi gnal angeben, ob die elektrische Grösse oberhalb oder unterhalb einer der Grenzen des dem jeweiligen Schaltungsteil zugeordneten Bereiches liegt, und dass die Steuersignale bistabilen Multivibratoren zugeführt werden,
bei denen sowohl ihre beiden stabilen Zu stände als auch der Zustand des periodischen Kip- peps von dem einen in den anderen stabilen Zustand als Kennzeichen verschiedener Bereiche eine Signal, gabe bewirken. Die Steuersignale, die die beiden stabilen Zustände jeweils eines Multivibrators her- vorrufen, sind dabei zweckmässig zeitlich versetzt, z. B. um 180 .
Diese Ausnutzung auch des Zustandes des peri odischen Kippens eines bistabilen Multivibrators bietet den Vorteil, dass bei Unterteilung in 3n Be reiche nur n bistabile Multivibratoren vorzusehen :sind, von deren insgesamt 3n Ausgängen bei mehr als 3 Bereichen, d. h. bei mehr als einem Multivibra- tor, Ausgänge verschiedener Multivibratoren mittels Verknüpfungsschaltungen, wie Und-Gattern und/ oder Oder-Gattern und/oder Torschaltungen, zusam mengefasst und demselben Bereich zugeordnet sind.
Bei der erfindungsgemässen Anordnung finden zweck mässig an sich bekannte, austauschbare Elemente nach dem Baukastenprinzip Anwendung, die in vor teilhafter Weise frequenzunabhängig sind.
Die dem Zustand des periodischen Kippens der bistabilen Multivibratoren zugeordneten Ausgänge der Multivibratoren sind zweckmässigerweise durch Transformatoren, vorzugsweise Isoliertransformato- ren, gebildet, die aus Leistungsgründen vorteilhafter weise von den Strömen beider Stufen des jeweiligen Multivibrators durchflossen sind.
Im folgenden soll die erfindungsgemässe Anord nung an Hand der Fig. 1 bis 14 beispielsweise erläu tert werden, wobei in den ungeradzahl'ig numerierten Figuren jeweils die den verschiedenen Bereichen der zu überwachenden Grösse, in dem erwähnten Beispiel eines Frequenzrelais der Netzfrequenz, zugeordneten Zustände der Kippstufen dargestellt sind, während die geradzahlig numerierten Figuren schematisch die Schaltungen wiedergeben.
In den Fig. 1 und 2 ist der Fall beispielsweise eines Frequenzrelais dargestellt, das die Überwa chung eines durch zwei vorbestimmte Frequenzen f 1 und f 2 begrenzten Frequenzbereiches vornehmen soll. Fig. 1 zeigt zunächst den Verlauf des Phasen winkels T zwischen Strom und Spannung an den den beiden vorbestimmten Frequenzen zugeordneten bei den frequenzabhängigen Schaltungsteilen, deren Re sonanzfrequenzen, mit jeweils einer der beiden Grenz- frequenzen des eigentlichen zu überwachenden Fre quenzbereiches 1I zusammenfallen.
In Fig. 2 ist die Schaltung der bistabilen Kipp- stufe K1 angedeutet, wobei die Bezeichnung für diese und die folgenden Figuren so gewählt ist, dass die linke Stufe des Multivibrators dann leitend wird, wenn die an dem einen frequenzabhängigen Schal tungsteil abgegriffene Spannung s eine induktive Phase hat, während die rechte Stufe des Multivibra- tors nur dann leitend wird,
wenn die an dem weite ren frequenzabhängigen Schaltungsteil abgegriffene Spannung t eine kapazitive Phase besitzt. Wenn also im Bereich 1I den beiden Eingängen des Multivibra- tors K1 im Abstand von 180 infolge induktiven Phasenwinkels der Spannung s einerseits und kapazi- tiven Phasenwinkels der Spannung t anderseits Im pulse zugeführt werden, kann über den Transforma tor IT als Kennzeichen dafür, dass sich die zu über wachende Frequenz im Bereich II befindet,
eine tcecntecxspannung aagegritren wercaen. wie rig. i zeigt, sind die Spannungen<I>s</I> und<I>t</I> in den Bereichen I und III beide kapazitiv bzw. beide induktiv, so dass dann entweder die rechte Stufe des Multivibrators leitend wird, d. h. die an ihrem Ausgang abnehmbare Spannung verschwindet ( 0 ), oder aber im Falle des Bereiches III die linke Stufe des Multivibrators leitet und demgemäss die Spannung an ihr zusammen bricht.
An der jeweils anderen Stufe des bistabilen Multivibrators ist dann infolge der Eigenschaft dieses elektrischen Elementes, gemäss der nur jeweils eine der beiden Stufen leitet, eine Spannung als Kenn zeichnung des entsprechenden Bereiches abgreifbar, was in den Figuren durch Schraffur und die Kenn zeichnung 1 angedeutet ist. Selbstverständlich kann man auch das Ausbleiben einer Spannung, d. h. den Zustand 0 , als Kennzeichnung der Bereiche ver wenden.
Da in diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangs signal im Falle des Bereiches 1I durch periodischen Wechsel des Potentials an den beiden Stufen des Multivibrators - und damit auch an deren Aus gängen - zwischen den Werten 0 und 1 gewonnen wird, müssen Massnahmen getroffen sein, die ver hindern, dass beim Auftreten eines periodisch wech selnden Potentials an den den Bereichen I und II zugeordneten Ausgängen die Auslöseschaltungen die ser Bereiche beeinflusst werden.
Hierzu dienen zweck mässigerweise Tiefpässe mit im Hinblick auf die Kippfrequenz des Multivibrators gewählter Grenz- frequenz, die an die den Bereichen I und II zuge ordneten Ausgänge angeschaltet sind, d. h. an die den durch eine Gleichspannung gekennzeichneten Berei chen zugeordneten Ausgänge. Diese Bemerkungen gelten sinngemäss auch für eine Anordnung zur Überwachung einer grösseren Anzahl von Bereichen, wie sie im folgenden an Hand von Beispielen be schrieben wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Frequenzrelais, das anzeigt, in welchem von vier Frequenzbereichen sich die Netzfrequenz gerade befindet. Gemäss Fig. 4 sind zwei bistabile Multivibratoren K1 und K2 erforder lich, da jeder Multivibrator nur 3 Zustände besitzt und demgemäss nur drei Bereiche anzuzeigen ge stattet. Die die Befehls- oder Signalgabe für die Be reiche I und II auslösenden elektrischen Spannungen werden in diesem Beispiel an der linken Stufe bzw.
an dem Transformator des Multivibrators K1 abge nommen, während die rechte Stufe bzw. der Trans formator des Multivibrators K2 dann zur Befehls- oder Signalgabe dienen, wenn die Frequenz im Be reich IV bzw. III liegt.
In Fig. 3 sind die Phasen der Spannungen s, t und u, die an einem dritten frequenzabhängigen Schal tungsteil abgegriffen wird, in den verschiedenen Fre quenzbereichen angegeben. Darunter sind schema tisch die Zustände der beiden Multivibratoren in den einzelnen Frequenzbereichen gezeichnet. Wie schon in Fig. 1, bedeutet die Darstellung des Zustandes des bistabilen Multivibrators K1 im Bereich II, dass der Multivibrator zwischen seinen beiden stabilen Zuständen hin und her schwingt.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Verhält nisse bei einem Frequenzrelais mit einer Staffelung in fünf Frequenzbereiche. Die wesentlichen Unter schiede gegenüber der Anordnung nach den Fig. 3 und 4 bestehen darin, dass ein weiterer frequenz- abhängiger Schaltungsteil vorgesehen ist, an dem eine Spannung v abgegriffen wird, und dass zwei Ausgänge der beiden bistabilen Multivibratoren K1 und K2 über eine Torschaltung zusammengefasst sind,
so dass der Bereich III nur bei induktiver Span nung<I>t</I> und kapazitiver Spannung<I>u</I> signalisiert wird, wobei ausserdem die Spannungen s induktiv und v kapazität sein müssen, da andernfalls einer der Multivibratoren zwischen seinen beiden stabilen Zu ständen hin und her schwingen würde, wodurch der Bereich II bzw. IV gekennzeichnet ist.
In den Fig. 7 und 8 ist der Fall eines Frequenzre- lais mit sechs Frequenzbereichen behandelt. Demge mäss muss an einem weiteren frequenzabhängigen Schaltungsteil eine fünfte Spannung w abgegriffen werden. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, dass nunmehr vier Bereiche durch Zusammenfassung von jeweils zwei Ausgängen verschiedener Multivibratoren gekenn zeichnet werden.
Diese Zusammenfassung geschieht über Torschaltungen oder Oder-Gatter oder Und- Gatter, deren Aufbau und Anschaltung dem Fach mann bekannt sind, so dass an dieser Stelle darauf nicht eingegangen zu werden braucht.
Zu beachten ist, dass am Eingang der rechten Stufe des bistabilen Multivibrators K1 nur dann Impulse erscheinen, wenn die Spannung t kapazitiv oder die Spannung w induktiv ist. Entsprechendes gilt bei der in Fig.8 rechten Stufe des bistabilen Multivibrators K2 bezüglich der Spannungen v und w.
Schon Fig. 7 lässt deutlich erkennen, dass die die Phasen der Spannungen s bis w in den Bereichen I bis VI wiedergebende Tabelle symmetrisch zur Dia gonalen ist. Dies ist in Fig. 9 für den Fall von sieben Frequenzbereichen deutlicher zum Ausdruck ge bracht.
Fig. 10 zeigt schematisch den Aufbau einer ent sprechenden Anordnung, die sich im wesentlichen von der vorangegangenen nur dadurch unterscheidet, dass eine weitere Spannung x an einem weiteren fre- quenzabhängigen Schaltungsteil gewonnen ist. Auch hier werden Eingänge der bistabilen Multivibratoren über Oder-Schaltungen angesteuert.
Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen die Staffe lung in acht Bereiche. Die Fig. 13 und 14 beschrei ben schliesslich den letzten Ausbau eines Frequenzre- lais mit zwei bistabilen Multivibratoren, d. h. eines solchen, bei dem eine Staffelung in neun Frequenz bereiche vorgenommen ist. Man erkennt, dass wie im Fall der Fig. 11 und 12 eine Signalgabe bei allen Frequenzbereichen nur dann eingeleitet wird, wenn von jeweils zwei Ausgängen verschiedener Multi vibratoren Impulse auf eine Torschaltung geliefert werden.
Die linke Stufe des Multivibrators K1 wird nur dann leitend, wenn entweder die Spannung s kapazitiv oder die Spannung z, die an einem weiteren frequenzabhängigen Schaltungsteil abgegriffen ist, ka- pazitiv und die Spannung u induktiv ist.
Eine weitergehende Staffelung lässt sich durch Einsatz weiterer bistabiler Multivibratoren vorneh men.
Es sei bezüglich dieser mit geringstem Aufwand eine weitgehende Unterteilung gestattenden erfin dungsgemässen Anordnung nochmals bemerkt, dass ihre Anwendung nicht auf den Fall der Frequenz überwachung beschränkt, sondern ganz allgemein zur Ermittlung des Bereiches, in dem eine elektrische Grösse jeweils liegt, möglich ist. Ferner ist die ge wählte Zuordnung der Ein- und Ausgänge der bista- bilen Multivibratoren nur als eine von mehreren möglichen Ausführungsformen der Erfindung anzu sehen.