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Elektrisches Fernwirksystem Es ist ein aus Sender, Fernwirkverbindung und Empfänger bestehendes System zur Fernübertragung von Signalen bekannt, bei dem einer Vielzahl von Sendern sehr geringer Leistung ein gemeinsamer zentraler Empfänger zugeordnet ist und der Fernwirk- kanal einen hohen Störpegel aufweist.
Ein Fernwirk- system solcher Art dient zum Beispiel zur übertragung von Energieverbrauchsinformationen von örtlich verteilten Verbrauchsstellen aus an eine zentrale Sammelstelle, wobei als Fernwirkverbindung ein öffentliches Versorgungsnetz für elektrische Energie benützt wird, an das Sender und Empfänger, vorzugsweise in galvanisch zusammenhängenden Netzbezirken, angeschlossen sind.
Die Fernwirkaufgabe besteht darin, Signale mit sehr geringem Energieinhalt, die von der Sendeeinrichtung eines Verbrauchsmessers erzeugt werden und die zum Zwecke ihrer Fortleitung in einem zur Erfüllung anderer Funktionen bereits vorhandenen Leitungsnetz eine physikalische Form aufweisen müssen, die sich von der Art von im Fernwirkkanal willkürlich und gleichzeitig mit zumeist wesentlich höherem Energieniveau auftretenden Störgrössen nicht grundsätzlich unterscheidet, an einer zentralen Stelle mit grosser Sicherheit zur Wirkung zu bringen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung eines zur Lösung der genannten Fernwirk- aufgabe bereits vorgeschlagenen Systemes, bei dem eine von der Sendeeinrichtung mit einer von der Grundfrequenz des als Fernwirkkanal dienenden Energieverteilungsnetzes verschiedenen Frequenz getastete und dem Netz überlagerte, periodisch amplitu- denmodulierte Tonfrequenzspannung als Informationsträger benützt und die Frequenz der Amplitudenmodulation in einem Korrelationsempfänger als unter- scheidendes Element der Information ausgewertet wird.
Es ist bekannt, Wechselstromsignale durch periodisches Anschalten eines elektrischen Schwingkreises an ein Wechselspannung von z. B. 50 Hz führendes Energieversorgungsnetz zu erzeugen. Dabei entstehen gedämpfte Schwingungen mit der vorzugsweise ton- frequenten Eigenschwingungszahl des Schwingkreises, die nach dem erwähnten Vorschlag periodisch ampli- tudenmoduliert sind, wenn der Takt der Anschaltung, die sogenannte Tastfrequenz, zur Netzfrequenz in einem nicht ganzzahligen Verhältnis steht.
In den Leitern des Versorgungsnetzes wird so ein durch die als Trägerfrequenz für die Signale dienende Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmter Signalkanal für die Signalübertragung gebildet.
Der Signalempfänger ist durch ein Bandfilter auf die Frequenzlage des gewählten Signalkanales abgestimmt und enthält zur Demodulation des Trägers einen Demodulator mit nachgeschaltetemKorrelations- system, dessen Referenzfrequenz mit der auszusiebenden Modulationsfrequenz identisch ist.
Jede Modu- lationsfrequenz bedingt je ein Korrelationssystem mit einer entsprechenden Referenzfrequenz. Mit Vorteil werden für jede Modulationsfrequenz zwei parallel arbeitende Korrelationssysteme vorgesehen, die durch Referenzspannungen gleicher Frequenz, jedoch mit um 90 verschobener Phasenlage gesteuert sind.
Als Korrelationssysteme dienen z. B. die bekannten Ringmodulatoren oder andere Mischglieder. Wenn die dem Eingang eines Ringmodulators zugeführte Frequenz mit der dem Ringmodulator eingegebenen Referenzfrequenz identisch ist, ergeben sich am Ausgang des Ringmodulators Ströme mit der doppelten Frequenz und der Frequenz Null, von welchen zur
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weiteren Auswertung hier vorzugsweise der Gleichstromanteil benützt wird.
Durch rechnerische Analyse der erwähnten Art von Signalerzeugung und Signalfortleitung lässt sich zeigen, dass im resultierenden Frequenzspektrum des Signalstromes die als Träger dienende Resonanzfrequenz des Schwingkreises unterdrückt ist und lediglich Seitenfrequenzen von Harmonischen der Tast- frequenz auftreten. Die die Lage dieser Seitenfrequenzen bestimmende Modulationsfrequenz ist durch eine feste Beziehung mit der Netzfrequenz und der Tast- frequenz verknüpft, wenn die Erzeugung der Modulation beispielsweise mit Hilfe einer netzsynchron arbeitenden Einrichtung erfolgt.
Ausgehend von diesen Überlegungen und dem geschilderten Stand der Technik wird nun vorgeschlagen, ein elektrisches Fernwirksystem mit einem Fern- wirkkanal, der einem Wechselstrom-Energieversor- gungsnetz überlagert ist, und mit wenigstens einem Sender, der mindestens einen mit charakteristischer Tastfrequenz betätigten Tastschalter zur impulsweisen Anschaltung eines als Trägerfrequenzerzeuger dienenden passiven elektrischen Schwingkreises an das Wechselstromnetz enthält,
sowie mit einem Empfänger für mit wenigstens einer festen Modulationsfrequenz modulierte Wechselstromsignale, der für die vom Sender erzeugten Signalfrequenzen mindestens ein Korrela- tionssystem mit fester Referenzfrequenz aufweist, ge- mäss der vorliegenden Erfindung so auszubilden,
dass sowohl die Tastfrequenz jedes Tastschalters des Senders als auch die Referenzfrequenz jedes Korrelations- systemes des Empfängers ein und derselben Grundfrequenz des als Fernwirkverbindung benützten Energieversorgungsnetzes in jedem Zeitmoment streng proportional sind, und dass im Empfänger wenigstens zweien, der Trägerfrequenz nahe liegenden,
von mehreren zu Harmonischen einer Tastfrequenz gebildeten Seitenfrequenzen wenigstens je ein eigenes Korrela- tionssystem mit einer der vom jeweiligen Korrelations- system auszusiebenden Seitenfrequenz identischen Referenzfrequenz zugeordnet ist.
Durch die Anwendung der hier vorgeschlagenen Massnahmen gelingt es, die übermittlungssicherheit eines Fernwirksystemes der genannten Art um ein Vielfaches des bisher Erreichten zu steigern. Einzelheiten des vorstehend definierten Fernwirksystemes gehen aus den im folgenden an Hand der Zeichnungsfiguren beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor.
Es zeigen: Fig. 1 Teile eines Senders, Fig. 2 ein Arbeitsdiagramm des Senders, Fig. 3 ein Frequenzschaubild, Fig. 4 Teile eines Empfängers, Fig. 5 ein Blockschaltbild eines vollständigen Empfängers und Fig. 6 eine Variante des Empfängers in Blockdarstellung.
Die Fig. 1 bis 4 sind als geschlossene Darstellung zu betrachten; in der nachfolgenden Detail- und Funk- tionsbeschreibung werden die Fig. 1 bis 4 daher zusammenhängend behandelt.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Phasen- und 0 einen Nulleiter eines Dreiphasen-Vierleiter-Drehstromnetzes mit der Netzfrequenz f., beispielsweise eines Nieder- spannungs-Verteilnetzes, das elektrische Energie den Einzelabnehmern einer öffentlichen Stromversorgung zuführt. Die Leiter 1 und 0 gehen von der Unterspannungsseite eines Transformators 2 aus (vgl. Fig. 4), der in einer Niederspannungs-Verteilstation untergebracht ist. Die teilweise Strichierung der Leiter 1 und 0 deutet an, dass die Länge der galvanisch durchverbundenen Leitungen relativ gross sein kann.
In der Fig. 1 erkennt man als wesentliche Teile einer Sendeeinrichtung die Reihenschaltung eines elektrischen Reihenschwingkreises 3 mit einem Sendezeitschalter 4 über zwei elektrisch parallel angeordnete, durch einen Signalwähler 5 abwechselnd in die Reihenschaltung einlegbare Strompfade 6 und 7, deren erster einen Tastschalter 8 und deren zweiter einen Tast- schalter 9 enthält. Anschlussleitungen 10 und 11 verbinden die Reihenschaltung mit den Netzleitern 1 und 0.
Eine Abzweigung 12 führt von den Netzleitern 1 und 0 ausserdem zu einem Frequenzwandler 13, der die Netzfrequenz f" in eine erste Tastfrequenz ftl und in eine zweite Tastfrequenz ft, umwandelt und gleichzeitig die Tastschalter 8 und 9 mit der ihnen zugeordneten Tastfrequenz betätigt. In Sendepausen kann der Frequenzwandler 13 durch ein nicht gezeichnetes Schaltorgan von der Netzspannung getrennt sein.
Wenn der Frequenzwandler 13 einschliesslich der beiden Tastschalter 8 und 9 rein elektronisch ausgeführt ist und daher praktisch trägheitsfrei arbeitet, kann seine Ein- und Ausschaltung zweckmässig durch den Sendezeitschalter 4 erfolgen. Die Spannung des Phasenleiters 1 für den Frequenzwandler 13 würde dann von einer Klemme 14 des Sendezeitschalters 4 abgegriffen.
Zur Betätigung des Sendezeitschalters4 ist ein zeitabhängiges Schaltwerk 15 vorgesehen, welches auf einen in der Figur durch einen Pfeil 16 angedeuteten Steuerbefehl hin startet. Der Signalwähler 5 wird durch ein Umschaltorgan 17 gesteuert, das Umschaltbefehle - versinnbildlicht durch einen Pfeil 18 - beispielsweise vom Zählwerksantrieb eines Verbrauchsmessers erhält.
Die bisher genannten Teile des Senders sind durchwegs aus bekannten Bauelementen zusammengesetzt; ihre Gruppierung entspricht im Prinzip einem früheren Vorschlag. Wesentlich im vorliegenden Zusammenhang ist am Sender die zwangsläufige Koppelung der Tastfrequenzen f t, und f t2 mit der Netzfrequenz f " derart, dass ftl und ft2 (sowie allenfalls weitere Tast- frequenzen) in jedem Zeitmoment proportional fn sind, also jeder Änderung der Netzfrequenz f" verhältnisgleich folgen.
Ein hierzu geeigneter Frequenzwandler lässt sich rein elektronisch, rein elektromechanisch oder elektromechanisch-optisch mit elektrooptischen Tastschaltern, vorzugsweise unter Verwendung eines
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Synchronantriebes, insgesamt jedoch in bekannter Weise, aufbauen.
Das Arbeitsdiagramm der Fig. 2 erläutert, was unter Tastfrequenz verstanden werden soll. In zwei Tast- diagrammen sind über einer Zeitachse mehrere Perioden von Rechteckfunktionen 19 und 20 dargestellt. Eine Tastperiode f t 1 besteht aus einer Zeitdauer A und einer Zeitdauer B, ihr Kehrwert f t wird Tast- frequenz genannt. Während der Dauer A ist der Tast- schalter geschlossen, während der Dauer B geöffnet.
Der den Bezeichnungen der Fig. 2 beigefügte Index 1 ordnet das obere Tastdiagramm dem Tastschal- ter 8 (Fig. 1) zu, während der Index 2 den Bezug des zweiten Tastdiagrammes auf den Tastschalter 9 (Fig. 1) herstellt.
Eine im unteren Teil der Fig. 2 gezeichnete Rechteckkurve 21 ist ein Abbild des zeitlichen Kontaktzustandes des Sendezeitschalters 4 (Fig. 1) mit der Kon- taktgabedauer D. In einem vollautomatischen Abfragesystem für Verbrauchsmesswerte wird die Funktion 21 periodisch sein, wobei ihre Periode der Dauer eines Abfragezyklus entspricht und D sehr klein ist gegen eine Zeitdauer E, in welcher der Sendezeitschalter 4 geöffnet ist.
Die elektrischen Vorgänge bei der Tastung des Sendeorganes, nämlich des Reihenschwingkreises 3, durch die Tastschalter 8 und 9 des Senders (Fig. 1) veranschaulicht das Frequenzschaubild der Fig. 3, in dem jene Grössen abhängig von der Zeit dargestellt sind, die für das Verständnis der Entstehung der hier verwendeten Signale Bedeutung besitzen.
In der Mitte des Schaubildes ist eine Rechteckfunktion 22 mit der Periode aufgetragen; es ist dies, mit höherer Zeitauflösung
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gezeichnet, eine der Rechteckkurven 19 oder 20 aus der Fig. 2. Wegen der Schaltungsanordnung des Senders mit dem Signalwähler 5 (Fig. 1) können nicht gleichzeitig mehrere Tastfrequenzen wirksam sein; es genügt somit, bei der Betrachtung der elektrischen Vorgänge allgemein nur von der Tastfrequenz f t zu sprechen.
Im oberen Diagramm der Fig.3 bedeutet 23 die Grundwelle des im Versorgungsnetz mit den Leitern 1 und 0 zur Energieübertragung verwendeten Wechselstromes mit der Frequenz f". In die Fig. 3 eingezeichnete Ordinatenlinien 24, 25, 26 und 27 ordnen den Anschaltflanken der Rechteckfunktion 22 Schnittpunkte 28, 29, 30 und 31 der Netzgrundwelle 23 mit einem sinusförmigen Kurvenzug 32 zu, welcher die Periode besitzt, deren Kehrwert Modulations- frequenz
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1m genannt wird.
Jeder Zeitabschnitt A der Rechteckkurven 19, 20 (Fig. 2) beginnt mit einer Anschaltflanke, die den Zeitpunkt kennzeichnet, zu dem der Tastschalter 8 bzw. 9 Kontakt gibt. In diesem Zeitmoment erfolgt ein elektrisches Anstossen des Schwingkreises 3 (Fig. 1) zu einem gedämpften Schwingungsvorgang 33 oder 34 oder 35 oder 36, wie im unteren Teil der Fig. 3 angedeutet.
Die Frequenz f s dieses Schwingungsvorganges, also die - allerdings von der Netzimpedanz beein- flusste - Eigenfrequenz des Schwingkreises 3 (Fig. 1), liegt vorzugsweise im Tonfrequenzgebiet und beträgt beispielsweise etwa das Zehnfache der Netzfrequenz f,z.
Die Dämpfung der mit einem Schwingungseinsatz- punkt, z. B. 37, beginnenden Tonfrequenzschwingung, z. B. 34, wird im wesentlichen durch den Wirkwiderstand der Schwingkreisspule und ausserdem durch die Impedanz der am Energieversorgungsnetz angeschlossenen allgemeinen Netzlast hervorgerufen. Schwankungen der Netzimpedanz wirken bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen in geringem Masse auf die Frequenz und Dämpfung der Tonfrequenzschwingun- gen zurück. Die Tonfrequenz f, allein stellt also keine eindeutige Grösse dar.
Der Maximalwert der Erstamplitude einer Tonfrequenzschwingung, z. B. 34, folgt dem zugehörigen Schwingungseinsatzpunkt, z. B. 37, im zeitlichen Abstand von einer Viertelperiode der Tonfrequenzschwingung, die in der Fig. 3 im Interesse einer deutlichen Darstellung innerhalb der normalen Abkling- dauer zeitlich stark gedehnt gezeichnet ist.
Wenn nun, wie erwähnt, die Tonfrequenz fs gross ist gegen die Netzfrequenz f., so wird der zeitliche Abstand (4f,)-1 in der Figur sehr klein, so dass die Scheitelpunkte aller Erstamplituden der Tonfrequenzschwingungen 33 bis 36 als auf zwei Kurvenzügen 38 liegend zu denken sind, die Hüllkurve aller Erstamplituden der Tonfrequenzschwingungen 33 bis 36 und weiterer ist.
Zwischen der Erstamplitude der Tonfrequenzschwingung und dem Momentanwert der Netzgrundwelle im Zeitpunkt einer Anschaltung besteht Proportionalität. Alle Erstamplituden der Tonfrequenzschwingungen sind daher den Amplituden des Kurvenzuges 32 proportional, welcher alle Momentanwerte der Netzgrundwelle über den Abszissenwerten der Anschaltflanken der Rechteckfunktion 22 verbindet.
Mithin besitzt auch die Hüllkurve 38 die Periode des Kurvenzuges 32.
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Nach dem Gesagten ist aus der Fig. 3 insgesamt die Entstehung der Modulationsfrequenz fm aus der Netzfrequenz f n und der Tastfrequenz f t zu erkennen, wobei die Hüllkurve 38 die Amplitudenmodulation der getasteten Tonfrequenzschwingungen veranschaulicht. Zwischen der Netzfrequenz f", der Tastfrequenz f t und der Modulationsfrequenz f m besteht die feste Beziehung f m = f n - a f t, worin a eine ganze Zahl bedeutet.
Die Fig.4 schliesslich zeigt die Hauptteile eines Empfängers in vereinfachter Darstellungsweise. Die Bezugszahlen 1 und 0 bedeuten wiederum einen Phasenleiter und den Nulleiter des Drehstrom-Energie- versorgungsnetzes. Zur Auskopplung der zwischen je einem beliebigen Phasenleiter und dem Nulleiter im Netzkomplex an verschiedenen Orten eingespeisten Signale verschiedener Sender der in der Fig. 1 gezeigten Art ist in der Nullschiene des Transformators 2 ein Stromwandler 39 angeordnet, an dessen Sekundärwicklung ein Eingangskreis 40 des Empfängers liegt.
Der Eingangskreis 40 besteht im wesentlichen aus
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einem Saugkreis 41 für die Netzgrundfrequenz, einem Saugkreis 42 für deren dritte Harmonische und einer Bürde 43, an welcher die Signalspannung abfällt, sowie aus einem Bandfilter 44 und einem Verstärker 45 mit einem Ausgangsübertrager 46. Zwischen den Teilen 42 und 43 oder 43 und 44 kann eine längere Verbindungsleitung, allenfalls eine einen Linienverstärker enthaltende Fernleitung, liegen.
Der Ausgangsübertrager 46 weist mehrere mit Mittelabgriffen 47; 48 versehene Sekundärwicklungen 49; 50 auf, die je einem Ringmodulator 51; 52 angehören. Ein Ausgangswiderstand 53 bzw. 54 jedes Ringmodu- lators besitzt ebenfalls je eine Mittelanzapfung 55; 56.
Die in ihrem Aufbau bekannten Ringmodulatoren 51 und 52 sind unter sich in ,gleicher Weise ausgeführt, bemessen und in die Schaltung des Empfängers einbezogen. Der Ringmodulator 52 wurde in der Fig.4 lediglich angedeutet und weist die gleiche Folgeschaltung auf wie der Ringmodulator 51, nämlich eine Siebkette 57, einen Brückengleichrichter 58 sowie ein Empfangsrelais 59 mit einem Signalschalter 60.
Unmittelbar aus dem Energieversorgungsnetz wird über eine allenfalls abschaltbare Anschlussleitung 61 ein netzsynchron arbeitender Frequenzwandler 62 gespeist, welcher den Mittelanzapfungen 47 und 55 des Ringmodulators 51 eine Referenzfrequenz f,.1 zuführt. In gleicher Art wird der Ringmodulator 52 mit einer Referenzfrequenz f"2 versorgt. Die Referenzfrequen- zen f,.1 und f,2 unterscheiden sich dem Betrage nach, sind jedoch in jedem Zeitmoment der Netzfrequenz f', streng proportional.
Die mit der bisher erläuterten Einrichtung zu lösende Fernwirkaufgabe lässt sich nun konkreter angeben: Die Stellung des Signalwählers 5 (Fig. 1) soll im Kontaktzustand der Signalschalter, deren einer in der Fig. 4 dargestellt und mit 60 bezeichnet ist, abgebildet werden. Steht der Signalwähler 5 (Fig. 1) in der gezeichneten Stellung, bei welcher der Tastschalter 8 des Senders wirksam ist, so soll während einer durch den geschlossenen Zustand des Sendezeitschalters 4 bestimmten Zeitdauer D (Fig.2) beispielsweise der Signalschalter 60 (Fig.4) geschlossen sein.
Analoges gilt für die zweite mögliche Stellung des Signalwählers 5, bei welcher ein - nicht gezeichneter - Signalschalter eines dem Ringmodulator 52 nachgeordneten Ausgangsrelais schliessen soll, wenn der Sendezeitschalter 4 geschlossen wird.
Mit der als Beispiel gezeichneten Einrichtung lassen sich also zwei Signale von gleicher Natur, jedoch mit verschiedenem Informationsinhalt übertragen. Mittels des Signalwählers 5 (Fig. 1) wird festgelegt, welche der beiden möglichen Informationen an dieEmpfangs- stelle gelangen soll.
Sind mehrere gleichartige Sender in einem Fernwirksystem vorhanden, so dient die Sendezeit als Identifizierungskriterium für die einzelnen Sender. In der Empfangsstelle ist Beginn und Ende der Zeitdauer D (Fig.2) jedes einzelnen Senders bekannt. Innerhalb eines Sendezyklus (Abfragezyklus) D -I- E sendet jeder einzelne Sender nur während der ihm vorbehaltenen Zeitdauer D, ohne dass sich Sendungen zweier Sender überschneiden. Die Dauer eines Sendezyklus ist also mindestens gleich wie, besser jedoch grösser als D mal Anzahl der Sender.
Alle Sender eines Fernwirksystems erhalten beim Beginn eines Abfragezyklus beispielsweise durch Schaltuhren oder durch Rundsteuerempfänger einen Sendebefehl in Form des Steuerbefehles 16 an das Schaltwerk 15. In jedem Sender startet daraufhin das Schaltwerk 15 und schliesst den Sendezeitkontakt 4 während der für den jeweiligen Sender reservierten Zeitdauer D.
Spätestens beim Beginn der Zeitdauer D werden auch die Tastschalter 8 und 9 des jeweiligen Senders erregt, und je nach der Stellung des Signalwählers 5 wird nun der Schwingkreis 3 mit der zugehörigen Tastfrequenz ft, bei der in der Fig. 1 gewählten Stellung mit der Frequenz f,1, getastet.
Die schon erläuterte Art der Tastung löst die Tonfrequenzschwingungen 33 bis 36 usw. (Fig.3) aus, deren Erstamplituden mit der Modulationsfrequenz f., dargestellt durch den Kurvenzug 32, moduliert sind. Der in den Leitern 1 und 0 des Energieversorgungsnetzes nunmehr vorhandene tonfrequente Wechselstrom mit der Frequenz f, dient als Träger für die in seiner Modulation enthaltene Information und durchfliesst die Primärwicklung des Stromwandlers 39 im Empfänger gemäss der Fig. 4.
Es gilt f t1 - Cif. ft2 - C2f.
fml - f. alftl f.2 - f. a2ft2 wobei cl und c2 Proportionalitätskonstanten und a1, a2 ganze Zahlen sind.
Im Eingangskreis 40 des Empfängers erfolgt eine Trennung des Signalstromes vom Netzwechselstrom durch die Saugkreise 41 und 42 sowie durch das Bandfilter 44. Auch der Verstärker 45 kann selektiv wirkend ausgebildet sein. Der ihm nachgeschaltete Übertrager 46 führt die durch die Modulation charakterisierten Signalströme dem Korrelationssystem 51 bzw. 52 zu, in welchem ausgewählte der als Folge der Modulation im Frequenzspektrum vorhandenen diskreten Seitenfrequenzen dem Betrage nach gleichen Referenzfrequenzen f,. unter Bildung der Summen und der Differenzfrequenzen überlagert werden.
Der dabei im jeweiligen Ausgangswiderstand 53 bzw. 54 auftretende Strom mit der Differenzfrequenz Null kann als Gleichstromanteil die folgende Siebkette, z. B. 57, passieren und gelangt über den Brückengleichrichter 58 zum Empfangsrelais 59, das sodann seinen Signalschalter 60 schliesst. Analoges trifft auf die dem Ring- modulator 52 nachgeschalteten, nicht gezeichneten Wirkungsgruppen zu.
Um die geschlossene Darstellung des Fernwirk- systemes in den Fig. 1 bis 4 möglichst übersichtlich zu gestalten, wurde in der Fig.4 nur ein Wirkungspfad des Empfängers gezeichnet und kurz besprochen. Den vollständigen Aufbau eines Empfängers zeigt dagegen die Fig. 5, auf welche sich auch eine ausführliche Erläuterung der Wirkungsweise des Empfängers stützt.
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In der Fig. 5 bedeutet 0 die Nullschiene des Transformators 2 aus der Fig. 4, während in einer Eingangsgruppe 63 die Teile 39 bis 46 des Empfängers nach der Fig. 4 zusammengefasst sind.
Die Eingangsgruppe 63 steht in unmittelbarer Verbindung mit einer Mischstufe 64, der über einen Frequenzumsetzer 65 eine Hilfsfrequenz fA zugeleitet wird. Ein Ausgang 66 der Mischstufe 64 ist auf in der oberen Hälfte der Fig.5 dargestellte Korrelations- systeme 67, 68, 69, 70 und auf in der unteren Hälfte gezeichnete Korrelationssysteme 71, 72, 73, 74 durchverbunden, deren erstes Paar 67, 68 an einen ersten Frequenzwandler 75 angeschlossen ist;
entsprechend ist dem zweiten Paar 69, 70 ein zweiter Frequenzwandler 76, dem dritten Paar 71, 72 ein dritter Fre- quenzwandler 77 und dem vierten Paar von Korrela- tionssystemen 73, 74 schliesslich ein vierter Frequenz- wandler 78 zugeordnet.
Jeder der Frequenzwandler 75 bis 78 liefert zwei gegeneinander um 90 phasenverschobene Ausgangsspannungen, wie dies in der Fig. 5 an den Ausgängen der Frequenzwandler 75 bis 78 durch die Bezeichnungen 0 und 90 angedeutet ist. Beide Ausgangsspannungen ein und desselben Frequenzwandlers besitzen die gleiche, der Netzfrequenz f" streng proportionale Frequenz, die als Referenzfrequenz f,.i (i = beliebiger Index) für das dem jeweiligen Frequenzwand- ler zugehörige Paar von Korrelationssystemen dient.
Jedes der Korrelationssysteme 67 bis 74 ist aus- gangsseitig mit je einem Sieb- und Richtglied 79 bis 86 versehen, wobei die Zuordnung der Reihenfolge der Aufzählung entspricht. Jedes der Sieb- und Richtglieder 79 bis 86 enthält die in der Fig. 4 gezeigte Siebkette 57 und den Brückengleichrichter 58.
Die Sieb- und Richtglieder 79 bis 86 sind in bezug auf einen den ihnen jeweils vorgeschalteten Korrela- tionssystemen gemeinsamen der Frequenzwandler 75 bis 78 paarweise zusammengefasst, wie dies auch in der Fig.5 zum Ausdruck kommt. Jedem Paar von Sieb- und Richtgliedern 79, 80; 81, 82; 83, 84; 85, 86 ist je eine Summierstufe 87; 88; 89; 90 nachgeschaltet, wobei die Zuordnung wiederum der Reihenfolge der Aufzählung entspricht.
Je zwei Summierstufen 87 und 88 bzw. 89 und 90 arbeiten auf eine logische Torschaltung 91 bzw. 92, deren Ausgang mit einem Schwellenschalter 93 bzw. 94 verbunden ist. Dem Schwellenschalter nachgeordnet erkennt man je ein Relais 95 bzw. 96 mit je einem Signalkontakt 97 bzw. 98. Die Teile 95 und 96 bzw. 97 und 98 entsprechen wirkungsmässig den Teilen 59 und 60 der Fig. 4.
Das bei der an Hand der Fig. 2 und 3 erläuterten Tastung entstehende Frequenzspektrum der die Infor- mation enthaltenden Wechselstromgrössen weist diskrete Frequenzen f d = b f t f m mit dem ganzzahligen Faktor b auf, nämlich die Seitenfrequenzen von Harmonischen bter Ordnung der Tastfrequenz f t. In der Nähe der Trägertonfrequenz f, sind diese Seitenfrequenzen besonders stark angehoben, unabhängig davon, welcher Tastoberwelle sie zugehören;
sie tre- ten naturgemäss gleichzeitig auf und liegen stets an einer in bezug auf die Netzfrequenz f. definierten Stelle des Frequenzspektrums, wenn die Tastfrequenz ft der Netzfrequenz in jedem Zeitmoment proportional ist.
Durch Simultanauswertung geeigneter Seitenfrequenzen fd zu höheren Harmonischen der für das Signal charakteristischen Tastfrequenz f t lässt sich nun ein hohes Auflösungsvermögen und damit ein ausserordentlich gesteigertes Trennvermögen zwischen Nutz- und Störsignalen erreichen, wodurch sich der Fernübertragung von Tarifinformationen in der Energiewirtschaft neue Wege öffnen.
Ein zur Simultanauswertung eingerichteter Empfänger besitzt beispielsweise den an Hand der Fig. 5 beschriebenen Aufbau und arbeitet im Zusammenwirken des gesamten Fernwirksystemes wie folgt: Ein Sender (Fig. 1) sende eine durch die Tast- frequenz ftl (Fig.2) charakterisierte Information. Die Modulation des tonfrequenten Trägerwechselstromes (33 bis 36 in Fig. 3) besitzt dann die Frequenz f"" = f. - alftl, worin f t, durch die Eigenschaften des Tast- schalters 8 (Fig. 1)
und der Faktor a durch die Anzahl der zwischen zwei Tastungen liegenden ganzen Perioden f - 1 der Netzgrundwelle (23 in Fig. 3) bestimmt sind. Im Fernwirkkanal liegt somit ein Spektrum von diskreten Frequenzen fdü - biftl = fnai vor.
In der Nähe der geeignet gewählten Tonfrequenz fs des unterdrückten Trägers besitzen diese Seitenfrequenzen f,1 ein zur Auswertung ausreichendes Energieniveau; insbesondere die beiden der Tonfrequenz f, am nächsten liegenden. Es können dies die Frequenzen fdlz bzfti + fml und fäll = b=fti - fnzl sein, wenn bü f t1 annähernd gleich f s ist, jedoch eignet sich in anderen Fällen z.
B. auch ein Frequenzenpaar f@il@ = b:xftl - fml und f dly = byf t1 + fmi usw. je nach Lage von f, in bezug auf biftl. Die hier verwendeten Indizes bedeuten: d: diskrete Frequenz, 1: aus der Tastfrequenz des Tastschalters 8 (Fig. 1) entstanden, i : ein beliebiger von allen möglichen Werten von b,
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x y : bestimmte Werte von b, z + als hochgestellter Index: obere Seitenfrequenz, - als hochgestellter Index: untere Seitenfrequenz.
Sinngemäss gelten die vorstehenden überlegungen gleichermassen für die aus der Tastfrequenz f,2 hervorgegangenen Frequenzen f i2.
In der weiteren Beschreibung werden zu jeder Tast- frequenz nur zwei Seitenfrequenzen betrachtet, nämlich diejenigen mit dem höchsten Energieniveau. Dabei seien
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und die in bezug auf die spektrale
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Lage der Tonfrequenz f. obere und untere der betrachteten Seitenfrequenzen, welche aus der Tastfre- quenz f t, hervorgegangen sind, unabhängig davon, welcher Tastoberwelle sie angehören;
ein Gleiches gilt für
EMI6.7
und entstanden aus f i2.
EMI6.8
Der Empfänger gemäss der Fig. 5 eignet sich zum selektiven Simultanempfang der vier Seitenfrequenzen
EMI6.10
seine Eingangsgruppe 63 ist nur für ein schmales Frequenzband durchlässig, in welchem diese Seitenfrequenzen liegen. Am Ausgang der Eingangsgruppe 63 - es ist dies der in der Fig. 4 gezeichnete Ausgangsübertrager 46 - treten also die Frequenzen
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und oder und
EMI6.15
auf, je nachdem, ob der
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Sender (Fig. 1) mit der Tastfrequenz ftl oder ft., sendet.
Die folgenden Erläuterungen beschränken sich wieder auf die beispielsweise zum Zeitpunkt der vorliegenden Betrachtung gerade gesendete Modulations- frequenz f",1, gelten aber analog auch für die Modu- lationsfrequenz f.2.
Aus der Eingangsgruppe 63 treten die Frequenzen der aus der Netzfrequenz f. abgeleiteten und dieser
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und
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in die Mischstufe 64 ein und werden dort proportionalen Hilfsfrequenz f,, unter Bildung von Zwischenfrequenzen
EMI6.37
fl, und fh überlagert.
EMI6.40
Vorzugsweise gilt f l, = p f , worin p eine positive ganze Zahl bedeutet. Durch diese Massnahme lassen sich Frequenzen f a gewinnen, deren nicht ganzzahliges Verhältnis zur Netzfrequenz f n aus niedrigen Zahlwerten gebildet ist.
Zur weiteren Auswertung werden die entstandenen Differenzfrequenzen
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in den Korrelationssystemen 67 bis 70 mit den Referenzfrequenzen
EMI6.51
überlagert;
EMI6.52
sind Proportionalitätskonstanten. Von dem wiederum entstehenden Mischergebnis interessiert hier der Gleichstromanteil, also ein am Ausgang des jeweiligen Korrelationssystemes auftretender Strom I mit der Frequenz f" = f a - fr = 0.
Die Grösse dieses Stromes I ist proportional dem cos des Phasenwinkels A, zwischen den überlagerten Strömen mit den Frequenzen f', und f, Zur Referenzfrequenz f i beispielsweise werden ausser der Gleichstromkomponente
EMI6.66
die Frequenzen
EMI6.67
und f äi - f + gebildet, welche die Siebkette (57 in Fig. 4) der Sieb- und Richt- glieder 79 und 80 nicht passieren dürfen.
Der Summierstufe 87 fliesst nun aus dem Siebund Richtglied 79 ein Gleichstrom
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zu, dessen Betrag zwischen den Werten 1 und 0 je nach Grösse des Phasenwinkels A schwanken kann. Analog kann der Betrag des aus dem Sieb- und Richtglied 80 in die Summierstufe 87 eintretenden Gleichstromes
EMI6.82
zwischen den Werten 0 und 1 liegen, so dass die in der Summierstufe 87 gebildete Summe
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stets einen endlichen Wert aufweist und abhängig vom Phasenwinkel .1 höchstens im Verhältnis
EMI6.87
unterschiedlich gross sein kann.
Die gleichen Überlegungen gelten für die Auswertung der Frequenz fjl. Aus den Summierstufen 87 und 88 treten also Gleichströme + 11 i I und + I I1 I gleichzeitig aus, wenn beide aus der Tastfrequenz ftl hervorgegangenen Seitenfrequenzen
EMI6.98
und
EMI6.99
ordnungsgemäss empfangen worden sind.
Sind beide Ströme + I I I und + 11- I gleichzeitig vorhanden, so lässt die logische Torschaltung 91 den kleineren davon als Strom Il zum Schwellenschalter 93 gelangen, der anspricht, wenn der Gleichstrom 11 den Schwellenwert überschreitet, was bei sonst ord- nungsgemässer Funktion des Fernwirksystemes voraussetzt, dass die Referenzfrequenzen der Netzfrequenz f" in jedem Zeitmoment
EMI6.111
streng proportional sind, da eine auch nur geringfügige gegenseitige Verstimmung des Systemes Sender-Empfänger durch Disproportionalität zwischen ft,
f,, und fr ein starkes Absinken des Gleichstromes h zur Folge hat.
Beim Ansprechen des Schwellenschalters 93 schliesst das Relais 95 seinen Signalkontakt 97. Damit ist der Schaltzustand des Signalwählers 5 (Fig. 1) im Kontaktzustand des Signalkontaktes 97 (Fig. 5) abgebildet und die gestellte Fernwirkaufgabe erfüllt.
Nimmt bei einer folgenden Sendung der Signalwähler 5 seine zweite mögliche Stellung ein, so ist die Tastfrequenz ft2 wirksam, und die gleichen überlegungen gelten für den unteren Teil des Empfängers mit den Korrelationssystemen 71 bis 74, wobei alle bisher mit dem Index 1 bezeichneten Grössen mit dem Index 2 zu lesen sind.
Die Ableitung der Referenzfrequenzen f r aus der Netzfrequenz f. erfolgt beispielsweise mittels eines von einem Synchronmotor angetriebenen Laufwerkes mit verschiedenen Zahnradübersetzungen, welchen photoelektrisch abgetastete Lochscheiben zugeordnet sind. Vorzugsweise werden zunächst Oberwellen der Referenzfrequenzen erzeugt und diese dann elektronisch digital unter Verwendung von Flip-Flop-Schaltungen geteilt, wobei gleichzeitig bequem die 0 - und 90 -Re- ferenzen zu gewinnen sind.
Eine andere Art der Erzeugung der Referenzfrequenzen f, besteht in einer digitalen Teilung einer geeigneten höheren Harmonischen der Netzfrequenz fn. Die 0 - und 90 -Referenzen lassen sich dabei z. B. auch mit RC-Phasenschiebern bilden. Geeignete Schaltungen hierfür sind an sich aus der Elektronik bekannt.
Die Mischstufe 64 sowie die Korrelationssysteme, z. B. 67 bis 74, können Ringmodulatoren oder andere, an sich bekannte, vorzugsweise transistorisierte Mischglieder sein.
Eine Variante eines für das beschriebene Fernwirksystem ebenfalls brauchbaren Empfängers ist in der Fig. 6 vereinfacht dargestellt.
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Einer gleichartig wie in der Fig.5 aufgebauten Eingangsgruppe 99 folgt ein Korrelationssystem 100 mit einem Ausgang 101 und nachfolgender Verzweigung 102. Dem Korrelationssystem 100 ist ein Fre- quenzwandler 103 zugeordnet. Der Ausgang 101 steht mit einem Sieb- und Richtglied 104 in Verbindung, während an die Verzweigung 102 ein weiteres Korre- lationssystem 105 mit einem Frequenzwandler 106 angeschlossen ist.
Dem Korrelationssystem 105 folgt in der Schaltung ein Sieb- und Richtglied 107, das ebenso wie das Sieb- und Richtglied 104 mit einer gemeinsamen logischen Torschaltung 108 verbunden ist. Der Signalausgang der logischen Torschaltung 108 mündet in einen Schwellenschalter 109 mit nachgeordnetem Relais 110, das einen Signalkontakt 111 aufweist.
Der vorstehend erläuterte Aufbau des Empfängers nach der Fig.6 entspricht funktionell der unteren Hälfte des Empfängers nach der Fig.5, wobei der Einfachheit halber in der Fig. 6 die Auftrennung in 0 - und 90 -Zweige nicht vorgenommen wurde, praktisch jedoch vorhanden sein soll.
Nach dem Gesagten dient der in der Fig. 6 dargestellte Empfängerteil zum Empfang von Signalen mit der Modulationsfrequenz f.2# Für die Aufnahme von Signalen mit der Modu- lationsfrequenz f"ti sind die Teile 100 bis 111 an dem durch einen Pfeil bezeichneten Leitungszweig 112 in gleicher Anordnung vorzusehen; natürlich mit Refe- renzfrequenz
EMI7.28
Der Empfänger nach der Fig. 6 arbeitet wie folgt:
Das mit Hilfe der Eingangsgruppe 99 ausgekoppelte Signal wird in Form der Seitenfrequenzen
EMI7.30
und
EMI7.31
dem Korrelationssystem 100 zugeleitet und dort mit einer Referenzfrequenz
EMI7.34
überlagert.
Es entstehen unter anderen die Frequenzen
EMI7.35
(Gleichstrom I,+) und
EMI7.37
von welchen f, das Sieb- und Richtglied 104 passiert, wobei der Strom
EMI7.39
zur logischen Torschaltung 108 gelangt, während 2f,"2 im Korrelationssystem 105 mit einer Referenzfrequenz
EMI7.43
gemischt wird. Als Mischergebnis resultiert neben anderen Mischfrequenzen
EMI7.44
(Gleichstrom 11 ), welche das Sieb- und Richtglied 107 passiert, so dass an der logischen Torschaltung 108 gleichzeitig mit
EMI7.46
ein Strom auftritt.
EMI7.48
Die weitere Auswertung geschieht in völliger Analogie zu dem an Hand der Fig. 5 beschriebenen Beispiel.
Wiederum gilt die Bedingung, dass die Referenzfrequenzen f,2 der die Modulationsfrequenz f",2 erzeugenden Tastfrequenz f t2 über die Netzfrequenz f n in jedem Zeitmoment proportional sind.
Für die praktische Anwendung des beschriebenen Fernwirksystemes wurde die folgende Bemessung der unabhängig wählbaren elektrischen Grössen als besonders geeignet für normale Netzverhältnisse ermittelt: fn = 50 Hz fei = 18,75 Hz ft2 = 21,45 Hz f s = 514 Hz f h = 450 Hz Die genannten Werte sollen wenigstens annähernd erreicht werden.
Die Angabe dieses Beispieles schliesst jedoch die Eignung anderer Werte keineswegs aus. Im Rahmen der realisierbaren Möglichkeiten liegt demnach auch der Bemessungsfall aft = f,z mit bx ungleich b..