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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der elektrischen Leistung, insbesondere der Wirkleistung und/oder der elektrischen Arbeit eines Verbrauchers.
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Aus der Druckschrift
DE 3102998 A1 ist eine Anordnung zur Messung elektrischer Leistung oder Energie bekannt, bei welcher ein Multiplizierer Anwendung findet, der aus ferromagnetischen magnetoresistiven Dünnfilmen besteht, die eine Brücke bilden. An jedem Dünnfilm ist in Richtung der harten Magnetachse ein magnetisches Hilfsfeld angelegt. Die Dünnfilme sind durch magnetkernlose Kopplung einem magnetischen Außenfeld ausgesetzt, das zu einem Messstrom proportional ist. Ein zu einer Messspannung proportionaler Strom speist die Brücke. Die Spannung am Ausgang der Brücke entspricht der elektrischen Leistung. Diese Lösung ist relativ aufwendig und ungenau, da keine direkte Messung der Spannung zur Leitungsbestimmung erfolgt. Weiterhin ist es nicht einfach möglich, diese Lösung in ein bestehendes Leitungssystem zu integrieren.
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Der erfasste Magnetfluss ist proportional zum fließenden Strom. Die in den vorgenannten Druckschriften verwendeten Methoden haben mehrere Nachteile.
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Zum einen darf immer nur jeweils eine Ader von einem Zangenamperemeter umfasst werden. Bei handelsüblichen elektrischen Kabeln sind Hin- und Rückleiter in einem Kabel geführt, deren Magnetfluss genau entgegengesetzt ist und sich daher aufhebt. Weiterhin kann mittels eines Zangenamperemeters nur der elektrische Strom gemessen werden, aus dem dann mittels bekannter Spannung eine Leistungsabschätzung vorgenommen werden kann. Da die Phasenlage zwischen Spannung und Strom nicht bekannt ist, können keine hinreichend genauen Aussagen zur Wirkleistung des elektrischen Verbrauchers getroffen werden.
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Bauartbedingt kann es weiterhin zu Ungenauigkeiten beim Einsatz von Zangenamperemetern kommen, da der umfasste Leiter nicht immer genau im rechten Winkel durch die Messzange geführt wird. Hochgenaue Messungen sind daher nicht möglich.
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Eine in einem Stromkabel geformte drahtlos steuerbare Leistungssteuerungsvorrichtung ist aus der Druckschrift
WO 2008/021639 A2 entnehmbar. Bei dieser Vorrichtung ist die Leistungsmessung die Voraussetzung zu deren Steuerung.
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Ein Nachteil aller vorgenannten Lösungen besteht darin, dass diese Lösungen nicht einfach in ein Stromkabel im Sinne der Nachrüstung zur Erfassung der durch einen Verbraucher abgegriffenen Wirkleistung integrierbar sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe bei handelsüblichen Leitern einfach, sicher und sehr genau die elektrische Leistung, insbesondere die Wirkleistung bzw. die elektrische Arbeit eines angeschlossenen Verbrauchers ermittelt werden kann, ohne diesen Verbraucher vom Stromkreis zu trennen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Erfassung der Wirkleistung und/oder der elektrischen Arbeit eines Verbrauchers, der mit einem Kabel, welches mehrere Kabeladern aufweist, an einen Stromkreis angeschlossen ist, gelöst, wobei am Kabel ein Gehäuse mit einem oder mehreren die elektrischen Verbrauchswerte des an dieses Kabel angeschlossenen Verbrauchers ermittelnden Messsensor(en) installiert ist und wobei der Strom über einen geteilten Strommesswandler und die Spannung durch mit den Leitern konkaktierte Schneidklemmen abgenommen werden und das Gehäuse Mittel aufweist, welche das Kabel/die Kabeladern des Kabels im Gehäuse lagefixieren.
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Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Installation der Einrichtung/des Gehäuses am Stromkabel des Verbrauchers möglich, ohne den Stromkreis zu unterbrechen und den Verbraucher vom Stromkreis zu trennen.
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Der/die Messsensoren übertragen die ermittelten Werte bevorzugt an einen Datensammler und/oder an einer Anzeigevorrichtung im Gehäuse.
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Die ermittelten Daten werden bevorzugt per Datenfernübertragung oder mittels Datenkabel von den Messsensoren an den Datensammler übertragen. Die elektrischen Verbrauchswerte können dann ausgewertet und einem Monitor angezeigt werden. Weiterhin können die Daten auch in einem Datenspeicher (z. B. für Auswertungen) gespeichert werden. Analog ist es auch möglich, die Verbrauchswerte auch an einer Anzeige, die am Gehäuse der Einrichtung integriert ist, zu visualisieren.
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Zur Installation der Einrichtung wird das Kabel im Bereich der Befestigung des Gehäuses zumindest teilweise entmantelt, wobei jedoch die innere Isolation der einzelnen Kabeladern des Kabels bestehen bleibt.
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Das Gehäuse besteht aus zwei Gehäuseschalen besteht, die zur Installation am Kabel geöffnet/aufgeklappt und nach Fixierung des Kabels geschlossen/zusammengepresst sind. Die Gehäuseschalen sind dazu bevorzugt über ein oder mehrere Scharniere klappbar.
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Weiterhin verfügt das Gehäuse bzw. die Gehäuseschalen über eine an das Kabel angepasste Kabeldurchführung welche das Kabel am Außenumfang im geschlossenen/montierten Zustand dicht umfasst, so dass eine Zugbelastung auf den sich im Gehäuse befindlichen Kabelbereich weitestgehend vermieden wird und das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz vermieden wird.
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Zusätzlich ist das Gehäuse durch entsprechende Dichtungen vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung geschützt.
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Zur Erfassung des im Leiter fließenden Stromes wird in dem Gehäuse ein bevorzugt in Längsrichtung des Gehäuses geschnittener Stromübertrager (insbesondere in Form eines geteilten Zangenamperemeters) angeordnet, der im geschlossenen Zustand des Gehäuses einen geschlossenen Magnetkreis bildet und um eine Kabelader des Kabels greift und als Strommesswandler zur Erfassung des Stromes, der durch diesen Leiter fließt, dient. Die Mittel zur Lagefixierung der Kabelader gewährleisten dabei, dass die Kabelader in einem im Wesentlichen rechten und fixierten Winkel (in Längsrichtung/entlang der Längsachse des Gehäuses) durch den Strommesswandler führt.
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Zur direkten Erfassung der Spannung sind in dem Gehäuse Spannungsschneidklemmen in der Art angebracht, dass diese im geschlossenen Gehäusezustand in die elektrische Isolation zweier Kabeladern schneiden und damit eine elektrische Spannung direkt von diesen Kabeladern abnehmbar ist.
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Die elektrische Spannung dient als Messeingangsgröße zur Ermittlung von Wirk-, Schein- und Blindleistung des angeschlossenen Verbrauchers und/oder zur Versorgung der Messelektronik dient.
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Die Anschlüsse des Stromwandlers sowie die über die Schneidklemmen abgenommene Nennspannung werden von einer elektrischen Schaltung verarbeitet, die ebenfalls in das Gehäuse Integriert ist.
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Dabei wird aus der Nennspannung die Niederspannung zum Betrieb der Auswerte- und Funkelektronik generiert wird und/oder die Nennspannung wird über einen Spannungsteiler sowie die Anschlüsse des Stromwandlers direkt an einem Analog-Digital-Wandler angeschlossen.
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Die digitalen Ausgangssignale des/der Analog-Digital-Wandler werden in einem Mikroprozessor, der ebenfalls im Gehäuse angeordnet ist, zu den elektrischen Größen Wirk-, Schein- und Blindleistung verknüpft und daraus der elektrische Leistungsfaktor/die Wirkleistung des an das Kabel angeschlossenen Verbrauchers bestimmt. Dabei wird im Analog-Digital-Wandler der genaue Wert der Nennspannung bestimmt.
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Die ermittelten elektrischen Werte (elektrische Leistung/Wirkleistung) wird vom Mikroprozessor zu einem Datensammler übertragen, was bevorzugt mit oder ohne Kabel, im letzgenannten Fall über ein an den Mikroprozessor angeschlossenes Funkmodul erfolgt.
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Vorteilhafter Weise wird in die Elektronik ein aufladbarer Akkumulator integriert, der über eine Ladeschaltung bei anliegender Nennspannung geladen wird und im Falle nicht vorhandener Nennspannung die Stormversorgung des Mikroprozessors und des Funkmoduls übernimmt.
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Bevorzugt sind Mikroprozessor, Analog-Digital-Wandler und Funkmodul in einen integrierten Schaltkreis integriert.
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Weiterhin können in dem Gehäuse eine oder mehrere Statusanzeigen angeordnet sein. Insbesondere sollten folgende Statusanzeigen vorgesehen sein:
- – eine Status-LED, die eine anliegende Nennspannung signalisiert,
- – eine Status-LED, die anzeigt, dass die Funkverbindung stabil ist und
- – eine Status LED, die den Stromfluss anzeigt.
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Weiterhin kann in dem Gehäuse, insbesondere über den Mikroprozessor gesteuert, eine LCD-Anzeige zur Visualisierung der aktuellen Verbrauchswerte des angeschlossenen Verbrauchers integriert sein, die bevorzugt im Inneren des Gehäuses angeordnet und über einen durchsichtigen Teil des ansonsten isolierenden Gehäuses, welches insbesondere aus Kunststoff besteht, sichtbar ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmalig möglich, eine Einrichtung zur Erfassung der elektrische Leistung, insbesondere der verbrauchten Wirkleistung oder elektrischen Arbeit eines elektrischen Verbrauchers, nachträglich in ein Stromkabel zu installieren, ohne den Verbraucher vom Netz zu trennen. Um die elektrischen Verbrauchswerte möglichst genau zu erfassen, müssen dabei sowohl die anliegende Spannung als auch der fließende Strom parallel und zeitsynchron gemessen werden, was mit der erfindungsgemäßen Lösung erstmalig sehr einfach möglich ist.
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Zum Messen der Spannung werden die stromführenden Leiter direkt kontaktiert werden, was über zwei Schneidklemmen, die automatisch beim Schließen des Gehäuses an den jeweiligen Leiter gedrückt und dadurch mit diesem kontaktiert werden, realisiert wird. Für das Messen des Stromes wird ein Strommessgerät (Zangenamperemeter) verwendet, welches jedoch zum Einlegen des Leiters bei geöffnetem Gehäuse längs getrennt ist und beim Schließen des Gehäuses ebenfalls geschlossen wird.
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Diese Kombination aus Mitteln zum direktem konstruktionsbedingtem Abgriff/Ertastung der Spannung und aus Mitteln zur unterbrechungsfreien Strommessung, die alle in einem einfach nachrüstbaren Gehäuse integriert werden, sind das Wesentliche Element der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann somit auf einfache Art und Weise nachgerüstet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung,
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2 das Blockschaltbild der elektronischen Schaltung der Vorrichtung,
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3 das aufgeklappte Gehäuse mit dem darin positionierten Kabel,
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4 Einzelheit X gemäß 3,
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5 Schnitt A-A gemäß 3,
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6 Schnitt B-B gemäß 3,
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7 Einzelheit Z gemäß 6,
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8 Schnitt C-C gemäß 3.
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Die Einrichtung besteht gemäß 1 aus zwei Messsensoren 2.1, die jeweils an einem Kabel 2.2 mittels eines Gehäuses G installiert sind. Jeder Messsensor 2.1 ermittelt kontinuierlich die elektrischen Verbrauchswerte eines an jedem Kabel 2.2 angeschlossenen Verbrauchers 2.3 und sendet diese Werte über ein geeignetes Funkprotokoll F an einen Datensammler 2.4. Dieser Datensammler 2.4 empfängt die elektrischen Verbrauchswerte der hier zwei Verbraucher 3.2, zeigt sie an einem Monitor an und speichert die Werte für weitere Analysen. Selbstverständlich ist es möglich, auch die Verbrauchswerte nur eines Verbraucher oder von mehr als zwei Verbrauchern auf diese Art und Weise zu erfassen.
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Gemäß 2 ist in dem Gehäuse G ein Stromwandler 1.1 angeordnet. Über zwei Schneidklemmen 1.2, die automatisch beim Schließen des Gehäuses G an zwei Leiter zweier noch ummantelter Kabeladern 2.2' und 2.2'' durch deren Ummantelung gedrückt und dadurch mit diesen Leitern kontaktiert werden, wird die Nennspannung der Kabeladern 2.2' und 2.2'' des im Bereich des Gehäuses G entmantelten Kabels 2.2 erfasst. Gleichzeitig wird über einen Strommesswandler 1.1 der Stromfluss der Kabelader 2.2' erfasst. Diese Werte werden von einer elektrischen Schaltung wie folgt verarbeitet:
Zum einen wird aus der Nennspannung mittels eines Schaltreglers 1.3 oder einer anderen geeigneten Schaltung die Niederspannung zum Betrieb der Auswerte- und Funkelektronik generiert. Gleichzeitig wird die Nennspannung über einen Spannungsteiler 1.4 sowie die Anschlüsse des Strommesswandlers 1.1 direkt an Analog-Digital-Wandler 1.5, 1.6 angeschlossen. Deren digitale Ausgangssignale werden in einem Mikroprozessor 1.7 zu den elektrischen Größen Wirk-, Schein- und Blindleistung verknüpft sowie der Leistungsfaktor bestimmt. Weiterhin wird der genaue Wert der Nennspannung im Analog-Digital-Wandler 1.5, 1.6 bestimmt.
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Alle elektrischen Werte werden über ein Funkprotokoll F über einen an den Mikroprozessor angeschlossenen Funkmodul 1.8 zum Datensammler 2.4 gesendet.
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Um auch im Falle einer ausfallenden Nennspannung weiterhin Werte an den Datensammler 2.4 senden zu können, ist in der Elektronik ein aufladbarer Akkumulator 1.9 integriert, der über eine Ladeschaltung 1.10 bei anliegender Nennspannung geladen wird und im Falle nicht vorhandener Nennspannung die Stormversorgung des Mikroprozessors und des Funkmoduls übernimmt.
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Mikroprozessor 1.7, Analog-Digital-Wandler 1.5, 1.6 und Funkmodul 1.8 können in einem integrierten Schaltkreis vereint sein, was bereits Stand der Technik ist.
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(Ein Beispiel dafür ist das Bauelement ZW301 des Herstellers Sigma Designs (ehem. Zensys). Dieser Chip unterstützt das Funkprotokoll Z-Wave, dessen Spezifikation die Übertragung der oben genannten elektrischen Verbrauchsgrößen ermöglicht und gleichzeitig die Datenintegrität über die Luft sowie die Adressierung der einzelnen Funksensoren abbildet.
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Über drei Status-LEDs 1.11, die über den Mikroprozessor 1.7 angesteuert sind, werden die anliegende Nennspannung, eine stabile Funkverbindung und der Stromfluss signalisiert. Optional kann eine LCD-Anzeige 1.12 zur Visualisierung der aktuellen Verbrauchswerte direkt vom Mikroprozessor 1.7 gesteuert werden. Eine solche LCD-Anzeige 1.12 ist im Inneren des Gehäuses G angebracht und über einen durchsichtigen Teil des ansonsten isolierenden Plastikgehäuses sichtbar.
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Der Messsensor 2.1 weist gemäß 3 ein Gehäuse G mit zwei Gehäuseschalen G1, G2 auf, die zwecks Installation am Kabel 2.2 aufgeklappt sind und nach Fixierung des Kabels 2.2 zusammengepresst werden.
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Das Stromkabel/Kabel 2.2 muss vor der Fixierung im Gehäuse G über eine geeignete Länge von z. B. ca. 10 cm mittels eines handelsüblichen Kabelentmantelers (nicht dargestellt) abgemantelt werden. Dabei wird der äußere Kabelmantel entfernt, die innere Isolation der einzelnen Kabeladern 2.2', 2.2'', 2.2''' bleibt aber unberührt.
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Die Gehäuseschalen G1, G2 verfügen an ihren Enden über eine angepasste Kabeldurchführung 10, welche das hineinführende Kabel 2.2 dicht umfasst und damit im zugeklappten Zustand für eine Zugentlastung des Kabels 2.2 sorgt. Weiterhin ist das Gehäuse G durch einen in die Gehäusehälften G1 und/oder G2 eingelegten Gummiring (nicht dargestellt) im geschlossenen Gehäusezustand gegen Spritzwasser und Schmutz geschützt.
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Im Gehäuseinneren befinden sich ein geschnittener Stromübertrager/Strommesswandler 1.1, dessen erste Hälfte 1.1' mit der ersten Gehäusehälfte G1 und dessen zweite Gehäusehälfte 1.1'' mit der zweiten Gehäusehälfte G2 derart verbunden sind, dass beide Hälften 1.1' und 1.1'' im geschlossenen Gehäusezustand einen geschlossenen Magnetkreis bilden und damit als Strommesswandler 1.1 einer hindurchführenden Kabelader, hier 2.2', dienen können.
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Eine erste Kabelführung 11, die in der zweiten Gehäusehälfte G2 angeordnet ist, sorgt dafür, dass die zu messende Kabelader 2.2' im rechten und fixierten Winkel bzw. entlang der Längsachse A durch den Strommesswandler 1.1 geführt wird, um Messfehler zu vermeiden (siehe auch Einzelheit Z gemäß 4).
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Die Kabelader 2.2'' wird in einer zweiten Kabelführung 12 der zweiten Gehäusehälfte G2 geführt und lagefixiert.
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Beide Gehäusehälften G1, G2 sind über Scharniere S miteinander schwenkbar verbunden.
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Einige Schnittdarstellungen durch die geschlossenen Gehäusehälften G1 und G2 des Gehäuses G sind in den 5 bis 8 dargestellt. Den Schnitt im Bereich A-A gem. 3 durch den Strommesswandler 1.1, durch den die Kabelader 2.2' führt, zeigt die 5. Es ist daraus ersichtlich, dass der Strommesswandler 1.1 im geschlossenen Zustand des Gehäuses G die Kabelader 2.2' umgibt.
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Den Kabelführungen 11, 12 sind gemäß 6 (Schnitt B-B) und 7 Spannungsschneidklemmen 1.2 in der Art zugeordnet, dass diese im geschlossenen Gehäusezustand in die elektrische Isolation M der einzeln installierten Kabeladern 2.2' und 2.2'' schneiden und damit eine elektrische Spannung von diesen Kabeladern 2.2' und 2.2'' abgenommen werden kann. Gemäß 6 und 7 werden die Spannungsschneidklemmen 1.2 entgegen der Kraft einer Feder 13 betätigt. Die abgegriffene elektrische Spannung dient zum einen zur Versorgung der Messelektronik und zum anderen als Messeingangsgröße zur Ermittlung von Wirk-, Schein- und Blindleistung des angeschlossenen Verbrauchers.
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In 8 ist der Schnitt im Bereich C-C durch das Gehäuse G gemäß 3 dargestellt. Das Kabel 2.2 ist an dieser Position noch nicht entmantelt, so dass davon die drei Kabeladern 2.2', 2.2'' und 2.2''' umschlossen sind und es ist die Leiterplatte/der integrierte Schaltkreis L dargestellt.
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Die in den 3 und 6 dargestellte dritte Kabelader 2.2''' ist die Masse und wird für die Messung nicht benötigt.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es auf einfache Art und Weise möglich, eine Einrichtung zur Erfassung der Leistungsdaten eines Verbrauchers zu ermitteln, ohne den Verbraucher vom Netz zu trennen, wodurch eine einfache Nachrüstung möglich ist.
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Das Stromkabel des Verbrauchers wird einfach in einem bestimmten Bereich entmantelt, ohne die Ummantelung der einzelnen Adern zu entfernen, die einzelnen Kabeladern werden in dem Gehäuse fixiert, dieses geschlossen und fertig!
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In dem insbesondere klappbaren oder zusammensteckbaren Gehäuse sind ein Stromwandler und eine entsprechende Auswerteelektronik integriert, wobei deren Spannungsversorgung batteriebetrieben sein kann oder nennspannungsbetrieben mit Schneidklemmen erfolgt. Die Messwertausgabe erfolgt auf einfache Art und Weise über ein Kabel oder über Funk. Dabei ist es in beiden Fallen möglich, die Messwerte auch in der Einrichtung zwischenzuspeichern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3102998 A1 [0002]
- DE 3040316 A1 [0003]
- DE 10051160 B4 [0003]
- DE 102007003830 B4 [0003]
- DE 102008030334 A1 [0003]
- DE 102008039568 A1 [0003]
- WO 2008/021639 A2 [0007]
