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Verfahren zur Übertragung physikalischer Meßgrößen
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Die vorliegende Erfindung netrifft eine Einrichtung zur Übertragung
von physikalischen Meßgrößen und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Dieses Übertragungsverfahren ist vor allem dafür bestimmt, gefahrlose
Messungen mit gerigem Aufwand zum Zweck der Isolation vorzunehemen. Da in Hochvoltanlagen
aus Gründen lebengefährlicher Berührungsspannungen keine drahtgebundenen Meßwertübertragungen
möglich sind, bedient man sich bei den herkömmlichen Verafhren eines Meßwandlers.
Der Aufwand, den die verstelLung eines solchen Übertragers erfordert, ist erheblich
und hängt weitgehend von der Hohe der Betriebsspannung ab. Nachteilig sind auch
die verhältnismäßig hohen Ungenauigkeiten und die kaum durchführbare Meßbereichseweiterung
dieser Meßwandler. Ständige Wartung und die Nichteinsetzbarkeit in Anlagen mit Gleichspannungen
beschränken um weiteres die Nutzbarkeit der Sandler.
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Entgegen der in der Hauptanmeldung dargestellten Übertragungsmöglichkeit
wird aus Gründen fehlender Durchführbarkeit in dieser Erfindung auf den Einsatz
an rotierenden Maschinenelementen verzichtet. Dafür ist hier eine vereinfachte und
sichere Methode zur Lichttrückführung gefunden worden, die sich vor allem durch
eine höhere Auflösung der zu übertragenden Information und geringere Lichtverluste
am Meßort auszeichnet.
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Die in Fig.I dargestellte Anordung besteht aus einer Lichtquelle 1,
die ein Sendelichtleiter 2 mit achsenparallelen Strahlen beschickt, dabei ist der
Sendelichtleiter ein Bestandteil eines zu einem Kabel 3 zusammengefaßten Glas- oder
Kunststofffaserbündels, welches für die Informationübertragung bestimmt ist und
den hochspannungsführenden Meßort mit dem Lichtsendeempfänger und den nachgeschalteten
Meßwertbilder verbindet. Die übrigen Lichtleiter dienen ausschließlich als Empfangslichtleiter
und werden bei dieser Anordnung nur einzeln'lichtdurchflutet. Je nach Auflösung
und Genauigkeit einer zu übertragenden Information kann eine beliebige Anzahl Empfangslichtleiter
eingesetzt werden. Ausschglaggebend für die fehlerfreie Auswertung einer physikalischen
Größe ist jedoch eine folgerichtige Anordnung der Empfangslichtleiter in der horn,
daß bei kleinster zu messender Größe der zweite LIchtleiter 4 und
beim
Maximalwert der n-te Lichtleiter 5 lichtführend ist. Der erste Empfangslichtleiter
6 dient der Anzeigenkontrolle 7 und aaht die Wertligkeit "0"; dieses gilt insbesondere
für die Üenrtragung von elektrischen Meßgrößen zur echten Nullwertbestimmung.
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Am Meßort ist der Sendelicntleiter derart geformt, daß dieser unter
Einwirkung der jeweiligen Meßgroße jeden einezlnen Empfangslichtleiter innerhalb
eines ebenen Abtastsektors 8 mit dem an einen Ende emittierenden Licht anzustrahlen
vermag. Der Lichtübergang vom Sendelichtleiter zu den einzelnen Empfangslichtleitern
ist räumlich so eng bemessen, daß ein berührungsloses Vorbeiführen des Sendelichtleiters
gewährleistet ist und dadurch erfindungsgemäß eine recht verlustarme Rückführung
der Lichtenergie möglich wird. Diese Art der Lichtrückführung hat gegenüber der
Methode der Einspiegelung durch einen Reflektor den Vorzug, daß ein einwandfreies
Funktionieren des Übertragungssystems bei starker Vibration und schon bei geringem
Lichtstrom sichergestellt werden kann. Daraus resultiert die Einsetzbarkeit von
Infrarot-Lichtgebern, die einen geringen Eigenbedarf an elektrischer Energie aufweisen
und einen wartungsfreien Betrieb erwarten lassen; jedoch sind für diese Betriebsart
bekanntlich geeignete Lichtleiter notwendig. Eine erhöhte Divergenz des Strahlenganges
am Lichtaustritt des Sendelichtleiters bleibt aufgrund des kurzen Lichtüberganges
für die Informationsübertragung ohne Bedeutung.
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Wird min einer der Empfangslichtleiter am Meßort vom Sendelichtleiter
angestrahlt, so erreichen diese Lichtwellen das am anderen Ende aufgesetzte Fotoelement,
wo sie durch ihr Auftreffen ein elektrisches Signal verursachsen. Der einseitige
Abschluß jedes einzelnen Empfangslichtleiters durch ien "Fotoelement mit Schalter
stellt die Gesamtheit des Lichtempfängers 9 dar. Die Schalter, nachstehend als Schaltstellen
bezeichnet, sind dann spannungsführend, wenn die dazugehörigen Fotoelemente üner
ihre Empfangslichtleiter durch Lichttastung am Meßort aktiviert werden. Für die
Schaltstellen steht eine Hilfsspannung in einer Größe bereit, die an die nachgeschaltete
Elektronik angepaßt und für die r,.teßsertbi].dung geeignet ist. Unter der
Zuordnung einer bestimmten Wertigkeit jeder einezelnen Schaltstelle ist es möglich,
aus der Information der Helltastung und der daraus resultierenden Signalisierung
an der jeweiliegen Schaltstelle den zur physikalischen Meßgröße äquivalenten Meßwert
abzuleiten; dieses geschieht durch den Meßwertbilder. Die Vortigkeit der zu messenden
Größe nimmt zur nächst höher bezifferten Schaltstelle um je eine Größenordnung zu.
An der n-ten Schalstelle, dieses entspricht am Meßort die größtmögliche Auslonkung
des Sendelichtleiters, ist der zu übertragende Maximalwert vorgegeben.
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Die Umsetzung der an den Schaltstellen vorhandenen Information geschieht
um zweckmäßigsten durch das Auszählen der jenigen Schaltstelle, an der der Pegel
der Hilfsppanung ansteht; alle übrigen Schaltstellen sind in einem solchen Zustand
spannungslos.
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Ein von einen Zähler 10 gesteuerter Schaltstellenwähler 11 wird in
einem ständig neuen Zyklus den aktuellen Schalstellenwert ermitteln und die Zählung
bei Anwahl eines Pegels beenden. Der Zählerstand kann nach Übernahme in einen Speicher
12 als Meßwert auf direktem Weg zur Anzeige 13 gebracht werden, wenn die Anzahl
der Schaltstellen mit der der Gradationen in der jeweiligen technischen Einheit
übereinstimmt. Hierbei ist jedoch eine lineare Lichstrahlumenkung in Abhängigkeit
der zu messnden physikalischen Größe vorauszusetzen.
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In Fig. II ist eine der möglichen Ausführungsformen der Umlenkmechanismen
dargestellt, die den wesentlichen Teil der Erfidnung ausmachen. Dem Wesen nach bildet
diese Anordung einen Analog/ Digital-Umsetzer ab. Diese Umsetzung geschieht mit
Hilfe herkömmlicher Meßweerke, soweit es sich um die Erfassung elektrischer Größen
handelt.
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Die Figur zeigt den Aufbau mit einer Drehspule im permanenten Magnetfeld,
wobei der Sendelichtleiter, der auf der Achse der Drehspule befestigt ist, mit seinem
lichtemittierenden Ende in Ruhelage auf die Stirnfläche und in Achsrichtung des
ersten Empfangslichtleiters gerichtet ist.
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Das Reststück des Sendelichtleiters ist zu einer Spirale geformt,
um das im Augenblick einer Umlenkung auftretende Drehmoment zu minimieren.
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Wird die Drehspule stromdurchflossen, so führt dieses zu einer Drehbwegung,
welche bei maximalem Strimfluß eine volle Umlenkung des Sendelichtleiters zur Folge
hat. In dieser Stellung ist der Sendelichtleiter so positioniert, daß er dem n-ten
Empfangslichtleiter gegenüber steht.
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Durch eine exakte Geometrie kann das Ausfeinandertreffen der achsen
sämtlicher Empfnagslichtleiter mit der des Sendelichtleiters nacheinander erreicht
werden. Alle Enden der Empfangslichtleiter liegen zu einem Kreisbogen in einem Endstück
14 nebeneinander. Dieses Endstück, zusammen mit einem Meßwerk und daran befestigten
Sendlichtleiter in einem Rahmen installiert, bildet die Einheit eines im Meßbereich
belibig erweiterbaren Übertragers für Hochspannungsanlagen. Wir ein hermetisch geschlossenes
Gehäuse gegen äußere Störeinflüsse, wie Atmosphäre und Fremdlicht, vorgesehen, gilt
der Aufbau eines solchen Übertragers als absolut wartungsfrei. Die bisher beschriebene
Ausführung, bei der eine Drehspule verwendet wird, bleibt in ihrer Anwemdung auf
die iTbertragung von Gleichspannungen und- störmen beschränkt.
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Für Wechselstrommessungen ersetzt man die Drehspule durch ein Dreheisensystem,
welches sich bekanntlich für beide Stromarten eignet. Hier erfolgt die Umlekung
des sendelichtleiters durch eine von der Systemachse des Dreheisenwerkes gesteuerte
Mechanik, die dafür sorgt, die für das Dreheisen typische quadratische Chrakteristik
zu linearisieren.