DE1170052B

DE1170052B - Circuit arrangement for monitoring maximum or minimum values of an alternating current quantity, preferably for intrinsically safe systems

Info

Publication number: DE1170052B
Application number: DEV22909A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Manfred Liska; Rolf Voelker
Original assignee: Elektro Apparate Werke VEB
Current assignee: Elektro Apparate Werke VEB
Priority date: 1962-08-13
Filing date: 1962-08-13
Publication date: 1964-05-14

Description

Schaltungsanordnung zur Überwachung von Maximal- bzw. Minimal-Werten einer Wechselstromgröße, vorzugsweise für eigensichere Anlagen Nicht -nur in Energieversorgungs-netzen, sondern auch in Anlagen mit niedrigerer Spannung ist es oft notwendig, das über- bzw. Unterschreiten eines bestimmten Spannungswertes zu überwachen. In zunehmendem Maße finden elektronische Schwellwertschalter an Stelle elektromechanischer Relais Verwendung. Wegen der geringen Leistungsaufnahme und der niedrigen Betriebsspannung bieten diese Schaltungen besonders in sogenannten eigensicheren Anlagen große Vorteile. Ein typischer Vertreter eines Schwellwertschalters ist der transistorisierte Schmitt-Trigger. Er besteht im wesentlichen aus zwei emittergekoppelten Transistoren und hat zwei stabile Lagen. Im Ruhezustand - der einen stabilen Lage - ist z. B. der erste Transistor durchgesteuert, der zweite sperrt. Legt man eine Eingangswechselgröße oder eine gleichgerichtete Größe an, wird nach überschreiten des eingestellten Schwellwertes der erste Transistor gesperrt und der zweite durchgesteuert. Dies entspricht dem anderen stabilen Zustand. Erst wenn die Eingangsgröße unter den Schwellwert absinkt, stellt sich der Ausgangszustand wieder ein. Am Ausgang entsteht also eine Rechteckimpulsfolge. In Abhängigkeit von der Amplitude und dem eingestellten Ansprechwert - dem Schwellwert - werden die Lücken dieser Folge verschieden groß sein: Im ungünstigsten Falle können sie sich bis zur Dauer einer Halbwelle der Eingangsgröße erstrecken. Ein konstantes Ausgangssignal würde aber für die logische Weiterverarbeitung z. B. in kontaktlosen Steuerungsschaltungen vorteilhaft sein. Aus diesem Grunde versucht man in der Regel die am Ausgang der Kippschaltung entstehende Rechteckimpulsfolge künstlich zu verlängern. Hierzu dient eine Impulsverlängererstufe. Diese ist meist eine sogenannte monostabile Kippschaltung mit RC-Kopplung. Sie hat die Eigenschaft, einmal ausgelöst, nach Ablauf einer definierten Zeit unabhängig vom Eingangssignal wieder in die Ausgangslage zurückzukehren. Infolge ihrer endlichen Wiederbereitmachungszeit können die Lücken nicht vollkommen beseitigt werden. (Die Schaltung kann erst wieder ausgelöst werden, wenn der Kondensator der RC-Kombination sich erneut aufgeladen hat.) Ein weiterer Nachteil einer solchen Impulsverlängerung ist folgender: Durch die RC-Kopplung ist die Dauer des Zeitablaufs der monostabilen Kippschaltung und damit die Impulslänge festgelegt. Wenn also die Lücken auf kleinste Werte beschränkt bleiben sollen, kann die Gesamtschaltung nur für eine bestimmte Frequenz verwendet werden. In der Fernmeldetechnik z. B. ist es aber oft erforderlich, unabhängig von der in weiten Grenzen sich ändernden Frequenz das über- oder Unterschreiten eines eingestellten Ansprechwertes zu kontrollieren. Eine Lösung, die dieser Forderung teilweise gerecht wird, ist folgende: Eine Kippschaltung erzeugt aus einer Wechselstromgröße eine Gleichstromimpulsfolge. Diese wird zur Steuerung einer Brückenschaltung verwendet, in deren Diagonalzweig ein übertrager liegt. Am Ausgang des übertragers entsteht so im Takt der Gleichstromimpulsfolge eine Wechselstromimpulsfolge. Diese wird gleichgerichtet und stellt das eigentliche Ausgangssignal dar. Bei niedrigen unteren Grenzfrequenzen wird einmal der Eisenquerschnitt des übertragers sehr groß, zum anderen ist das Ausgangssignal auch hier nicht genau konstant. An den Berührungsstellen der gleichgerichteten Wechselstromimpulse treten infolge der endlichen Flankensteilheit Signaleinbrüche auf. Diese können leicht zu Fehlentscheiden führen.Circuit arrangement for monitoring maximum or minimum values of an alternating current variable, preferably for intrinsically safe systems Not only in energy supply networks, but also in systems with lower voltage, it is often necessary to monitor whether a certain voltage value is exceeded or fallen below. Electronic threshold switches are increasingly being used instead of electromechanical relays. Because of the low power consumption and the low operating voltage, these circuits offer great advantages, especially in so-called intrinsically safe systems. A typical representative of a threshold switch is the transistorized Schmitt trigger. It essentially consists of two emitter-coupled transistors and has two stable layers. In the idle state - the one stable position - z. B. the first transistor is turned on, the second blocks. If an input change variable or a rectified variable is applied, the first transistor is blocked and the second is switched on after the set threshold value is exceeded. This corresponds to the other stable state. The initial state is only set again when the input variable falls below the threshold value. A square-wave pulse train is created at the output. Depending on the amplitude and the set response value - the threshold value - the gaps in this sequence will be of different sizes: In the worst case, they can extend up to the duration of a half-wave of the input variable. A constant output signal would, however, be used for further logical processing. B. be advantageous in contactless control circuits. For this reason, an attempt is usually made to artificially lengthen the square-wave pulse sequence that arises at the output of the flip-flop. A pulse extender stage is used for this purpose. This is usually a so-called monostable multivibrator with RC coupling. Once triggered, it has the property of returning to the starting position after a defined time, regardless of the input signal. Due to their finite recovery time, the gaps cannot be completely eliminated. (The circuit can only be triggered again when the capacitor of the RC combination has recharged itself.) Another disadvantage of such a pulse lengthening is the following: The RC coupling defines the duration of the timing of the monostable multivibrator and thus the pulse length. So if the gaps are to be limited to the smallest values, the entire circuit can only be used for a certain frequency. In telecommunications, for. For example, it is often necessary to check whether a set response value is exceeded or not reached regardless of the frequency that changes within wide limits. One solution that partially meets this requirement is the following: A flip-flop circuit generates a direct current pulse train from an alternating current quantity. This is used to control a bridge circuit in whose diagonal branch there is a transformer. At the output of the transformer, an alternating current pulse train is created in time with the direct current pulse train. This is rectified and represents the actual output signal. At low lower limit frequencies, the iron cross-section of the transformer becomes very large, and the output signal is not exactly constant here either. Signal drops occur at the contact points of the rectified alternating current pulses as a result of the finite edge steepness. These can easily lead to wrong decisions.

Es war also die Aufgabe zu lösen, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die folgende Forderungen erfüllt: 1. Frequenzunabhängigkeit, 2. bei überschreiten des eingestellten Ansprechwertes konstantes Ausgangssignal, 3. einstellbares Halteverhältnis und einstellbarer Ansprechwert.The task was to solve the problem of developing a circuit arrangement that fulfills the following requirements: 1. Frequency independence, 2. constant output signal when the set response value is exceeded, 3. adjustable hold ratio and adjustable response value.

Hat die zu überwachende Spannung nur eine geringe Größe, z. B. in sogenannten eigensicheren Anlagen, so wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Überwachung von Maximal- bzw. Minimal-Werten einer Wechselstromgröße die frequenzunabhängige Erfassung dieser Werte die aus der zweiweggleichgerichteten Wechselstromgröße über die an sich bekannten Impulsformerstufen gewonnenen Impulsfolgen einen dominierend löschenden Speicher zugeführt werden. Dabei liegt das Signal der einen Impulsformerstufe an dem Eingang des dominierend löschenden Speichers und das Signal der anderen Impulsformerstufe über das richtungsabhängige Differenzierglied am Löscheingang des dominierend löschenden Speichers. Der direkt oder über das Verzögerungsglied und das negierende Oder-Gatter nachgeschaltete weitere Speicher wird nach erreichtem Ansprechwert der Impulsformerstufe mit einstellbarem Ansprechwert sofort einspeichern und beim Unterschreiten dieses Ansprechwertes nach maximal einer Halbwellendauer der Eingangsgröße löschen.If the voltage to be monitored is only small, e.g. Am so-called intrinsically safe systems, the object is achieved according to the invention by that for monitoring maximum or minimum values of an alternating current variable frequency-independent acquisition of these values from the full-wave rectified AC magnitude via the pulse shaping stages known per se obtained pulse sequences are fed to a dominantly erasing memory. The signal of one pulse shaper stage is at the input of the dominant erasing memory and the signal of the other pulse shaper stage via the direction-dependent Differentiating element at the clearing input of the predominantly clearing memory. The direct one or further downstream via the delay element and the negating OR gate After the response value of the pulse shaper stage has been reached, the memory is filled with an adjustable Store the response value immediately and, if the response value falls below this value, afterwards Delete a maximum of one half-wave duration of the input variable.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung liegt der Ansprechwert einer der Impulsformerstufen in der Nähe der Nulldurchgänge der Wechselstromgröße, ist aber zumindest immer kleiner als der eingestellte Ansprechwert der Impulsforinerstufen mit einstellbarem Ansprechwert. Auch ist der Ausgang des dominierend löschenden Speichers über ein Verzögerungsglied mit dem Eingang des negierenden Oder-Gatters verbunden, wobei gleichzeitig diesem Eingang noch das Signal der Impulsformerstufe, deren Ansprechwert in der Nähe des Nulldurchganges der Wechselstromgröße liegt, zugeführt wird. Das Verzögerungsglied hat erfindungsgemäß eine Zeitkonstante von -c < einem Zwanzigstel der Dauer einer Halbwelle der maximal auftretenden Frequenz. Der Ausgang des negierenden Oder-Gatters wird dem Löscheingang des Speichers zugeführt. Durch eine einstellbare Rückführung des Ausgangs des gleichen Speichers auf den Eingang der Impulsformerstufe mit einstellbarem Ansprechwert ist eine Beeinflussung des Halteverhältnisses möglich.According to further features of the invention, the response value is one of the pulse shaper stages in the vicinity of the zero crossings of the alternating current quantity but at least always smaller than the set response value of the pulse formers with adjustable response value. Also the outcome of the dominating is extinguishing Memory via a delay element with the input of the negating OR gate connected, whereby at the same time the signal of the pulse shaper stage, whose response value is close to the zero crossing of the alternating current quantity, is fed. According to the invention, the delay element has a time constant of -c <one twentieth of the duration of a half-wave of the maximum occurring frequency. The output of the negating OR gate is fed to the clear input of the memory. With an adjustable return of the output of the same memory to the The input of the pulse shaper stage with an adjustable response value is an influence of the holding relationship is possible.

Der Erfindungsgedanke soll an Hand der F i g. 1 bzw. 2 beispielsweise näher erläutert werden.The idea of the invention should be based on the F i g. 1 and 2 are explained in more detail, for example.

Es bedeutet Fig. 1 Blockschaltbild der Anordnung 1 Gleichrichter 2 Impulsformerstufe (einstellbarer Ansprechwert), 2' Impulsforinerstufe (Ansprechwert in der Nähe des Nulldurchganges der Wechselstromgröße), 3 Speicher (dominierend löschend), 4 Speicher, 5 Endstufe, 6 richtungsabhängiges Differenzierglied (RC-Glied + Diode), 7 Verzögerungsglied, 8 negierendes Oder-Gatter.It means Fig. 1 block diagram of the arrangement 1 rectifier, 2 pulse shaping stage (adjustable response value), 2 'pulse shaping stage (response value near the zero crossing of the alternating current quantity), 3 memories (predominantly erasing), 4 memories, 5 output stage, 6 direction-dependent differentiating element (RC- Element + diode), 7 delay element, 8 negating OR gate.

Fig. 2 Kurvenverlauf an den charakteristischen Schaltungspunkten a Impulsformerstufe 2, b Impulsforinerstufe 2', c Speicher 3, d negierendes Oder-Gatter, e Speicher 4.Fig. 2 Curve profile at the characteristic circuit points a pulse shaper stage 2, b pulse shaping stage 2 ', c memory 3, d negating OR gate, e memory 4.

(Die Indizes entsprechen der jeweiligen Bausteinnummer z. B. E" =Eingang von 8.) Im Ruhezustand - der Ansprechwert der Impulsformerstufe 2 ist nicht erreicht -- erzeugt lediglich die Impulsformerstufe 2' eine Rechteckimpulsfolge. Diese Impulsfolge wird über das richtungsabhängige Differenzierglied 6 differenziert. Die der Vorderflanke der Rechteckimpulsfolge entsprechenden Nadelimpulse gelangen an den Löscheingang L des Speichers 3. Die am Ausgang der Impulsforinerstufe 2' entstehende Rechteckimpulsfolge wird aber außerdem noch dem Eingang E des negierenden Oder-Gatters 8 zugeführt. Die Negation der erfülllen Oder-Bedingung ergibt Nullsignal am Ausgang A, wenn ein Impuls an E anliegt. In den Impulslücken ist aber die Oder-Bedingung nicht erfüllt - am Ausgang A liegt L-Signal. Damit wird der nachgeschaltete Speicher 4 gelöscht.(The indices correspond to the respective block number, for example, E "= input of 8.) In the idle state - the response of the pulse shaper stage 2 has not been reached - only generates the pulse shaper stage 2 'has a rectangular pulse sequence This pulse train is differentiated through the direction-dependent differentiating member 6. The needle pulses corresponding to the leading edge of the square pulse train arrive at the clear input L of the memory 3. The square pulse train produced at the output of the pulse generator 2 'is also fed to the input E of the negating OR gate 8. The negation of the fulfilled OR condition results in a zero signal at output A when a pulse is applied to E. In the pulse gaps, however, the OR condition is not met - there is a L signal at output A. This erases the downstream memory 4.

überschreitet die Eingangsgröße U den Ansprechwert U",., der Impulsforrnerstufe 2, entsteht die Rechteckimpulsfolge A,. Der Eingang des Speichers 3 erhält L-Signal. Das Ausgangssignal A, des mit dem Speicherwert beaufschlagten Speichers 3 wird dem Eingang E des Speichers 4 zugef ührt. Dessen Löscheingang L hat Nullsignal. (Die Oder-Bedingung am negierenden Oder-Gatter 8 ist erfüllt, da die Impulsformerstufe 2' auf jeden Fall bei einem niedrigeren Wert der Eingangsgröße anspricht. So hat das Löschsignal des Speichers 4 früher den Wert Null als das Eingangssignal den Wert L.) Die Endstufe 5 wird also ausgesteuert.exceeds the input variable U the threshold U ",., the Impulsforrnerstufe 2, creates the rectangular pulse sequence A ,. The input of the memory 3 is L signal. The output signal A, of the applied with the memory-only memory 3 is supplied to the input E of the memory 4 supplied Its reset input L has a zero signal. (The OR condition at the negating OR gate 8 is fulfilled because the pulse shaper stage 2 'responds in any case to a lower value of the input variable the input signal has the value L.) The output stage 5 is thus controlled.

Wird der Ansprechwert der Impulsformerstufe 2' wieder unterschritten, muß der Speicher 4 gelöscht werden. Dazu ist es nötig, daß die Oder-Bedingung am negierenden Oder-Gatter 8 nicht erfüllt ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Impulsfolge A., eine Lücke hat. Das würde aber bedeuten, daß der Speicher 4 auf jeden Fall für die Dauer der »Lücke« des Signals A 2 gelöscht wird, ganz gleich ob der dominierend löschende Speicher 3 noch von der Impulsforinerstufe 2 eingespeichert ist oder nicht. Es ist also nötig, die SignaleA, und A2' so miteinander zu überlappen, daß erst dann, wenn der Ansprechwert U,1i' 2 wieder überschritten wird, am Löscheingang des Speichers 4 ein L-Signal erscheint. Hierzu dient neben dem negierenden Oder-Gatter 8 das Verzögerungsglied 7. If the response value of the pulse shaper stage 2 'is fallen below again, the memory 4 must be deleted. For this it is necessary that the OR condition at the negating OR gate 8 is not fulfilled. This is the case when the pulse sequence A. has a gap. That would mean, however, that the memory 4 is erased in any case for the duration of the "gap" in the signal A 2, regardless of whether the memory 3 that dominates the erasure is still stored by the pulse generator stage 2 or not. It is therefore necessary to overlap the signals A, and A2 ' with one another in such a way that an L signal appears at the clear input of the memory 4 only when the response value U, 1i' 2 is exceeded again. In addition to the negating OR gate 8, the delay element 7 is used for this purpose.

Der mit A, eingespeicherte dominierend löschende Speicher 3 wird durch den Nadelimpuls A, gelöscht. Bis zu diesem Zeitpunkt liegt aber dessen Ausgangssignal A." am Verzögerungsglied 7 und damit als A 7 am Eingang des Oder-Gatters 8 (das Signal der Kippschaltung 2' A, ist kurz vorher zu Null geworden). Jetzt würde ohne das Verzögerungsglied 7 für einen Moment, bedingt durch die endliche Flankensteilheit, weder A7 noch A", am Oder-Gatter8 anliegen. Die Oder-Bedingung ist nicht erfüllt, und ihre Negation ergibt Löschsignal für Speicher4. Das AusgangssignalA, verschwindet also für einen kurzen Moment. Dem hilft das Verzögerungsglied 7 ab, welches A3 um die Zeit tv verzögert.The predominantly erasing memory 3 stored with A, is erased by needle pulse A. Up to this point in time, however, its output signal A. "is present on the delay element 7 and thus as A 7 at the input of the OR gate 8 (the signal from the flip-flop circuit 2 ' A has become zero shortly beforehand). Now, without the delay element 7 for for a moment, due to the finite edge steepness, neither A7 nor A ", are present at the OR gate8. The OR condition is not fulfilled and its negation results in a clear signal for memory 4. The output signal A, disappears for a short moment. This is helped by the delay element 7 , which delays A3 by the time tv.

Wird nun der Ansprechwert U",2 der Impulsformerstufe unterschritten - es entstand z. B. nur ein Impuls A 2 -' erhält der Speicher 3 kurz nach n mit A6 Löschsignal. Zu diesem Zeitpunkt wäre die Oder-Bedingung am negierenden Oder-Gatter 8 nicht erfüllt. Durch die Verzögerung t bedingt, erfolgt aber keine gleichzeitige Löschung des nachgeschalteten Speichers 4. Erst kurz von 2,-r, in dem Moment, wo der Ansprechwert der Impulsformerstufe 2' unterschritten wird, ist die Oder-Bedingung am negierenden Oder-Gatter 8 nicht erfüllt. Ihre Negation ergibt Löschsignal für Speicher 4. Das Verzögerungsglied 7 ist vorzugsweise so anzulegen, daß auch bei den höchsten vorkommenden Frequenzen die Verzögerung nur etwa ein Zwanzigstel der Dauer einer Halbperiode der Eingangsgröße ist.If now the threshold U ", 2 of the pulse shaper below - there was, for example, only one pulse A 2 -. 'Receives the memory 3 shortly after n with A6 clear signal at this time would be the OR condition the inverting OR gate 8. Not fulfilled. Due to the delay t, there is no simultaneous deletion of the downstream memory 4. Only briefly from 2, -r, at the moment when the response value of the pulse shaper stage 2 'is undershot, the OR condition is at the negating OR- Not fulfilled gate 8. Its negation results in a clear signal for memory 4. The delay element 7 is preferably to be applied in such a way that the delay is only about one twentieth of the duration of a half cycle of the input variable even at the highest frequencies that occur.

Die Erläuterung erfolgte nur für eine Maximal-Wertiiberwachung. Analog läßt sie sich aber auch auf eine Minimal-Wertüberwachung anwenden.The explanation was given only for a maximum value monitoring. Analogue however, it can also be applied to minimum value monitoring.

Die Anwendung der Schaltungsanordnung ist natürlich nicht nur auf eigensichere Anlagen beschränkt. Sie läßt sich mit Vorteil überall dort anwenden, wo keine galvanische Trennung des zu überwachenden Kreises von der eigentlichen überwachungssehaltung erforderlich ist.The application of the circuit arrangement is of course not limited to intrinsically safe systems limited. It can be used with advantage anywhere where there is no galvanic separation of the circuit to be monitored from the actual circuit monitoring is required.

Sieht man aber einen übertrager vor, kann sie auch in Schutzschaltungen für höhere Spannungen verwendet werden. DerAnsprechwert derAnordnung wird an der Impulsformerstufe 2 eingestellt. Da diese dem Stand der Technik entspricht, wurde sie nicht näher erläutert. Das gleiche gilt für die übrigen logischen Elemente.But if a transformer is provided, it can also be used in protective circuits used for higher voltages. The response value of the arrangement is Pulse shaper stage 2 set. Since this corresponds to the state of the art, they are not explained in more detail. The same applies to the other logical elements.

Soll das Halteverhältnis der Anordnung eingestellt werden, ist die in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete Rückführung über einen entsprechenden Widerstand auszuführen.If the holding ratio of the arrangement is to be set, the one shown in FIG. 1 to execute the return shown in dashed lines via a corresponding resistor.

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement for monitoring maximum or minimum values of an alternating current variable, preferably for intrinsically safe systems, characterized in that, for the frequency-independent detection of these values, the two-way alternating current variable via the pulse shaping stages known per se (2 or 2 ' ) obtained pulse sequences are fed to a dominantly erasing memory (3) , the signal (A.) of the pulse shaper stage (2) at the input (E ") of the dominantly erasing memory (3) and the signal (A, ') of the pulse shaping stage ( 2) via the direction-dependent differentiating element (6) at the clear input (L,) of the memory (3) , the memory (4) connected downstream directly or via the delay element (7) and the negating OR gate (8) after it has been reached The response value of the pulse shaper stage (2) is saved immediately and is deleted after a maximum of one half-wave of the input value when this response value is undershot.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the response value of the pulse shaper stage (2 ') is in the vicinity of the zero crossings of the alternating current quantity, but is at least always smaller than the set response value of the pulse monitor stage (2). 3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the output (A.) of the memory (3) via a delay element (7) is connected to the input of the negating OR gate (8) and at the same time this input is still the signal (A) the pulse shaper stage (2 ') is fed. 4. Circuit arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the delay element (7) has a time constant: ## _ one twentieth of the duration of a half-wave of the maximum occurring frequency. 5. Circuit arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that the output of the negating OR gate (8 ) is fed to the clear input (L4) of the memory (4). 6. Circuit arrangement according to claims 1 to 5, characterized in that an adjustable return of the output (A4) of the memory (4) to the input of the pulse shaper stage (2) enables the holding ratio to be influenced.