MEASURING DEVICE FOR DETECTING THE SELF-CAPACITANCE OR THE VARIABILITY OF THE SAME AT A CAPACITIVE PROTECTIVE FENCE

Abstract: 1. A measuring arrangement at a capacitive protective fence for determining the self-capacitive component or variation therein, as the case may be, provided with long connection lines formed by coaxial cables between a central control and the electrode wires, characterised in that an outward line (HL) is provided by means of which the respective electrode wires (E1 to En) are supplied, via the primary winding (PW1 to PWn) of a respective transformer (Ü1 to Ün), with transmitting energy of a transmitte, (SEN) arranged in the central control (Z), and that a number of return lines (RL1 to RLn) corresponding to the number (n) of electrode wires (E1 to En) are provided, which connect the respective secondary windings (SW1 to SWn) of the transformers (Ü1 to Ün) to respective oscillatory circuits (SK1 to SKn) in the central control (Z) on which the voltage (U1 to Un) proportional to the respective self-capacitive component (CE1 to CEn) is measured, where the screen of the outward and return lines (HL and RL1 to RLn) is connected 10 earth potential, and a capacitor (C) in the respective oscillatory circuit (SK) has a capacitance substantially greater than the cable capacitance (CKR) of the respective return lines (RL1 to RLn).

Description: Messanordnung zur Bestimmung der Eigenteilkapazität bzw. deren Änderungen an einen kapazitiven Schutzzaun Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zur Bestimmung der Eigenteilkapazität bzw. deren wanderung an einem kapazitiven Schutzzaun, der zwischen einer Zentrale und den Elektrodendrähten lange Verbindungsleitungen aufweist, die von Koaxialkabeln gebildet sind. Zur Objektsicherung wird häufig zusätzlich zum Gebäudeschutz die Umgebung beispielsweise mit einem elektronisch überwachten Schutzzaun abgesichert. Bekannt sind u.a. kapazitive Schutzzäune, bei denen die Teilkapazitäten zwischen Sende- und Empfangselektroden und/ oder die Eigenteilkapazität zwischen Sendeelektroden und Erde gemessen werden. Ein sich dem Schutzzaun nähernder Eindringling verändert die Kapazitätsverhältnisse, so dass aus der Kapazitätsänderung und deren zeitlichem Verlauf ein Alarmkriterium abgleitet werden kann. Wird beispielsweise die Eigenteilkapazität (Erdkapazität), d.h. die Kapazität zwischen jeweils einer Sendeelektrode und Erde bzw die Erdkapazitätsänderung gemessen, so ergeben sich insbesondere bei langen Zuleitungen von der Zentrale mit einem Sender und einer Auswerteeinrichtung zu den einzenlnen Elektroden des kapazitiven Schutzzaunes besondere Probleme. Die Kapazität änderung ist gegenüber der Erd- bzw. der Eigenteilskapazität sehr klein. Die Erdkapazität kann beispielsweise 50pF betragen. Die Kapazitätsänderung liegt beispielsweise in Grössenordnung von 5fF. Im allgemeinen werden für die Zuleitung geschirmte Koaxialkabel verwendet, die beispielsweise eine Kabelkapazität von 10 nF aufweisen. Bei einem handelsüblichen Koaxialkabel von 10 Meter Länge mit beisielsweise etwa 600 pF Kabelkapazität muss die Inkonstanz des Kabels kleiner als + 5 x 10-6 sein, um eine Erdkapazitätsänderung von 3fF zu messen. Handelsübliche Koaxialkabel weisen jedoch eine höhere Inkonstanz auf. Es wurde daher schon vorgeschlagen, zwischen dem Sender und der Verbindungsleitung zur Elektrode einen Ubertrager mit seiner Primärwicklung anzuordnen und die der Erdkapazität proportionale Spannung an der Sekundärwicklung des Ubertragers zu messen und daraus die Erdkapazitätsänderung abzuleiten. Dabei ist der Schirm der koaxialen Verbindungsleitung auf Sendepotential gelegt, so dass keine störenden Kabelkapazitäten die Messung beeinflussen können. Eine derartige Messanordnung hat jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen können Störungen von anderen Kabeln und Leitungen, die im selben Kabelkanal liegen, auftreten und die Messung beeinflussen. Zum anderen wird ein defekter Aussenmantel der Koaxialverbindung den Sender über den Schirm der Koaxialleitung und Erde kurzschliessen. Ferner muss der Sender bei dieser Schaltungsanordnung eine etwa vierfach grössere Sendeleistung aufweisen als bei einem geerdeten Schirm der Koaxialleitung, um bei der vorhandenen grossen Schirm Erd kapazität die zudem von der Umwelt beeinflusst werden kann, die Elektroden des kapazitiven Schutzzaunes mit der notwendigen Sendeenergie zu speisen. Die ersten beiden genannten Nachteile liessen sich mit einem zweifach geschirmten Kabel beseitigen, bei dem der Aussenschirm auf Erdpotential und der Innenschirm auf Senderpotential liegt. Bei einem handelsüblichem zweifach geschirmten Koaxialkabel beträgt jedoch die Kapazität zwischen Innen- und Aussenschirm das siebenfache von der Kabelkapazität zwischen Innenschirm und Innenleiter, so dass eine noch höhere Sendeleistung erforderlich ist. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der obengenannten Nachteile eine Messanordnung zur Bestimmung der Eigenteilkapazität bzw. deren Änderung bei langen Verbindungsleitungen zwischen einer Zentrale und den Elektroden eines kapazitiven Schutzzaunes anzugeben, bei der Kabelkapazitäten keinen störenden Einfluss auf das Messergebnis haben. Dabei sollen anstatt sehr teure Spezialkabel handelsübliche, preisgünstige, geschirmte Koaxialkabel verwendet werden können. Diese Aufgabe wird bei einem eingangs beschriebenen kapazitiven Schutzzaun dadurch gelöst, dass eine Hinleitung vorgesehen ist, mit der die jeweiligen Elektrodendrähte über die Primärwicklung eines jeweiligen Übertragers mit Sendeenergie eines in der Zentrale angeordneten Senders versorgt werden, und dass der Anzahl der Elektrodendrähte entsprechend viele Rückleitungen vorgesehen sind, die die jeweiligen Sekundärwicklungen der Ubertrager mit in der Zentrale angeordneten, jeweiligen Schwingkreise verbinden, an denen jeweils die der jeweiligen Eigenteilkapazität proportionale Spannung gemessen wird, wobei der Schirm der Hin- und Rückleitungen auf Erdpotential liegt und ein im jeweiligen Schwingkreis angeordneter Kondensator eine Kapazität aufweist, die wesentlich grösser als die Kabelkapazität der jeweils ligen Rückleitung ist. Die in der Zentrale am abgestimmten Schwingkreis gemessene Spannung ist dem Strom, der durch die Primärwicklung des Ubertragers fliesst, proportional. Dieser Strom wiederum ist der Eigenteilkapazität des kapazitiven Schutzzaunes proportional. Die erfindungsgemässe Messanordnung hat den Vorteil, dass die Kabelkapazität der Hinleitung keinen Einfluss auf das Messergebnis hat, weil nur der Strom gemessen wird, der von der Elektrode des kapazitiven Schutzzaunes zur Erde fliesst. Ströme, die vom Sender über die Kabelkapazität der Hinleitung abfliessen, beeinflussen bei dieser Messanordnung das Messergebnis nicht. Da kein zweifach geschirmtes Koaxialkabel für die Hinleitung erforderlich ist, ist auch keine hohe Sendeleistung erforderlich. Störungen von benachbarten Kabeln können auf die Hinleitung auch nicht einwirken, weil der Schirm der Hinleitung auf Erdpotential liegt. Ebenso beeinflusst in vorteilhafter Weise die Kabelkapazität der Rückleitung nicht das Messergebnis , wenn die Kapazität des Kondensators des Schwingkreises hinreichend gross gegenüber der Kabelkapazität der Rückleitung ist, denn die Kabelkapazität der Rückleitung wird in den abgestimmten Schwingkreis transförmiert. In vorteilhafter Weise sind die jeweiligen Wicklungen der einzelnen Ubertrager mit jeweils einem Schirm versehen, um zu verhindern, dass die Wickelkapazitäten das Messergebnis störend beeinflussen. Dabei ist der Schirm der Primärwicklung auf Senderpotential und der Schirm der Sekundärwicklung auf Erdpotential gelegt. Eine zweckmässige Schaltungsanordnung für die jeweiligen abgestimmten Schwingkreise, die gleichartig aufge baut sein können, besteht aus der Parallelschaltung von dem Kondensator mit einer Induktivität und einem Widerstand, wobei der Widerstand die Kreisgüte bestimmt. Der Schwingkreis ist parallel an die Rückleitung angeschlossen, so dass bei hinreichend grosser Kapazität des Schwingkreiskondensators gegenüber der Kabelkapazität der Rückleitung die Kabelkapazität, unabhängig von der Länge der Rückleitung, annähernd ohne Einfluss auf das Messergebnis bleibt. Anhand der Zeichnung wird ausgehend von bereits vorgeschlagenen Messschaltungen, die erfindungsgemässe Messanordnung näher beschrieben. Dabei zeigt die Fig. 1 eine Messschaltung für eine kurze Verbindungsleitung, Fig. 2 eine Messschaltung für eine lange Verbindungsleitung, Fig. 3 ein Koaxialkabel mit zwei Schirmen, Fig. 4 eine erfindungsgemässe Messanordnung an einer Elektrode und Fig. 5 eine erfindungsgemässe Messanordnung an drei Elektroden eines kapazitiven Schutzzaunes. In Fig. 1 ist eine Messschaltung für eine kurze Verbindungsleitung zwischen dem Sender und der Elektrode des kapazitiven Schutzzaunes dargestellt. Die koaxiale Verbindungsleitung VL ist mit ihrem Innenleiter (Ader) einerseits an den Sender SEN angeschlossen, andererseits an der Elektrode E des Schutzzaunes. Der zweite Anschluss des Senders SEN liegt auf Erdpotential, ebenso wie der Schirm der Verbindungsleitung. Zwischen der Elektrode E und der Erde besteht die Eigenteilkapazität CE, d.h. die Erdkapazität, bzw. die Eigenteilkapazitätsänderung CE. Die Kabelkapazität zwischen Innenleiter und Schirm der Verbindungsleitung ist mit CK bezeichnet. In der Zulei tung vom Sender SEN zum Innenleiter der Verbindungsleitung VL ist ein Messinstrument M eingezeichnet, mit dem der Strom I gemessen werden kann, der der Eigenteilkapazität proportional ist. Da die änderung der Eigenteilkapazität a CE sehr klein gegenüber der Eigenteilkapazität CE ist, darf die Kabelkapazität CK nicht sehr gross sein, weil, wie eingangs schon dargelegt, sonst keine Eigenteilkapazitätsänderungen A CE mehr gemessen werden können. Die Schaltungsanordnung ist also nur für sehr kurze Zuleitungen (VL) möglich, was im allgemeinen jedoch nicht der Fall ist, denn der Sender (SEN) und die Auswerteeinrichtung (M) befindet sich im allgemeinen in einer Zentrale (Z) von der die Verbindungsleitungen (VL) zu den einzelnen Elektroden (E) des kapazitiven Schutzzaunes geführt sind. In Fig. 2 ist eine Messschaltung für lange Zuleitungen dargestellt. Zwischen dem Sender SEN und dem Innenleiter (Ader) der koaxialen Verbindungsleitung VL ist ein Ubertrager U mit seiner Primärwicklung angeordnet, durch die der Strom I fliesst. Die Verbindungsleitung VL führt zur Elektrode E des kapazitiven Schutzzaunes, in die über die Eigenteilkapazität CE bzw. Eigenteilkapazitätsänderung b CE der Strom I zur Erde und damit zurück zum Sender SEN fliesst. Die Verbindungsleitung VL weist eine Kabelkapazität CK auf. Bei dieser Messschaltung ist der Schirm der Verbindungsleitung VL auf Senderpotential gelegt. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Schirm und dem Innenleiter kein Strom fliessen kann, so dass die Kabelkapazität CK die Messung nicht beeinflussen kann. Der durch die Primärwicklung des Ubertragers Ü fliessende Strom I ist der Eigenteilkapazität CE proportional. Die an der Sekundärwicklung des Ubertgragers U abgegriffene Spannung U ist dem durch die Primärwicklung fliessenden Strom 1 und damit der Eigenteilkapazität CE proportional. Da bei dieser Messanordnung eine Kapazität CKE zwischen dem Schirm der Verbindungsleitung VL und der Erde liegt, fliesst bei auf Senderpotential liegendem Schirm ein Strom zur Erde, der eine hohe Sendeleistung erfordert. An dieser Messschaltung ist nachteilig, dass bei dem auf Erdpotential liegenden Schirm Störungen von anderen Kabeln und Leitungen im gleichen Kabelkanal oder Kurzschluss des Senders bei defekten Aussenmantel auftreten können und dass, wie schon gesagt, eine hohe Sendeleistung erforderlich ist. Ferner ist von Nachteil, dass die Schirmerdkapazität CKE von der Umwelt stark beeinflusst werden kann. Die ersten beiden Nachteile können durch Verwendung eines zweifach geschirmten Koaxialkabels, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, vermeiden werden. Fig. 3 zeigt im Schnitt ein zweifach geschirmtes Koaxialkabel. Die Ader, d.h. der Innenleiter IL ist von einem ersten Schirm, dem Innenschirm 15 umgeben. Zwischen dem Innenleiter IL und dem Innenschirm IS besteht die Kabelkapazität CK. Der Aussenschirm AS umgibt den Innenschirm -15. Das zweifach geschirmte Koaxialkabel weist zwischen dem Aussenschirm AS und dem Innenschirm IS eine Kapazität CKS auf, die bei handelsüblichen, zweifach geschirmten Kabeln um den Faktor 7 grösser ist als die Kabelkapazität CK. Der Verwendung eines zweifach geschirmten Kabels in der Messschaltung nach Fig 2 würde wohl den Nachteil von Störungen durch benachbarte Kabel und Kurzschluss des Aussenmantels verhindern, erfordert aber dann andererseits einen wesentlich leistungsstärkeren Sender. In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässe Messanordnung für den kapazitiven Schutzzaun am Beispiel einer Elektrode dargestellt. In der Zentrale Z befindet sich u.a. der Sender SEN und in einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung der abgestimmten Schwingkreis SK, an dem die Messspannung U abgegriffen wird. Vom Sender SEN führt eine koaxiale Verbindungsleitung, eine Hinleitung HL, zum kapazitiven Schutzzaun. Der Sender SEN ist einerseits am Innenleiter der koaxialen Hinleitung HL angeschlossen und andererseits auf Erdpotential gelegt. Der Schirm der Hinleitung HL ist ebenfalls geerdet. Die einfach geschirmte, handelsübliche Koaxialleitung HL weist eine Kabelkapazität CKH auf. Am kapazitiven Schutzzaun ist für jede Elektrode - an diesem Beispiel ist nur eine Elektrode E dargestellt - ein Ubertrager U vorgesehen. Die Primärwicklung PW des Ubertragers U ist zwischen dem Innenleiter der Hinleitung HL und der Elektrode E geschaltet. An die Sekundärwicklung SW des Ubertragers U ist die Rückleitung RL angeschlossen, die zur Zentrale Z führt. In der Zentrale Z ist der abgestimmte Schwingkreis SK, der aus der Parallelschaltung von einem Kondensator C, eine Induktivität L und einem Widerstand R besteht, parallel an die Rückleitung RL angeschlossen. Der Schirm der Rückleitung RL liegt ebenfalls auf Erdpotential. Die einfach geschirmte, handelsübliche koaxiale Rückleitung RL weist eine Kabelkapazität CKR auf. Am Schwingkreis SK wird die Messspannung U, durch das Messinstrument angedeutet, abgegriffen. An der Elektrode E des kapazitiven Schutzzaunes wird die Eigenteilkapazität CE (Erdkapazität) bzw. die Änderung der Eigenteilkapazität E CE ermittelt. Die Primärwicklung PW des Ubertragers U weist einen Schirm SchP auf, der auf Sendepotential liegt. Die Sekundärwicklung SW des Ubertragers U weist ebenfalls einen Schirm SchS auf, der auf Erdpotential iegt. Mit der erfindungsgemässen Messanordnung wird mittels des Ubertragers U die Eigenteilkapazität CE und deren Anderung ACE an dem Ort gemessen, an dem sie vorhanden ist, nämlich an der Elektrode E des kapazitiven Schutzzaunes. Der Sender SEN versorgt die Elektrode E mit Sendeenergie und muss dabei noch die Verluste über die Kabelkapazität CKH mitspeisen, weil der Schirm der Hinleitung HL an Erde liegt. Bei hinreichend kleinem Senderinnenwiderstand und hinreichend niederohmigen Ubertrager ist der Strom I und damit die Spannung U der Eigenteilkapazität CE proportional. Die Kabelkapazität CKH der Hinleitung HL hat keinerlei Einfluss auf das Messergebnis, weil der Strom I, der aus der Elektrode E über die Eigenteilkapazität CE zur Erde fliesst, gemessen wird. Verlustströme, die über die Kabelkapazität CKH fliessen, beeinflussen den eigentlichen Messstrom I, der durch die Primärwicklung PW des Übertragers Ü fliesst, nicht. Der durch die Primärwicklung PW fliessende Strom I ist der Eigenteilkapazität CE proportional. Der in der Sekundärwicklung des Ubertragers U induzierte Strom ist ebenfalls der Eigenteilkapazität CE proportional, so dass die am Schwingkreis SK abgegriffene Spannung U der Eigenteilkapazität CE proportional ist. Wenn der Kondensator C des Schwingkreises SK eine hinreichend grosse Kapazität gegenüber der Kabelkapazität CKR der Rückleitung RL aufweist, so hat die verhältnismässig kleine Kabelkapazität CKR keinen Einfluss auf die am abgestimmten Schwingkreis SK abgegriffene Messspannung U, wobei die Messspannung U auch unabhängig von der Länge der Rückleitung RL ist. Der Widerstand R des Schwingkreises SK bestimmt die Kreisgüte. Die Schirme SchP und SchS am Ubertrager U verhindern, dass die Wicklungskapazitäten das Messergebnis beeinflussen. Die erfindungsgemässe Messanordnung benötigt bei einer Elektrode zwei handelsübliche Koaxialkabel. Für die An wendung an kapazitiven Schutzzäunen sind jedoch immer mehrere Elektroden angeordnet, deren Eigenteilkapazitäten zu messen sind. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt eine erfindungsggemässe Messanordnung an einen kapazitiven Schutzzaun am Beispiel dreier Elektroden El bis E3. Die vom Sender SEN zum Schutzzaun führende Hinleitung HL ist unabhängig von der Anzahl (n) der Elektroden (E) nur einmal vorzusehen und führt jeweils an eine Elektrode,im hier dargestellten Beispiel an die Elektrode El bis E3. Zwischen dem Innenleiter der Hinleitung HL und dem Elektroden El bis E3 ist jeweils die Primärwicklung PW1 bis PW3 angeordnet. Die Pri marwicklungen PW1 bis PW3 sind jeweils mit einen Schirm SchPl bis SchP3 versehen, der an Senderpotential liegt. Jede Elektrode El bis E3 hat gegenüber der Erde eine Eigenteilkapazität CE1 bis CE3, die jeweils zu messen ist. Die jeweiligen Sekundärwicklungen SW1 bis SW3 der Ubertrager Ul bis U3 sind über jeweils eine Rückleitung RL1 bis RL3 mit jeweils einen Schwingkreis SK1 bis SK3 verbunden. Die Schwingkreise SK1 bis SK3 sind gleichartig aufgebaut und entsprechen dem Schwingkreis SK, wie er in Fig. 4 dargestellt und beschrieben ist. Ein kapazitiver Schutzzaun mit drei Elektroden benötigt also vier koaxiale Verbindungsleitungen, eine Hinleitung und drei Rückleitungen. Der Aufwand von mehreren Leitungen ist gegenüber komplizierten, zweifach geschirmten teueren Koaxialleitungen, die wie oben dargelegt, verschiedene Nachteile haben, durchaus vertretbar, zumal mit der erfindungsgemässen Messanordnung die Einflüsse der Kabelkapazitäten weitgehend aus dem Messergebnis eleminiert sind.

Claims: Patentansprüche 1. Messanordnung zur Bestimmung der Eigenteilkapazität bzw. deren Änderung an einem kapazitiven Schutzzaun, der zwischen einer Zentrale und den Elektrodendrähten lange Verbindungsleitungen aufweist, die von Koaxialkabeln gebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Hinleitung (HL) vorgesehen ist, mit der die jeweiligen Elektrodendrähte (El bis En) über die Primärwicklung (PW1 bis PWn) eines jeweiligen Ubertragers (Ü1 bis Un) mit Sendeenergie eines in der Zentrale (Z) angeordneten Senders (SEN) versorgt werden, und dass der Anzahl (n) der Elektroden drähte (El bis En) entsprechend viele Rückleitungen (RL1 bis RLn) vorgesehen sind, die die jeweiligen Sekundärwicklungen (SW1 bis SWn) der Ubertrager (U1 bis Un) mit in der Zentrale (Z) angeordneten, jeweiligen Schwingkreise (SK1 bis SKn) verbinden, an denen jeweils die der jeweiligen Eigenteilkapazität (CE1 bis CEn) proportionale Spannung (U1 bis Un) gemessen wird, wobei der Schirm der Hin- und Rückleitungen (HL und RL1 bis RLn) auf Erdpotential liegt und ein im jeweiligen Schwingkreis (SK) angeordneter Kondensator (C) eine Kapazität aufweist, die wesentlich grösser als die Kabelkapazität (CKR) der jeweiligen Rückleitung (RL1 bis RLn) ist. 2. Messanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Ubertrager (U1 bis Ün) für die Primärwicklung (PW) und für die Sekundärwicklung (SW) jeweils einen Schirm (SchP und SchS) aufweist, wobei der Schirm der Primärwicklung (SchP) auf Senderpoential und der Schirm der Sekundärwicklung (SchS) auf Erdpotential liegt. 3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweiligen Schwingkreise (SK1 bis SKn) gleichartig aufgebaut sind und aus der Parallelschaltung von einem Kondensator (C), einer Induktivität (L) und einem Widerstand (R) bestehen, wobei der Schwingkreis (SK) parallel an der Rückleitung (RL) angeschlossen ist.

Inventors: METZNER, UWE
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G08B13
IPC codes: G08B13