DE19632732A1 - Temperaturmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Eine bekannte Temperaturmeßeinrichtung dieser Art (DE 90 11 023 U1) weist als Signalkoppelelement zu einem in einem gekapselten Schaltfeld angeordneten strom- und spannungsführenden elektrischen Bauteil einen Lichtwellenleiter auf, der gasdicht durch das gasdichte Schaltfeldgehäuse nach außen geführt ist und an seinem außen liegenden Ende mit einem als Temperatursensor wirkenden Infrarot-Temperaturmeßgerät koppelbar ist. Abgesehen davon, daß die Infrarotstrahlung des auf seine Temperatur zu überwachenden Bauteils abhängig ist von den Emissionseigenschaften des dafür verwendeten Materials, ist das Infrarotmeßgerät technisch sehr aufwendig und damit teuer. Zudem muß ein Lichtwellenleiter zur Anwendung gelangen, der für Infrarotstrahlung nur eine geringe Dämpfung besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmeß­ einrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zu schaffen, die mit geringem technischen Aufwand zu realisieren ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Bei einer Ausgestaltung einer Temperaturmeßeinrichtung gemäß der Erfindung wird der für die elektrische Isolation erforderliche Abstand zwischen dem sich durch Stromleitung erwärmenden, spannungsführenden Bauteil und einem Temperatursensor durch einen elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmeleitenden Stab überbrückt und der Temperatursensor unmittelbar mit dem dem spannungsführenden Bauteil abgewandten Ende des Stabes in wärmeleitende Verbindung gebracht. Als Temperatursensor kann dabei in einfacher Weise ein üblicher Platinsensor, ein Bimetallschaltelement oder dergleichen verwendet werden. Von dort können elektrische Leitungen oder bei Verwendung eines hydraulisch wirkenden Temperatursensors auch eine hydraulische Steuerleitung zu einem Auswertegerät geführt werden, das bei überschreiten eines vorgegebenen Temperaturwertes eine Verminderung oder Abschaltung des das überwachte Bauteil durchfließenden Stromes steuert.

Der nichtmetallische, elektrisch isolierende Stab besteht vorzugsweise aus Aluminiumnitrid AlN, Berylliumoxid BeO, Aluminiumoxyd Al2O3, Siliziumcarbid SiC, Diamant, Metallkeramik, einem Polymere oder dergleichen. Zur möglichst guten thermischen Anbindung der Stabenden an den Temperatursensor bzw. das elektrische Bauteil, das insbesondere eine Kupfer- oder Aluminium-Sammelschiene ist, zu erreichen, stehen diese Enden über zwischengefügte Wärmeleitpaste in wärmeleitender Verbindung mit dem Bauteil. Das mit dem Temperatursensor verbundene Ende des Stabes wird gegebenenfalls zusätzlich mit einem elektrisch leitenden Belag versehen, der über einen elektrischen Leiter mit geringer Temperaturleitfähigkeit mit Massepotential verbunden ist. Hierdurch wird ein elektrischer Spannungsaufbau durch kapazitive Auskopplung vermieden, durch den der Temperatursensor auf ein erhöhtes elektrisches Spannungspotential gebracht werden könnte. Anstatt einer unmittelbaren elektrischen Verbindung kann dieser Belag jedoch auch über einen Überspannungsableiter an Massepotential angeschaltet werden, um diese Potentialfläche gegen kapazitive Auskopplung von transienten Überspannungen zu schützen.

Außerdem können die Enden des Stabes mit Feld-Steuerelektroden zur Steuerung des elektrischen Feldes versehen werden, um bei geringer Stablänge eine optimale Spannungsfestigkeit zu erzielen. Der Belag dient gleichzeitig aber auch dazu, die optimale Wärmeankopplung des Temperatursensors über den gesamten Stabquerschnitt sicherzustellen.

Damit eine möglichst genaue Abbildung der am Bauteil herrschenden Temperatur am Temperatursensor erreicht wird, ist der Stab an seiner Mantelfläche von einer gut wärmeisolierenden, elektrisch nicht leitenden Umhüllung dicht umschlossen. Wärmeverluste über die Länge des Stabes werden daher auf ein Minimum reduziert. Dabei kann diese Umhüllung als mechanisch tragender elektrischer Isolatorkörper ausgebildet werden, so daß insgesamt ein Stützisolator geschaffen wird, mittels dem das elektrische Bauteil mechanisch an Massepotential führenden Gerüstteilen einer Schaltanlage gehalten werden kann. Hierzu ist der Isolierkörper im Bereich der Stabenden vorzugsweise mit Befestigungsarmaturen ausgestattet, von welchen insbesondere die dem spannungsführenden Bauteil zugewandte Armatur thermisch mit dem Stab gekoppelt ist. Derartige Armaturen bestehen aus Metallteilen, mit welchen das jeweilige Bauteil verschraubt ist.

Um die Spannungsfestigkeit des Stabes an unterschiedliche Span­ nungswerte anpassen zu können, kann der Stab aus in axialer Richtung mechanisch aneinandergefügten Einzelstücken aufgebaut werden, die verlötet oder verschweißt bzw. verklebt werden können.

Der wärmeleitende Stab ist insbesondere an seinem mit dem Temperatursensor verbundenen Ende gegenüber der benachbarten Stirnfläche des ihn umgebenden Isolierkörpers zurückgesetzt, jedoch über einen angepaßten, diese Stirnfläche durchsetzenden Kanal zugänglich. In diesem Kanal kann der Überspannungs­ ableiter und auch der Temperatursensor verdeckt angeordnet und durch denselben die Verbindungsleitung des Temperatursensors nach außen zu einem Auswertegerät geführt werden. Es ist aber auch möglich, zwischen den Stab und den Temperatursensor einen gut wärmeleitenden Metallstab einzufügen, wenn der Temperatur­ sensor an entfernter Stelle zugänglich sein soll. Bei Verwendung eines mit einem wärmeleitenden Stab versehenen Stützisolators kann auch eine gasdichte Durchführung durch Wandungen von z. B. isoliergasgefüllten Schaltfeldern erzielt werden. Hierzu braucht lediglich das Stirnende der Umhüllung, das dem Temperatursensor benachbart ist, mit einer konzentrisch zum Stab verlaufenden Ringdichtung versehen zu werden, die gasdicht auf die Innenseite der Gehäusewandung aufgesetzt wird, durch die die Verbindungsleitung des Temperatursensors nach außen geführt werden soll. Dabei ist der wärmeleitende Stab gasdicht vom Isolierkörper umhüllt.

Im übrigen kann der am Ende des wärmeleitenden Stabes ermittelte Meßwert zur Erreichung einer höheren Genauigkeit mit der Umgebungstemperatur der Anordnung kompensiert werden. Dabei wird zusätzlich eine Eichkurve der Temperatur am Stabende in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgenommen. Hierfür ist ein zweiter Temperatursensor nötig, der die Umgebungstemperatur der Anordnung mißt. Im Auswertegerät wird dann die entsprechende Eichkurve hinterlegt und der vom Temperatursensor ermittelte Meßwert entsprechend korrigiert. Ohne Außentemperaturkompensation kann die Anordnung auf der Basis von Versuchen geeicht werden. Dazu wird die Funktionstemperatur am Stabende zu Leitertemperatur gemessen und bei Anwendung digitaler Auswertegeräte in Speicherbausteinen bzw. bei Anwendung analoger Auswertegeräte durch Kalibrierhilfen wie z. B. Potentiometern und dergleichen so hinterlegt, daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung die Leitertemperatur mit ausreichender Genauigkeit wiedergibt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizzen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Temperaturmeßeinrichtung mit einem in einen Stützisolator integrierten wärmeleitenden Stab und Temperatursensor,

Fig. 2 eine um einen Überspannungsableiter erweiterte, umgebungstemperaturkompensierte Meßeinrichtung und

Fig. 3 einen Stützisolator mit integriertem wärmeleitenden Stab und einer Dichtungsanordnung an einer Stirnseite.

In einem nur durch eine Gehäusewand 1 angedeuteten Schaltgerät, insbesondere einem gasdicht abgeschlossenen, gasisolierten Schaltfeld befindet sich ein für Stromführung vorgesehenes, spannungsführendes, als Wärmequelle oder Wärmesenke wirkendes Bauteil 2, das vorliegend als einfacher Sammelschienenleiter dargestellt ist, das jedoch auch ein Schaltkontaktstück oder dergleichen, sich bei Stromfluß erwärmendes Bauelement sein kann. Das Bauteil 2 ist mittels eines Stützisolators 3 gegenüber der Gehäusewand 1 festgelegt. Hierzu weist der Stützisolator 3 an seinen dem Bauteil 2 bzw. der Gehäusewand 1 zugewandten Stirnseiten jeweils eine nicht dargestellte Befestigungsarmatur auf, über welche eine feste mechanische Verbindung mit der Gehäusewand 1 bzw. dem Bauteil 2 hergestellt ist.

Bei Stromdurchgang erwärmen sich entsprechende elektrische Bauteile und können dabei auch unzulässig hohe Temperaturen erreichen. Um hier eine einfache Temperaturüberwachung zu ermöglichen, ist eine Temperaturmeßeinrichtung vorgesehen, die einen Temperatursensor 4 und ein geeignetes Auswertegerät 5 mit einer optischen oder elektrischen Meßwertausgabe umfaßt. Um dabei als Temperatursensor übliche unaufwendige Elemente wie Platinsensoren, Bimetallsensoren, Bimetallschalter, Flüssigkeitsthermoschalter oder dergleichen sowohl bei Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsschaltgeräten verwenden zu können, ist zwischen das stromführende elektrische Bauteil 2 und den Temperatursensor 4 ein Signalkoppelelement eingeschaltet, das aus einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Stab 6 besteht, der unmittelbar thermisch einerseits mit dem als Wärmequelle oder Wärmesenke wirkenden elektrischen Bauteil 2 und andererseits mit dem Temperatursensor 4 in wärmeleitender Verbindung steht. Um eine elektrische Aufladung infolge von kapazitiven Strömen an der mit dem Temperatursensor 4 verbundenen Stirnseite 6.1 des Stabes 6 zu vermeiden und eine gute Ankopplung des Temperatursensors 4 an den gesamten Querschnitt des Stabes 6 zu erreichen, ist zumindest diese Stirnseite 6.1, vorzugsweise aber auch die dem Bauteil 2 zugewandte Stirnseite 6.2 mit einem elektrisch und thermisch gut leitenden Belag versehen, der unmittelbar auf die Stirnseiten 6.1, 6.2 aufgebracht ist. Dieser vorzugsweise metallische Belag koppelt den Temperatursensor 4 somit thermisch mit dem gesamten Querschnitt des Stabes 6 und ist zusätzlich über einen elektrischen Leiter mit geringer Temperaturleitfähigkeit, also einem dünnen oder langen Draht an Massepotential, vorwiegend an die Gehäusewand 1 angeschlossen. Der Stab weist eine hohe elektrische Durch­ schlagsspannungsfestigkeit auf und besteht insbesondere aus Aluminiumnitrid AlN, Berylliumoxyd BeO, Aluminiumoxyd Al2O3, Siliziumcarbid SiC, Diamant, einer Metallkeramik, einem hochwärmeleitenden Polymere oder dergleichen. Um eine möglichst gute thermische Anbindung des Stabes an das Bauteil 2 wie an den Temperatursensor 4 zu erreichen, ist auf den stirnseitigen Belag vorzugsweise eine Wärmeleitpaste aufgetragen, die sonst vorhandene Luftspalte überbrückt. Der Temperatursensor 4 kann jedoch auch in den Stab eingebettet oder mit dem stirnseitigen Belag verlötet oder verklebt sein.

Der für sich funktionsfähige Stab 6 ist vorliegend in den Stützisolator 3 integriert, wobei der Stützisolator 3 eine den Stab thermisch isolierende Umhüllung bildet, die eine Wärme­ abstrahlung über seine Mantelfläche weitgehend verhindert. Dadurch wird an der Stirnseite 6.1 eine weitgehend lineare Abbildung der Temperaturverhältnisse im Bauteil 2 erreicht.

Zudem stellt der Stützisolator 3 eine zuverlässige Halterung für den Stab 6 dar, so daß besondere Hilfsmittel für seine Halterung entfallen. Der Stab 6 ist dabei an seinem dem Temperatursensor 4 zugewandten Ende 6.1 kürzer als die durch den Stützisolator 3 gebildete Umhüllung, wobei von dieser Stirnseite 6.1 aus ein freier Kanal 8 durch den Stützisolator 3 bis zu dessen benachbarter Stirnfläche 3.1 führt. Durch diesen Kanal läuft der elektrische Leiter 7 wie die elektrische oder hydraulische Leitung 9, welche mit dem Auswertegerät 5 verbunden ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht der wärmeleitende Stab aus in axialer Richtung mechanisch aneinandergefügten Einzelstücken 6.3, die durch Löten, Schweißen oder Kleben thermisch gut leitend verbunden sind. Durch Aneinanderfügen einer entsprechenden Anzahl solcher Einzelteile kann die elektrische Durchschlagfestigkeit des Stabes an den jeweils gegebenen Spannungsbereich des zu überwachenden Bauteils 2 angepaßt werden. Anstelle oder zusätzlich zu den Belägen an den Stirnseiten 6.1 und 6.2 können dort Feldsteuerelektroden 10 angesetzt werden, die eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes in der Umgebung des Stabes und insbesondere im Stützisolator 3 bewirken, so daß der Stab 6 entsprechend elektrisch entlastet wird. Außerdem kann der Leiter 7 durch einen Überspannungsableiter 11 ersetzt werden, so daß der zugehörige stirnseitige Belag bzw. die Steuerelektrode 10 gegen kapazitiver Auskopplung von transienten Überspannungen geschützt sind.

Daneben ist es auch möglich, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit die Umgebungstemperatur im Bereich des Stabes 6 zu kompen­ sieren. Hierzu ist räumlich entfernt vom Temperatursensor 4 an der Gehäusewand 1 ein Umgebungstemperatursensor 12 vorgesehen, dessen Ausgangssignal als Korrektursignal dem vom Temperatur­ sensor 4 gesteuerten Auswertegerät 5 zugeführt wird. Dabei wird zusätzlich im Auswertegerät eine Eichkurve der Temperatur am dem Temperatursensor 4 zugeordneten Stabende in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgenommen, wozu der Umgebungs­ temperatursensor 12 verwendet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der wärmeleitende, elektrisch isolierende Stab 6 durch einen axial angesetzten, durch den Kanal 8 nach außen geführten Metallstab 13 verlängert. Dieser Metallstab 13 steht wieder in guter wärmeleitender Verbindung mit dem Stab 6 und trägt an seinem freien Ende den Temperatursensor 4. Diese Anordnung ist zweckmäßig, wenn der Temperatursensor 4 außerhalb des Kanals 8 frei zugänglich angeordnet sein soll. Es ist jedoch auch möglich, den Stab 6 selbst so lang auszubilden, daß er die Stirnfläche 3.1 des Stützisolators 3 in entsprechender Weise durchgreift. Dabei ist in die Stirnfläche 3.1 noch eine Ring­ dichtung 14 eingefügt, die den Kanal 8 bzw. den Metallstab 13 oder den Stab 6 konzentrisch umschließt und in dichtender Anlage mit der Gehäusewand 1 steht. Dadurch kann eine gasdichte Ausführung der Verbindungsleitung 9 bzw. des Metallstabs 13 oder des Stabs 6 durch einen Durchbruch 14 der Gehäusewand 1 hindurch vorgenommen werden, nachdem der Stab 6 gasdicht vom Stützisolator 3 umschlossen ist. Da der Stützisolator 3 insbesondere aus Epoxydharz, Silikonkautschuk oder dergleichen spritz- oder gießbarem Kunststoff bestehen kann, der bei hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit eine geringe Wärmeleitung bei guter Anbindung an das Material des Stabes erlaubt, läßt sich die nötige Isolationsfestigkeit und Kriechstromfestigkeit zwischen Leiterpotential und Erdpotential in einfacher Weise realisieren.

Ein Stützisolator mit integriertem, gut wärmeleitendem Stab, der dicht vom elektrischen Isolierkörper des Stützisolators umgeben ist, eignet sich somit in bevorzugter Weise für die Verwendung mit einer Temperaturmeßeinrichtung.

Claims (17)

1. Temperaturmeßeinrichtung mit einem Signalkoppelelement zwischen einer Wärmequelle/-senke und einem Temperatursensor, insbesondere für Temperaturmessungen an strom- und spannungs­ führenden Bauteilen wie Sammelschienen, Schaltkontakten und dergleichen in Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen oder Schaltgeräten, vorzugsweise für Temperaturen bis etwa 300°C, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalkoppelelement ein elektrisch isolierender, gut wärmeleitender Stab (6) ist, der einerseits mit der Wärmequel­ le/-senke (2) und andererseits mit dem Temperatursensor (4) in wärmeleitender Verbindung steht.

2. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die mit dem Temperatursensor (4) verbundene Stirnseite (6.1) des Stabes (6) mit einem elektrisch leitenden Belag versehen ist.

3. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Temperatursensor (4) verbundene Belag über einen elektrischen Leiter (7) mit geringer Temperaturleitfähigkeit elektrisch an Massepotential angeschaltet ist.

4. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit dem Temperatursensor (4) versehenen Belag- oder an eine Steuerelektrode (10) ein Überspannungsableiter (11) angeschlossen ist, der gegen Massepotential geschaltet ist.

5. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (6.1, 6.2) des Stabes (6) mit Steuerelektro­ den (10) zur Steuerung des elektrischen Feldes versehen sind.

6. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (6.1, 6.2) des Stabes (6) mittels Wärmeleitpaste thermisch an das Bauteil (2) und/oder den Temperatursensor (4) angekoppelt sind.

7. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Stabes (6) von einer gut wärmeisolie­ renden, elektrisch nicht leitenden Umhüllung (3) dicht umgeben ist.

8. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (6) aus in axialer Richtung mechanisch aneinander­ gefügten Einzelstücken (6.3) besteht.

9. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stab (6) und den Temperatursensor (4) ein gut wärmeleitender Metallstab (13) eingefügt ist.

10. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (4, 13) gasdicht durch eine Gehäusewand (1) eines gekapselten Schaltfeldes geführt ist.

11. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnende (3.1) der Umhüllung (3), das dem Temperatur­ sensor benachbart ist, eine konzentrisch zum Stab (6) verlaufende Ringdichtung (14) aufweist, die gasdicht auf einer Gehäusewand (1) eines gekapselten Schaltfeldes aufsitzt, durch welche eine Anschlußleitung (9) des Temperatursensors (4) hindurchgeführt ist.

12. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (6) an seinem dem Temperatursensor (4) zugewandten Ende (6.1) kürzer als die Umhüllung (3) ist und daß von diesem Ende (6.1) des Stabes (6) ein freier Kanal (8) durch das benachbarte Stirnende (3.1) der Umhüllung (3) geführt ist.

13. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Kanal (8) eine Leitungsverbindung (9) vom Temperatursensor (4) zu einem Auswertegerät (5) geführt ist.

14. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß räumlich entfernt vom Temperatursensor (4) ein Umgebungs­ temperatursensor (12) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal als Korrektursignal einem vom Temperatursensor (4) gesteuerten Auswertegerät (5) zugeführt ist.

15. Stützisolator zur Verwendung in einer Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein gut wärmeleitender Stab (6) dicht von einem elektrischen Isolatorkörper (3) umhüllt ist.

16. Stützisolator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolatorkörper (3) mit Befestigungsarmaturen ausgestattet ist, von welchen eine thermisch mit dem Stab (6) gekoppelt ist.

17. Stützisolator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Stirnseite des Stabes (6) ein Temperatursen­ sor (4) in direkter Wärmekopplung steht.