AT414276B

AT414276B - Kurzschlusserkennung bei thermoelementen

Info

Publication number: AT414276B
Application number: AT14142004A
Authority: AT
Inventors: Gerard Salzgeber
Original assignee: Siemens Transportation Systems
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-10-15
Also published as: ATA14142004A; WO2006017867A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine verbesserte thermoelektrische Messanordnung mit zumindest einem aus zwei Leitern gebildeten Thermopaar, die jeweils von einer Messstelle zu einer Anschlussstelle verlaufen. 5 Thermoelemente werden in vielfältigen Anwendungen genutzt; hier steht die Anwendung in einem Schienenfahrzeug im Vordergrund.

Ein Thermoelement besteht im Wesentlichen aus zwei (in der Regel drahtförmig gestalteten) Leitern aus verschiedenen, speziell geeigneten metallischen Materialien, die in Form einer io Leiterschleife an zwei Stellen miteinander verbunden sind - sogenanntes Thermopaar. Dies ist in Fig. 1 illustriert, in der die beiden Leiter L1, L2 an zwei Kontaktstellen KO, K1 verbunden sind. Die eine Kontaktstelle KO (Anschlussstelle) ist durch einen Artschlusskörper realisiert, der auf stabiler Temperatur θ0 gehalten wird, während die andere Kontaktstelle K1 (Messstelle) sich an einem Ort befindet, dessen Temperatur θί gemessen werden soll. Das so gebildete Thermo-15 elementpaar erzeugt eine Spannung UT (sogenannte Thermo-Spannung), die im Wesentlichen (nämlich für nicht zu große Temperaturdifferenzen) proportional der Temperaturdifferenz θ^θο der Mess- und Anschlussstelle ist. Die Thermospannung Ut wird mit einem bei dem Anschlusskörper an der Kontaktstelle KO in den Leiterkreis geschalteten Spannungsmessgerät UM gemessen. 20

Wenn nun ein Kurzschluss K2 (in Fig. 1 strichliert dargestellt) zwischen den Leitern L1, L2 auftritt, so ist diese Stelle eine neue Kontaktstelle. Diese bildet einen eigenen Leiterkreis mit der Kontaktstelle KO, sodass die am Ort des Messgeräts UM gemessene Spannung proportional der Temperaturdifferenz θ2-θ0 der Kontaktstellen KO, K2 ist. Ein solcher Kurzschluss ist daher 25 nicht ohne Weiteres vom normalen Betriebszustand zu unterscheiden, da über die Kurzschlussstelle K2 der Leiterkreis weiterhin scheinbar funktionstüchtig bleibt - allerdings mit der Messung einer mehr oder weniger verfälschten Temperatur θ2 der Kurzschlussstelle K2.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Detektion eines Kurzschlusses zwischen den beiden Thermo-30 paar-Leitern zu ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einer thermoelektrischen Messanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mittels einer elektrisch leitenden Trennfläche gelöst, die zwischen den Leitern des zumindest einen Thermopaars verläuft und die an ein elektrisches 35 Potenzial anschließbar ist, das sich von den im Betrieb des Thermopaars auftretenden elektrischen Potenzialen unterscheidet.

Durch die leitende Trennfläche zwischen den beiden Thermoelementleitern wird deren direkter Kontakt bei Beschädigung der Isolation verhindert oder zumindest erheblich erschwert. Außer-40 dem wird bei einer Beschädigung der Isolation ein Kontakt zwischen der Trennfläche und dem betreffenden Thermoelementleiter hergestellt, und dieser Kontakt kann auf leichte Weise hinsichtlich des elektrischen Potenzials der Trennfläche detektiert werden, nämlich am Anschluss eines der Thermoelementleiter. 45 In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist zwischen der Trennfläche und den Leitern eine elektrische Spannung angelegt, die im Falle eines Nebenschlusses als Spannungsabfall z.B. über einen Erdungswiderstand des Thermoelements messbar ist. Für die Überprüfung auf einen Nebenschluss ist eine Überwachungseinrichtung hinsichtlich so eines endlichen Widerstandes zwischen der Trennfläche und den Leitern des Thermopaars günstig. Im Falle, dass eine elektrische Spannung zwischen Trennfläche und Leitern angelegt wird, ist die Überwachungseinrichtung beispielsweise eine Einrichtung zur Spannungsmessung. Günstigerweise umgibt die Trennfläche einen Leiter als elektrische Schirmung. Um eine sym-55 metrische Anordnung und verringerte Störanfälligkeit zu erreichen, kann für beide Leiter eines 3

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Thermopaars eine elektrisch leitende Trennfläche vorgesehen sein. In diesem Fall kann jede Trennfläche jeweils einen Leiter als elektrische Schirmung umgeben.

Weiters ist es vorteilhaft, um eine Bestimmung des Ortes eines Nebenschlusses zu erleichtern, 5 wenn die Trennfläche aus einem widerstandbehafteten Material besteht, wobei die Trennfläche über die Gesamtlänge des Thermopaars einen Widerstandswert aufweist, der jenen des Thermopaars übersteigt.

Die erfindungsgemäße Messanordnung eignet sich in besonderem Maße zur Anwendung in io einem Schienenfahrzeug, insbesondere zur Überwachung eines Radlagers und/oder Drehgestells.

Die Erfindung samt weiterer Vorzüge wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen erläutert ist; diese 15 zeigen:

Fig. 1 das bekannte Prinzip eines Thermoelements;

Fig. 2 den Querschnitt eines Thermopaares gemäß dem Ausführungsbeispiel; und Fig. 3 eine Schaltung zur Überwachung eines Kurzschlusses bei einem Thermopaar der 20 Fig. 2.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel betrifft ein Thermoelement im Drehgestell eines Schienenfahrzeugs. Darin ist ein Thermopaar zu dem Ort der Temperaturmessung geführt, dessen Messprinzip bereits einleitend anhand der Fig. 1 erläutert wurde. 25

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Thermopaar TP, dessen beide Leiter L1, L2 einzeln geschirmt sind, sodass zwei Trennfläche nach der Erfindung realisiert sind. Jeder Leiter L1, L2 ist von einer Schirmung S1, S2 vollständig nach Art einer Koaxialschirmung umgeben. Die Leiter L1, L2 sind von den Schirmungen S1, S2 durch Isolier-30 material 11, I2 elektrisch getrennt; im gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch die beiden Schirmungen voneinander durch Isoliermaterial elektrisch getrennt. Wenn aufgrund eines Ereignisses z.B. mechanischen Art (Quetschung) die Thermopaarleiter in Kontakt gelangen, muss somit auch eine elektrische Verbindung mit einer der beiden Schirmungen S1, S2 (in der Regel mit beiden) zustande kommen. Dies kann durch eine Widerstandsmessung zwischen den Schir-35 mungen und den Thermopaarleitungen überwacht werden.

In Fig. 3 ist eine mögliche Realisierung der Überwachung mittels einer Widerstandsmessung durch Spannungsmessung dargestellt. Der eigentliche Thermo-Messkreis mit den beiden Leitern L1, L2, Messstelle K1 und einem Messgerät MT für die Thermospannung, z.B. in Form 40 eines Spannungsmessgeräts mit vorgeschaltetem Spannungsverstärker (in der Figur nicht gezeigt), entspricht der Fig. 1. Zusätzlich ist einer der Leiter L2 an der Anschlussstelle über einen Erdungswiderstand RG auf Massepotenzial (0 V) gelegt. Die erfindungsgemäßen Schirmungen S1, S2 (Fig. 2) sind mit einem Potenzial Us (bezogen auf Massepotenzial) verbunden. Zweckmäßigerweise wird ein Potenzial verwendet, dass sich vom Massepotenzial um einen 45 Spannungswert unterscheidet, der von den im Betrieb des Thermoelements TP auftretenden Thermospannungen UT deutlich unterscheidet, beispielsweise um eine Größenordnung größer ist. Auf diese Weise wird eine Spannung zwischen der Schirmung und den Thermopaarleitern angelegt (entsprechend dem Potenzial Us), die jedoch den Betrieb des Thermoelements (Spannung UT) nicht beeinflusst. 50

Das Potenzial des Thermoelements wird mit einer Überwachungseinrichtung MG, die im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Spannungsmessgerät ist und zusammen mit dem Messgerät MT der Thermospannung eine Kontrolleinrichtung MM bildet, überwacht. Tritt ein Kurzschluss zwischen einem der Leiter und den Schirmungen auf, so weicht die über den Erdungswider-55 stand Rg gemessene Spannung UG von 0 V ab; dies wird von der Überwachung MG erkannt

Claims

4 AT 414 276 B und z.B. über eine Fehlermeldung oder einen Alarm gemeldet. Die Schirmungsspannung Us wird günstigerweise strombegrenzt angelegt, um ein Aufheizen durch den Kurzschlussstrom über die Schirmung im Falle eines Nebenschlusses zu vermeiden. Auch ist es möglich, die Schirmspannung nur kurzzeitig bei der Überprüfung (z.B. in regelmäßigen Zeitintervallen oder bei Inbetriebnahme) anzulegen. Die Schirmungen S1, S2 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, das z.B. ein guter elektrischer Leiter sein kann. Das Schirmmaterial kann auch ein Material mit einem Widerstandswert sein, das über die gesamte Länge der beiden Schirmungen S1, S2 betrachtet eine dem Erdungswiderstand RG vergleichbaren Widerstandswert ergibt, der hierbei natürlich deutlich größer als der Eigenwiderstand des Thermoelements sein muss. Im Falle eines elektrischen Nebenschlusses kann so aufgrund des Prinzips des Spannungsteilers die wirksame Länge der Schirmung und daraus der Ort des Nebenschlusses bestimmt werden. Selbstverständlich ist das hier gezeigte Ausführungsbeispiel nicht einschränkend zu verstehen; vielmehr sind auch andere Ausgestaltungen der Erfindung denkbar. Insbesondere können auch mehrere Thermopaare vorgesehen sein; auch kann die Anzahl und geometrische Gestalt der Trennflächen variieren. Beispielsweise könnte in Abwandlung der Fig. 2 eine Trennfläche als gemeinsamer Schutzleiter S-förmig beide Leiter umgeben und zugleich voneinander trennen. Patentansprüche: 1. Thermoelektrische Messanordnung mit zumindest einem aus zwei Leitern (L1, L2) gebildeten Thermopaar, wobei die Leiter jeweils von einer Messstelle (K1) zu einer Anschlussstelle (K0) verlaufen, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Trennfläche (S1, S2), die zwischen den Leitern (L1, L2) des zumindest einen Thermopaars verläuft und die an ein elektrisches Potenzial (Us) anschließbar ist, das sich von den im Betrieb des Thermopaars auftretenden elektrischen Potenzialen (UT) unterscheidet.
2. Thermoelektrische Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trennfläche (S1, S2) und den Leitern (L1, L2) eine elektrische Spannung angelegt ist, die im Falle eines Nebenschlusses einen Spannungsabfall über einen Erdungswiderstand (Rg) des Thermoelements erzeugt.
3. Thermoelektrische Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung (MG) hinsichtlich eines endlichen Widerstandes zwischen der Trennfläche und den Leitern des Thermopaars.
4. Thermoelektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfläche einen Leiter als elektrische Schirmung umgibt.
5. Thermoelektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Leiter eines Thermopaars eine elektrisch leitende Trennfläche vorgesehen ist.
6. Thermoelektrische Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Trennfläche (S1; S2) jeweils einen Leiter (L1; L2) als elektrische Schirmung umgibt.
7. Thermoelektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfläche aus einem widerstandbehafteten Material besteht, wobei die Trennfläche über die Gesamtlänge des Thermopaars einen Widerstandswert aufweist, 5 AT 414 276 B der jenen des Thermopaars übersteigt.
8. Verwendung einer thermoelektrischen Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Überwachung eines Radlagers und/oder Drehgestells in einem Schienenfahrzeug. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55