CH677971A5

CH677971A5 -

Info

Publication number: CH677971A5
Application number: CH3178/88A
Authority: CH
Inventors: Werner Buser; Hanspeter Dr Schad; Jeannette Schlumpf; Roland Dr Stierlin
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1991-07-15
Also published as: DE3922490A1

Description

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Beschreibung description

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine Ternperaturgrenzwert-geber-Einrichtung, umfassend eine Sender/Empfänger-Schaltung für Lichtsignale, einen Lichtwellenleiter und einen optischen Thermoschalter. The invention relates to a temperature limit transmitter device, comprising a transmitter / receiver circuit for light signals, an optical waveguide and an optical thermal switch.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Zur Temperaturüberwachung von Hochspannungssystemen wie Transformatoren, Drossein und Schaltanlagen werden heute als Sensorelemente hauptsächlich Thermistoren und Thermoelemente eingesetzt und mit einer einfachen, elektronischen Schaltung optisch und/oder akustisch das Erreichen eines Grenzwertes angezeigt und/oder das System aus Sicherheitsgründen abgeschaltet. For temperature monitoring of high-voltage systems such as transformers, chokes and switchgear, thermistors and thermocouples are mainly used as sensor elements today, and a simple electronic circuit is used to visually and / or acoustically indicate that a limit value has been reached and / or the system is switched off for safety reasons.

Sollen auch Systemteile überwacht werden, die zeitweise oder immer auf hohem elektrischem Potential liegen, so ist eine zusätzliche, galvanische Trennung zwischen Temperatursensor und Steuerelektronik nötig. Diese verteuert das System meistens erheblich. If system parts that are temporarily or always at a high electrical potential are also to be monitored, an additional galvanic separation between the temperature sensor and the control electronics is necessary. This usually makes the system considerably more expensive.

Die zusätzliche galvanische Trennung entfällt, wenn man einen faseroptischen Temperatursensor einsetzt, da dieser über einen Glaslichtwellenieiter, d.h. über ein ideal isolierendes Material, mit der Messelektronik verbunden ist. Zwar existieren bereits kontinuierlich messende, faseroptische Temperatursensoren, aber entweder ' bieten sie keine preislichen Vorteile gegenüber den herkömmlichen Messsystemen oder sie genügen den technischen Anforderungen nicht. The additional galvanic isolation is not necessary if a fiber-optic temperature sensor is used, as this is via a glass fiber optic cable, i.e. via an ideal insulating material with which the measuring electronics are connected. Continuously measuring, fiber optic temperature sensors already exist, but either 'they do not offer any price advantages compared to conventional measuring systems or they do not meet the technical requirements.

Aus der Offenlegungsschrift DE 3 341 048 ist z.B. ein Faser-Optik-Thermometer bekannt, welches darauf beruht, dass ein Ende der Faser, welches mit einer Hülle mit einem temperaturabhängigen Brechungsindex und einem Spiegel versehen ist, in Abhängigkeit von der Temperatur Licht reflektiert. In einer Sende/Empfangselektronik wird das Verhältnis von empfangenem zu gesendetem Licht ausgewertet. From the published patent application DE 3 341 048 is e.g. a fiber optic thermometer is known, which is based on the fact that one end of the fiber, which is provided with a sheath with a temperature-dependent refractive index and a mirror, reflects light as a function of the temperature. The ratio of received to transmitted light is evaluated in a transmission / reception electronics.

In der Patentschrift US 4 176 552 wird ein faseroptischer Temperatursensor offenbart, bei welchem eine Input- und eine Output-Faser teilweise in eine thermisch expandierende Flüssigkeit eingetaucht werden. In Abhängigkeit vom Stand der Flüssigkeit sind die beiden Fasern mehr oder weniger stark gekoppelt. US Pat. No. 4,176,552 discloses a fiber-optic temperature sensor in which an input and an output fiber are partially immersed in a thermally expanding liquid. Depending on the level of the liquid, the two fibers are more or less strongly coupled.

Die beiden beschriebenen Systeme messen die Temperatur kontinuierlich. Dies ist aber bei Temperaturmessungen in Transformatoren nicht gefragt. Vielmehr geht es dabei darum, das Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle zu detektieren. Das zu detektierende Signal sollte dazu idealerweise eine Stufenfunktion sein mit einer Schritthöhe von 10 bis 20 dB. The two systems described measure the temperature continuously. However, this is not required for temperature measurements in transformers. Rather, it is a matter of detecting when a certain temperature threshold has been reached. The signal to be detected should ideally be a step function with a step height of 10 to 20 dB.

Ein Temperaturgrenzwertgeber, welcher diese Anforderungen erfüllt, wird in der Veröffentlichung EP 0 259 412 beschrieben. Dieser beruht darauf, dass sich das Streuverhalten von Wachs beim Übergang fest-flüssig drastisch ändert. Zwei Glasfasern, die auf ein Stück Wachs gerichtet sind, A temperature limit transmitter that meets these requirements is described in the publication EP 0 259 412. This is due to the fact that the scattering behavior of wax changes drastically during the transition from solid to liquid. Two glass fibers that are aimed at a piece of wax

sind optisch gekoppelt, solang das Wachs fest ist. Wenn die Schmelztemperatur überschritten wird, wird das Wachs durchsichtig und die Fasern werden plötzlich entkoppelt. are optically coupled as long as the wax is solid. When the melting temperature is exceeded, the wax becomes transparent and the fibers are suddenly decoupled.

Ein Nachteil dieses Systems ist die grundsätzliche Beschränkung (Materialeigenschaften von Wachs) der Temperaturschwelle auf Temperaturen um 100°C. In Giessharz-Transformatoren liegt jedoch die zu detektierende Schwelle typischerweise bei 150-170°C. A disadvantage of this system is the basic limitation (material properties of wax) of the temperature threshold to temperatures around 100 ° C. In cast resin transformers, however, the threshold to be detected is typically 150-170 ° C.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Temperaturgrenzwertgeber, umfassend eine Sender/Empfängerschaltung für Lichtsignale, einen Lichtwellenleiter und einen optischen Thermoschalter, zu schaffen, welcher insbesondere für die Verwendung in Transformatoren geeignet ist und die im Stand der Technik genannten Nachteile nicht aufweist. The object of the invention is therefore to provide a temperature limit transmitter, comprising a transmitter / receiver circuit for light signals, an optical waveguide and an optical thermal switch, which is particularly suitable for use in transformers and does not have the disadvantages mentioned in the prior art.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass bei einem eingangs genannten Temperaturgrenzwertgeber die Sender/Empfängerschaltung eine Lumineszenzdiode aufweist, welche sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Lichtsignalen verwendet wird, und der optische Thermoschalter ein thermisch expandierendes Medium umfasst, welches an einem Ende des Lichtwellenleiters derart angeordnet ist, dass es bei Temperaturen unterhalb einer gegebenen Schalttemperatur von einer Endfläche des Lichtwellenleiters beabstandet ist und dass es bei Temperaturen oberhalb der gegebenen Schalttemperatur die Endfläche des Llchtwellenlei-ters berührt. According to the invention, the solution is that in the case of a temperature limit transmitter mentioned at the outset, the transmitter / receiver circuit has a luminescent diode which is used both for transmitting and for receiving light signals, and the optical thermal switch comprises a thermally expanding medium which is arranged at one end of the optical waveguide is arranged that it is spaced from an end face of the optical waveguide at temperatures below a given switching temperature and that it contacts the end face of the light waveguide at temperatures above the given switching temperature.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das thermisch expandierende Medium im wesentlichen den selben Brechungsindex wie ein Kern des Lichtwellenleiters. In a preferred embodiment, the thermally expanding medium has essentially the same refractive index as a core of the optical waveguide.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das thermisch expandierende Medium optisch reflektierend. In another preferred embodiment, the thermally expanding medium is optically reflective.

Besonders vorteilhaft ist es, als Sender/Empfängerschaltung einen optischen Reflexionsdetektor zu verwenden, welcher eine Lumineszenzdiode mit einer Anode und einer Kathode, eine Spannungsquelle mit einem Plus- und einem Minuspol, mindestens vier elektronische Schalter, eine Synchronisationsschaltung und einen Signalausgang umfasst, wobei die Anode der Lumineszenzdiode über einen ersten Schalter an den Pluspol und die Kathode über einen zweiten Schalter an den Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen Ist, die Kathode der Lumineszenzdiode über einen dritten Schalter an den Pluspol der Spannungsquelle und die Anode über einen vierten Schalter an den Signalausgang angeschlossen ist, und die Synchronisationsschaltung von einem ersten Zustand,, in welchem nur erster und zweiter Schalter geschlossen sind, so dass die Lumineszenzdiode Licht sendet, In einen zweiten Zustand umschaltet, in welchem nur dritter und vierter Schalter geschlossen sind, so dass die Lumineszenzdiode Licht detektiert. It is particularly advantageous to use an optical reflection detector as the transmitter / receiver circuit, which comprises a luminescence diode with an anode and a cathode, a voltage source with a plus and a minus pole, at least four electronic switches, a synchronization circuit and a signal output, the anode the luminescent diode is connected to the positive pole via a first switch and the cathode is connected to the negative pole of the voltage source via a second switch, the cathode of the luminescent diode is connected to the positive pole of the voltage source via a third switch and the anode is connected to the signal output via a fourth switch, and the synchronization circuit switches from a first state, in which only first and second switches are closed, so that the luminescent diode transmits light, to a second state, in which only third and fourth switches are closed, so that the luminescent diode detects light animals.

Der Einsatz des optischen Reflexionsdetektors beschränkt sich aber nicht auf den genannten Tem5 However, the use of the optical reflection detector is not limited to the Tem5 mentioned

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peraturgrenzwertgeber. Vielmehr kann er überall dort eingesetzt werden, wo Lichtsignale mit der gleichen Diode gesendet und empfangen werden und dazwischen ein schnelles Umschalten erforderlich ist. temperature limit transmitter. Rather, it can be used wherever light signals are sent and received with the same diode and a quick switchover is required between them.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and in connection with the drawing. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäs-sen Temperaturgrenzwertgebers; 1 shows a block diagram of the temperature limit transmitter according to the invention;

Fig. 2a, b die Funktionsweise eines Indexmat-ching-Kontaktschaiters; 2a, b the functioning of an Indexmat-ching contact switch;

Fig. 3 eine Darstellung eines Reflexionssignals eines Indexmatching-Kontaktschalters; 3 shows a representation of a reflection signal of an index matching contact switch;

Fig. 4 ein Prinzipschema eines optischen Reflexionsdetektors; 4 shows a schematic diagram of an optical reflection detector;

Fig. 5a, b Prinzipschaltung eines schnellen Umschalters; Fig. 5a, b basic circuit of a fast switch;

Fig. 6 Ausführungsbeispiel eines erfindungsge-mässen optischen Reflexionsdetektors; und Fig. 6 embodiment of an optical reflection detector according to the invention; and

Fig. 7 eine Darstellung der Synchronisation des Reflexionsdetektors. 7 shows a representation of the synchronization of the reflection detector.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsge-mässen Temperaturgrenzwertgebers. Eine Sender/Empfängerschaltung 1 betreibt eine Lumineszenzdiode 2 sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Lichtsignalen. Ein Lichtwellenleiter 3 überträgt die Lichtsignale zu einem Thermoschalter 4. Dieser koppelt einen Teil des gesendeten Lichtsignals in den Lichtwellenleiter 3 zurück. Das reflektierte Licht wird von der Sender/Empfängerschaltung 1 gemessen, mit einem Ruhestrom verglichen und das Resultat als digitale Spannung Us ausgegeben, 1 shows a block diagram of the temperature limit transmitter according to the invention. A transmitter / receiver circuit 1 operates a luminescent diode 2 both for transmitting and for receiving light signals. An optical waveguide 3 transmits the light signals to a thermal switch 4. This couples a part of the transmitted light signal back into the optical waveguide 3. The reflected light is measured by the transmitter / receiver circuit 1, compared with a quiescent current and the result is output as digital voltage Us,

Erfindungsgemäss gibt es zwei, sich in der Schaltcharakteristik unterscheidende Ausführungsformen des Thermoschalters 4. Im einen Fall ist der Thermoschalter ein Indexmatching-Kontakt-schalter und im andern ein Spiegel-Kontaktschalter. According to the invention, there are two embodiments of the thermal switch 4 which differ in the switching characteristic. In one case the thermal switch is an index matching contact switch and in the other a mirror contact switch.

Fig. 2a und b zeigen die Funktionsweise des In-dexmatching-Kontaktschalters. An einem Ende des Lichtwellenleiters 3, weicher wie üblich einen Kern 6 und eine Hülle 7 aufweist, ist ein thermisch expandierendes Medium 5 angeordnet. Es besitzt im wesentlichen den selben Brechungsindex wie der Kern 6 des Lichtwellenleiters 3 (Indexmatching). Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Silikongummi als Medium 5 verwendet. 2a and b show the operation of the index matching contact switch. A thermally expanding medium 5 is arranged at one end of the optical waveguide 3, which, as usual, has a core 6 and a sheath 7. It has essentially the same refractive index as the core 6 of the optical waveguide 3 (index matching). According to a preferred embodiment, a silicone rubber is used as the medium 5.

Das Medium 5 ist derart am Ende des Lichtwellenleiters 3 angeordnet, dass es bei Temperaturen unterhalb einer gegebenen Temperaturschwelle von einer Endfläche 9 des Lichtwellenleiters 3 beabstandet ist, bei Temperaturen grösser oder gleich der Temperaturschwelle die Endfläche 9 jedoch berührt. The medium 5 is arranged at the end of the optical waveguide 3 in such a way that it is spaced from an end surface 9 of the optical waveguide 3 at temperatures below a given temperature threshold, but touches the end surface 9 at temperatures greater than or equal to the temperature threshold.

Das Ende des Lichtwellenleiters 3 ist z.B. von Luft 8, d.h. einem Medium mit einem Brechungsindex kleiner als demjenigen des Kerns 6, umgeben. The end of the optical fiber 3 is e.g. of air 8, i.e. a medium with a refractive index smaller than that of the core 6.

Fig. 2a zeigt den Thermoschalter 4 unterhalb der Fig. 2a shows the thermal switch 4 below the

Schalttemperatur. Das von der Lumineszenzdiode 2 (Fig. 1) gesendete Lichtsignal (durchgezogene Linie) wird zu etwa 4% an der Endfläche 9 reflektiert (punktierte Unie). Dies entspricht dem Ruhezustand des Temperaturgrenzwertgebers. Switching temperature. About 4% of the light signal (solid line) sent by the luminescence diode 2 (FIG. 1) is reflected on the end face 9 (dotted line). This corresponds to the idle state of the temperature limit transmitter.

Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich das Medium 5 aus und berührt bei Erreichen der Schalttemperatur die Endfläche 9. Als Folge davon fällt der Fresnelreflex von etwa 4% auf weniger als 0.2% zusammen (Fig. 2b). Dies entspricht einer negativen Schaltcharakteristik. When the temperature rises, the medium 5 expands and touches the end face 9 when the switching temperature is reached. As a result, the Fresnel reflex falls from about 4% to less than 0.2% (FIG. 2b). This corresponds to a negative switching characteristic.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung von Reflexionssigna-Ien von Indexmatching-Kontaktschaltern mit verschiedenen Schalttemperaturen. Auf der Abszisse ist die Temperatur in °C und auf der Ordinate die relative Reflexstärke aufgetragen. Bei allen drei Schalttemperaturen ist eine klare Stufe mit über 10 dB Änderung der detektierten, optischen Signalstärke festzustellen. Fig. 3 shows a representation of reflection signals from index matching contact switches with different switching temperatures. The temperature in ° C is plotted on the abscissa and the relative reflectance is plotted on the ordinate. At all three switching temperatures there is a clear level with over 10 dB change in the detected optical signal strength.

Ein Vorteil der negativen Schaltcharakteristik ist die inhärente Selbstüberwachung, da ein Pegel zur Erfassung des Grenzwertes und der intakten Funktion des Sensors genügt. One advantage of the negative switching characteristic is the inherent self-monitoring, since a level is sufficient to detect the limit value and the intact function of the sensor.

Der Spiegel-Kontaktschalter, welcher eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Thermoschalters 4 darstellt, lässt sich ebenfalls anhand von Fig. 2a und b erläutern. Er unterscheidet sich vom Indexmatching-Kontaktschalter* allein durch das Medium 5. Es ist in diesem Fall optisch reflektierend. Als Beispiel sei Quecksilber genannt. The mirror contact switch, which represents a second embodiment of the thermal switch 4 according to the invention, can also be explained with reference to FIGS. 2a and b. It differs from the index matching contact switch * only in the medium 5. It is optically reflective in this case. Mercury is an example.

Wie beim Indexmatching-Kontaktschalter ist bei niedrigen Temperaturen das reflektierte Lichtsignal im wesentlichen durch den 4% Fresnelreflex an der Endfläche 9 gegeben. Wenn hingegen die Schalttemperatur erreicht wird und das Medium 5 die Endfläche 9 berührt, steigt die Intensität des reflektierten Lichtsignals sprunghaft auf über 50% an (im Idealfall auf 100%). Dies entspricht einer positiven Schaltcharakteristik. As with the index matching contact switch, at low temperatures the reflected light signal is essentially given by the 4% Fresnel reflection on the end face 9. On the other hand, when the switching temperature is reached and the medium 5 touches the end face 9, the intensity of the reflected light signal increases suddenly to over 50% (ideally to 100%). This corresponds to a positive switching characteristic.

Der Vorteil des Spiegelkontaktschalters liegt darin, dass die zu detektierenden Lichtintensitäten alle relativ hoch sind. The advantage of the mirror contact switch is that the light intensities to be detected are all relatively high.

Aus den bisherigen Erläuterungen wird klar, dass sich bei einem erfindungsgemässen Thermoschalter 4 die Schalttemperatur einfach durch den Abstand Lichtwellenleiter-Medium (bei einer bestimmten Normtemperatur) einstellen lässt. From the previous explanations it is clear that in a thermal switch 4 according to the invention the switching temperature can be set simply by the distance between the optical waveguide and the medium (at a certain standard temperature).

Gemäss einer einfachen Ausführungsform besteht der Thermoschalter 4 im wesentlichen aus einem Röhrchen, in welchem sich einerseits das Medium befindet und in welches andererseits der Licht-wellenleiter 3 bis zu einer von der Schalttemperatur abhängigen Länge eindringt. According to a simple embodiment, the thermal switch 4 essentially consists of a tube in which the medium is located on the one hand and into which the optical waveguide 3 penetrates to a length dependent on the switching temperature.

Ein Vorteil der Erfindung liegt auch darin, dass der Temperaturgrenzwertgeber mit nur einem Lichtwellenleiter auskommt. Die im folgenden beschriebene Sender/Empfängerschaltung ist so ausgelegt, dass von diesem Vorteil möglichst wirtschaftlich Gebrauch gemacht wird. It is also an advantage of the invention that the temperature limit transmitter manages with only one optical waveguide. The transmitter / receiver circuit described below is designed so that this advantage is used as economically as possible.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der Sender/Empfängerschaltung 1. Eine gewöhnliche Lumineszenzdiode 2 wird sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Lichtsignalen verwendet. Zu diesem Zweck ist ein Schalter 11 mit zwei Positionen Pi , P2 vorgesehen, in der Position P1 ist die Lumi5 FIG. 4 shows a simplified circuit diagram of the transmitter / receiver circuit 1. A conventional luminescent diode 2 is used both for transmitting and for receiving light signals. For this purpose, a switch 11 with two positions Pi, P2 is provided, in position P1 is the Lumi5

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neszenzdiode Z an eine Spannungsquelle 10 angeschlossen, so dass sie in gewohnter Weise Licht aussendet. In der Position P2 ist sie als Fotodiode geschaltet, D.h. sie ist an einen Impedanzwandler 12 angeschlossen, welcher einen Diodenstrom iD in eine Spannung verwandelt. Die Spannung wird in einem nachfolgenden Tiefpass 13 beruhigt und dann mit einem Verstärker 14 zu einer Signalspannung Us verstärkt. In einem in Fig. 4 nicht gezeigten Komparator kann die Signalspannung Us mit einem Schwellenwert verglichen und dann in einen logischen 0/1-Zustand umgewandelt werden. nescent diode Z connected to a voltage source 10 so that it emits light in the usual way. In position P2 it is switched as a photodiode, i.e. it is connected to an impedance converter 12, which converts a diode current iD into a voltage. The voltage is calmed in a subsequent low pass 13 and then amplified to a signal voltage Us with an amplifier 14. In a comparator (not shown in FIG. 4), the signal voltage Us can be compared with a threshold value and then converted into a logic 0/1 state.

Zur Verdeutlichung sind in Fig. 4 zwei mit PI und P2 gekennzeichnete Pfeile eingezeichnet, welche andeuten, in welche Richtung das Licht bei entsprechender Schalterposition geht. For the sake of clarity, two arrows marked PI and P2 are shown in FIG. 4, which indicate the direction in which the light goes with the corresponding switch position.

Durch die erfindungsgemässe Sender/Empfängerschaltung kommt der Temperaturgrenzgeber mit einem Minimum an optischen Elementen aus. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass zwar spezielle Duodioden entwickelt worden sind, diese aber nicht erforderlich zum Realisieren der erfindungsgemässen Sender/Empfängerschaltung sind. Es genügt eine gewöhnliche, preiswerte Lumineszenzdiode, Due to the transmitter / receiver circuit according to the invention, the temperature limit transmitter manages with a minimum of optical elements. In particular, it should be pointed out that, although special duodiodes have been developed, they are not necessary for realizing the transmitter / receiver circuit according to the invention. An ordinary, inexpensive luminescent diode is sufficient,

Wie schnell der Schalter 11 sein muss, hängt von der Länge des Lichtweilenleiters 3 ab. Bei beispielsweise 50 m Glasfaser und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 0.2 m/ns ergibt sich eine Laufzeit von 0.5 us. Bei nur 10 m Glasfaser, was im Sinn einer kostengünstigen Realisierung des Temperaturgrenzwertgebers ist, ergibt sich eine Laufzeit von nur 100 ns. Entsprechend kurz müssen dann auch die Schaltzeiten sein. How fast the switch 11 must be depends on the length of the optical fiber 3. With, for example, 50 m of glass fiber and a propagation speed of 0.2 m / ns, the runtime is 0.5 us. With only 10 m of glass fiber, which is in the sense of an inexpensive implementation of the temperature limit transmitter, the runtime is only 100 ns. The switching times must then be correspondingly short.

Anhand der Fig. 5 bis 7 wird nun eine bevorzugte Anordnung beschrieben, welche als Sender/Empfängerschaltung 1 besonders geeignet ist. Da ihre Anwendung aber nicht auf erfindungsgemässe Temperaturgrenzwertgeber beschränkt ist, sondern überall dort eingesetzt werden kann, wo mit einer Duodiode Lichtsignale gesendet und delektiert werden, wird sie im folgenden in sich geschlossen beschrieben. A preferred arrangement which is particularly suitable as a transmitter / receiver circuit 1 will now be described with reference to FIGS. 5 to 7. However, since their use is not limited to temperature limit transmitters according to the invention, but can be used wherever light signals are transmitted and detected with a duodiode, it is described in the following in a self-contained manner.

Fig. 5a und b zeigen eine erfindungsgemässe Ausführung des Schalters 11 von Fig. 4. Er bildet auch das Herzstück eines sogenannten optischen Reflexionsdetektors wie er nachfolgend beschrieben wird. Es werden vier elektronische Schalter S1, S2, S3, S4 eingesetzt. Diese schliessen Anode und Kathode der Lumineszenzdiode 2 wahlweise an Plus-und Minuspol resp. Minus- und Pluspol der Spannungsquelle (in Fig. 5 durch «+» und «l» angedeutet) an. 5a and b show an embodiment of the switch 11 from FIG. 4 according to the invention. It also forms the heart of a so-called optical reflection detector as will be described below. Four electronic switches S1, S2, S3, S4 are used. These connect the anode and cathode of the luminescent diode 2 to the positive and negative poles, respectively. The negative and positive poles of the voltage source (indicated by “+” and “l” in FIG. 5).

Ein erster Schalter Sl schliesst die Anode der Lumineszenzdiode 2 an den Pluspol der Spannungsquelle und ein zweiter Schalter S2 die Kathode der Lumineszenzdiode an den Minuspol der Spannungsquelle an. Ein dritter Schalter S3 schliesst die Kathode an den Pluspol der Spannungsquelle und ein vierter Schalter S4 die Anode an einen Signalausgang 18 an. A first switch S1 connects the anode of the luminescent diode 2 to the positive pole of the voltage source and a second switch S2 connects the cathode of the luminescent diode to the negative pole of the voltage source. A third switch S3 connects the cathode to the positive pole of the voltage source and a fourth switch S4 connects the anode to a signal output 18.

Die Lumineszenzdiode 2 ist auf bekannte Weise mit einem Begrenzungswiderstand R7 beschaltet. Ein Widerstand R8 verwandelt den Fotostrom der Lumineszenzdiode 2 in eine Spannung. The luminescent diode 2 is connected in a known manner with a limiting resistor R7. A resistor R8 converts the photocurrent of the LED 2 into a voltage.

Im ersten Zustand (Fig. 5a) sind nur die beiden ersten Schalter S1 und S2 geschlossen. Die Lumineszenzdiode 2 arbeitet auf bekannte Weise als Sender. In the first state (FIG. 5a), only the first two switches S1 and S2 are closed. The luminescent diode 2 works in a known manner as a transmitter.

In einem zweiten Zustand (Fig. 5b) sind nur der dritte und vierte Schalter S3 und S4 geschlossen. Die Lumineszenzdiode 2 wird als Fotodiode betrieben; sie detektiert Licht. In a second state (FIG. 5b) only the third and fourth switches S3 and S4 are closed. The luminescent diode 2 is operated as a photodiode; it detects light.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist ein fünfter Schalter S5 vorgesehen. Er verbindet die Anode mit dem Minuspol und wird nach dem Umschalten vom ersten in den zweiten Zustand zu Entladungszwecken kurzzeitig geschlossen. Dadurch kann die Lumineszenzdiode 2 schneller auf Empfang gestellt werden. According to a preferred embodiment, a fifth switch S5 is provided. It connects the anode to the negative pole and is closed briefly after the switch from the first to the second state for discharge purposes. As a result, the luminescence diode 2 can be set to receive more quickly.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen optischen Reflexionsdetektors. Die Lumineszenzdiode 2 wird mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Line Driver IC1 resp. IC2 beschaltet. Der Datenausgang des nicht-invertierenden Line Drivers IC1 ist mit der Kathode und der Datenausgang des invertierenden Line Drivers IÇ2 über den Begrenzungswiderstand R7 an die Anode der Lumineszenzdiode 2 angeschlossen. Die Dateneingänge der beiden Line Driver ICI, IC2 sind zusammengeschlossen und dienen zum Steuern der Schalter. 6 shows an exemplary embodiment of the optical reflection detector according to the invention. The LED 2 is with an inverting and a non-inverting line driver IC1 resp. IC2 connected. The data output of the non-inverting line driver IC1 is connected to the cathode and the data output of the inverting line driver IÇ2 via the limiting resistor R7 to the anode of the luminescent diode 2. The data inputs of the two line drivers ICI, IC2 are connected and serve to control the switches.

Ein zweiter nicht-inveriierender Line Driver IC3 ist mit seinem Ausgang an die Anode der Lumineszenzdiode 2 angeschlossen und besorgt deren Entladung beim Umschalten. Ein Dateneingang des Line Drivers IC3 ist fest auf Masse. Zum Ansteuern wird ein Output-Enable-Eingang verwendet. A second non-inverting line driver IC3 is connected with its output to the anode of the luminescent diode 2 and ensures its discharge when switching. A data input of the line driver IC3 is fixed to ground. An output enable input is used for control.

Alle drei Une Driver ICI, IC2, IC3 hängen an einer 5-Volt-Speisung. Ein Masse-Anschluss des invertierenden Line Drivers IC2 ist über einen Widerstand R8 auf Masse geschlossen und dient als Signalausgang 18. All three Une Driver ICI, IC2, IC3 are connected to a 5 volt supply. A ground connection of the inverting line driver IC2 is connected to ground via a resistor R8 and serves as signal output 18.

Parallel zum Widerstand R8 ist eine Diode D1 geschaltet. Sie hält den Masse-Anschluss beim Umschalten relativ tief und entlastet so die internen Schutzdioden des invertierenden Line Drivers IC2. A diode D1 is connected in parallel with the resistor R8. It keeps the ground connection relatively low when switching over and thus relieves the internal protective diodes of the inverting line driver IC2.

Die beiden Widerstände R7, R8 liegen typischerweise bei 50 Ohm. The two resistors R7, R8 are typically 50 ohms.

Um die Lumineszenzdiode 2 mit hinreichender Leistung anzusteuern, werden in der Praxis die Line Driver IC1, IC2, IC3, durch jeweils mehrere, parallelgeschaltete Driver einer integrierten Schaltung realisiert. In order to control the luminescence diode 2 with sufficient power, in practice the line drivers IC1, IC2, IC3 are each implemented by a plurality of drivers of an integrated circuit connected in parallel.

Der Masse-Anschluss des invertierenden Line Drivers IC2 wird auf einen Pluseingang eines Komparators IC4 mit Latch geführt. (Auf den Minuseingang des Komparators IC4 wird die später beschriebene Nullkompensation gegeben.) Der Datenausgang des Komparators IG4 wird einerseits zum Ansteuern eines Alarmschalters 17 und andererseits zur Nullkompensation verwendet The ground connection of the inverting line driver IC2 is connected to a positive input of a comparator IC4 with a latch. (The zero compensation described later is given to the minus input of the comparator IC4.) The data output of the comparator IG4 is used on the one hand to control an alarm switch 17 and on the other hand for zero compensation

Die Schaltung zum Steuern des Alarmschalters 17 umfasst ein erstes D-Flipflop IC7 zum schnellen Einlesen des Messsignals aus dem Komparator IC4, einen Tiefpass R18/C5 zum Glätten des Messsignals und einen Komparator IC5/R19/R20/R21, welcher den Alarmschalter 17 betätigt. The circuit for controlling the alarm switch 17 comprises a first D flip-flop IC7 for quickly reading in the measurement signal from the comparator IC4, a low pass R18 / C5 for smoothing the measurement signal and a comparator IC5 / R19 / R20 / R21 which actuates the alarm switch 17.

Zur Nullkompensation wird das Ausgangssignal The output signal is used for zero compensation

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des Komparators 1C4 zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem zweiten D-Flipflop IC8 zwischengespeichert und dann in einem Tiefpass R14/C4/ R15 geglättet. Ein Spannungsteiler R16/R17 liefert einen einstellbaren Referenzstrom. Dieser wird mittels eines mit einem Widerstand Rf 3 rückgekoppelten Operationsverstärkers IC6 zum Strom, welcher aus dem Tiefpass R14/C4/R15 kommt, hinzuaddiert. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC6 wird auf den Minuseingang des Komparators IC4 geführt. of the comparator 1C4 temporarily stored in a second D flip-flop IC8 and then smoothed in a low pass R14 / C4 / R15. A voltage divider R16 / R17 supplies an adjustable reference current. This is added to the current, which comes from the low pass R14 / C4 / R15, by means of an operational amplifier IC6 fed back with a resistor Rf 3. The output of the operational amplifier IC6 is fed to the minus input of the comparator IC4.

Um jeglichen Einfluss von Spannungsspitzen beim Umschalten der Lumineszenzdiode 2 auf die Rückkopplung des Komparators IC4 zu vermeiden, kann der Ausgang des Operationsverstärkers IC6 durch einen Tiefpass R11/C3/R12 vom Minuseingang isoliert werden. In order to avoid any influence of voltage peaks when switching the luminescent diode 2 on the feedback of the comparator IC4, the output of the operational amplifier IC6 can be isolated from the negative input by a low pass R11 / C3 / R12.

Ein Oszillator 15 und eine Synchronisationsschaltung 16 steuern den zeitlichen Ablauf. Dieser wird im folgenden im Zusammenhang mit Fig. 7 erläutert. tO: Die Lumineszenzdiode 2 wird in den Sende-Mo-dus geschaltet, d.h., die Dateneingänge vom invertierende und nicht-invertierende Line Driver ICI und IC2 werden auf «0» gesetzt. An oscillator 15 and a synchronization circuit 16 control the timing. This is explained below in connection with FIG. 7. tO: The LED 2 is switched to transmit mode, i.e. the data inputs from the inverting and non-inverting line drivers ICI and IC2 are set to «0».

t1: Die Lumineszenzdiode 2 wird auf Empfangsmodus umgeschaltet, d.h. die Dateneingänge der Line Driver 1C1 und 1C2 werden auf «1 » gesetzt. t1: The LED 2 is switched to receive mode, i.e. the data inputs of Line Driver 1C1 and 1C2 are set to «1».

t2: Kurz nach dem Zeitpunkt t1 wird der Line Driver IC3 zum Entladen der Lumineszenzdiode 2 für eine kurze Zeit eingeschaltet (Output-Enable auf «1») tA: Die Schaltung hat sich eingeschwungen, der zwischen tO und t1 ausgestrahlte Lichtpuls ist zurückgekehrt und erzeugt einen Diodenstrom iD. Dieser wird gemessen und im Latch des Komparators IC4 abgespeichert. t2: Shortly after the time t1, the line driver IC3 for discharging the luminescent diode 2 is switched on for a short time (output enable to “1”) tA: The circuit has settled, the light pulse emitted between tO and t1 has returned and generated a diode current iD. This is measured and stored in the latch of the comparator IC4.

tB: Das D-Flipflop IC7 übernimmt den Ausgangswert des Komparators 1C4. tB: The D flip-flop IC7 takes over the output value of the comparator 1C4.

tA: Der reflektierte Lichtpuls ist durchgelaufen. Der Komparator IC4 misst das Hintergrundrauschen (Dunkeistrom, Verstärkerrauschen) und speichert es im Latch. tA: The reflected light pulse has passed through. The comparator IC4 measures the background noise (dark current, amplifier noise) and stores it in the latch.

tC: Das D-Flipflop IC8 übernimmt den Ausgangs* wert des Komparators IC4. Der Zyklus ist damit abgeschlossen. tC: The D flip-flop IC8 takes over the output * value of the comparator IC4. The cycle is now complete.

Bei einem 10 m langen Lichtwellenleiter dauert der Lichtpuls typischerweise 100 ns. Der Zeitpunkt tA liegt z.B. 80 ns nach t1. Ein ganzer Zyklus dauert dann beispielsweise etwa 1 ns. Die Integrationsdauer der beiden Tiefpässe R18/C5 resp. R14/C4/R15 liegen vielleicht bei 0.1 bis 1 sec. With a 10 m long optical waveguide, the light pulse typically lasts 100 ns. The time tA is e.g. 80 ns after t1. An entire cycle then takes about 1 ns, for example. The integration duration of the two low passes R18 / C5 resp. R14 / C4 / R15 may be 0.1 to 1 sec.

Ein wichtiger Punkt beim vorliegenden optischen Reflexionsdetektor ist die Verwendung von D-Flipflops 1C7, IC8 bei der Signalabtastung. Da sie flankengesteuert sind, braucht das Eingangssignal nur kurzzeitig anzuliegen. Unabhängig davon, wie lange das Eingangssignal anliegt, steht eine ganze Zyklusperiode zur Verfügung, um die Kapazitäten C4 resp. C5 der nachfolgenden Tiefpässe aufzuladen resp. zu entladen. An important point in the present optical reflection detector is the use of D flip-flops 1C7, IC8 in the signal sampling. Since they are edge-controlled, the input signal only needs to be present for a short time. Regardless of how long the input signal is present, an entire cycle period is available to the capacities C4 or. Charge C5 of the following low passes or to unload.

Eine Realisierung der Signalabtastung mit Analog-schaiten wäre nicht nur zeitkritisch, sondern auch teuer. Realizing signal scanning with analog circuits would not only be time-critical, but also expensive.

Es ist ferner ein Vorteil der erfindungsgemässen Schaltung, dass sie mit handelsüblichen, kostengünstigen elektronischen Bauelementen aufgebaut werden kann. It is also an advantage of the circuit according to the invention that it can be constructed using commercially available, inexpensive electronic components.

Abschliessend kann gesagt werden, dass die Erfindung einen Temperaturgrenzwertgeber schafft, welcher mit geringem technischem und finanziellem Aufwand das Detektieren einer Temperaturschwel-5 le erlaubt. Insbesondere erfüllt er die Anforderungen, welche an Geräte zur Temperaturüberwachung in Giessharz-Transformatoren zu stellen sind. In conclusion, it can be said that the invention creates a temperature limit transmitter which allows the detection of a temperature threshold with little technical and financial expense. In particular, it fulfills the requirements for devices for temperature monitoring in cast resin transformers.

Claims

10 claims

1. Temperature limit transmitter device, comprising a) a transmitter / receiver circuit (1) for

15 light signals,

b) an optical waveguide (3) and c) an optical thermal switch (4), characterized in that d) the transmitter / receiver circuit (1) has a lumi-

20 nescent diode (2), which both for

Transmitting as well as receiving light signals is used and e) the optical thermal switch (4) comprises a thermally expanding medium (5) which

25 one end of the optical waveguide (3) is arranged such that it is spaced from an end face (9) of the optical waveguide (3) at temperatures below a given switching temperature and that it is at temperatures above the

30 given switching temperature touches the end face (9) of the optical waveguide (3).

2. Temperature limit transmitter device according to claim 1, characterized in that the thermally expanding medium (5) essentially

35 Chen uses the same refractive index as a core (6) of the optical waveguide (3).

3. Temperature limit transmitter device according to claim 1, characterized in that the thermally expanding medium (5) optically reflective

40 is.

4. Temperature limit transmitter device according to claim 2 or 3, characterized in that the transmitter / receiver circuit is an optical reflection detector which is a luminescent diode (2)

45 with an anode and a cathode, a voltage source (10) with a plus and a minus pole, at least 4 electronic switches (S1, S2, S3, S4), a synchronization circuit (16) and a Si gnaia output, wherein

50 a) the anode of the luminescence diode (2) is connected to the Pius pole via a first switch (S1) and the cathode is connected to the negative pole of the voltage source (10) via a second switch (S2),

55 b) the cathode of the luminescence diode (2) is connected via a third switch (S3) to the positive pole of the voltage source (10) and the anode is connected to the signal output (18) via a fourth switch

60 c) and the synchronization circuit (16) switches from a first state, in which only the first and second switches (S1, S2) are closed and the luminescent diode (2) transmits light, into a second state, in which only third

65th and fourth switches (S3, S4) closed

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and the luminescence diode (2) detects light

5. Temperature limit transmitter device according to claim 4, characterized in that the anode of the luminescent diode (2) is connected via a fifth switch (S5) to the negative pole of the voltage source (10), which fifth switch (S5) for discharge purposes when switching from the first in the second state is briefly closed by the synchronization circuit (16).

6. Temperature limit transmitter device according to claim 5, characterized in that a) first and fourth switches (S1, S4) by an inverting line driver (IC2) and second and third switches (S2, S3) by a non-inverting line driver ( 101)

b) and the fifth switch (S5) are implemented by a non-inverting line driver (IC3),

c) a ground connection of the inverting line driver (IC2) being used as the signal output.

7. The temperature limit transmitter device according to claim 6, characterized in that a) a comparator (IC4) with a latch is connected to the signal output (18),

b) that the comparator (IC4) has a first D-flip-flop (107) downstream for the limit value detection and a second D-flip-flop (IC8) for zero compensation, the synchronization circuit (16) connecting the first D-flip-flop ( IC7) triggers at a time (tB) before which the comparator (1G4) has measured the reflected part of the light and triggers the second D-flip-flop (IC8) at a time (tC) before which the comparator (IC4) has measured a dark current, and c) that the two D-flip-flops (IC7, IC8) are each followed by a low-pass filter, which averages the output signals of the D-flip-flops (IC7, IC8) over time.

8th:. Temperature limit transmitter device according to claim 2, characterized in that the thermally expanding medium (5) is a silicone rubber.

9. Temperature limit transmitter device according to claim 3, characterized in that the thermally expanding medium (5) is mercury

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