DD257296A1

DD257296A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur druckbestimmung in evakuierten gefaessen, insbesondere vakuumschaltern

Info

Publication number: DD257296A1
Application number: DD29955087A
Authority: DD
Inventors: Peter Siemroth
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-01-29
Filing date: 1987-01-29
Publication date: 1988-06-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die beeinflussungsarme Messung und kontinuierliche Anzeige des Druckes in evakuierten Gefaessen, insbesondere in Vakuumschaltern im Betriebszustand. Die Aufgabe, den Druck in evakuierten Gefaessen zu messen und anzugeben, ohne diese vom Netz zu trennen, zusaetzliche elektrische Durchfuehrungen anzubringen oder konstruktive Veraenderungen am Gefaess vornehmen zu muessen, wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der bei Betriebs- oder einer anderen Hochspannung von der Kathode emittierte Feldemissionsstrom einer Rauschanalyse unterworfen wird und das Verhaeltnis zwischen hoch- und niederfrequenten Rauschanteilen ein Mass des Gefaessinnendruckes ist. Die erfindungsgemaesse Schaltungsanordnung ist ein Messkreis ausserhalb des evakuierten Gefaesses, der mindestens ein Analysennetzwerk, ein Komparatorbaustein und eine Anzeigevorrichtung enthaelt.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die beeinflussungsarme Messung und kontinuierliche Anzeige des Druckes in evakuierten Gefäßen, insbesondere in Vakuumschaltern im Betriebszustand. Einsatzgebiete der Erfindung sind deshalb besonders Elektroenergieanlagen, in denen Vakuumschalter zur Stromunterbrechung verwendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Inielektrischen Schaltanlagen werden zur Stromunterbrechung bekanntlich Vakuumschalter eingesetzt, deren Funktions- und Betriebsfähigkeit und damit letztlich die der gesamten Schaltanlage von spezifischen niedrigen Druckverhältnissen abhängig ist. Erhöht sich der Druck in einem Vakuumschalter beispielsweise durch Gase, die durch Lichtbögen und Stromwärme freigesetzt werden oder in den Vakuumraum eindiffundieren über eine zulässige Größe, die vom jeweiligen Verwendungszweck des Schalters abhängt, so verliert der Vakuumschalter sein vorgesehenes Abschalt- und Isolationsvermögen. Zur Messung bzw. Kontrolle von Gasdrücken, insbesondere unter den speziellen Bedingungen der Vakuumschalter, sind bereits zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt. So sind Einrichtungen bekannt, bei denen zur kontinuierlichen Anzeige der Druckverhältnisse in einem Vakuumschalter außerhalb des evakuierten Gehäuses im vorgesehenen Meßkreis eine Wechselspannung, die auch die Betriebsspannung sein kann, an eine der Elektroden der Vakuumschaltkammer und ein isoliert angeordnetes Element (Kondensationsschirm) gelegt und der sich einstellende Strom in Abhängigkeit von den Dr.uckverhältnissen im Inneren der Vakuumschaltkammer gemessen wird. Auf diesem Prinzip beruht z.B. CH-PS 487492. Diese Einrichtung ist aber nur im Bereich von 10~¹ bis 10³Pa zuverlässig funktionsfähig. Der für den praktischen Betrieb besonders wichtige Druckbereich zwischen 1CT⁴ und 10"¹Pa kann mit der genannten Anlage nicht mehr quantitativ erfaßt werden. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß die Kammer zur Messung vom Netz getrennt werden muß. Einer noch stärkeren Einschränkung betreffs des kontrollierbaren Druckbereiches unterliegt das in US 3641 359 dargestellte Meßprinzip. Dabei ist der Durchschlag einer zusätzlich eingebauten Funkenstrecke Kriterium für eine Überschreitung des zulässigen Maximaldruckes. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß zumindest eine zusätzliche elektrische Durchführung in die Kammerwand eingebaut werden muß, was bei der Mehrzahl der gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Kammertypen zu nicht akzeptablem technologischen Mehraufwand führen würde. Eine Reihe weiterer Lösungen nutzt Meßverfahren, die bereitsaus der Hochvakuummeßtechnik bekannt sind. In US 3884080 ist z.B. die Wärmeleitung des Re~stgases zur Vakuummessung genutzt. Dieses Verfahren stellt auch die Grundlage des als Wärmeleitmanometer bekannten Gerätes dar. Auch hier sind genau wie z.B. in DD 159920 oder US 4471 309 zusätzliche Durchführungen erforderlich. Da's einzige in größerem Maße praktisch genutzte Meßverfahren ist das sogenannte Magnetronverfahren (B.Jüttner u.a. Druckmessung in abgeschlossenen Vakuumlöschkammern mittels einer Magnetronentladung, IPH Mitteilungen 19/78 S. 25-27). Dieses Verfahren zeichnet sich durch Zuverlässigkeit und gute Reproduzierbarkeit aus. Allerdings erfordert es den Ausbau des Vakuumschalter aus der Schaltanlage zur Messung. Da rüber hinaus versagt das Verfahren bei zu kleinen Elektrodengeometrien bzw. bei sehr guten Vakuumbedingungen. In DE 3347176 wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der das für die Mägnetronentladung notwendige Magnetfeld durch fest mit der Schaltkammer verbundene Permanentmagnete erzeugt wird und damit die Messung nach dem Magnetronprinzip auch bei betriebsmäßig eingebauten Vakuumschaltern möglich sein soll. Abgesehen von dem hohen zusätzlichen Aufwand, der durch die Montage von Stabmagneten und die damit notwendige Veränderung der Konstruktion der Schalterpole entsteht, treffen auch für diese Variante des Magnetronprinzips die oben

genannten — Einschränkungen zu. Dies erscheint als besonders nachteilig, da der Trend der Schalterentwicklung zu einer weiteren Verkleinerung der Elektroden und zu einer Verbesserung des Vakuums geht.

Die Untersuchung des im Vordurchschlagsgebietes fließenden Feldemissionsstromes bildet die Grundlage von DD 88670. Hier ist die Einstellzeitkonstante des Feldemissionsstromes nach einer Störung des Gleichgewichtszustandes der Gasbedeckung ein Maß des Druckes. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Schaltkammer zur Messung ausgebaut werden muß, daß wegen der starken Fluktuationen des Feldemissionsstromes die Bestimmung derzeitkonstanten schwierig ist und deshalb Mittelwerte über viele Meßzyklen gebildet werden müssen, um wenigstens eine größenordnungsmäßige Angabe des Druckes zu erhalten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine kontinuierliche, zuverlässige Druckbestimmung in evakuierten Gefäßen, insbesondere Vakuumschaltern im Betriebszustand, bei geringem Aufwand.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Technische Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die es gestatten, den Druck in einem evakuierten Gefäß, insbesondere in einem Vakuumschalter zu messen und anzugeben, ohne das Gefäß vom Netz zu trennen, ohne zusätzliche elektrische Durchführungen anzubringen und ohne konstruktive Veränderungen am Gefäß vornehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der bei Betriebsspannung von der als Kathode geschalteten Elektrode emittierte Feldemissionsstrom einer Rauschahalyse, z. B. Fourieranalyse, unterworfen und daraus in der Weise auf die Druckverhältnisse im Vakuumgefäß geschlossen wird, daß das Verhältnis zwischen hoch- und niederfrequenten Rauschanteilen ein Maß des Innendruckes ist. Anstelle der Betriebsspannung kann auch jede beliebige andere Hochspannung genutzt werden, die ausreicht, die Feldemission auszulösen. Im Falle eines Vakuumschalters wird der bei Anlegen der Betriebsspannung von der Kathode emittierte Feldemissionsstrom am Kondensationsschirm abgegriffen. Bei anderen evakuierten Gefäßen wird zu diesem Zweck die Anode oder eine andere vorhandene Elektrode genutzt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besteht mindestens aus einem Analysennetzwerk, aus einem Komparatorbaustein und einer Anzeigevorrichtung. Der bei anliegender Betriebsspannung von der Kathode emittierte und entsprechend abgegriffene Feldemissionsstrom wird dem Analysennetzwerk zugeleitet, das geeignet ist, eine Frequenzanalyse des Stromes durchzuführen.

Im einfachsten Fall kann es aus zwei oder mehr Frequenzfiltern üblicher Bauart, z. B. LC-Niederfrequenzfilter, bestehen. Die hier erhaltenen Signale, die, den Anteilen des Rauschspektrums in zwei Frequenzbändern proportional sind, werden dem Komparatorbaustein zugeleitet. Mit Hilfe des Kompäratorbausteins (im einfachsten Fall ein Differenzverstärker) gewinnt man ein Signal, das dem Verhältnis der Leistungen im hochfrequenten und niederfrequenten Bereich des Rauschspektrums des Stromsignals entspricht und einer Anzeigevorrichtung zugeführt wird. Eine entsprechende Eichung vorausgesetzt, ist dieses Leistungsverhältnis ein direktes Maß des Druckes. Das Komparatorsignal kann genutzt werden, um beim Überschreiten eines kritischen Druckes durch einen Alarmsignalgeber ein Warnsignal auszulösen. Wird anstelle eines solchen einfachen Analysennetzwerkes eine Mikrorechnereinheit, eingesetzt, bestehend aus Analog-Digital-Wandler und Rechner, welcher automatisch eine Fourieranalyse ausführt, so bleibt das Grundprinzip unverändert.

Bei Messungen an Vakuumschaltern, die in Schaltanlagen eingebaut sind, kann die Betriebsspannung (in der Regel eine 50 Hz Wechselspannung) genutzt werden, um den zu untersuchenden Feldemissionsstrom auszulösen. Dabei bleibt das Meßprinzip unverändert. Es ist jedoch zu beachten, daß Frequenzen in der Nähe der Frequenz der Betriebsspannung nicht für die Auswertung geeignet sind.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Druckmessung an Vakuumschaltern im Betriebszustand und anderen evakuierten Gefäßen möglich, ohne daß an ihnen konstruktive Veränderungen nötig sind. Weiterhin zeichnet sich diese Methode dadurch aus, daß sie eine Messung des Innendruckes in Vakuumschaltern wie auch in anderen evakuierten Gefäßen im Bereich von 10"²Pa abwärts gestattet, wobei im Gegensatz zu anderen Methoden zu kleinen Werten hin keine prinzipielle Begrenzung besteht.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Beispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt einen Vakuumschalter üblicher Bauform. In einem Gehäuse 1 aus Glas oder Keramik sind eine feste 2 und eine bewegliche Strombahn 3 eingeführt, die von einem Kondensationsschirm 4 umschlossen sind. Die feste Strombahn 3 ist mit der Erde bzw. mit dem Nulleiter verbunden während die bewegliche Strombahn an die Hochspannungsversorgung 5 angeschlossen ist. Bei Vakuumschaltkammern, die in Schaltanlagen eingebaut sind, wird die betriebsmäßig anliegende Spannung genutzt. Wenn die auf hohem Potential liegende feste Elektrode 2 positive Spannung erhält, so wirkt die bewegliche Elektrode 3 als Kathode und emittiert durch Feldemission Elektronen, die zumindestens teilweise den Kondensationsschirm 4 erreichen. Der dadurch fließende Strom erzeugt im Meßwiderstand 6 einen Spannungsabfall. Das Spannungssignal wird einem Analysennetzwerk 7 zur Frequenzanalyse zugeführt, das im dargestellten Fall aus zwei LC-Filtern üblicher Bauart besteht. Die beiden Signale, die den Anteilen des Rauschspektrums in zwei Frequenzbändern proportional sind, werden dem Komparatorbaustein 8 zugeleitet, im dargestellten Fall ein Differenzverstärker. Das am Ausgang des Differenzverstärkers anliegende Signal ist ein Maß des Druckes in der Kammer. Überschreitet dieses Signal einen einstellbar veränderlichen Schwellwert, so tritt der Schwellwertschalter 9 in Tätigkeit und löst einen optischen oder akustischen Alarmsignalgeber 10 aus.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es z. B. möglich, bei entsprechender Eichung das Komparatorsignal einem Meßwerk zur Druckanzeige zuzuführen öderes ist auch möglich, das Netzwerk zur Frequenzanalyse völlig anders zu gestalten und beispielsweise dafür ein System, bestehend aus Analog-Digital-Wandler und Mikrorechner zur numerischen Fourieranalyse einzusetzen, wobei aus dem erhaltenen Rauschspektrum der Kammerdruck berechnet wird.

Claims

1. Verfahren zur Druckbestimmung in evakuierten Gefäßen, insbesondere Vakuumschalter, die über mindestens zwei Elektroden verfügen, die über elektrische Durchführungen von außen kontaktiert werden können, gekennzeichnet dadurch, daß an das evakuierte Gefäß die Betriebs- oder eine andere Hochspannung angelegt wird, daß der von der Katode ausgehende Feldemissionsstrom von der Anode oder einer anderen Elektrode abgegriffen und einer Rauschanalyse unterworfen wird und daß das Verhältnis zwischen hoch- und niederfrequenten Rauschanteilen ein Maß des Innendruckes ist.

2. Verfahren nach.Anspruch !,gekennzeichnetdadurch, daß der Feldemissionsstrom am Kondensationsschirm des Vakuumschalter abgegriffen wird.

3.^; Schaltungsanordnung zur Druckbestimmung in evakuierten Gefäßen, insbesondere Vakuumschaltern, die über mindestens zwei Elektroden verfügen, die über elektrische Durchführungen von außen kontäktiert werden können, gekennzeichnet dadurch, daß außerhalb des evakuierten Gefäßes ein mindestens ein Analysennetzwerk (7), einen Komparatorbaustein (8) und eine Anzeigevorrichtung enthaltender Meßkreis angeordnet ist, daß der Eingang des Analysennetzwerkes (7) mit der Elektrode oder dem Kondensationsschirm des evakuierten Gefäßes, von dem der Feldemissionsstrom abgegriffen wird, verbunden ist, daß der Ausgang des Analysennetzwerkes (7) mit dem Eingang des Komparatorbausteines (8) verbunden und dessen Ausgang mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist.

4.4 Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzeigevorrichtung ein Alarmsignalgeber (10) ist.