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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer
elektrischen Baugruppe, mit
- (a) Mitteln zur
Bestimmung der Stromstärke
des durch die Baugruppe fließenden
elektrischen Stroms,
- (b) Kontaktmittel zum Herstellen von zwei Kontakten an der Baugruppe,
so daß an
den Kontaktmitteln eine Spannung abfällt,
- (c) Mittel zum Bestimmen der an den Kontaktmitteln abfallenden
Spannung;
- (d) Rechnermittel zum Berechnen eines die aktuelle Temperatur
des Bremswiderstands repräsentierenden
Wertes aus der Spannung und dem Strom,
- (e) Vergleichsmittel zum Vergleichen des die aktuelle Temperatur
des Bremswiderstands repräsentierenden
Wertes mit einem vorgegebenen Grenzwert, und
- (f) Mittel zum Bereitstellen eines Signals zum Auslösen von
Maßnahmen
im Fall des Überschreitens
des Grenzwertes.
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Solche
Baugruppen sind beispielsweise Hochspannung führende Bremswiderstände in Schienenfahrzeugen.
Unter Hochspannung wird hier eine Spannung oberhalb von 100 V verstanden.
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Solche
Schienenfahrzeuge können
zum Beispiel Eisenbahnen oder Straßenbahnen sein. Die Schienenfahrzeuge
haben eine große
Masse und können
beträchtliche
Geschwindigkeiten erreichen. Der damit erreichte, sehr hohe Impuls
erfordert besondere Bremssysteme. Ein mechanisches Bremsen, wie
etwa bei Kraftfahrzeugen, würde
zu einem besonders hohen Verschleiß führen, der nicht hinnehmbar
ist.
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Die
betrachteten Schienenfahrzeuge sind elektrisch angetrieben. Ein
Elektromotor erhält
seine Versorgungsspannung z.B. aus der oberhalb der Schienen verlaufenden
Oberleitung. Solche Schienenfahrzeug können daher über den Motor gebremst werden.
Die Motordrehzahl wird gesenkt. Der Elektromotor bremst auf diese
Weise die Antriebswelle. Die anfallende, überschüssige Bremsenergie wird als elektrische
Energie an die Oberleitung abgegeben. Dies funktioniert jedoch nur,
wenn ein geeigneter Verbraucher, z.B. ein weiteres Schienenfahrzeug
in der Nähe
ist, der die Energie abnimmt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird
die Energie über
einen Bremswiderstand in Wärme
umgewandelt und an die Umgebung abgegeben.
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Der
Spannungsabgriff am Elektromotor wird über einen oder mehrere Bremswiderstände an Erde gelegt.
Beim Bremsen fließt
dann ein Strom von bis zu 3000 Ampere bei einer Spannung im Bereich
von bis zu 7500 Volt. Ein großer
Teil der Energie wird im Bremswiderstand zu Wärme umgewandelt. Der Widerstand
heizt sich auf Temperaturen im Bereich von 600 bis 650°C auf. Besonders
beanspruchte Bremswiderstände,
z.B. in Eisenbahnen, werden mit einem starken Ventilator gekühlt. Ein
typischer Wert für
die Ventilator-Leistung ist 20 Kilowatt. Bei anderen Bremswiderständen, z.B.
auf dem Dach von Straßenbahnen,
ist die Luftkühlung
durch den Fahrtwind ausreichend.
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Bremswiderstände sind
teuer und aufwändig zu
installieren. Wenn die Temperatur einen Wert von 700°C übersteigt,
sinkt die Lebensdauer eines Bremswiderstands rapide ab. Es ist daher
wichtig, daß die
Temperatur eines Bremswiderstands nicht zu groß wird. Weiterhin muß das Funktionieren
des Bremswiderstands aus Sicherheitsgründen gewährleistet sein.
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Es
ist bekannt, die Temperatur von Bremswiderständen mit Infrarot-Messungen
durch Pyrometer oder Thermopiles zu überwachen. Eine weitere bekannte
Anordung verwendet Platin-Widerstände zur Temperaturmessung,
welche in den inneren Bereich der Widerstände eingebracht werden. Das
führt jedoch
aufgrund des inhomogenen Temperaturfeldes nur zu ungenauen Messwerten.
Alle bekannten Verfahren leiden darunter, daß die Messung ungenau oder
unmöglich
wird, wenn Staub, Laub oder sonstige Verschmutzungen durch den Ventilator
in den Bereich des Bremswiderstands gelangen. Die Veränderung
der Oberfläche
beeinflußt
den thermischen Emissionskoeffizienten und das Pyrometer ermittelt nicht
mehr die korrekte Temperatur des Widerstands. Berührende Messungen
führen
zu lokal kälteren
Stellen, sognannte „Cold-Spots", die ebenfalls die
Messgenauigkeit stark einschränken.
Eine ausreichende Temperaturüberwachung
ist daher mit den bekannten Temperatur-Messverfahren nicht möglich.
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Eine
große
Zahl von Schienenfahrzeugen führt
aus diesem Grund gar keine Temperaturüberwachung durch. Dies führt dazu,
daß die
Bremswiderstände
eine kürzere
Lebensdauer haben können und
häufiger
ausgewechselt werden müssen.
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Die
DE 33 08 605 C2 offenbart
eine Anordnung zum Feststellen der Temperatur einer elektromagnetischen
Kupplung eines Kraftfahrzeugs. Die Kupplung umfasst eine Kupplungsspule.
Aus der an der Spule abfallende Spannung und dem fließenden Strom
wird der temperaturabhängige
Widerstand berechnet und mit einem Bezugswert verglichen. Übersteigt
der Wert den Bezugswert, wird ein Alarmsignal erzeugt. Im Vergleich
zu einem Bremswiderstand liegt an der Kupplungsspule nur eine geringe
Spannung an. Entsprechend kann das Meßsignal unmittelbar einer Auswertung
und einer Schaltung zur Erzeugung des Alarmsignals zugeführt werden.
Die Verwendung einer solchen Anordnung bei Hochspannung ist in dieser
Form aufgrund von ungewolltem Funkenschlag oder dergleichen nicht
problemlos möglich.
Dies würde
die Auswerteelektronik belasten und das Messergebnis möglicherweise
verfälschen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von
Baugruppen der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auch bei
hohen Temperaturen und großem
Energieumsatz aufgrund von Hochspannung zuverlässige Messwerte liefert.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch
- (g) die elektrische Baugruppe zum Führen einer Hochspannung
ausgebildet ist und
- (h) Mittel zur Übertragung
des die aktuelle Temperatur der Baugruppe repräsentierenden Wertes oder des
Strom- und Spannungswertes aus dem Hochspannungsteil nach außen auf
nicht-elektrischem Weg vorgesehen sind.
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Der
die aktuelle Temperatur des Bremswiderstands repräsentierende
Wert kann der temperaturabhängige
Widerstand oder die daraus berechnete Temperatur sein. Im Gegensatz
zu den bekannten Anordnungen wird hier kein weiterer Widerstand
zur Temperaturmessung verwendet, welcher in das Temperaturfeld eingebracht
wird. Vielmehr wird die Temperaturabhängigkeit des Bremswiderstands
selber dazu genutzt um die Temperatur zu überwachen. Die Temperaturabhängigkeit
des Bremswiderstands führt nämlich zu
temperaturabhängigen
Strom- bzw. Spannungswerten, welche zur Auswertung herangezogen
werden können.
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Die Überwachungsvorrichtung
ermittelt die Temperatur oder einen damit korrellierten Wert, vergleicht
ihn mit einem Grenzwert und löst
bei Überschreiten
des Grenzwerts ein Signal aus, mit welchem z.B. ein Alarmsignal
oder ein Sicherheitsmechanismus aktiviert wird.
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Durch
die Mittel zur Übertragung
des die aktuelle Temperatur des Bremswiderstands repräsentierenden
Wertes oder des Strom- und Spannungswertes aus dem Hochspannungsteil
nach außen ohne
eine elektrische Verbindung wird der Hochspannungsteil nicht mit
dem Bordnetz oder der Auswerteelektronik verbunden. Diese Übertragungsmittel
können
einen Wandler zur Erzeugung eines optischen Signals, einen Lichtleiter
zur Übertragung
des optischen Signals und einen Wandler zum Wandeln des optischen
in ein elektrisches Signal umfassen. Dann werden die Signale optisch über den
Lichtleiter aus dem Hochspannungsteil herausgeführt. Es gibt keine weiteren
elektrischen Verbindungen zwischen dem Hochspannungsteil und dem übrigen Teil
des Schienenfahrzeugs.
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Vorzugsweise
ist ein Hall-Sensor zur kontaktlosen Messung des Stroms vorgesehen.
Mit diesem Sensor und der zugehörigen
Mess- und Steuerelektronik können
auch starke Ströme
sehr genau ermittelt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist die an den Widerständen
abgegriffene Spannung zur Energieversorgung des Strom-Sensors vorgesehen.
Dadurch ist keine zusätzliche
Energieversorgung erforderlich. Der Strom-Sensor braucht auch nicht
an die Bordstrom-Versorgung des Fahrzeugs angeschlossen werden.
Der Sensor ist vielmehr völlig
autonom und galvanisch von den übrigen
Komponenten getrennt. Ein ungewollter Energieübergang, z.B. durch Funkenschlag
oder dergleichen, wie er bei den auftretenden hohen Spannungen und
Strömen
vorkommen kann, wird auf diese Weise vermieden. Diese Ausgestaltung
der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Strom-Sensor immer nur
dann aktiviert werden muß,
wenn auch der Bremswiderstand „arbeitet", d.h. wenn ein Strom
fließt.
Denn nur dann kann er sich aufheizen und nur dann muß der Strom
auch gemessen werden. Der Sensor muß nicht arbeiten, wenn kein
Strom durch den Bremswiderstand fließt und er sich auch nicht aufheizen
kann. Der Sensor benötigt dann
keine Energie.
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Zur
Messung der Spannung sind vorzugsweise ein oder mehrere Spannungsteiler
vorgesehen. Mit diesen Komponenten wird erreicht, daß die Spannung
auf einen gut messbaren Wert konvertiert wird. So können die
Kontaktmittel so an den Bremswiderständen angebracht werden, daß eine Spannung
im Bereich zwischen 18 und 72 V abfällt. Zur Versorgung der Messanordnung
kann ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein. Die an den Ausgangsklemmen
des DC/DC-Wandlers erzeugte Niederspannung kann an die Bedürfnisse
des Strom-Sensors und/oder anderer elektronischer Komponenten angepasst
werden. Diese Spannung kann über
einen DC/DC-Konverter auf den niedrigeren Wert der erforderlichen
Versorgungsspannung des Stromsensors, z.B. 15 V oder des Mikroprozessors
auf z.B. 5 V konvertiert werden. Mit einem Spannungsteiler kann
die Spannung auf einen Wert gebracht werden, der als Eingangssignal
für einen
Multiplexer mit anschließendem
Analog-Digital-Wandler geeignet ist. Der Spannungsteiler umfasst
zwei in Serie geschalteten Widerständen mit geeignetem Verhältnis der
Widerstandswerte. Die Schaltung ist parallel zu dem Konverter geschaltet.
Die an einem der Widerstände
abfallende Spannung liegt dann in einem Bereich von z.B. 5 V, der
sich gut weiter verarbeiten lässt.
Neben dem Stromsensor können
auch die übrigen
Bauteile, wie die Übertragungsmittel,
der Multiplexer, der A/D-Wandler etc. mit der abgegriffenen Spannung
versorgt werden. Der Spannungsabfall an diesen Bauteilen ist so
gering, daß die
Messwerte dadurch nur unwesentlich beeinflusst werden.
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Die
beschriebene Vorrichtung ist besonders gut für Schienenfahrzeuge geeignet.
Die Anordnung ist aber auch für
andere Anwendungen, wie die Überwachung
der Temperatur von Transformator-Spulen, oder für stationäre Anwendungen, wie Fahrstühle oder
Rolltreppen geeignet. Ähnlich
wie bei Schienenfahrzeugen wird bei diesen Anordnungen eine elektrische
Baugruppe von einem hohen Strom durchflossen.
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Ein
Transformator umfasst zwei Spulen, welche von einem hohen Strom
durchflossen sind. Dort wird die sehr hohe Spannung der Überlandleitungen von
zum Beispiel 380 kV umgespannt. Diese Spulen haben neben dem induktiven
Widerstand auch einen ohmschen Widerstand. Über diesem ohmschen Widerstand
fällt eine
Spannung ab, die ebenfalls temperaturabhängig ist. Die Spulen sind in
einer gut abgeschirmten gekapselten Gehäuse untergebracht und daher
nur sehr schwer direkt zugänglich.
Die entstehende Wärme
wird über
in dem Gehäuse
befindliches Öl
abgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt die Temperaturüberwachung
direkt an den Transformatorspulen ohne den Umweg über eine
Temperaturmessung des Öls,
die recht ungenau ist.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Straßenbahn mit Bremswiderständen auf
dem Dach
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2 ist
eine schematische Seitenansicht eines Triebwagens einer Eisenbahn,
in welcher die Lage der Bremswiderstände angedeutet ist
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3 ist
eine schematische Draufsicht auf den Triebwagen aus 2,
in welcher die Lage der Bremswiderstände angedeutet ist
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4 ist
eine vereinfachte Darstellung eines Bremswiderstandes
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5 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Bremswiderstand mit einer Anordnung zur Überwachung
der Temperatur
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6 ist
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schaltung der Anordnung zur Überwachung
der Temperatur
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
schematisch eine Straßenbahn 10 dargestellt.
Die Straßenbahn 10 läuft auf
Schienen 12 und ist mit einer Oberleitung 14 verbunden. Über die
Oberleitung 14 erhält
die Straßenbahn 10 die
erforderliche Antriebsenergie. Auf dem Dach der Straßenbahn 10 sind
drei Bremswiderstände 16, 18 und 20 angeordnet.
Wenn die Straßenbahn 10 bremst
liegt am Antriebsmotor eine Spannung an, die über die Oberleitung 14 abgeführt wird,
wenn sich ein Verbraucher, z.B. eine weitere Straßenbahn
in der Nähe
befindet. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Bremsenergie in
Form von elektrischer Energie über die
Bremswiderstände 16, 18 und 20 abgeführt. Dabei
entsteht Wärme,
welche an die Umgebung abgegeben wird. Die Bremswiderstände werden
durch den Fahrwind gekühlt.
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In 2 ist
der Triebwagen 28 einer Eisenbahn dargestellt. Auch hier
sind Bremswiderstände vorgesehen.
Die Bremswiderstände
bestehen aus drei Paketen 22, 24 und 26,
die wiederum jeweils vier übereinander
geschichtete Bremswiderstände
umfassen. In 3 ist der Triebwagen 28 nochmals
in einer Draufsicht dargestellt.
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Die
Bremswiderstände
sind so miteinander in Reihe geschaltet, daß der Strom durch jeden der Bremswiderstände fließen muß. Unterhalb
jedem Paket 22, 24 und 26 aus Bremswiderständen sind
starke Ventilatoren 32, 34 und 36 mit
20 kW Leistung angeordnet. Die Unterseite und die Oberseite des Triebwagens
weisen Öffnungen
auf. Weiterhin sind die Bremswiderstände nach oben und unten mit
Rosten versehen, durch welche Luft hindurch dringen kann. Die Ventilatoren 32, 34 und 36 erzeugen
eine starke Luftströmung
zur Kühlung
der Bremswiderstände.
Die Luftströmung
erfolgt etwa in Richtung der mit 30 bezeichneten Pfeile
von unten nach oben durch die gesamte Höhe des Triebwagens.
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In 4 ist
ein Bremswiderstand 38 schematisch dargestellt. Der eigentliche
Widerstand besteht aus aneinander genieteten Blechen 40 und 42. Der
Einfachheit halber sind in 4 lediglich 12 solcher
Bleche dargestellt. Tatsächliche
und übliche Bremswiderstände haben
etwa 80 solcher Bleche. Die Bleche 40 und 42 sind
so aneinander genietet oder punktgeschweißt, daß am Ende eine leitende, plane
Verbindungsfläche 44 entsteht.
In diesen Verbindungsflächen 44 sind
an beiden Seiten Bohrungen vorgesehen, die zur Halterung mit einem
keramischen Isolator-Halter 46 dienen. Der Halter 46 besteht
aus einer Vielzahl von ineinander gesteckten Isolator-Teilen. Die
Enden des Halters 46 hängen
in einem U-Stahl 48. An den Übergangs-Stellen sind Isolierungen
vorgesehen. Bei Paketen, wie sie in 2 und 3 verwendet
werden, sind mehrere solche Blech-Anordnungen in einem U-Stahl übereinander
vorgesehen. Die gesamte Anordnung wird von einem Rahmen 50 umgeben,
der an den Seiten aus durchgängigem
Blech gefertigt ist. Die Ober- und Unterseite sind mit einem luftdurchlässigen Rost
abgeschlossen, damit keine unnötige
Verschmutzung der Anordnung, z.B. durch Müll oder Laub erfolgt.
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Das
erste Blech 52 ist mit dem Stromkabel 54 verbunden.
Das letzte Blech 40 ist ebenfalls mit einem Stromkabel 56 verbunden.
Die Stromkabel 54, 56 stellen die Verbindung zum
Motor bzw. zu weiteren, in Reihe geschalteten Widerständen her.
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In 5 ist
ein Ausschnitt aus 4 dargestellt. Es versteht sich,
daß diese
Darstellung lediglich schematisch ist und die Größenverhältnisse in der Praxis variieren
können.
Die Bleche sind mit 58 bezeichnet. An zwei Verbindungsstellen 60 und 62, die
nicht notwendigerweise wie hier nebeneinander liegen müssen, sind
Kontakte 64 und 66 vorgesehen. An diesen Kontakten 64 und 66 wird
die Spannung abgegriffen, die beim Bremsen an diesen Widerständen abfallen.
Es wird also nur ein Teil der tatsächlich am ganzen Bremswiderstand
abfallenden Spannung abgegriffen. Durch Variation der Stellen, an
welchen der Kontakt abgegriffen wird, kann Einfluss auf den abgegriffenen
Spannungsbereich genommen werden. Die Spannung wird einer unten
näher erläuterten
Mess- und Sendeanordnung 68 zugeführt.
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Um
das eingangsseitige, isolierte Stromkabel 70 ist ein Strom-Sensor 72 vorgesehen.
Der Strom-Sensor 72 besteht im wesentlichen aus einem Hall-Sensor,
in welchem bei Stromfluss durch das Kabel 70 eine Spannung
induziert wird. Diese Spannung ist ein direktes Maß für den fließenden Strom. Der
Strom-Sensor 72 wird über
Zuleitungen 74 aus der Mess- und Sendeanordnung 68 mit
Spannung versorgt. Dies ist eine Spannung, die aus der zuvor am
Bremswiderstand abgegriffenen Spannung abgeteilt wurde. Eine eigene
Spannungsversorgung ist daher nicht erforderlich.
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In 6 ist
die Mess- und Sendeanordnung 68 detailierter dargestellt.
Die Widerstände
R sind mit 76, 78, 80 und 82 bzeichnet.
In der Praxis wird eine geeignete Anzahl an Widerständen verwendet,
die auch wesentlich höher
als 4 sein kann. Der Strom fließt über ein
Kabel 84 durch die Widerstände und wird an Erde 86 abgeleitet.
Der Hall-Sensor ist mit 88 bzeichnet. Über Kontakte 90 und 92 wird
die an den Widerständen 78 und 80 abfallende
Spannung abgegriffen. Dabei werden die Kontakte gerade so gelegt, daß die Spannungswerte
im Bereich zwischen 18 und 72 V liegen.
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Die
abgegriffene Spannung wird in einem DC/DC-Wandler 94 auf
einen geringeren Wert konvertiert. Der Wandler 94 ist Teil
der Mess- und Sendeanordnung 68, die hier durch einen gestrichelten Rahmen
dargestellt ist. Innerhalb der Anordnung 68 ist weiterhin
ein Spannungsteiler vorgesehen, der aus zwei Widerständen 96 und 98 besteht.
Mit dem Spannungsteiler wird eine Teilspannung U(U) im Bereich von
5 Volt erzeugt, die einem zweifach Multiplexer 100 mit
angeschlossenem A/D-Wandler 102 zugeführt wird. Auch die am Hall-Sensor 88 erzeugte Spannung
U(I), welche den Strom durch das Stromkabel 84 repräsentiert,
wird dem Multiplexer 100 zugeführt. Das im gleichen Bauelement
digitalisierte Signal wird über
zwei Kanäle
einem Mikroprozessor 104 zugeführt. Auch der Mikroprozessor 104 wird
mit einer Spannung versorgt, welche im DC/DC-Wandler 34 erzeugt
wird. Dort werden die Signale zu einem Widerstandswert R=U/I verarbeitet.
Aus dem Widerstandswert R=R(T) wird die Temperatur ermittelt. Die Temperatur
wird dabei auf der Basis eines hinterlegten funktionellen Zusammenhangs
oder einer hinterlegten Kennlinie berechnet. Der aus dem Widerstandswert
errechnete Temperaturwert wird über eine
serielle Schnittstelle 106 an einen Sendebaustein 108 übertragen.
Der Sendebaustein 108 ist Teil einer Übertragungsvorrichtung mit
welcher das Signal optisch aus dem Hochspannungsteil der gesamten
Anordnung in den übrigen
Teil des Schienenfahrzeugs überführt wird.
In dem Sendebaustein 108 wird das elektrische, digitalisierte
Signal ein optisches Signal konvertiert. Das optische Signal wird über einen Lichtwellenleiter 110 zu
einem Empfangsbaustein 112 geleitet. Da die Mess- und Sendeanordnung 68 auch
bezüglich
der Energieversorgung vollständig autonom
ist, wird auf diese Weise eine vollständige galvanische Trennung
erreicht.
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Im
Empfangsbaustein 112 wird das optische Signal zurück in ein
digitales elektrisches Signal konvertiert. Dieses Signal wird über eine
Leitung 114 an einen weiteren Mikroprozessor 116 geleitet.
Der weiteren Mikroprozessor 116 arbeitet mit Batterien 118, kann
aber auch an das Bordnetz des Schienenfahrzeugs angeschlossen werden.
Der Mikroprozessor 116 vergleicht den übertragenen aktuellen Temperaturmesswert
mit einem Grenzwert. Wenn der Grenzwert überschritten wird, erzeugt
der Mikroprozessor ein Signal an einem Ausgang 120. Mit
diesem Signal kann ein Alarmsignal im Führerstand des Schienenfahrzeugs
ausgelöst
werden. Es kann aber auch eine andere Maßnahme getroffen werden, etwa
zusätzliche
Kühlmaßnahmen
oder dergleichen.
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Um
auch einen eventuellen Ausfall des Mikroprozessors 116 mitzuberücksichtigen,
kann auch vorgesehen sein, daß der
Mikroprozessor 116 dauerhaft oder in regelmäßigen Abständen getaktet
ein Signal 120 erzeugt, welches unterbrochen wird, wenn die
Temperatur den vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Gleichermaßen kann
dauerhaft oder getaktet ein Signal über das Anliegen eines Stroms
am Widerstand über
eine zusätzliche
Leitung dem Mikroprozessor 116 zugeführt werden. Anhand dieses Signals ist
es möglich
die ordnungsgemäße Funktion
des Lichtwellenleiters 110 zu überprüfen. Liegt kein Signal an,
so ist dies ein Indiz dafür,
daß der
Lichtwellenleiter defekt ist.
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Die
gleiche Anordnung, kann neben Schienenfahrzeugen auch für die Temperaturüberwachung von
anderen Systemen, etwa Hochspannungstransformatoren oder dergleichen
verwendet werden.