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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen Verbinder einer Kabelmuffe gemäß Patentanspruch 1, sowie eine Kabelmuffe mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 15.
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Eine Kabelmuffe (englisch: cable joint) ist ein Bauteil, das zur Verbindung zweier Kabel dient. Hierzu weist eine Kabelmuffe in ihrem Inneren einen Verbinder zur Verbindung der Leiter der Kabel auf. Der Verbinder wird von mehreren Lagen zur Feldsteuerung und zur Isolierung der Kabelmuffe umschlossen. Diese schützen die Kabelmuffe auch vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz. Es sind Kabelmuffen zur Verbindung von Hochspannungskabeln bekannt, die für Spannung von mehr als 145 kV ausgelegt sind.
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Es ist bekannt, dass Kabelmuffen, von durch Fehler bei der Installation verursachten Problemen abgesehen, für gewöhnlich nicht unangekündigt ausfallen. Vielmehr existiert eine Reihe von Indikatoren, die Auskunft über den Betriebszustand der Kabelmuffe geben und als Warnzeichen für einen bevorstehenden Ausfall dienen können. Derartige Indikatoren sind beispielsweise ein Niveau einer Teilentladung, ein Feuchtigkeitsgehalt in einem von einem Faradaykäfig umschlossenen Bereich der Kabelmuffe, ein Temperaturprofil und ein Innendruck im Inneren der Kabelmuffe.
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Allerdings ist im Stand der Technik eine Überwachung dieser Indikatoren nicht vorgesehen, da das Anbringen entsprechender Sensoren innerhalb der Kabelmuffe mit Schwierigkeiten verbunden ist. Eine drahtgebundene Übermittlung der gesammelten Daten an eine außerhalb der Kabelmuffe angeordnete Auswerteeinheit würde die Zuverlässigkeit der Kabelmuffe in Bezug auf Dichtigkeit und die Vermeidung von Transienten und elektrischen Kurzschlüssen schwächen.
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Obwohl die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Kabelmuffe gering ist, besteht ein Interesse an einer Überwachung von Kabelmuffen, da ein Ausfall einer Kabelmuffe gravierende und weitreichende Konsequenzen haben kann. Die im Falle eines Ausfalls einer Kabelmuffe notwendigen Wartungsarbeiten können den für eine Überwachung der Kabelmuffe notwendigen Aufwand schnell übersteigen.
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Weiterentwicklungen in der typischen Nutzungsweise von Stromversorgungsnetzen haben zur Entwicklung von Überwachungssystemen, sog. „Phasor Measurement Units“ geführt, die Phasoren, also einen momentanen Leistungsfaktor und eine aktuelle Phasenlage überwachen, um zu verhindern, dass das Stromversorgungsnetz in einen instabilen Zustand gerät. Derartige Überwachungssysteme erfordern eine Überwachung des Stromversorgungsnetzes in einem weiten Bereich und nicht lediglich an den Einspeisepunkten des Stromversorgungsnetzes. Eine Sammlung von Daten über einen Zustand des Stromversorgungsnetzes (beispielsweise eine Protokollierung von Spannung, Stromstärke und Phase) und eine gleichzeitige Sammlung von Daten über Betriebsbedingungen einer Kabelmuffe können diesen Überwachungssystemen auf wirtschaftliche Weise zusätzliche Daten bereitstellen, die eine Früherkennung und Beseitigung von Ausfallursachen ermöglichen und auch eine nachträgliche Suche von Fehlerursachen vereinfachen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Überwachungsvorrichtung für einen Verbinder eine Kabelmuffe bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kabelmuffe mit einer Überwachungsvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Kabelmuffe mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung für einen Verbinder einer Kabelmuffe weist eine Sensoreinheit auf, die dazu vorgesehen ist, in die Kabelmuffe eingebaut zu werden. Dabei weist die Sensoreinheit mindestens einen Sensor und eine erste Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden und Empfangen von Daten über eine drahtlose Kommunikationsverbindung auf. Vorteilhafterweise erfordert diese Überwachungsvorrichtung keine oder nur geringe Änderungen an der Gestaltung herkömmlicher Kabelmuffen. Vorteilhafterweise können die durch die Überwachungsvorrichtung gesammelten Daten bei einer Früherkennung eines bevorstehenden Ausfalls der Kabelmuffe helfen und auch einer nachträglichen Fehleranalyse dienen. Wegen der Möglichkeit eines drahtlosen Datenaustauschs ist vorteilhafterweise auch keine Abschwächung der Schirmung und Isolierung der Kabelmuffe notwendig, woraus sich eine geringe Fehleranfälligkeit ergibt.
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In einer Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung ist diese für eine Hochspannungs-Kabelmuffe vorgesehen. Hochspannungs-Kabelmuffen sind besonders aufwändig gebaut und mit entsprechend hohen Kosten verbunden, im Stand der Technik jedoch besonders schwierig zu überwachen, so dass die Überwachungsvorrichtung hier besonders große Vorteile liefert.
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In einer Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung ist die erste Sende- und Empfangseinrichtung ausgebildet, eine feldsteuernde Faraday-Elektrode der Kabelmuffe als Antenne zu nutzen. Vorteilhafterweise benötigt die Überwachungsvorrichtung dann keine zusätzliche Antenne zum Senden und Empfangen von Daten über die drahtlose Kommunikationsverbindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung weist die Sensoreinheit einen Energiewandler auf, der dazu vorgesehen ist, Energie aus einem elektrischen Feld und/oder einem magnetischen Feld und/oder einer Temperaturdifferenz und/oder einem anderen Potentialgradienten in der Umgebung der Sensoreinheit zu gewinnen. Vorteilhafterweise ist dann keine externe Energieversorgung der Sensoreinheit notwendig, wodurch die Sensoreinheit über einen langen Zeitraum autark betrieben werden kann, ohne dass Wartungsarbeiten erforderlich werden. Dadurch wird vorteilhafterweise ein kostengünstiger und störungsarmer Betrieb der Überwachungsvorrichtung ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung weist die Sensoreinheit eine Spule auf, wobei der Energiewandler ausgebildet ist, mittels der Spule Energie aus einem magnetischen Feld zu gewinnen. Vorteilhafterweise kann die Sensoreinheit dann ein in einer Kabelmuffe ohnehin vorhandenes magnetisches Feld als Energiequelle nutzen.
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In einer anderen Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung ist der Energiewandler ausgebildet, mittels der Faraday-Elektrode Energie aus einem elektrischen Feld zu gewinnen. Vorteilhafterweise kann die Sensoreinheit dann ein in einer Kabelmuffe ohnehin vorhandenes elektrisches Feld als Energiequelle nutzen. Durch die Nutzung der Faraday-Elektrode ist hierzu vorteilhafterweise kein zusätzliches Bauelement notwendig.
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Es ist bevorzugt, dass die Sensoreinheit einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur des Verbinders und/oder einen Spannungssensor zum Ermitteln eines Spannungsabfalls über den Verbinder und/oder einen Drucksensor zum Ermitteln einer Drucks in der Kabelmuffe und/oder einen Ultraschall- oder UHF-Sensor zum Erkennen einer Teilentladung und/oder einen Feuchtigkeitssensor zum Ermitteln eines Feuchtegrads unterhalb einer Faraday-Elektrode der Kabelmuffe und/oder einen Sensor zum Ermitteln eines Mittelwerts einer Spannung an einem in der Kabelmuffe angeordneten Leiters und/oder einen Sensor zum Ermitteln eines Mittelwerts einer Stromstärke in einem in der Kabelmuffe angeordneten Leiter und/oder einen Sensor zum Ermitteln eines Phasors aufweist. Vorteilhafterweise kann die Sensoreinheit dann Messgrößen überwachen, die hilfreiche Informationen zur Früherkennung eines bevorstehenden Ausfalls der Kabelmuffe liefern. Außerdem können die von der Sensoreinheit gesammelten Daten vorteilhafterweise auch bei einer nachträglichen Analyse einer Fehlerursache dienlich sein.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung der Überwachungsvorrichtung weist die Sensoreinheit Feldsensoren zur Sensierung elektromagnetischer Felder auf, wobei die Sensoreinheit ferner eine Auswerteeinheit umfasst, um aus von den Feldsensoren gelieferten Daten einen Phasor zu ermitteln. Vorteilhafterweise kann die Auswerteeinheit dabei notwendige Korrekturen durchführen, um durch Interferenzen von anderen Phasen verursachte Verfälschungen zu kompensieren.
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In einer Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung ist die drahtlose Kommunikationsverbindung eine Bluetooth-Verbindung oder eine ZigBee-Verbindung oder eine andere drahtlose Verbindung. Vorteilhafterweise stellen Bluetooth- und ZigBee-Verbindungen etablierte und erwiesenermaßen zuverlässige Kommunikationsstandards dar, deren Verwendung kostengünstig implementiert werden kann.
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In einer Weiterbildung der Überwachungsvorrichtung umfasst diese eine Basisstation, die dazu vorgesehen ist, zwischen einem äußeren Gehäuse und einem inneren Gehäuse der Kabelmuffe angeordnet zu werden und die eine zweite Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden und Empfangen von Daten über die drahtlose Kommunikationsverbindung aufweist. Vorteilhafterweise kann die Basisstation dann mittels der zweiten Sende- und Empfangseinrichtung Daten mit der Sensoreinheit austauschen. Vorteilhafterweise kann die Basisstation die von der Sensoreinheit empfangenen Daten an ein bestehendes Überwachungssystem weiterleiten. Vorteilhafterweise kann die Basisstation die von der Sensoreinheit empfangenen Daten gegebenenfalls auch selbst auswerten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Basisstation der Sensoreinheit auch Daten und Kommandos übermitteln kann, um beispielsweise die Sensoreinheit mit anderen Sensoreinheiten zu synchronisieren, Kalibrierungsfaktoren der Sensoreinheit einzustellen oder durch die Sensoreinheit verwendete Algorithmen und Programme zu aktualisieren.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die zweite Sende- und Empfangseinrichtung ausgebildet ist, einen Deflektor der Kabelmuffe als Antenne zu nutzen. Vorteilhafterweise benötigt die Basisstation dann keine gesonderte Antenne, wodurch eine platzsparende Ausgestaltung der Basisstation ermöglicht wird.
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In einer Weiterbildung der Überwachungsvorrichtung weist die Basisstation eine dritte Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden und Empfangen von Daten über eine Glasfaserverbindung auf. Vorteilhafterweise kann die Basisstation mittels der dritten Sende- und Empfangseinrichtung Daten mit weiteren Basisstationen oder mit einem anderen Überwachungssystem austauschen.
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Es ist bevorzugt, dass die Basisstation einen Energiewandler aufweist, der dazu vorgesehen ist, Energie aus einem elektrischen Feld und/oder einem magnetischen Feld und/oder einer Temperaturdifferenz und/oder einem Potentialgradienten in der Umgebung der Basisstation zu gewinnen. Vorteilhafterweise ist dann keine externe Energieversorgung der Basisstation notwendig, wodurch die Basisstation über einen langen Zeitraum autark betrieben werden kann, ohne dass Wartungsarbeiten erforderlich werden. Dadurch wird vorteilhafterweise ein kostengünstiger und störungsarmer Betrieb der Überwachungsvorrichtung ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Überwachungsvorrichtung weist diese eine Datenspeichereinrichtung zum Abspeichern von durch die Überwachungsvorrichtung erhobenen Daten auf. Vorteilhafterweise wird dadurch eine nachträgliche Auswertung der durch die Überwachungsvorrichtung erhobenen Daten ermöglicht. Sowohl die Sensoreinheit als auch die Basisstation können dabei Datenspeichereinrichtungen umfassen.
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Eine erfindungsgemäße Kabelmuffe weist einen Verbinder und eine Überwachungsvorrichtung der vorgenannten Art auf. Vorteilhafterweise kann die Überwachungsvorrichtung dann wichtige Kenndaten der Kabelmuffe überwachen, um einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe frühzeitig erkennen und verhindern zu können, oder um eine Ursache eines Ausfalls der Kabelmuffe nachträglich analysieren zu können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine Kabelmuffe;
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2 eine schematische Darstellung eines Verbinders einer Kabelmuffe mit einer Sensoreinheit einer Überwachungsvorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung eines inneren und eines äußeren Schirms einer Kabelmuffe; und
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4 ein Blockschaltbild der Sensoreinheit der Überwachungsvorrichtung.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Kabelmuffe 100. Die Kabelmuffe 100 dient zur Verbindung zweier Kabel zur Energieübertragung. Die Kabelmuffe 100 kann beispielsweise zur Verbindung von Hochspannungskabeln dienen, die für Spannungen von mehr als 145 kV vorgesehen sind. Die Kabelmuffe 100 kann aber auch zur Verbindung von Niederspannungs- oder Mittelspannungskabeln dienen. Die durch die Kabelmuffe 100 verbundenen Kabel können Querschnitte von bis über 1200 mm2 aufweisen.
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Die Kabelmuffe 100 weist ein äußeres Gehäuse 110 und ein inneres Gehäuse 120 auf. Das äußere Gehäuse 110 der Kabelmuffe 100 kann beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehen. Das innere Gehäuse 120 der Kabelmuffe 100 kann beispielsweise aus einem Metall bestehen.
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Im Inneren des inneren Gehäuses 120 ist ein Muffenkörper 130 angeordnet. Der Muffenkörper 130 kann beispielsweise aus Silikongummi bestehen. Der Muffenkörper 130 weist eine etwa zylindrische Grundform auf. An einer äußeren Mantelfläche des Muffenkörpers 130 ist ein äußerer Schirm 140 aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen.
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Die beiden miteinander zu verbindenden Kabel verlaufen entlang der Längsachse des Muffenkörpers 130 durch den Muffenkörper 130 und sind im Bereich eines mechanischen Verbinders 190, der im Inneren des Muffenkörpers 130 angeordnet ist, miteinander verbunden. Der mechanische Verbinder 190 ist durch einen elektrisch leitfähigen Faradaykäfig 180 umgeben. Der Faradaykäfig 180 weist eine in etwa hohlzylindrische Form auf und liegt im Betrieb der Kabelmuffe 100 auf dem Hochspannungspotential der durch die Kabelmuffe 100 verbundenen Kabel. Außerdem ist im Bereich des mechanischen Verbinders 190 eine Sensoreinheit 300 einer Überwachungsvorrichtung 10 angeordnet, die zur Überwachung des mechanischen Verbinders 190 dient.
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Die durch die Kabelmuffe 100 miteinander verbundenen Kabel sind durch ein Feldsteuermaterial 150 umgeben, das zur Formung und Abschwächung von durch die Kabel verursachten elektromagnetischen Feldern dient. Im Bereich des mechanischen Verbinders 190 sind das Feldsteuermaterial 150 und weitere Mantellagen der Kabel entfernt. Um das Auftreten übermäßig starker elektromagnetischer Felder im Bereich der Längsendendes Feldsteuermaterials 150 zu verhindern, sind nahe der Längsenden des Muffenkörpers 130 ein erster Deflektor 160 und ein zweiter Deflektor 165 in den Muffenkörper 130 integriert. Die Deflektoren 160, 165 sind jeweils etwa kegelmantelförmig ausgebildet und an den Längsenden des Muffenkörpers 130 mit dem Feldsteuermaterial 150 verbunden. In Richtung des mechanischen Verbinders 190 weiten sich die Deflektoren 160, 165 jeweils auf. Durch diese Form wird eine Feldsteuerung bewirkt, die ein Auftreten übermäßig hoher Feldstärken und somit ein Auftreten von Spannungsdurchbrüchen verhindert. Die Deflektoren 160, 165 sind dazu vorgesehen, im Betrieb der Kabelmuffe 100 auf Massepotential zu liegen.
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Ebenfalls innerhalb des inneren Gehäuses 120, jedoch außerhalb des Muffenkörpers 130, sind ein erster Richtkoppler 170 und ein zweiter Richtkoppler 175 vorgesehen. Beide Richtkoppler 170, 175 sind als ringförmige metallische Manschetten ausgebildet. Der erste Richtkoppler 170 umschließt das von einer Seite zum mechanischen Verbinder 190 führende erste Kabel, während der zweite Richtkoppler 175 das von der anderen Seite in Richtung des mechanischen Verbinders 190 führende zweite Kabel umgreift. Die Richtkoppler 170, 175 sind jeweils am Feldsteuermaterial 150 der Kabel angeordnet. Die Richtkoppler 170, 175 dienen zur Detektion von Teilentladungen und zur Erkennung der Signallaufrichtung. Es können auch einfache Koppler ohne Richtwirkung zum Einsatz kommen, wenn eine Aussage über die Herkunft der Teilentladung nicht erforderlich ist.
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Im Bereich zwischen dem äußeren Gehäuse 110 und dem inneren Gehäuse 120 der Kabelmuffe 100 sind eine erste Basisstation 200 und eine zweite Basisstation 205 der Überwachungsvorrichtung 10 angeordnet. Die Basisstationen 200, 205 dienen dem Sammeln von durch die Sensoreinheit 300 und die Richtkoppler 170, 175 gesammelten Daten und der Weiterleitung dieser Daten an ein externes Überwachungssystem. Das externe Überwachungssystem, das in 1 nicht dargestellt ist, kann beispielsweise ein SCADA-System (supervisory control and data aquisition) oder ein WAMS-System (wide area monitoring system) sein.
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Die erste Basisstation 200 ist dazu ausgebildet, über eine drahtlose Kommunikationsverbindung Daten mit der Sensoreinheit 300 auszutauschen. Hierzu nutzt die erste Basisstation 200 den auf Massepotential befindlichen ersten Deflektor 160 als Antenne. Die Sensoreinheit 300 nutzt den auf Hochspannungspotential befindlichen Faradaykäfig 180 als Antenne. Die erste Basisstation 200 ist auf geeignete Weise mit dem ersten Deflektor 160 verbunden. Die drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen der Sensoreinheit 300 und der ersten Basisstation 200 ist bevorzugt bidirektional. Vorteilhafterweise wird durch die drahtlose Kommunikationsverbindung eine Potentialtrennung zwischen der Sensoreinheit 300 und der ersten Basisstation 200 ermöglicht.
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Die erste Basisstation 200 ist ferner dazu ausgebildet, durch den ersten Richtkoppler 170 ermittelte Messdaten zu empfangen, und zu diesem Zweck mit dem ersten Richtkoppler 170 verbunden. Die zweite Basisstation 205 ist dazu ausgebildet, durch den zweiten Richtkoppler 175 ermittelte Messdaten zu empfangen, und zu diesem Zweck auf geeignete Weise mit dem zweiten Richtkoppler 175 verbunden.
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Die zweite Basisstation 205 steht nicht in drahtloser Kommunikationsverbindung mit der Sensoreinheit 300. Stattdessen ist die zweite Basisstation 205 über eine Glasfaser 210 mit der ersten Basisstation 200 verbunden, so dass die erste Basisstation 200 und die zweite Basisstation 205 Daten austauschen können. Auf diese Weise kann die erste Basisstation 200 der zweiten Basisstation 205 auch von der Sensoreinheit 300 empfangene Daten weiterleiten.
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Zur Weiterleitung der von erster Basisstation 200 und zweiter Basisstation 205 gesammelten Daten an das externe Überwachungssystem verläuft die Glasfaser 210 weiter entlang eines der in der Kabelmuffe 100 miteinander verbundenen Kabel oder sogar entlang beider in der Kabelmuffe 100 miteinander verbundener Kabel. Über diese Glasfaser 210 können diese Basisstationen 200, 205 Daten an das externe Überwachungssystem übermitteln und Daten vom externen Überwachungssystem empfangen.
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Die Überwachungsvorrichtung 10 umfasst somit die erste Basisstation 200, die zweite Basisstation 205, den ersten Richtkoppler 170, den zweiten Richtkoppler 175 und die Sensoreinheit 300. Die Überwachungsvorrichtung 10 dient zur Überwachung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Kabelmuffe 100. Die Überwachungsvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, einen möglicherweise bevorstehenden Defekt oder einen anderweitigen Ausfall der Kabelmuffe 100 möglichst frühzeitig zu erkennen, damit der bevorstehende Ausfall der Kabelmuffe 100, beispielsweise durch eine Abschaltung der durch die Kabelmuffe 100 verbundenen Kabel, noch rechtzeitig verhindert werden kann. Dadurch kann vermieden werden, dass ein Ausfall der Kabelmuffe 100 zu einer Beeinträchtigung eines größeren Teils des Stromversorgungsnetzes führt und gegebenenfalls sogar weitere Komponenten des Stromversorgungsnetzes in Mitleidenschaft zieht. Kommt es trotz der Überwachung durch die Überwachungsvorrichtung 10 zu einem unerwarteten Ausfall der Kabelmuffe 100, so können die durch die Überwachungsvorrichtung 10 erhobenen Messdaten auch zur rückblickenden Fehleranalyse und zur Erkennung der Ausfallursache dienen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des mechanischen Verbinders 190 der Kabelmuffe 100 und der daran angeordneten Sensoreinheit 300 der Überwachungsvorrichtung 10. Der mechanische Verbinder 190 verbindet einen ersten Leiter 240 eines ersten Kabels mit einem zweiten Leiter 245 eines zweiten Kabels. Der mechanische Verbinder 190 ist durch eine zylindermantelförmige Isolationsschicht 220 gegenüber dem Faradaykäfig 180 elektrisch isoliert.
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An einer Stirnseite der Isolationsschicht 220 ist eine kreisringförmige Leiterplatte 310 der Sensoreinheit 300 um den zweiten Leiter 245 herum angeordnet. Die Leiterplatte 310 trägt die elektrischen Bauteile der Sensoreinheit 300. Die Leiterplatte 310 kann beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte sein.
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Auf der Leiterplatte 310 ist eine Mehrzahl von Sensoren 430 angeordnet, von denen in 2 schematisch ein Temperatursensor 431, ein Spannungssensor 432 und ein Ultraschallmikrofon 434 dargestellt sind.
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Die Leiterplatte 310 der Sensoreinheit 300 ist über einen Kontaktring 230 elektrisch leitend mit dem Faradaykäfig 180 der Kabelmuffe 100 verbunden, um den Faradaykäfig 180 der Kabelmuffe 100 als Antenne zu nutzen. Die durch den Faradaykäfig 180 gebildete Antenne dient einer Sende- und Empfangseinrichtung der Sensoreinheit 300 zum drahtlosen Datenaustausch mit der ersten Basisstation 200. Dies ist möglich, da der Faradaykäfig 180 eine ausreichend große Impedanz aufweist.
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3 zeigt in stark schematisierter Darstellung den äußeren Schirm 140 und den Faradaykäfig 180 der Kabelmuffe 100. Der Faradaykäfig 180 der Kabelmuffe 100 befindet sich auf dem Potential des ersten Leiters 240 und des zweiten Leiters 245. Der äußere Schirm 140 der Kabelmuffe 100 befindet sich auf Massepotential. Sowohl zwischen den Leitern 240, 245 und dem Faradaykäfig 180, als auch zwischen dem Faradaykäfig 180 und dem äußeren Schirm 145 bilden sich elektrische Kapazitäten aus, die in 3 schematisch durch Kondensatoren dargestellt sind.
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4 zeigt ein Blockschaltbild 400 der Sensoreinheit 300. Die Sensoreinheit 300 weist eine Spule 410 auf, die auf der Leiterplatte 310 der Sensoreinheit 300 angeordnet ist. Außerdem weist die Sensoreinheit 300 eine Mehrzahl von Elektroden 420 auf. Die Elektroden 420 können beispielsweise durch den Faradaykäfig 180 und den äußeren Schirm 140 der Kabelmuffe 100 gebildet sein, wodurch sich eine vorteilhafte platzsparende Ausgestaltung ergibt. Die Spule 410 und die Elektroden 420 können auf nachfolgend erläuterte Weise zur Sensierung magnetischer und elektrischer Felder und zur Gewinnung von Energie durch die Sensoreinheit 300 dienen.
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Die Sensoreinheit 300 weist ferner die Mehrzahl von Sensoren 430 auf, von denen im Blockschaltbild 400 der 4 exemplarisch der Temperatursensor 431, der Spannungssensor 432, ein Drucksensor 433, das Ultraschallmikrofon 434 und ein Hochfrequenzsensor 435 dargestellt sind. Die Sensoreinheit 300 kann auch einen in 4 nicht gezeigten Feuchtesensor zur Detektion eines Feuchtegrads im durch den Faradaykäfig 180 umschlossenen Bereich der Kabelmuffe 100 aufweisen. Ferner weist die Sensoreinheit 300 einen Zeitgeber 460 auf.
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Weiter weist die Sensoreinheit 300 einen Analog-Digital-Konverter 470, einen nichtflüchtigen Speicher 480, einen flüchtigen Speicher 490, einen Mikroprozessor 510, einen weiteren Analog-Digital-Konverter 455, einen digitalen Signalprozessor 450, einen Energiewandler 440, einen Energiespeicher 454, eine Sende- und Empfangseinrichtung 500 und eine Antenne 505 auf. Die Antenne 505 kann, wie bereits ausgeführt, durch den Faradaykäfig 180 gebildet sein. Der flüchtige Speicher 490 kann beispielsweise ein DRAM-Speicher sein. Der nichtflüchtige Speicher 480 kann beispielsweise ein Flash-Speicher sein.
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Die Spule 410, die Sensoren 430, der Energiewandler 440, der Energiespeicher 445, der Signalprozessor 450, der Analog-Digital-Konverter 455, der Zeitgeber 460, der Analog-Digital-Konverter 470, der nichtflüchtige Speicher 480, der flüchtige Speicher 490, die Sende- und Empfangseinrichtung 500 und der Mikroprozessor 510 sind jeweils auf der Leiterplatte 310 der Sensoreinheit 300 angeordnet. Die Spule 410, einer oder mehrere der Sensoren 430, der Signalprozessor 450, der Analog-Digital-Konverter 455, der Zeitgeber 460, der nichtflüchtige Speicher 480, der flüchtige Speicher 490 und der Mikroprozessor 510 können in vereinfachten Ausführungsformen entfallen. Einige oder alle der genannten Komponenten könnten, anstatt in der Sensoreinheit 300, auch in der ersten Basisstation 200 angeordnet sein. Die Sensoren 430 könnten anstatt oder zusätzlich zu dem Temperatursensor 431, dem Spannungssensor 432, dem Drucksensor 433, dem Ultraschallmikrofon 434 und dem Hochfrequenzsensor 435 auch andere Sensoren umfassen.
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Eine Wartung der in der Kabelmuffe 100 installierten Sensoreinheit 300 ist nicht praktikabel, da hierzu eine Außerbetriebnahme der Kabelmuffe 100 und eine Öffnung der Kabelmuffe 100 notwendig wären. Daher verfügt die Sensoreinheit 300 über eine autarke Energieversorgung und geeignete Einrichtungen zum Energiemanagement. Der Energiewandler 440 ist dazu vorgesehen, aus einer Energiequelle in der Umgebung der Sensoreinheit 300 Energie zur Versorgung der Sensoreinheit 300 zu gewinnen. Mögliche Energiequellen sind das mit 50 Hz oder 60 Hz oszillierende magnetische Feld, das durch die in der Kabelmuffe 100 fließenden Wechselströme erzeugt wird, und die mit 50 Hz oder 60 Hz oszillierenden Verschiebungsströme, die durch das elektrische Wechselfeld innerhalb der Kabelmuffe 100 erzeugt werden. Auch örtliche oder zeitliche Temperaturdifferenzen oder andere Potentialgradienten innerhalb der Kabelmuffe 100 können als Energiequelle dienen.
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In der im Blockschaltbild 400 der 4 skizzierten Ausführungsform der Sensoreinheit 300 ist auf der Leiterplatte 310 der Sensoreinheit 300 die Spule 410 vorgesehen, um Energie aus dem magnetischen Wechselfeld im Inneren der Kabelmuffe 100 zu gewinnen. Hierzu ist die Spule 410 mit dem Energiewandler 440 verbunden. Der Energiewandler 440 ist dazu ausgebildet, die durch den Energiewandler 440 erzeugte elektrische Energie im Energiespeicher 445 zu speichern und die durch den Energiewandler 410 erzeugte und die im Energiespeicher 445 gespeicherte Energie zur Versorgung der Sensoreinheit 300 bereitzustellen.
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Außerdem weist die Sensoreinheit 300 in der im Blockschaltbild 400 dargestellten Ausführungsform die Elektroden 420 auf, die dazu dienen können, Energie aus dem elektrischen Wechselfeld im Inneren der Kabelmuffe 100 zu gewinnen. Hierzu sind auch die Elektroden 420 mit dem Energiewandler 440 der Sensoreinheit 300 verbunden.
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Die Spule 410 oder die Elektroden 420 könnten jedoch auch entfallen. Die Spule 410 und die Elektroden 420 könnten auch vorhanden sein, aber nicht zur Energiegewinnung genutzt werden. In diesem Fall sind die Spule 410 und/oder die Elektroden 420 nicht mit dem Energiewandler 440 verbunden. Es könnten auch weitere Vorrichtungen zur Energiegewinnung, beispielsweise zur Energiegewinnung aus einem Temperaturgradienten, vorhanden und mit dem Energiewandler 440 verbunden sein. In diesem Fall können sowohl die Spule 410 als auch die Elektroden 420 entfallen.
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Bevorzugt weisen auch die Basisstationen 200, 205 Vorrichtungen zur autarken Energiegewinnung mittels Energiewandler auf. Es könnte auch lediglich eine der Basisstationen 200, 205 eine Vorrichtung zur Energieversorgung aufweisen und diese die andere Basisstation 200, 205 mit Energie versorgen. Die Basisstationen 200, 205 können zur Energiegewinnung ebenfalls ein durch den Stromfluss in der Kabelmuffe 100 erzeugtes magnetisches Feld oder direkt einen in einer Kabelschirmung fließenden Schirmstrom nutzen.
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Die Sensoren 430 sind allesamt mit dem Analog-Digital-Konverter 470 verbunden, der dazu ausgebildet ist, die durch die Sensoren 430 bereitgestellten Messgrößen zu digitalisieren. Entsprechend sind die Spule 410 und die Elektroden 420 mit dem Analog-Digital-Konverter 455 verbunden, der dazu ausgebildet ist, die durch die Spule 410 und die Elektroden 420 bereitgestellten Messgrößen zu digitalisieren. Anstatt mit dem Analog-Digital-Konverter 455 könnten die Spule 410 und die Elektroden 420 auch mit dem Analog-Digital-Konverter 470 verbunden sein. In diesem Fall kann der Analog-Digital-Konverter 455 entfallen.
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Der Signalprozessor 450, der Zeitgeber 460, der Analog-Digital-Konverter 470, der nichtflüchtige Speicher 480, der flüchtige Speicher 490, die Sende- und Empfangseinrichtung 500 und der Mikroprozessor 510 sind über eine oder mehrere geeignete Datenschnittstellen, beispielsweise über einen Datenbus, miteinander verbunden. Über diese Datenschnittstelle kann der Analog-Digital-Konverter 470 die durch ihn digitalisierten Messwerte der Sensoren 430 an den Signalprozessor 450 und/oder den Mikroprozessor 510 weiterreichen. Der Signalprozessor 450 und/oder der Mikroprozessor 510 können über die Datenschnittstelle Daten im flüchtigen Speicher 490 und/oder im nichtflüchtigen Speicher 480 ablegen und Daten aus dem flüchtigen Speicher 490 und/oder dem nichtflüchtigen Speicher 480 auslesen. Außerdem können der Mikroprozessor 510 und/oder der Signalprozessor 450 über die Datenschnittstelle Daten zum Aussenden an die Sende- und Empfangseinrichtung 500 leiten, die diese mittels der durch den Faradaykäfig 180 gebildeten Antenne über die drahtlose Kommunikationsverbindung aussendet. Außerdem können der Signalprozessor 450 und/oder der Mikroprozessor 510 über die Datenschnittstelle von der Sende- und Empfangseinrichtung 500 empfangene Daten erhalten.
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Der Analog-Digital-Konverter 455 leitet die von der Spule 410 und von den Elektroden 420 empfangenen und durch den Analog-Digital-Konverter 455 digitalisierten Messwerte an den Signalprozessor 450 weiter, der sie über die Datenschnittstelle den anderen Komponenten der Sensoreinheit 300 bereitstellt. Alternativ könnte der Analog-Digital-Konverter 455 die durch ihn digitalisierten Messwerte auch an den Mikroprozessor 510 oder direkt an die Datenschnittstelle leiten.
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Der Temperatursensor 431 dient zur Messung einer Temperatur im Bereich des mechanischen Verbinders 190. Ein Anstieg der Temperatur im Bereich des mechanischen Verbinders 190 kann auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hinweisen. Der Spannungssensor 432 dient zur Messung einer über den mechanischen Verbinder 190 abfallenden Spannung. Ein Anstieg der über den mechanischen Verbinder 190 abfallenden elektrischen Spannung kann auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hinweisen. Ein von den Sensoren 430 umfasster Feuchtigkeitssensor kann zu einer Bestimmung einer Feuchtigkeit im durch den Faradaykäfig 180 umgrenzten Bereich der Kabelmuffe 100 dienen. Eine zeitliche Änderung der Feuchtigkeit in diesem Bereich der Kabelmuffe 100 kann auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hindeuten. Der Drucksensor 433 kann dazu dienen, einen in der Kabelmuffe 100 herrschenden Druck zu bestimmen. Eine zeitliche Änderung des Drucks innerhalb der Kabelmuffe 100 kann auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hinweisen und beispielsweise durch eine Undichtigkeit der Kabelmuffe 100 oder durch einsetzende elektrische Entladungen verursacht sein. Das Ultraschallmikrofon 434 und der Hochfrequenzsensor 435 können zur Detektion von Teilentladungen im Bereich des mechanischen Verbinders 190 der Kabelmuffe 100 dienen. Eine Zunahme von Teilentladungen im Bereich des mechanischen Verbinders 190 über die Zeit kann auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hinweisen. Entweder das Ultraschallmikrofon 434 oder der Hochfrequenzsensor 435 können entfallen. Außerdem können die Richtkoppler 170, 175 entfallen, falls entweder das Ultraschallmikrofon 434 oder der Hochfrequenzsensor 435 vorgesehen sind.
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Die Sensoreinheit 300 ist ferner dazu ausgebildet, Kenngrößen der in der Kabelmuffe 100 herrschenden elektrischen Spannungen und der in der Kabelmuffe 100 fließenden elektrischen Ströme zu ermitteln. Zu diesen Kenngrößen können Effektivwerte der in der Kabelmuffe 100 auftretenden Spannungen und Stromstärken, zeitliche Verläufe der Spannungen und Stromstärken, Wellenformen, Phasenlagen, Qualität und Phasoren von Spannungen und Stromstärken zählen. Zur Überwachung dieser Kenngrößen kann die Sensoreinheit 300 entweder Strom- und Spannungstransformatoren aufweisen. Bevorzugt kann die Sensoreinheit 300 die genannten Kenngrößen jedoch aus mit der Spule 410 und den Elektroden 420 ermittelten Feldstärken berechnen. Hierbei können durch unterschiedliche Phasen bewirkte Interferenzen herausgerechnet bzw. kompensiert werden, was vorteilhafterweise durch den digitalen Signalprozessor 450 erfolgen kann.
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Die Sensoreinheit 300 ist ausgebildet, die von ihr ermittelten Messdaten mittels der Sende- und Empfangseinrichtung 500 an die Basisstation 200 zu übermitteln. Die Kommunikationsverbindung kann dabei beispielsweise eine Bluetooth- oder eine ZigBee-Verbindung sein. Die Datenkommunikation kann auch verschlüsselt erfolgen.
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Die Sensoreinheit 300 kann alle durch die Sensoreinheit 300 ermittelten Daten als kontinuierlichen Datenstrom ohne vorherige Bearbeitung oder Filterung der Daten an die Basisstation 200 übermitteln. Hierbei fallen möglicherweise große Datenmengen an. Um die von der Sensoreinheit 300 zur Basisstation 200 übertragene Datenmenge zu reduzieren, kann die Sensoreinheit 300 mittels des Mikroprozessors 510 und/oder des digitalen Signalprozessors 450 auch eine erste Auswertung, Filterung und Komprimierung der ermittelten Messgrößen vornehmen. Die Sensoreinheit 300 kann hierzu eine Menge zuletzt erhobener Messdaten im flüchtigen Speicher 490 oder im nichtflüchtigen Speicher 480 vorhalten. In dieser Ausführungsform kann die Sensoreinheit 300 beispielsweise lediglich als für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Kabelmuffe 100 als relevant klassifizierte Daten und Ereignisse an die Basisstation 200 übermitteln. Die Sensoreinheit 300 kann die als interessant klassifizierten Daten und Ereignisse auch mittels des Zeitgebers 460 mit einem Zeitstempel versehen, der darüber Auskunft gibt, zu welchem Zeitpunkt das Ereignis aufgetreten oder die Daten angefallen sind. Die Übertragung der vorprozessierten Daten durch die Sensoreinheit 300 an die Basisstation 200 kann zeitkontinuierlich oder periodisch zu festgelegten Zeitpunkten oder nur im Bedarfsfall bei Erkennung eines relevanten Ereignisses durch die Sensoreinheit 300 erfolgen. Ein relevantes Ereignis kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass sich eine der durch die Sensoren 430 ermittelten Messgrößen innerhalb einer festgelegten Zeitspanne um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert ändert.
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Die Sensoreinheit 300 kann die beschriebenen Daten auch in komprimierter Form senden. Dabei werden, ähnlich dem MPEG-1 Verfahren zur Videoübertragung, nur die Informationen gesendet, die sich seit der letzten Übertragung geändert haben (B-frames, bidirectional coded). Unkomprimierte Daten (I-frames, intra coded) werden entweder nur noch in regelmäßigen Abständen oder auf Anfrage, z.B. beim Erkennen von Übertragungsfehlern durch die Basisstation 200, gesendet, um eine Verfälschung der Daten durch Übertragungsfehler zu verhindern.
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Im Fall, dass die Kommunikationsverbindung zwischen der Sensoreinheit 300 und der Basisstation 200 eine zeitlang nicht zur Verfügung steht, kann die Sensoreinheit 300 die während dieses Zeitraums anfallenden Messdaten und Ereignisse im flüchtigen Speicher 490 oder im nichtflüchtigen Speicher 480 vorhalten und nach Wiederherstellung der Kommunikationsverbindung an die Basisstation 200 senden.
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Die Basisstation 200 ist dazu ausgebildet, von der Sensoreinheit 300 mitgeteilte Ereignisse, die auf einen bevorstehenden Ausfall der Kabelmuffe 100 hindeuten, zu erkennen und beispielsweise mittels der Glasfaser 210 an das externe Überwachungssystem zu melden. In diesem Fall kann beispielsweise ein die Kabelmuffe 100 umfassendes Teil eines Stromversorgungsnetzes abgeschaltet werden.
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Kommt es trotz der Überwachung durch die Überwachungsvorrichtung 10 zu einem unerwarteten Ausfall der Kabelmuffe 100, können die in dem nichtflüchtigen Speicher 480 oder dem flüchtigen Speicher 490 der Sensoreinheit 300 vorgehaltenen Messdaten unter Umständen Auskunft über die Ursache des unerwarteten Ausfalls der Kabelmuffe 100 geben.
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Die Kommunikationsverbindung zwischen der Sensoreinheit 300 und der Basisstation 200 ist bevorzugt bidirektional ausgebildet. Dadurch wird es der Basisstation 200 ermöglicht, Daten an die Sensoreinheit 300 zu übermitteln. Hierdurch können Sensoreinheiten 300 mehrerer Kabelmuffen 100 miteinander synchronisiert werden. Außerdem kann die Basisstation 200 der Sensoreinheit 300 Kalibrierungsfaktoren übermitteln, die zur Skalierung von Spannungs- und Stromwerten dienen. Die Basisstation 200 kann der Sensoreinheit 300 auch verbesserte Algorithmen oder Programme übermitteln, die durch den Signalprozessor 450 und/oder den Mikroprozessor 510 der Sensoreinheit 300 ausgeführt werden.
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Vorteilhafterweise kann die Überwachungsvorrichtung 10 in bestehende Kabelmuffen 100 eingebaut werden, ohne eine Modifikation der Kabelmuffe 100 zu erfordern, sofern im Inneren der bestehenden Kabelmuffe 100 ausreichend Platz vorhanden ist.
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Die Funktionen und Komponenten der Sensoreinheit 300 können bevorzugt in einer integrierten Schaltung gebündelt sein.
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In einer vereinfachten Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung 10 kann die Sensoreinheit 300 ausgebildet sein, lediglich eine Temperatur und einen Druck im Inneren der Kabelmuffe 100 zu ermitteln und Daten nur dann an die Basisstation 200 zu übertragen, wenn in der Kabelmuffe 100 ein ausreichend hoher Strom fließt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Überwachungsvorrichtung
- 100
- Kabelmuffe
- 110
- äußeres Gehäuse (Glasfaser)
- 120
- inneres Gehäuse (Metall)
- 130
- Muffenkörper (Silikongummi)
- 140
- äußerer Schirm
- 150
- Feldsteuermaterial
- 160
- erster Deflektor
- 165
- zweiter Deflektor
- 170
- erster Richtkoppler
- 175
- zweiter Richtkoppler
- 180
- Faradaykäfig
- 190
- mechanischer Verbinder
- 200
- erste Basisstation
- 205
- zweite Basisstation
- 210
- Glasfaser
- 220
- Isolationsschicht
- 230
- Kontaktring
- 240
- erster Leiter
- 245
- zweiter Leiter
- 300
- Sensoreinheit
- 310
- Leiterplatte
- 400
- Blockschaltbild
- 410
- Spule
- 420
- Elektroden
- 430
- Sensoren
- 431
- Temperatursensor
- 432
- Spannungssensor
- 433
- Drucksensor
- 434
- Ultraschallmikrofon
- 435
- Hochfrequenzsensor
- 440
- Energiewandler
- 445
- Energiespeicher
- 450
- Signalprozessor
- 455
- Analog-Digital-Konverter
- 460
- Zeitgeber
- 470
- Analog-Digital-Konverter
- 480
- nichtflüchtiger Speicher
- 490
- flüchtiger Speicher
- 500
- Sende- und Empfangseinrichtung
- 505
- Antenne
- 510
- Mikroprozessor
