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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer mit den Verfahrensschritten Aussenden eines Ultraschallimpulses mittels eines Ultraschallsenders, Detektion des Ultraschallsignals mittels eines Ultraschallempfängers und Analyse des detektierten Ultraschallsignals, sowie ein System, das geeignet ist, das Verfahren auszuführen.
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Stand der Technik
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Vakuumschaltkammern sind in Vakuumschaltern das eigentliche Schaltelement zum Verbinden und Unterbrechen von elektrischen Stromkreisen im stromlosen Zustand, unter Last oder bei Kurzschlüssen. Im Inneren dieser Vakuumschaltkammern sind meist zwei Kontakte angeordnet, von denen einer beweglich ist. Im geschlossenen Zustand berühren sich die Kontakte und im geöffneten Zustand befindet sich zwischen den Kontakten eine Vakuumstrecke, die die Trennfunktion übernimmt und eine entsprechende Isolationsfestigkeit aufweist.
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Wird die Vakuumschaltkammer unter Last ausgeschaltet, bildet sich nach Trennung der Kontakte zwischen ihnen ein Lichtbogen aus, der bei ausreichendem Kontaktabstand verlischt. Sowohl das Verlöschen des Lichtbogens im Vakuum als auch die elektrische Festigkeit der Vakuumstrecke im geöffneten Zustand des Schaltgerätes sind nur dann sichergestellt, wenn das Vakuum einen Höchstdruck aufweist, der in der Größenordnung von <10-2 hPa liegt.
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Üblicherweise ist der Druck in einer Kammer niedriger, und zwar im Neuzustand nach der Konditionierung etwa 10-8 hPa. Sollte jedoch durch einen Defekt der Druck im Inneren der Kammer ansteigen, so ist das Schaltgerät nicht mehr funktionsfähig.
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Es ist bekannt, zur Überprüfung des Vakuums eine Innendruckbestimmung mittels einer Magnetroneinrichtung vorzunehmen. Dabei wird die zu prüfende Schaltkammer in das Innere einer stromdurchflossenen Spule eingebracht, und es wird der Ableitstrom bei Anlegen einer Spannung an die geöffnete Vakuumstrecke gemessen. Die Höhe dieses Ableitstromes steht im direkten Verhältnis zur Anzahl der Restgasmoleküle und stellt so ein Maß für den Druck in der Schaltkammer dar.
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Im Vergleich zu anderen Schalterarten ist der Vakuumschalter ursprünglich sowohl elektrisch als auch mechanisch langlebig und bedarf fast kaum einer Inspektion und Wartung. In der Praxis wird jedoch mehr und mehr verlangt, dass das Vakuum in der fest installierten Schaltkammer regelmäßig oder dauernd kontrolliert wird. Die Überprüfung der Dichtigkeit von Vakuumschaltkammern an fertig montierten Schaltgeräten bzw. bei in Anlagen eingebauten Schaltgeräten geschieht deshalb üblicherweise durch eine Messung der Durchschlagsspannung der geöffneten Vakuumschaltstrecke oder durch eine Prüfung des Ausschaltvermögens bei hochfrequenten Strömen.
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Mit den oben genannten bekannten Verfahren zur Überwachung des Vakuums von Vakuumschaltkammern kann der Druck im Inneren der Kammern nur bedingt gemessen werden. Es kann nur festgestellt werden, ob der Innendruck oberhalb einer bestimmten Grenze (ca. 10-2 Pa beim Ausschaltvermögen von hochfrequenten Strömen und ca. 1 Pa beim Durchschlagsspannungstest) liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Vakuumzustandes von Vakuumschaltkammern bereitzustellen, mit dem eine Überwachung des Vakuumzustandes jederzeit zuverlässig, verschleiß- und zerstörungsfrei sowie kostengünstig durchführbar ist. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, mit dem eine Überwachung des Vakuumzustandes jederzeit zuverlässig, verschleiß- und zerstörungsfrei sowie kostengünstig durchführbar ist.
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Die genannte Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer weist drei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird ein Ultraschallimpuls von einem Ultraschallsender ausgesandt. Die Frequenz des Ultraschallimpulses liegt dabei in der Größenordnung von 20 kHz bis 40 kHz. Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Ultraschallsignal von einem Ultraschallempfänger detektiert. Im dritten Verfahrensschritt wird das detektierte Ultraschallsignal analysiert. Die Analyse erfolgt im Hinblick auf einen Vergleich ein oder mehrerer Parameter des detektierten Ultraschallsignals mit einer Referenz, die mit einer Vakuumschaltkammer ermittelt wurde, deren Vakuum ausreichend gut ist.
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Schallwellen sind Longitudinalwellen und beruhen auf Druck- und Dichteschwankungen des in der Vakuumschaltkammer befindlichen Gases. Im idealen Vakuum ist eine Schallausbreitung nicht möglich. Bei nachlassendem Vakuum in der Vakuumschaltkammer breitet sich der eingestrahlte Ultraschallimpuls innerhalb der Vakuumschaltkammer aus, der Schalldruck steigt. Der detektierte Schalldruck ist also ein Maß für die Qualität des Vakuums in der Vakuumschaltkammer.
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Die Prüfung des Vakuums durch Einleiten eines Ultraschallimpulses in die Vakuumschaltkammer und anschließender Analyse des detektierten Ultraschallsignals bietet gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile: Die Prüfung ist zerstörungs- und verschleißfrei, die Vakuumschaltkammer muss nicht geöffnet werden. Innerhalb der Vakuumschaltkammer sind keine Sensoren oder Messvorrichtungen nötig. Die Prüfung kann kontinuierlich und/oder durch einen Nutzer mobil erfolgen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Ultraschallimpuls in die Vakuumschaltkammer gesendet. Das Einleiten des Ultraschallimpulses erfolgt durch den Ultraschallgeber des Ultraschallsenders.
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In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird der Ultraschallimpuls durch die Kammerwand in die Vakuumschaltkammer gesendet. Der Ultraschallsender und der Ultraschallgeber sind außerhalb der Vakuumschaltkammer angeordnet. Durch Einstellen eines geeigneten Schalldrucks des gesendeten Ultraschallimpulses wird der Ultraschallimpuls durch die Kammerwand in die Vakuumschaltkammer geleitet.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird bei der Analyse ein Parameter des detektierten Ultraschallsignales mit einem Vergleichswert verglichen. Die Analyse erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Parameters des detektierten Ultraschallimpulses mit einem gespeicherten Vergleichswert. Der gespeicherte Vergleichswert ist der detektierte Schalldruck eines Ultraschallimpulses und wird in einer Kalibrierungsmessung an einem fabrikneuen Prototyp des gleichen Typs der Vakuumschaltkammer ermittelt.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Parameter des detektierten Ultraschallsignales die Intensität und/oder die Frequenz des Ultraschallsignales. Die Intensität des detektierten Ultraschallsignals ist ein Maß für den Schalldruck innerhalb der Vakuumschaltkammer und damit für den in der Vakuumschaltkammer herrschenden Gas- bzw. Luftdruck.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Vergleichswert in einer vorherigen Messung bestimmt. Die Analyse erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Parameters des detektierten Ultraschallimpulses mit einem gespeicherten Vergleichswert. Der gespeicherte Vergleichswert ist der detektierte Schalldruck eines Ultraschallimpulses und wird in einer vorherigen Kalibrierungsmessung an einem fabrikneuen Prototyp des gleichen Typs der Vakuumschaltkammer ermittelt.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Vergleichswert in regelmäßigen Intervallen aktualisiert.
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In einer besonders vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird im Falle einer Abweichung eines Parameters des detektierten Ultraschallsignals vom Vergleichswert eine Meldung ausgelöst. Die Meldung zeigt an, dass das Vakuum in der Vakuumschaltkammer nicht mehr ausreichend ist und ein in der Vakuumschaltkammer entstehender Lichtbogen nicht genügend schnell gelöscht wird.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Ultraschallsender von der Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallempfänger mechanisch entkoppelt. Der Ultraschallsender kann Vibrationen und andere mechanische Störeinflüsse erzeugen. Um diese weitestgehend abzuhalten und das detektierte Ultraschallsignal nicht zu verfälschen, erfolgt eine Entkopplung zwischen Ultraschallsender einerseits und der Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallempfänger andererseits. Die Entkopplung kann durch Anordnung des Ultraschallsenders in einem Abstand von Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallempfänger erfolgen, alternativ oder zusätzlich durch Anordnung einer geeigneten Schallisolierung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Ultraschallempfänger vom Gehäuse der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallsender mechanisch entkoppelt. Der Ultraschallsender kann Vibrationen und andere mechanische Störeinflüsse erzeugen. Um diese weitestgehend abzuhalten und das detektierte Ultraschallsignal nicht zu verfälschen, erfolgt eine Entkopplung zwischen Ultraschallempfänger einerseits und Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallsender andererseits.
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Die Entkopplung kann durch Anordnung des Ultraschallempfängers in einem Abstand von Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallsender erfolgen, alternativ oder zusätzlich durch Anordnung einer geeigneten Schallisolierung.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden die Verfahrensschritte a) bis c) in regelmäßigen Zeitintervallen wiederholt. Dadurch wird eine kontinuierliche Erfassung des Vakuums in der Vakuumschaltkammer erreicht. Das Zeitintervall ist durch einen Nutzer frei wählbar.
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Die Aufgabe wird außerdem mittels des Systems zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind ebenfalls in den Unteransprüchen dargelegt.
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Das erfindungsgemäße System zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer weist einen Ultraschallsender, einen Ultraschallempfänger sowie eine Steuereinheit auf.
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Der Ultraschallsender sendet einen Ultraschallimpuls in der Größenordnung von 20 kHz bis 40 kHz. Das Ultraschallsignal wird von einem Ultraschallempfänger detektiert. Die Analyse erfolgt mittels der Steuereinheit im Hinblick auf einen Vergleich ein oder mehrerer Parameter des detektierten Ultraschallsignals mit einer Referenz, die mit einer Vakuumschaltkammer ermittelt wurde, deren Vakuum ausreichend gut ist.
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Schallwellen sind Longitudinalwellen und beruhen auf Druck- und Dichteschwankungen des in der Vakuumschaltkammer befindlichen Gases. Im idealen Vakuum ist eine Schallausbreitung nicht möglich. Bei nachlassendem Vakuum in der Vakuumschaltkammer breitet sich der eingestrahlte Ultraschallimpuls innerhalb der Vakuumschaltkammer aus, der Schalldruck steigt. Der detektierte Schalldruck ist also ein Maß für die Qualität des Vakuums in der Vakuumschaltkammer.
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In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist der Ultraschallsender vom Ultraschallempfänger mechanisch entkoppelt. Der Ultraschallsender kann Vibrationen und andere mechanische Störeinflüsse erzeugen. Um diese weitestgehend abzuhalten und das detektierte Ultraschallsignal nicht zu verfälschen, erfolgt eine Entkopplung zwischen Ultraschallsender einerseits und dem Ultraschallempfänger andererseits. Die Entkopplung kann durch Anordnung des Ultraschallsenders in einem Abstand von dem Ultraschallempfänger erfolgen, alternativ oder zusätzlich durch Anordnung einer geeigneten Schallisolierung.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger von der Vakuumschaltkammer mechanisch entkoppelt. Der Ultraschallsender kann Vibrationen und andere mechanische Störeinflüsse erzeugen. Um diese weitestgehend abzuhalten und das detektierte Ultraschallsignal nicht zu verfälschen, erfolgt eine Entkopplung zwischen Ultraschallsender einerseits und der Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallempfänger andererseits. Die Entkopplung kann durch Anordnung des Ultraschallsenders in einem Abstand von Kammerwand der Vakuumschaltkammer und/oder dem Ultraschallempfänger erfolgen, alternativ oder zusätzlich durch Anordnung einer geeigneten Schallisolierung.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Ultraschallsender derart angeordnet, dass die vom Ultraschallsender ausgesendeten Ultraschallimpulse in die Vakuumschaltkammer eingekoppelt werden können. Das Einleiten des Ultraschallimpulses erfolgt durch den Ultraschallgeber des Ultraschallsenders.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Ultraschallempfänger derart angeordnet, dass Ultraschallsignale aus der Vakuumschaltkammer bei Atmosphärendruck in der Vakuumschaltkammer detektierbar sind. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Atmosphärendruck innerhalb der Vakuumschaltkammer - also bei vollständigem Ausfall des Vakuums - der Schalldruck des detektierten Ultraschallimpulses maximal ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Ultraschallsender außen an der Kammerwand der Vakuumschaltkammer angeordnet. Innerhalb der Vakuumschaltkammer sind keine Sensoren oder Messvorrichungen nötig. Die Prüfung ist zerstörungs- und verschleißfrei, die Vakuumschaltkammer muss nicht geöffnet werden.
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In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist der Ultraschallempfänger außen an der Kammerwand der Vakuumschaltkammer angeordnet. Innerhalb der Vakuumschaltkammer sind keine Sensoren oder Messvorrichtungen nötig. Die Prüfung ist zerstörungs- und verschleißfrei, die Vakuumschaltkammer muss nicht geöffnet werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind der Ultraschallempfänger und/oder der Ultraschallsender mit der Steuereinheit gekoppelt. Die Steuereinheit analysiert das detektierte Ultraschallsignal und korreliert Ultraschallsender und Ultraschallempfänger.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Systems zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 a: Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer
- 1 b: Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer
- 2: Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer
- 3: Verfahrens zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 1 zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer 10. Die Vakuumschaltkammer 10 weist die Stromleitung 60 auf, die durch Bohrungen in der Außenwandung 11 an gegenüberliegenden Stirnseiten der Vakuumschaltkammer 10 geführt ist. In der Vakuumschaltkammer 10 weist die Stromleitung 60 Unterbrecherkontakte 50, 51, 52, 53 auf, die in stromführendem Zustand geschlossen sind.
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Das System 1 weist den Ultraschallsender 20 und den Ultraschallempfänger 30 auf, die mit der Steuereinheit 40 verbunden sind. Ultraschallsender 20 und den Ultraschallempfänger 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel getrennt voneinander an gegenüberliegenden Seiten der Vakuumschaltkammer 10 angeordnet, an gegenüberliegenden Stirnseiten (1 a) bzw. an gegenüberliegenden Längsseiten ( 1 b).
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Sender 20 und Empfänger 30 sind voneinander und von der Wand 11 der Vakuumschaltkammer 10 mechanisch entkoppelt, um Vibrationen und andere mechanische Störeinflüsse des Senders 20 und der Vakuumschaltkammer 10 vom Empfänger 30 weitestgehend abzuhalten. Die Entkopplung erfolgt in einfacher Weise derart, dass ein Abstand von üblicherweise einigen wenigen Zentimetern zwischen Wandung 11 der Vakuumschaltkammer 10 und Empfänger 30 liegt.
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Zur Überwachung 100 des Vakuums in der Vakuumschaltkammer 10 sendet 110 der Ultraschallsender 20 einen Ultraschallimpuls Ul in die Vakuumschaltkammer 10. Die Frequenz des Ultraschallimpulses Ul liegt bevorzugt zwischen 20 kHz und 40 kHz. Dadurch werden in dem in der Vakuumschaltkammer 10 vorhandenen Restgas während des Ultraschallimpulses Ul Druck- und Dichteschwankungen im Ultraschallbereich induziert und so ein Ultraschallsignal US erzeugt, das mittels des Ultraschallempfängers 30 detektiert 120 wird. Die anschließende Analyse 130 mittels der Steuereinheit 40 erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Schalldrucks des detektierten Ultraschallsignales US mit einem in der Steuereinheit 40 gespeicherten Vergleichswert. Der gespeicherte Vergleichswert ist der detektierte Schalldruck eines Ultraschallsignales US und wird in einer vorherigen Kalibrierungsmessung an einem fabrikneuen Prototyp des gleichen Typs der Vakuumschaltkammer 10 ermittelt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 1 zeigt 2. Die Vakuumschaltkammer 10 ist baugleich der Vakuumschaltkammer 10 des vorherigen Ausführungsbeispiels (s. 1). Das System 1 weist den Ultraschallsender 20 und den Ultraschallempfänger 30 auf, die mit der Steuereinheit 40 verbunden sind. Ultraschallsender 20, Ultraschallempfänger 30 und Steuereinheit 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem Kombigerät 70 angeordnet. Das Kombigerät 70 wird zur Entkopplung von der Wand 11 der Vakuumschaltkammer 10 ebenfalls in einem Abstand von der Wand 11 angeordnet. Das Kombigerät 70 kann vorteilhafterweise auch ein Handheld-Gerät sein, das durch einen Nutzer in der Hand gehalten und bedient wird.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Überwachung des Vakuums einer Vakuumschaltkammer 10 zeigt 3. Das Verfahren 100 beginnt mit dem Aussenden 110 eines Ultraschallimpulses Ul in die Vakuumschaltkammer 10 durch den Ultraschallsender 20. Im nächsten Verfahrensschritt wird ein Ultraschallsignal US mittels des Ultraschallempfängers 30 detektiert 120. Die anschließende Analyse 130 mittels der Steuereinheit 40 erfolgt bevorzugt durch einen Vergleich des Schalldrucks und/oder der maximalen Intensität des detektierten Ultraschallsignales US mit einem in der Steuereinheit 40 gespeicherten Vergleichswert. Möglich ist auch ein Vergleich der Frequenzunterschiede von eingestrahltem und detektierten Ultraschallwellen.
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Der gespeicherte Vergleichswert wird mittels einer vorherigen Referenzmessung ermittelt. Liegt der Schalldruck und/oder die Intensität des detektierten Ultraschallsignals US über dem gespeicherten Vergleichswert, ist also der Gasdruck innerhalb der Vakuumschaltkammer 10 zu hoch und damit das Vakuum zu schlecht, generiert die Steuereinheit 40 eine Meldung und gibt 140 diese aus. Die Meldung kann z.B. auf einem in die Steuereinheit integriertem Display angezeigt werden. Zusätzlich oder alternativ ist aber auch eine Ausgabe der Meldung an ein übergeordnetes Leitsystem mittels digitaler Ausgänge möglich. Das Verfahren 100 mit den Verfahrensschritten Aussenden 110 eines Ultraschallimpulses Ul, Detektion 120 eines Ultraschallsignals US und dessen Analyse 130 wird vorteilhafterweise in regelmäßigen, durch einen Nutzer einstellbaren Zeitintervallen Δ t wiederholt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System zur Überwachung des Vakuums
- 10
- Vakuumschaltkammer
- 11
- Wandung der Vakuumschaltkammer
- 20
- Ultraschallsender
- 30
- Ultraschallempfänger
- 40
- Steuereinheit
- 50, 51, 52, 53
- Schaltkontakte
- 60
- Stromleitung
- 70
- Kombigerät
- 100
- Verfahren zur Überwachung eines Vakuums in einer Vakuumschaltkammer
- 110
- Aussenden eines Ultraschallimpulses
- 120
- Detektion eines Ultraschallimpulses
- 130
- Analyse eines Ultraschallimpulses
- 140
- Auslösen einer Meldung
- Ul
- detektiertes Ultraschallsignal
- US
- Ausgesendeter Ultraschallimpuls
- Δ t
- Zeitintervall
