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Einrichtung zur Messung und betriebsmäßigen Überwachung von Temperaturen
am rotierenden Läufer von elektrischen Maschinen oder anderen umlaufenden Körpern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messung und betriebsmäßige Überwachung von Temperaturen
am rotierenden Läufer von elektrischen Maschinen oder anderen umlaufenden Körpern
mit Hilfe von Widerstandsthermometer, Thermoelemente od. dgl. enthaltenden Meßsonden
unter Übermittlung der gemessenen Temperaturwerte an eine außerhalb befindliche,
nicht mitlaufende Meßauswertungseinrichtung.
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Die betriebsmäßige Messung der Temperatur an rotierenden Körpern
ist bei Generatorläufern nicht ohne weiteres möglich. Eine Strom-Spannungs-Messung,
gebildet aus dem vorhandenen Erregerstrom und der Erregerspannung, ergibt nur die
Widerstandsänderung entsprechend einer mittleren Läufertemperatur. Dabei kann man
nicht den Tem peraturverlauf von Ort zu Ort und die Temperaturverhältnisse an bestimmten
Stellen des Läufers erfassen. Sogenannte Wärmenester lassen sich nicht beobachten.
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Man kann nun daran denken, durch geeignete Meßsonden, beispielsweise
mit Hilfe von Widerstandsthermometern, an solche Stellen des Läufers heranzugehen,
welche beobachtet werden sollen, und dort die Temperatur zu messen. Bei den üblichen
Meßverfahren besteht jedoch die Schwierigkeit, daß durch die Übermittlung vom rotierenden
Widerstandsthermometer nach der außerhalb befindlichen Meßauswertungseinrichtung
das Meßergebnis verfälscht werden kann. Der von vielen Faktoren abhängige veränderliche
Bürstenübergangswiderstand beeinflußt die Meßgröße. Die Erfindung befaßt sich mit
Maßnahmen, um diesen undefinierten Übergangswiderstand in seinem Einfluß auf die
Übermittlung von Meßwerten zu eliminieren.
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Die Erfindung bedient sich zur Meßwertübertragung einer an sich bekannten
Umformung des Meßwertes in eine Größe, bei der Amplitudenänderungen das Meßergebnis
nicht beeinflussen. So ist es z. B. bekannt, eine Umformung von Meßgrößen in Impulse
vorzunehmen, bei der das Verhältnis von Impulsbreite zu Impulsabstand ein Maß für
den Wert der Meßgröße darstellt. Andererseits kann aber auch von einer Impulsumsetzung
Gebrauch gemacht werden, bei der unter gleichmäßiger Impulsfolge die Impulsbreite
jedes einzelnen Impulses mit der zu übertragenden Größe in Beziehung steht.
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Solche Meßwertumformungen sowie ihre obere wachung und Auswertung
stellen die Voraussetzung für die Erfindung dar. Darüber hinaus geht es bei der
Erfindung darum, den Meßwertumformer so zu gestalten, daß er an den rotierenden
Teilen der Maschine leicht anzubringen ist, ohne daß Schwierig-
keiten durch vergrößerten
Raumbedarf oder nennenswertes Gewicht im Sinne einer Vergrößerung der umlaufenden
Massen und ihre Massenverteilung zu befürchten ist. Demgemäß besteht die Erfindung
darin, daß ein mit umlaufender Meßwertumformer mit Kleinstbauteilen (z. B. steuerbare
Halbleiter, Kondensatoren, Widerstände usw.) ausgerüstet ist, der die von den Meßsonden
als elektrische Größen gelieferten Meßwerte in an sich bekannter Weise in von der
Drehzahl unabhängige Impulse umformt, deren Anzahl je Zeiteinheit oder deren Länge
ein Maß für die Temperatur ist und der die gebildeten Impulse über einen für die
Stromversorgung des Meßwertumformers und/oder der Maschine gemeinsamen Schleifring
oder über eine drahtlose Übertragungsstrecke übermittelt.
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Die in Impulse umgebildete Meßgröße kann bedenkenlos über Schleifringe
nach außen übertragen werden, ohne Gefahr, daß durch undefinierte Übergangswiderstände
und damit verbundene Amplitudenänderungen für die übermittelte Größe eine Verfälschung
des Meßergebnisses eintreten könnte. Durch Verwendung von Kleinstbauteilen läßt
sich der Meßwertumformer ohne Schwierigkeit an den rotierenden Teilen der Maschine
leicht anbringen, ohne daß dabei dessen Funktion nennenswert behindert wird.
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Die Übermittlung der Übertragungsgröße kann über eine zusätzliche
Stromzuführung, z. B. einen
oder zwei Schleifringe, erfolgen. Bei
elektrischen Maschinen, bei denen an sich bereits Schleifringe vorhanden sind, kann
man gegebenenfalls einen oder mehrere vorhandene Schleifringe gleichzeitig noch
zur Meßwertübermittlung heranziehen, wobei man durch geeignete Siebmittel oder andere
Maßnahmen, wie sie bei sogenannten elektrischen Weichen angewendet werden, eine
Trennung zwischen Meßwertkreis und Energieübermitttung schafft. Weiterhin ist es
auch möglich, auf drahtlosem Wege Meßwerte zu übertragen, was weiter unten noch
näher beschrieben werden soll.
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Mit Hilfe einer geeigneten Empfangseinrichtung, welche eine Meßauswertungseinrichtung
darstellt, ist es gegebenenfalls auch möglich, den Temperaturverlauf laufend aufzuzeichnen
oder bei einem vorbestimmten Temperaturwert ein Signal auszulösen oder weitere Maßnahmen
zu treffen.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen
Teilen, sowie Darstellungen des zeitlichen Ablaufes, an welchen die Wirkungsweise
erkennbar ist.
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In den Fig. 1 und 2 ist die Wirkungsweise der Meßwertumformung in
Impulsfolgen versinnbildlicht und dabei die zeitliche Folge aufeinanderfolgender
Impulse gezeigt, wie dies einem bestimmten Temperaturverlauf entspricht.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall entspricht ein höherer Temperaturwert
einer dichteren Impulsfolge.
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Mit absinkender Temperatur werden die Abstände zwischen den einzelnen
Impulsen immer größer. Die Tmpulsbreite ist konstant. Demgegenüber ist in dem in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Impulsbreite veränderlich, während
die rhythmische Aufeinanderfolge der einzelnen Impulse innerhalb gleicher Zeiten
erfolgt. Je höher der Temperaturwert ist, um so breiter werden die Impulse, bis
sie bei dem höchsten Temperaturwert des Meßbereiches miteinander verschmelzen. Umgekehrt
werden mit abnehmender Temperatur die Impulse immer schmäler, bis sie schließlich
bei dem niedrigsten zu messenden Temperaturwert unendlich schmal geworden sind.
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Die Temperaturmeßsonde in Gestalt eines Widerstandsthermometers kann
an der durch Versuche ermittelten heißesten StelIe eingebaut werden. Der Meßwertumformer
rotiert ebenfalls mit dem Läufer zusammen und wird zweckmäßig möglichst klein und
möglichst leicht gebaut. Es ist daher günstig, ihn unter Zuhilfenahme von Transistoren
in Miniaturausführung aufzubauen, damit die Beschleunigungskräfte, welche auf die
Einzelteile wirken, möglichst klein bleiben. Weiterhin ist es von Vorteil, die Unterbringung
des Meßwertumformers in größtmöglicher Nähe der Rotationsachse vorzunehmen.
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Mit Hilfe eines solchen Meßwertumformers wird ein der zu messenden
Temperatur proportionaler oder in anderer Weise von ihm abhängender Gleichstrom
in eine Impulsfolge umgewandelt. Bei der Übermittlung der Impulse ist es lediglich
erforderlich, die vollständige Anzahl der Impulse zu übertragen, um so ein richtiges
Meßergebnis zu erhalten.
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Die Größe der Amplitude, welche von den veränderlichen Übertragungswiderständen
abhängig ist, ist dabei nebensächlich.- Auf diese Weise können schwer eliminierbare
und teilweise undefinierte Einflußgrößen, wie der von Temperatur, Luftfeuchtigkeit,
Oberflächenwiderstand usw. abhängige Schleifring-
Bürsten-Übergangswiderstand auf
die Übertragung des Meßwertes keinen Einfluß ausüben.
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Die Stromversorgung des Meßwertumformers mit dem Widerstandsthermometer
kann zweckmäßig über eigene Schleifringe erfolgen. Es ist aber auch möglich, unter
Vermeidung gesonderter Schleifringe die der Erregung dienenden Schleifringe mit
zu verwenden.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich
zu Schleifringen, die der Stromzuführung zur Erregerwicklung des Maschinenläufers
dienen, gesonderte, für geringe Strombelastung dimensionierte Schleifringe vorgesehen,
welche sowohl der Stromversorgung des Meßwertumformers und des Widerstandsthermometers
dienen, als auch zur Übermittlung des Meßwertes in Gestalt der lmpulsfolgen herangezogen
werden.
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Die Erregerwicklung des Läufers ist mit 1 bezeichnet und steht mit
dem Schleifring 2 in Verbindung.
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Über die Bürste 3 erfolgt die Stromzuführung für die Erregerwicklung.
Auf der rotierenden Welle 4 ist ein kleiner Schleifring 5 vorgesehen, über welchen
das Widerstandsthermometer 6 und der Meßwertumformehr 7 mit den von ihnen benötigten
Hilfsströmen gespeist werden, und über den der vom Meßwertumformer 7 über die elektrische
Weiche8 abgegebene impulsförmige Meßwert der Auswertungseinrichtung zugeleitet wird.
Dieses enthält wiederum eine elektrische Weiche 9 und das eigentliche Auswertungs-und
Anzeigegerät 10, während mit 11 der Stromversorgungsteil bezeichnet ist.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung
mit Fig. 3 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet - wird die Energie
für den Meßwertumformer 7 und das Widerstandsthermometer 6 in Form einer mittelfrequenten
Wechselspannung der Erregung überlagert und über eine Drossel-Kondensator-Weiche
dem Meßwertumformer zugeführt. Als Drossel für diese Weiche kann die Induktivität
der Erregerwicklung 1 herangezogen werden. Es wird dann ein Gleichrichter 12 benötigt,
um die zum Betrieb notwendige Hilfsspannung als Gleichspannung zu erhalten. An die
Klemme 13 wird, wie auch in Fig. 3, die Erregermaschine angeschlossen.
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Die Übertragung der Meßimpulse erfolgt durch kapazitive Ankopplung
an die Leitungen für die Stromversorgung des Meßwertumformers. Dabei ist es gleichgültig,
ob diese über zwei besondere Schleifringe oder über die Schleifringe für die Erregung
erfolgt. Nach dem Übergang über die Schleifringe werden die Impulse innerhalb der
elektrischen Weiche9 vom Gleichstrom getrennt und dem Anzeigegerät 10 zugeführt.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Meßwertimpulse drahtlos
vom rotierenden Teil auf das Anzeigegerät zu übertragen. Hierfür ist in Fig. 5 ein
Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Läuferseitig sind hierbei drei Einheiten 14,
20 und 21 unterzubringen, von denen der Teil 14 der Hilfsstromversorgung für den
Betriebsstrom dient. Über eine Empfangsantenne, z. B. in Form eines Dipols 15, wird
eine geeignete hochfrequente Wechselspannung drahtlos aufgenommen und in einer Gleichrichterbrücke
16 gleichgerichtet. Die Kapazität 17 und die Induktivität 18 dienen der Bildung
einer Stromresonanz für die übertragene Hochfrequenz. Am Ausgang des Gleichrichters
16 tritt an dem Kondensator 19 eine Gleichspannung
auf, die der
Stromversorgung des Teiles 20, gegebenenfalls auch des Teiles 21 dient. Wie gestrichelt
angedeutet ist, kann über eine angekoppelte Wicklung 22 und einen weiteren Gleichrichter
23 mit Kondensator 25 eine getrennte Stromversorgung des Teiles 21 bewerkstelligt
werden.
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Im Teil 20 sind zwei Transistoren 26 und 27 vorgesehen, welche in
Abhängigkeit der zu messenden Temperatur verschiedene Frequenzen erzeugen. Vor dem
Eingang des Teiles 21, der eine Transistorschaltung in Form einer bistabilen Kippschaltung
enthält, befindet sich ein Differentialübertrager 28, während ausgangsseitig gegebenenfalls
über einen weiteren Schwingungserzeuger eine Sendeantenne, beispielsweise in Form
eines Dipols 29, vorgesehen ist. Die Meßauswertungseinrichtung, die nicht näher
dargestellt ist, ist dann mit einer entsprechenden Antenne zur Aufnahme der drahtlos
übertragenen Meßwerte ausgerüstet.