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Überwachungseinrichtung für den Druck eines Gases Als Überwachungseinrichtung
für den Druck eines Gases verwendet man üblicherweise sogenannte Druckwächter, die
mit einem vom Gasdruck beaufschlagten Kolben arbeiten. Je nach der Größe des Druckes
nimmt der Kolben entgegen der Kraft einer Feder eine bestimmte Stellung ein, so
daß z. B. ein elektrischer Kontakt vom Kolben in Abhängigkeit vom Druck geöffnet
oder geschlossen wird. Die Temperatur des Gases bleibt hierbei außer Betracht.
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In bestimmten Fällen, vor allem bei elektrischen Schaltern, bei denen
ein Gas zur Löschung des Lichtbogens eingesetzt wird, kommt es aber nicht nur auf
den Druck des Gases an, sondern auch auf seine Dichte. Diese ändert sich aber nach
bekannten Gesetzen mit der Temperatur, wenn der Druck konstant gehalten wird. Deshalb
muß der Druck des Gases unter Berücksichtigung der Temperatur überwacht und geregelt
werden. Hierzu hat man bereits überwachungseinrichtungen eingesetzt, die den Temperaturgang
des Gases mit Hilfe eines sogenannten Wärmefühlers berücksichtigen.
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Bei den als »temperaturkompensierte Steuerschalter« bezeichneten Überwachungseinrichtungen
nach der deutschen Auslegeschrift 1166 878 wirkt auf den elektrischen Kontakt, der
in der einen Richtung wie bei den erwähnten Druckwächtern durch eine vom Gasdruck
abhängige Kraft bewegt wird, in der anderen Richtung eine von dem Temperaturfühler
aufgebrachte Gegenkraft, so daß mit steigender Temperatur der Kontakt erst von einem
höheren Gasdruck betätigt wird.
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Verwendet man diesen Steuerschalter zum Steuern eines Kompressors,
so wird bei hohen Temperaturen ein größerer Gasdruck eingeregelt als bei tiefen
Temperaturen. Übt der Wärmefühler eine geeignete temperaturabhängige Gegenkraft
aus, so kann man mit dem temperaturkompensierten Steuerschalter eine konstante Dichte
des Gases einregeln.
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Da der Wärmefühler der bekannten Steuerschalter die Gegenkraft durch
Ausnutzung der temperaturabhängigen Ausdehnung eines im Wärmefühler enthaltenen
Mediums liefert, arbeiten die bekannten Überwachungseinrichtungen rein mechanisch.
Sie sind verhältnismäßig teuer in der Herstellung, weil nur sehr kleine Toleranzen
zulässig sind. Vor allem sind sie nur mühsam zu justieren und nicht in erwünschtem
Maß anpassungsfähig.
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Als Abhilfe wird in der deutschen Patentschrift 1226 684 vorgeschlagen,
die bekannten temperaturkompensierten Steuerschalter dadurch zu vermeiden, daß man
mehrere temperaturunabhängig arbeitende Druckwächter einsetzt, von denen je nach
der Temperatur über einen Thermostaten einer wirksam gemacht wird. Hierdurch ergibt
sich jedoch eine Vervielfachung der Zahl der Druckwächter, so daß Aufwand und Störanfälligkeit
nicht in dem gewünschten Maß verringert werden können.
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Ein anderer, älterer Vorschlag (Patentanmeldung S 101846 VIIId/21c)
bezieht sich auf die Steuerung eines Druckgassehalters mit einem geschlossenen Gaskreis
und sieht vor, daß die für den Schalter notwendigen druckabhängigen Verriegelungsorgane
von je einem temperaturunabhängigen Druckwächter im Hoch- und Niederdruckteil des
Gaskreises betätigbar sind, wobei die beiden Druckwächter in ihren Arbeitsbereichen
so eingestellt sind, daß der eine bei hohen Temperaturen, der andere bei niedrigen
Temperaturen die kritischen Werte erfaßt. Diese Anordnung ist jedoch auf den genannten
Spezialfall zugeschnitten. Außerdem ergibt sie ebenso wie der andere Vorschlag Unstetigkeiten
in den Betriebskennlinien, die unter Umständen unerwünscht sind.
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Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine allgemein anwendbare vorteilhafte
Lösung für das Problem, den Druck eines Gases unter Berücksichtigung der Temperatur
zu überwachen. Dazu werden erfindungsgemäß ein elektrischer Meßwertgeber für den
Druck und ein elektrischer Meßwertgeber für die Temperatur eingesetzt, deren Ausgangsgrößen
zur gemeinsamen Betätigung des Kontaktes zusammengefaßt werden. Man kann damit eine
Steuerung erreichen, die der mit den temperaturkompensierten Steuerschaltern nach
der genannten deutschen Auslegeschrift 1166 878 gleicht und als Arbeitskertnlinie
Linien konstanter Gasdichte aufweist.
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Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung ist es bei der Erfindung jedoch
möglich, die von den Meßwertgebern gelieferten Größen zu variieren und einzustellen.
Die Meßwertgeber kann man ohne Schwierigkeiten an den geeigneten Stellen einbauen.
Die gemeinsame Betätigung kann z. B. als Vergleich der
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c@;:r i#1efjwert,#ecer mit eincrn Soilwe=-t durcigeführt werden, so daß e*,ne genaue
Regelung möglich ist. Die hierfür erforderlichen elektrischen Schaltungen können
unabhängig vom Überwachungsort an?e:@rcir.a und z. B. in einer Warte untergebracht
sein. # tißerdem ist es bei der Erfindung möglich, mit ein--m Meßwertgeber verschiedene
überwachungseinrichtungen zu speisen. Dadurch könacci ohne großen Aufwand mehrere
Kontakte gemäß unterschiedlichen Arbeitskennlinien betätigt werden.
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Zweckmäßig wird zur Verwirklichung der Erfindung ein druckabhängig
veränderlicher Widerstand als Meßwertgeber für den Druck verwendet. Dies kann in
einfachster Weise ein Manometer sein, das ein Potentiometer verstellt. In ähnlicher
Weise kann man mit Kapazitäten und/oder Induktivitäten arbeiten. Daneben ist es
aber auch möglich, unmittelbar druckabhängige Widerstände ähnlich einem Kohlemikrophon
zu verwenden.
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Auch als Meßwertgeber für die Temperatur ist ein ohmscher Widerstand
mit einer temperaturabhänaigen Kennlinie gut geeignet. Vorzugsweise verwendet man
einen Halbleiterwiderstand. Hierbei kann man eine elektronische Verstärkung der
vom Halbleiterwiderstand gelieferten Meßwerte vorsehen, um einen niedrigen Innenwiderstand
und damit eine Große Belastbarkeit zu erhalten, die insbesondere für den Fall erwünscht
ist, daß mehrere Kontakte zu betätigen sind.
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Die dem Druck und der Temperatur koordinierbaren elektrischen Größen
kann man mit Vorteil den Enden eines Spannungsteilers zuführen. Zwischen den Enden
kann man dann entsprechend einer gewünschten Wertigkeit dieser Größen je nach der
Stellung in bezug auf die Enden eine Spannung erhalten, die bei konstantem Gasvolumen
mit z. B. steigender Temperatur größer wird, gleichbleibt oder kleiner wird. Damit
kann man sich unterschiedlichen Kennlinien leicht anpassen. Der Spannungsteiler
kann einstellbar sein, so daß auch Veränderungen während des Betriebes möglich sind.
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Mit der am Spannungsteiler abgegriffenen Spannung kann man den Kontakt
unmittelbar, z. B. elektromagnetisch betätigen. Vorteilhafter ist es jedoch, damit
eine elektronische Kippstufe zu steuern, die ihrerseits ein Relais schaltet. Besonders
günstig ist es, wenn der am Spannungsteiler abgegriffene Wert mit einer Kompensationsschaltung
erfaßt wird, weil man dann mit einer geringen Leistung der Meßwertgeber auskommen
kann. Die Kompensationsspannung, die einem Sollwert entspricht, der abhängig von
der Temperatur einzuhalten ist, wird zweckmäßig ebenfalls durch einen Spannungsteiler
einstellbar vorgegeben. Die mit der Kompensationsschaltung erhaltene Spannung kann
ebenfalls eine elektronische Kippstufe steuern, die den elektrischen Kontakt betätigt.
Unter Umständen kann man hierbei mehrere Relais hintereinanderschalten, um eine
mehrfache Verstärkung zu erhalten.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei ist die überwachungseinrichtung
in F i g. 1 als Blockschaltbild dargestellt, während F i g. 3 Einzelheiten des Aufbaus
zeigt; F i g. 2 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Zusammenfassung der von Meßwertgebern
gelieferten Spannungen mit Hilfe eines Spannungsteilers. Die gezeichnete Überwachungseinrichtung
ist zur Steuerung des Gaskreises einer mit Schwefelhexafluorid (SF") isolierten
110-kV-Hochspannungssehaltanlage, insbesondere des Leistungsschalters, gedacht,
ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt ist.
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Wie in F i g. 1 zu sehen ist, wird die überwachungs-. einrichtung
von einer einzigen Spannungsquelle 1 mit einer Gleichspannung U von 24 V
gespeist. An diese ist ein als Potentiometer gezeichneter Meßwertgeber 2 für c?en
Druck angeschlossen. Der Schleifer 22 des Potentiometers wird bei steigendem Druck
des Gases von einem nicht dargestellten Manometer nach links in Richtung des Pfeiles
23 verschoben, so daß ein negativeres Potential abgegriffen wird.
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Als Meßwertgeber 3 für die Temperatur ist ebenfalls ein Potentiometer
gezeichnet, das an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen ist. Der Schleifer
32 des Potentiometers wird z. B. von einem nicht dargestellten Thermometer bei steigender
Temperatur in Richtung des Pfeiles 33 nach rechts verschoben. Dadurch wird ein positiveres
Potential abgegriffen.
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An die Schleifer 22 und 32 der Meßwertgeber 2
und 3 sind Leitungen
4 und _S als Sammelschiene angeschlossen, die die als elektrische Größen im Sinne
der Erfindung verwendeten Potentiale zu mehreren gleichen Schaltkreisen 6, 7 usw.
führen.
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Die Schaltkreise 6, 7 usw. können gleich ausgebildet sein. Sie umfassen
einen Spannungsteiler 8,
dessen Ende 9 mit der Leitung 4 und dessen Ende
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mit der Leitung 5 verbunden ist. An den Abgriff 11
des Spannungsteilers
8, mit dem die Wertigkeit der elektrischen Größen eingestellt wird, ist eine elektronische
Kippstufe 12 angeschlossen. Die Kippstufe 12 wird von der Gleichspannungsquelle
1 gespeist. Sie steuert eine Magnetspule 13, die elektrische Kontakte 14
betätigt. Ein Spannungsteiler 15, der ebenfalls an die Spannungsquelle 1 angeschlossen
ist, liefert der Kippstufe 12 einen mit dem Schleifer 16 einstellbaren
Sollwert. Die Schaltkreise 6, 7 usw. sind mithin als Kompensationsschaltung ausgeführt,
wobei die Kontakte 14 betätigt werden, wenn die Spannung zwischen den Schleifern
11 und 16 einen bestimmten Wert überschreitet.
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In F i g. 2 ist dargestellt, wie sich das Potential der Schleifer
22, 32 und 11 mit der Temperatur ändert, wenn die Gasmenge, der die Meßwertgeber
2 und 3 zugeordnet sind, konstant bleibt. Dabei ist das auf den positiven Pol bezogene
Potential des negativen Pols der Spannungsquelle 1 (Spannung U) als 1001/o bezeichnet.
Wie man sieht, wird das Potential des Schleifers 22 höher, weil der Schleifer bei
dem mit der Temperatur steigenden Druck des Gases nach links wandert, wie in F i
g: 1 durch den Pfeil 23 angedeutet ist. Dagegen wird das Potential des Schleifers
32 mit steigender Temperatur niedriger, denn der Schleifer 32 nach F i g. 1 mit
steigendem Druck nach rechts wandern soll (Pfeil 33).
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Die genannten Potentialänderungen gehen in beiden Fällen linear mit
der Temperatur. Man erhält deshalb zwar je nach der Temperatur eine mehr oder weniger
große Spannung an dem zur Einstellung der Kennliniensteilheit vorgesehenen Spannungsteiler
B. Das Potential des Schleifers 11 ist aber bei einer bestimmten, durch die Kennlinien
der Meßwertgeber 2 und 3 vorgegebenen Stellung unabhängig von der Temperatur konstant,
solange, wie hier vorausgesetzt, die Gasmenge unverändert bleibt. Man kann also
das Potential des Schleifers 11 als Maß für die
Dichte des
Gases verwenden und damit z. B. einen Kompressor steuern, der eine bestimmte Dichte
aufrechterhalten soll. Der Sollwert dieser Dichte, d. h. der Ansprechwert für die
Kippstufe 12, wird mit dem Schleifer 16 am Spannungsteiler 15 eingestellt.
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Die ä l i g. 3 zeigt eine mit Erfolg erprobte Ausführungsform der
Erfindung. Hierbei ist der Meßwertgeber 2 ein ohmscher Widerstand 25, auf dem der
Schleifer 22 von einem Manometer 26 bewegt wird. Das Manometer 26 ist über eine
Leitung 27 mit dem zu überwachenden Gasvolumen verbunden.
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Der Meßwertgeber 3 arbeitet mit einem Heißleiterwiderstand 30, der
zweckmäßig unmittelbar im Gas angeordnet ist. Der Heißleiterwiderstand 30 steuert
einen zur Anpassung vorgesehenen elektronischen Verstärker 31. Dieser umfaßt einen
Widerstand 36 (5 k52), einen Widerstand 37 (1 k52) und einen Arbeitswiderstand 38
(100 k9) für einen Transistor 39. Der Anschluß am Emitter des Transistors ist in
Analogie zu F i g. 1 mit 32 bezeichnet.
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Der Spannungsteiler 8 zur Einstellung der Kennliniensteilheit ist
mit der Kippstufe 12 baulich vereinigt. An seinem Schleifer 11 ist über einen Widerstand
40 (10 ka) die Basis eines NPN-Transistors 41 angeschlossen. Der Emitter des Transistors
41 ist mit dem Schleifer 16 des Spannungsteilers 15 verbunden. Zwischen Basis und
Emitter liegt eine Diode 42, die als überspannungsschutz die Sperrspannung am Transistor
41 begrenzt.
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Der Kollektorstrom von 41 steuert über einen Begrenzungswiderstand
43 (2,5 kQ) den PNP-Transistor 44. Mit dem Widerstand 45 (1 k52) und der Diode 46
wird der Arbeitspunkt des Transistors 44 stabilisiert und ein einwandfreies Schaltverhalten
auch bei höheren Umgebungstemperaturen gewährleistet.
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Im Ausgang des Transistors 44 liegt eine Relaisspule 48 mit Kontakten
49. Außerdem ist der Ausgang über einen Rückführungswiderstand 49 (1,6 M52) mit
der Basis des Transistors 41 verbunden.
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Die Kombination der Widerstände 50 (60 k52), 51 (220 k9) und 52 (etwa
100 k9, temperaturabhängig) dient zur Temperaturstabilisierung des Ansprechwertes
der Kippstufe.
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Die Kontakte 49 des Relais 48 schalten eine bei 55 angedeutete zweite
Gleichspannungsquelle (z. B. 220 V =) auf das Relais 13 mit den Kontakten 14. Deshalb
wird die Gleichspannungsquelle 1 stets nur gering belastet.
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Die Dioden 56 und 57 sind als überspannungsschutz vorgesehen. Sie
begrenzen die beim Ausschalten der Relaisspulen 48 und 13 entstehenden Schaltspannungen.
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Beim Ausführungsbeispiel dient die Erfindung zur Überwachung bzw.
Einregelung einer konstanten Dichte. Es ist aber auch möglich, andere Temperaturabhängigkeiten
zu überwachen, z. B. eine mit steigender Temperatur steigende Dichte. Ferner ist
die Erfindung nicht darauf beschränkt, daß, wie beim Ausführungsbeispiel, passive
elektrische Elemente zur Gewinnung der dem Druck oder der Temperatur proportionalen
elektrischen Größen benutzt werden. Es ist durchaus denkbar. auch aktive Elemente,
z. B. ein Thermoelement, zu verwenden, das temperaturabhängig eine bestimmte Spannung
abgibt. Diese Spannung könnte, da sie potentialfrei ist, unmittelbar zu einer dem
Druck koordinierbaren Spannung addiert werden, um einen elektrischen Kontakt für
die Überwachung des Druckes unter Berücksichtigung der Temperatur zu betätigen.