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Die Erfindung bezieht sich auf ein Signalisationsmodul zum Erkennen und Messen einer Quellenspannung oder eines Spannungzustandes.
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In vielen Bereichen elektrischer Anlagen ist das Erkennen eines Spannungszustandes bzw. die Signalisation von Spannungsfreiheit, wie beispielsweise in Energieverteilungsanlagen, an sichtbaren Trennstellen, an sichtbaren Endverbindungen, an elektromechanischen Anzeigegeräten erforderlich.
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Desweiteren werden vielfältig Spannungswandler zum Erkennen und nachfolgenden Messen einer Quellenspannung, beispielsweise in der Sekundärtechnik, wie Schutz- und Leittechnik, vorrangig im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich sowie in elektrotechnischen Geräten benötigt. Die bekannten induktiven Wandler ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis, ohmsche bzw. kapazitive Wandler hingegen weisen keine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis auf. Die bekannten Spannungswandler sind aufwendig im bezug auf Volumen, Gewicht und Preis und es treten auch Betrags- und Winkelfehler bei der Spannungsmessung auf. Darüber hinaus messen Wandler leistungsbehaftet, Leistungen von einigen hundert Watt sind möglich.
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Die
DE 38 00 410 A1 offenbart ein Verfahren zur Messübertragung bei elektrochemischen Sensoren, wobei ein optischer Lichtsender eine primäre Lichtstrahlung über ein optisches Faserkabel einem Vorort-Messaufnehmer zuführt, am Messort über eine Verzweigung des optischen Faserkabels eine Teilenergiemenge einer optoelektrischen Wandlung zugeführt wird, eine weitere Teilenergiemenge auf einen elektrisch-optischen Modulator auftritt und wobei dieser eletrisch-optische Modulator so von einem mit Hilfe der durch die optoelektrische Wandlung gewonnenen elektrischen energieaufbereiteten, auf der Grundlage des Messsignals des elektrochemischen Sensors gebildeten Modulationssignals beaufschlagt wird, dass sich eine vom Modulator auf das verbindende optische Faserkabel rückübertragene modulierte optische Teilenergiestrahlungsmenge ergibt, die von einem Empfänger, der zusammen mit dem primären Lichtsender über eine Verzweigung an das optische Faserkabel angeschlossen ist, ausgewertet wird. Dabei können als Modulator elektrochrome Materialien verwendet werden, die so ausgebildet sind, dass sie beispielsweise ihre Farbe mit anliegender Spannung verändern, wodurch sich eine Leistungsänderung im zurückgeworfenene (Laser-)Lichtbündel ergibt. Somit wird der Modulator eingesetzt, einen primären Lichtstrahl, der durch das optische Faserkabel geleitet wird, zurückzuwerfen, wobei dann das zurückgeworfene Lichtbündel im Empfänger ausgewertet wird. Dies erfordert einen aufwändigen Aufbau der Messeinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Spannungen, die zwecks Weiterverarbeitung gewandelt werden müssen, möglichst leistungslos zu messen, wobei eine galvanische Entkoppelung zwischen Primär- und Sekundärseite ermöglicht ist und darüber hinaus auch eine Vereinfachung der Signalisation elektrischer Spannung bzw. Spannungsfreiheit-ja-nein-Entscheidung- vereinfacht zur Anzeige gebracht werden kann.
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Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Signalisationsmodul zum Erkennen und Messen einer Quellenspannung bzw. eines Spannungszustandes zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagen, das ein elektrochromes Element umfaßt, dessen Grad der Einfärbung in Abhängigkeit von der Höhe der einwirkenden Quellenspannung bzw. des Spannungszustandes variiert, so daß der Grad der Einfärbung zur Bestimmung der Höhe der Quellenspannung oder des Spannungszustands dient.
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Durch das erfindungsgemäße Signalisationsmodul ist ein Verfahren zum Erkennung und Messen einer Quellenspannung bzw. eines Spannungszustandes möglich, bei dem eine Änderung der Farbe bzw. des Grades der Einfärbung eines elektrochromen Materials, insbesondere eines elektrisch leitenden Polymers durch die Quellenspannung bzw. den Spannungszustand hervorgerufen wird und der erfaßbare Grad der Einfärbung zur Bestimmung der Höhe der Quellenspannung oder des Spannungszustandes dient. Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrochrome Element ist in Form einer elektrochemischen Zelle mit mindestens zwei Elektroden, einem zwischen den Elektroden angeordneten Ionenleiter und einem elektrochromen Material als Verbundfolie gefertigt und weist Anschlüsse oder Kontaktflächen für die zu erwartende Quellenspannung auf. Eine besonders bevorzugte Ausführung des elektrochromen Elementes umfaßt als Ionenleiter eine Protonen leitende Membran aus einer Folie, die auf beiden Seiten mit Elektrodenmaterial versehen ist und wobei eine der Elektrodenseiten der Membran eine aufgebrachte Schicht elektrisch leitendes Polymer aufweist.
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Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrochrome Element, bevorzugt in Form einer elektrochromen Polymerfolie, dient zur Spannungsanzeige bzw. als Spannungswandler. Elektrochrome Polymerfolien gehören zur Stoffklasse der elektrisch leitenden Polymere, wobei unter Elektrochromie die Eigenschaft des Materials zu verstehen ist, seine Farbe in Abhängigkeit von der angelegten Spannung reversibel zu ändern. Je nach Höhe der angelegten Spannung variieren die sich einstellenden Farben der Folie.
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Bekannt ist es, eletrochrome Polymerfolien und elektrochrome Einheiten so anzuwenden, daß eine bekannte Spannung angelegt wird, um eine Einfärbung des Materials zu erreichen, wie beispielsweise in der
US 4887890 ,
WO94/16356 oder
DE 4409470 C2 beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird nun in umgekehrter Weise verfahren, daß nämlich der Grad der Einfärbung eines elektrochromen Elementes genutzt wird, um rückwärts die Höhe der unbekannten Spannung zu bestimmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Signalisationsmoduls sowie des Verfahrens zum Erkennen und Messen einer Quellenspannung bzw. eines Spannungszustandes sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.
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Erfindungsgemäß wird der Einsatz elektrochromer Polymerfolien vorgeschlagen, wo das Vorhandensein von elektrischer Spannung signalisiert werden muß, -ja-nein-Entscheidung oder Spannungen zwecks Weiterverarbeitung gewandelt werden müssen, wobei eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis (zwischen zu messender Spannung und Meßsignal) notwendig ist. Als Spannungswandler in der Sekundärtechnik wie Schutz- und Leittechnik können elektrochrome Elemente die Kupfer und Eisen behafteten Wandler substituieren, bei gleichzeitiger galvanischer Entkoppelung zwischen Primär- und Sekundärseite, wobei die erfindungsgemäßen Spannungswandler praktisch ein leistungsloses Messen der Spannung ermöglichen. Damit geht auch eine Verringerung des Bauvolumens, Gewichtes und auch Preises der Wandler einher.
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Zur Vereinfachung der Anzeige von Spannungsfreiheit einer Anlage ermöglicht das elektrochrome Element, insbesondere in Gestalt der eletrochromen Polymerfolien ein einfaches, preiswertes und in der Größe der Anzeigefläche nicht begrenztes Signalisationsmodul für Spannungsfreiheit an Energieverteilungsanlagen. Hierbei kann das elektrochrome Element in Gestalt der elektrochromen Polymerfolie direkt auf einer Funktionsraumtür befestigt werden, Größen von mehren 100 cm2 sind hierbei kein Problem, es können Diagnosestecker mit außen sichtbar aufgebrachtem elektrochromen Element erstellt werden, so daß die Spannungsfreiheit/Spannungspräsenz auch aus entsprechend großer Entfernung visuell von Personen wahrgenommen werden kann.
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Das Signalitionsmodul kann erfindungsgemäß als Ja-Nein-Anzeigeelement eingesetzt werden, wobei ein elektrochromes Element bevorzugt in Gestalt einer elektrochromen Polymerfolie in einer definierten und prinzipiell beliebigen Größe ausreicht für eine gute visuelle Erkennbarkeit, des direkt auf der äußeren Seite einer Funktionsraumtür befestigt und mit der Anlagenstelle kontaktiert wird, die auf Spannung überprüft werden soll, z. B. Hauptstromschienen. Der sich bei Spannungsfreiheit und Spannungspräsens einstellende Farbwechsel des elektrochromen Elementes dient der Signalisation des Spannungszustandes. Da die Anzeige praktisch leistungslos ist, kann die Spannungsanpassung zwischen Folie und Quellenspannung gemäß einem Vorschlag der Erfindung beispielsweise über einen Spannungsteiler realisiert werden. Es ist auch möglich, daß elektrochrome Element als Signalisationsmodul für eine Ja-Nein-Anzeige in ein mobiles, ortsveränderliches Anzeigemodul zu integrieren, beispielsweise in einen Kontrollstecker.
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Für den Einsatz als Spannungswandler wird das Signalisationsmodul erfindungsgemäß nach einem Vorschlag so ausgebildet, daß dem elektrochromen Element eine stabilisierte optische Strahlungsquelle auf der einen Seite und ein optischer Empfänger auf der gegenüberliegenden Seite zugeordnet ist, so daß im Durchlichtverfahren der jeweilige Transmissionsgrad bzw. Absorptionsgrad des elektrochromen Elementes gemessen wird und hieraus Rückschluß auf die Höhe der an das elektrochrome Element angelegten Quellenspannung ermöglicht ist. Ein Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Signalisationsmodul zeichnet sich für den Einsatz zum Erkennen und Messen einer Quellenspannung dadurch aus, daß ein elektrochromes Material mit einer optischen Strahlung definierter Leistung bei konstanter Wellenlänge zwecks Durchleuchtung beaufschlagt wird und der aktuelle Transmissionsgrad bzw. Absorptionsgrad des elektrochromen Materials gemessen wird und die Änderung des Transmissionsgrades bzw. Absorptionsgrades einen Rückschluß auf die Höhe der auf das elektrochrome Material einwirkenden Quellenspannung ermöglicht. Die sich in Abhängigkeit der Spannungshöhe und des zeitlichen Spannungsverlaufes verändernde Farbe des elektrochromen Elementes wird erfaßt und damit, der sich verändernde Transmissions-, Absorptions- und Reflexionsgrades der elektrochromen Polymerfolie. Hierbei wird im Durchlichtverfahren der aktuelle Transmissions- bzw. Absorptionsgrad einer elektrochromen Polymerfolie gemessen, die transparent bzw. lichtdurchlässig ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Meßmethode ist die galvanische Trennung zwischen Meßsignal und Quellsignal. Hierbei wird eine stabilisierte optische Strahlungsquelle im UV-Bereich, visuellen Bereich oder IR-Bereich, z. B. Laser vorgesehen, die eine optische Strahlung definierter Leistung bei konstanter Wellenlänge generiert.
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Bei weniger lichtdurchlässigen elektrochromen Elementen, kann der sich ändernde Reflexionsgrad der elektrochromen Polymerfolie je nach Höhe und zeitlichen Verlauf der zu erfassenden Quellenspannung genutzt werden. Auch bei Ausgestaltung eines Signalisationselementes als Spannungswandler unter Erfassung des Reflexionsgrades des elektrochromen Elementes liegt ein wesentlicher Vorteil in der galvanischen Trennung zwischen Mess- und Quellsignal. Hierfür wird ein elektrochromes Material mit einer optischen Strahlung definierter Leistung bei konstanter Wellenlänge zwecks Reflexion beaufschlagt und der aktuelle Reflexionsgrad des elektrochromen Materials gemessen und die erfaßte Änderung des Reflexionsgrades ermöglicht einen Rückschluß auf die Höhe der auf das elektrochrome Material einwirkenden Quellenspannung. Das Signalisationsmodul ist erfindungsgemäß so aufgebaut, daß dem elektrochromen Element auf einer Seite sowohl eine stabilisierte optische Strahlungsquelle als auch ein optischer Empfänger zugeordnet sind, so daß die Reflexion bzw. die Änderung des Reflexionsgrades gemessen wird und hieraus ein Rückschluß auf die Höhe der an das elektrochrome Element angelegten Quellenspannung ermöglicht ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, daß Signalisationsmodul als Über- oder Unterspannungsauslöser für Schaltgeräte einzusetzen. Hierbei wird dem elektrochromen Element ein Soll-Wert-Regler zugeordnet, der nach Über- bzw. nach Unterschreitung von Grenzwerten ein Auslösesignal generiert, wobei dem Soll-Wert einer zu überwachenden Quellenspannung ein definierter Farbwert (Grad) des elektrochromen Elementes zugeordnet ist. Sowohl eine Spannungsabweichung nach oben wie auch nach unten verändert die Einfärbung der elektrochromen Polymerfolie. Die Messung der Veränderung der Einfärbung des elektrochromen Elementes kann wiederum auf den bereits vorangehend erläuterten Prinzipien zur Bestimmung des Reflexion-, Transmissions- bzw.,. Absorptionsgrades des elektrochromen Elementes mit Hilfe einer stabilisierten optischen Strahlungsquelle erfolgen.
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Hiermit wird es möglich, kleine und preiswerte voll integrierte elektronische Funktionsbausteine als Signalisationsmodul für den Einsatz als Über- oder Unterspannungsauslöser zu bauen, bei dem Sender, Empfänger, Auswerte-Elektronik und elektrochromes Element in einem Baustein integrierbar sind.
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Das erfindungsgemäße Signalisationsmodul als Anzeigelement für unter Spannung stehende Teile kann auch beispielsweise zur Überprüfung des Ladezustandes von elektrischen Energiespeichern, wie Batterien, Akkus, Kondensatoren eingesetzt werden, wobei es sowohl als permanent am Energiespeicher plaziertes Anzeigeelement oder als mobiles Kontrollelement einsetzbar ist.
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Ebenfalls kann das erfindungsgemäße Signalisationsmodul als Anzeigeelement bei Stromlaufplänen mit Funktionsanzeige auf einer Schaltanlage eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer Schaltanlage wird deren elektrischer Aufbau in Form eines Stromlaufplanes incl. Schaltgeräten mit Hilfe des elektrochromen Elementes nachempfunden. Der Spannungszustand der Anlage ist damit vor Ort permanent dargestellt und wird visuell signalisiert.
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Zur Kennzeichnung des spannungsfreien Zustandes bzw. geladenen Zustandes eines Gehäuses ist es auch möglich, das Gehäuse zumindest teilweise mit dem elektrochromen Element in Gestalt einer elektrochromen Polymerfolie oberflächlich zu beschichten. Befindet sich das Gehäuse in einem spannungsfreien Zustand, so ist die elektrochrome Polymerfolie z. B. transparent, während bei unter Spannung stehendem Gehäuse die Oberfläche z. B. gefärbt ist.
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Bei der Überprüfung des Lastzustandes von Verbrauchern bzw. Schaltanlagen kann über einen geeigneten Meßwiderstand z. B. Shunt, Impedanz der Stromschiene, eine belastungsabhängige (stromabhängige) Spannungsänderung erzeugt werden. Diese Spannungsänderung kann zur einfachen Signalisation des Lastzustandes mit Hilfe des erfindungsgemäßen Signalisationsmoduls genutzt werden. Beispielsweise kann eine elektrochrome Polymerfolie mit Farbänderungen eingesetzt werden dergestalt, daß beispielsweise eine grüne Einfärbung eine Belastung unter 100% anzeigt und eine rote Einfärbung eine Belastung über 100%.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen für den Einsatz als Spannungswandler dargestellt.
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1 Schematische Darstellung des Signalisationsmoduls für das Durchlichtverfahren zu Erfassung des Transmissions- bzw. Absorptionsgrades
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2 Schematische Darstellung des Signalisationsmoduls zur Erfassung des Reflexionsgrades.
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In Abhängigkeit der Spannungshöhe und des zeitlichen Verlaufes verändert sich die Farbe und damit der Transmissions- bzw. Absorptionsgrad des elektrochromen Elementes, hier einer elektrochromen Polymerfolie
1, die beispielsweise einen wie in der
EP 08 11871 A2 beschriebenen Aufbau aufweist. Das elektrochrome Element
1 ist über die Leitungen
2a,
2b mit einer Spannungsquelle
2 verbunden, deren Quellenspannung erfaßt werden soll. Die stabilisierte optische Strahlungsquelle
3, beispielsweise ein Laser, generiert eine optische Strahlung definierter Leistung bei konstanter Wellenlänge. Der optischen Strahlungsquelle
3 ist ein optischer Empfänger
4 zugeordnet, der die einfallende Strahlung registriert. Zwischen der optischen Strahlungsquelle
3 und dem optischen Empfänger
4 befindet sich die elektrochrome Polymerfolie
1. Diese ist ausreichend transparent. Je nach Einfärbung der elektrochromen Polymerfolie und der damit verbundenen Änderung des Transmissions-/Absorptionsgrades ändert sich der Pegel der von dem Empfänger
4 registrierten Strahlung und es kann ein Rückschluß auf die Höhe der Quellenspannung der Spannungsquelle
2 gezogen werden, die beispielsweise über eine Auswerteeinheit in der Anzeige
5 ablesbar ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist ein Spannungswandler dargestellt, bei dem zum Erfassen der Höhe der unbekannten Quellenspannung ein Signalisationsmodul eingesetzt wird, bei dem der sich ändernde Reflexionsgrad der elektrochromen Polymerfolie, der sich mit der Höhe und dem zeitlichen Verlauf der Quellenspannung ändert, erfaßt wird. Die stabilisierte optische Strahlungsquelle 3 und der optische Empfänger 4 befinden sich auf derselben Seite bezogen auf die Lage der elektrochromen Polymerfolie 1. Die Polymerfolie 1 wiederum ist über die Zuleitungen 2a, 2b mit der Spannungsquelle 2 verbunden, deren unbekannte Quellenspannung erfaßt werden soll. Optische Strahlungsquelle als Sender und optischer Empfänger können entweder örtlich voneinander getrennt oder auch in einem gemeinsamen Modul untergebracht sein. Die von der optischen Strahlungsquelle generierte optische Strahlung definierter Leistung bei konstanter Wellenlänge wird an der elektrochromen Polymerfolie 1 reflektiert und von dem optischen Empfänger registriert und über eine Auswerteeinheit wiederum zur Anzeige 5 in ablesbarer Form gebracht. Je nach der Einfärbung der elektrochromen Polymerfolie ändert sich deren Reflexionsgrad. Entsprechend ist der erfaßte Reflexionsgrad bzw. dessen Veränderung ein Maß für die Höhe der Quellenspannung.
