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Verfahren und Einrichtung zum Prüfen des Isolationswiderstandes von
Thermoelemcnten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen--des Isolationswiderstandes
von Thermoeiementen, deren beide Schenkel gegen Erdpotential isoliert sind, und
eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Bei einer Vielzahl technischer Einrichtungen ist es unerläßlich, deren
Betriebszustand mit Hilfe von Thermoelementen möglichst kontinuierlich zu überwachen.
Aus den zeitlichen Änderungen der Temperatur an thermisch exponierten oder für das
Betriebsverhalten besonders wesentlichen Anlageteilen können mögliche Fehler im
Bereich der Strukturmaterialien und im Prozeßablauf so früh erkannt werden, daß
es möglich wird, durch einzuleitende Gegenmaßnahmen Schäden zu begrenzen oder vollständig
ahzun,enden. Eine weitere, die Betriebssicherheit solcher Anlagen erhöhende Maßnahme
hest.eht in der Uberwachung der Thermoelemente auf temimmanente Fehler,
insbesondere
Erd- und Kurzschluß. Bei vielen technischen Einrichtungen ist infolge ihrer inneren
Struktur bei Betriebsstörungen grundsätzlich eine Selbstzerstörung möglich, die
möglicherweise mit Gefahren für die Umgebung verbunden ist. Neben Fahrzeugen gehören
Chemieanlagen und Kernkraftwerke zu diesen Einrichtungen.
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In Reaktoren von Kernkraftwerken ist die Kontrolle der Kühlmitteltemperaturen
im Reaktorkern von besonderer Bedeutung. Dabei werde vorzugsweise die Brennelemente
als thermisch hoch belastete Einrichtungen dadurch überwacht, daß im Kühlmittelaustrittskanal
jedes Brennelementes mindestens ein Thermoelement angeordnet ist.
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Dabei werden Thermoelemente mit Edelstahlmantel verwendet. Bei einem
Leck im Mantel wird das Kühlmittel die Thrmodrhte in Höhe des im Reaktortank eingestellten
Kühlmittelpegels kurzschließen und somit die Meßstelle der Temperaturmessung vom
Brennelementkopf in die Grenzschicht des EC;ihlmittels verlegen. Dort stellt sich
aber infolge der Strömungsverhältnisse eine mittlere Temperatur cin, die insbesondere
bei einer Überlastung des Brennelementes weit unterhalb der am Brennelement tatsächlich
auftretenden Temperatur liegen kann, so daß mit dem defekten Thermoelement die Überwachung
eines vorbestimmten Brennelementes nicht möglich ist.
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Die unverzügliche Feststellung eines Fehlers dieser Art, der die Betriebssicherheit
einer Anlage in unzulässiger Weise herabsetzen kann, ist für Einrichtungen der eingangs
genannten Art von erheblicher Bedeutung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die es
ermöglicht, auch in Anlagen mit einer Vielzahl von Thermoelementen an jedem einzelnen
Thermoelement eine ständige, im zeitlichen Abstand von maximal einigen Sekunden
durchzuführende isolationsprüfung vorzunehmen und dabei möglichst weitgehend für
die betricbsmädige Temperaturmessung ohnehin vorhandene Bauelemente zu benutzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßttrookreis
mit einer von der Meßspannung unabhängigen Spannung
(flilfsspannung)
beaufschlagt wird, die während der Seit der Temperaturmessung (Meßzeit} kompensiert
oder abgeschaltet und nur während einer kurzzeitigen Phase zur Erdschlußkontrolle
(Prüfzeit) wirksam ist und ausschließlich im Falle eines Erdschlusses an den für
die betriebsmäßige Temperaturmessung vorgesehenen Meßeinrichtungen ein von dem der
Temperaturmessung entsprechenden Signal (Meßsignal) abweichendes Signal (Erdschlußsignal)
gebildet wird und daß Meßsignal und ErdschluRsignal in an sich bekannter leise diskriminiert
und Erdschlußsignale mit einer Meßwertverarbeitung in Signale umgesetzt werden,
die auf den Betriebszustand der zu überwachenden Anlage einwirken.
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Dabei werden in den Meßstromkreis eines Thermoelementes zwei Spannungsquellen
mit gleich großen, einander entgegengerichteten Spannungen in Reihe geschaltet,
durch. einen Widerstand voneinander getrennt und an den Strompfad zwischen dem Widerstand
und einer der Spannungsquellen eine abschaltbare Erdleitung angeschlossen.
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Bei Schaltungsanordnungen mit einer Vielzahl von Thermoelementen,
die nacheinander über einen Vielfachschalter auf eine gemeinsame Meßwertverarbeitung
geschaltet werden, ist es besonders vorteilhaft, die in Reihe geschalteten Spannungsquellen,
den Widerstand und die abschaltbare Erdleitung in eine der von den Thermoelementeingängen
des Vielfachschalters abgewandten Ausgangsleitungen zu schalten, weil dann für alle
über einen Multiplexer angeschlossenen Thermoelemente eine einzige Zusatzeinrichtung
der genannten Art ausreicht.
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Es kann auch vorteilhaft sein, in jede der einem Thermoelement zugeordneten
Ausgleichsleitungen einen Widerstand zu schalten und auf der vom Thermoelement abgewandten
Seite jedes dieser Widerstände die Ausgleichsieitungen durch eine Reihenschaltung
zweier Spannungsquellen mit Spannungen gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung
und zwei anderen Widerständen gleicher Größe miteinander zu verbinden und am Symmetriepunkt
dieser Verbindung eine abschaltbare Erdverbindung anzuordnen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, in eine der Ausgleichsleitungen
einen Widerstand zu schalten und auf der vom Thermoelement
abgewandten
Seite des Widerstandes eine abschaltbare, einseitig geerdete Spannungsquelle anzuschließen.
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Ein Ausführungsheispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Isolationsmessung mit
zwei Hilfsspannungen, Fig. 2 isolationsmessung für mehrere Thermoelemente mit zwti
Hilfsspannungen.
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Fig. 3 Isolationsmessung mit einer Hilfsspannung, Fig. 4 Isolationsmessung
mit zwei Hilfsspannungen zwischen den Ausgleichsleitungen, Fig. 5 Meßeinrichtung
mit Hilfsmultiplexer, Fig. 6 Impulsdiagramme Fig. 1 zeigt das Meßprinzip einer Isolationsmessung
mit zwei flilts spannungen. Das Thermoelement 1 ist über Ausgleichsleitungen 2,
3 auf cine Meßwertverarbeitung 4 geschaltet. In der Ausgleichsleitung 2 sind zwei
Spannungsquellen mit den gleich großen Spannungen U1 und U2 so angeordnet, daß U1
+ U2 = O. Zwischen den Spannungsquellen ist ein Widerstand R1 und eine Erdleitung
5 angeschlossen, die mit einem Schalter 6 während der Isolationsmessung an Masse
yelegt werden kann. U1 und U2 sind vorzugsweise Gleichspannungen.
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Bei einem ein- oder zweiseitigen Erdschluß des Thermoelementes fließt
durch R1 und die Erdleitung 5 ein von der Spannung U1 angetriebener Strom Ii Die
Spannung U1, der Widerstand R1 und die Polarität des Thermoelementes und der Spannung
U1 werden so gewählt, daß die Spannung U1 + = 11 . R1 eine Grenzwertüberschreitung
der normalerweise zu erwartenden Thermoelementspannung UTE darstellt.
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Die Spannung U + kann so gewählt werden, daß sie wesentlich größer
als die Thermospannung bei einer vorhestimmten Temperatur oberllalb der Betriebstemperatur
ist. Der Sicherheitsrechner kann dann zwischen Temperaturüberschreitung und Isolationsstörung
unterscheiden. Bei entsprechender Rechenkapazität und Programmauslegung können UTE
+ und U1+ entgegengesetzt gepolt werden, so daß U1 zum überschreiten eines unteren
Greiizwertes führt.
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U1, U2 und R1 werden bei Meßeinrichtungen mit einer Vielzahl von Thermoelementen
vorteilhaft entsprechend Fig. 2 in einer Verbindunysleitung zwischen dem Multiplexer
7 und dem Sicherheitsrechner 8 angeordnet. In jedem Falle ist der die Masseverbindung
herstellende Schalter 6 während der Messung der Thermospannung offen und wird nur
für die Zeit der Isolationsmessung geschlossen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Spannungsquelle U1 entsprechend
Fig. 3 einseitig an Masse zu legen und über einen Schalter 6 zur Isolationsmessung
auf eine der Ausgleichsleitungen 2 des Thermoelementes 1 zu schalten.
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Die Leitungswiderstande der ca. 10 m langen, bni etwa 5500 C betriebenen
Thermoelementdrähte 2 und 3 des in Fig. 4 dargestellten Thermoelementes 1 sind von
unterschiedlicher Größe. Bei Isolationsstörungen entstehen an den Widerständen R3
und R4 unterschiedliche Spannungsabfälle.
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Fig. 5 zeigt die vereinfachte Darstellung einer Einrichtung zum Ausführen
von Isolationsmessungen an Thermoelementen. Eine Vielzahl von Thermoelementen 1
ist über Ausgleichsleitungen 2, 3 mit den Widerständen RL mit einem Multiplexer
7 verbunden, der mit seinen Schaltern 9 die Temperaturmeßstellen nacheinander zum
Åbfragen der Temperaturmeßwerte auf den Analog-Digital-Nonverter 10 eines nicht
dargestellten Prozeßrechners schaltet. Die Ausgleichsleistungen 3 sind über Widerstände
RV mit einem Hilfs-Multiplexer 11 verbunden, der zur Isolationsmessung über seine
Schalter 12 eine Spannung U auf jeweils eines der zu prüfenden Thermoelemente schaltet.
Die Itilfsspannung U liegt entsprechend Fig. 6 6 ms an einem Schenkel des Thermoelementes.
Dabei entsteht an dem Leitungswiderstand RL und dem Widerstand des Thermoelementschenkels
RTES ein Spannungsabfall Uiso' der bei einem Erdschluß, also kleinem Isolationswiderstand
R. größer ist als bei hohem Isolationswiderstand.
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150 Diese Spannung U. überlagert sich der Thermoelementspannunq UTEO
150 Die Meßsparmung U = UTE + U wird am Ende-des 6 ms-Zyklus gemesm 150 sen. Weicht
die Meßspannung in vorbestimmten Grenzen von der ohne Hilfsspannung ermittelten
Meßspannung ab, so ist der Isolationswiderstand Riso zu klein und der Prozeßrechner
kann erforderliche
Maßnahmen einleiten.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß zum Messen
der Thermospannung und des Isolationswiderstandes die gleichen Meßeinrichtungen
verwendet werden und für die Meßwertverarbettung eine zusätzlichen Geräte erforderlich
sind. Diese Vorteile sind insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn die Zahl
der Thermoelemente sehr groß ist und z.B. einige hundert Stuck beträgt .
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Die zusätzlich erforderlichen Bauelemente bestehen fast ausschließlich
aus Widerständen, an die keine Forderungen hinsichtlich ihrer Genauigkeit zu stellen
sind und nicht störanfällig sind Die Betriebssicherheit wird also nicht beeintr.ichtigt,
der finanzielle Aufwand bleibt unbedeutend.