DE2829154A1

DE2829154A1 - Einrichtung zur temperaturmessung an insbesondere elektrischen maschinen, bauelementen o.dgl.

Info

Publication number: DE2829154A1
Application number: DE19782829154
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Phys Berthold
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BERTHOLD, RAINER, DIPL.-PHYS., 6901 GAIBERG, DE
Priority date: 1978-07-03
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1980-01-17

Description

Einrichtung zur Temperaturmessung an insbesondere elektrischen
Maschinen, Bauelementen oder dergleichen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Temperaturmessung an insbesondere elektrischen Maschinen, Bauelementen oder dergl., unter Ausnutzung der Infrarotstrahlung mit einem zwischen Meßstelle und Strahlunasempfänger eingefügten Lichtleiter.
Um überhitzungen zu vermeiden, ist für Viele Maschinen oder Bauelemente eine Temperaturüberwachung erforderlich. Dies trifft insbesondere auf solche Maschinen oder Bauelemente zu, die mit elektrischen Wicklungen versehen sind. Übliche Temperaturmeßeinrichtungen, die elektrische Leiter aufweisen, wie z.B. Thermoelemente oder Widerstandsthermometer, sind in solchen Fällen jedoch kaum geeignet, in denen im Meßobjekt elektrische Felder auftreten und/oder in denen Potentialunterschiede zwischen Meßobjekt und Anzeigegerät vorhanden sind.
Für solche Messungen können daher elektrisch nicht leitende Lichtleiter eingesetzt werden, welche die temperaturabhängige Temperatur strahlung der Meßstelle zu einem Strahlungsempfänger leiten, welcher die der Strahlungsintensität zugeordnete Temperatur anzeigt oder ein zugeordnetes elektrisches Signal abgibt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine einfache und daher kostengünstige, universell anwendbare Temperaturmessung von hoher Genauigkeit möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art darin, daß der Lichtleiter weniostens eine hohle, mit einer für Infrarot-Strahlung durchlässigen Füllung versehene Lichtleitfaser aufweist, die an ein an der vorgesehenen Meßstelle angeordnetes Fühlelement gekoppelt ist. Hierdurch wird die der vierten Potenz der absoluten Temperatur proportionale Gesamtstrahlung des Fühlelementes erfaßt und durch die Lichtleitfaser dem Strahlunasempfänger zugeleitet. Die Füllung der hohlen Lichtleitfaser mit einem Medium, welches Infrarotstrahlung durchläßt, ergibt hierbei eine besonders verlustlose Weiterleitung der Gesatmstrahlung von der Meßstelle zum Strahlungsempfänger, welcher die zugeordnete Temperatur anzeigt. Dies trifft insbesondere für einen Temperaturbereich von etwa 30 bis 1500C zu. Als Füllung der Lichtleitfaser kann z.B. Tetrachlorkohlenstoff Verwendung finden.
Die Anzahl der verwendeten Lichtleitfasern wird man auf die Größe des Fühlelementes und die baulichen Gegebenheiten des Einzelfalles abstimmen. So können für beengte Verhältnisse und/oder um die Temperaturverteilung des Meßobjektes möglichst wenig zu stören, Lichtleitfasern mit einem Durchmesser bis herab zu etwa 0,1 mm angewendet werden.
Gemäß einer empfehlenswerten Weiterbildung der Erfindung kann das Fühlelement im wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen Körper bestehen, der mit der Meßstelle gut wärmeleitend verbunden ist.
Soll das Fühlelement hierbei in Maschinenteile oder zwischen elektrische Wicklungen, z.B. in die Isoliermasse eingebettet werden, so kann das Fühlelement vorteilhaft kugelförmig ausgebildet sein, wogegen es zur Messung von Oberflächentemperaturen insbesondere plattenförmig und vorzugsweise der Kontur der Meßstelle angepaßt sein kann.
Eine andere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß das Fühlelement als Hohlraumstrahler ausgebildet ist, an dessen Hohlraum die Lichtleitfaser angeschlossen ist. Da ein Hohlraumstrahler etwa die Strahlungseigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist, wird vom Lichtleiter eine Strahlung erfaßt und zur Messung fortgeleitet, die der physikalischen Beziehung zwischen Temperatur und Strahlungsintensität weitgehend entspricht.
Um die Strahlungseigenschaften des Hohlraumes weitgehend denen eines schwarzen Körpers anzunähern, weist vorteilhaft der Hohlraum eine Innenfläche auf, die groß ist im Verhältnis zu der die Lichtleitfaser aufnehmenden Öffnung.
Das Verhältnis beträgt vorteilhaft mindestens etwa 10 : 1.
Die Ausbildung des Hohlraumes kann dadurch vereinfacht werden, daß dieser vom Fühlelement und mindestens einem Verschlußstopfen begrenzt ist.
Für eine gute E l,strahlung auf das Ende des Lichtleiters ist es günstig, wenn der Hohlraum als Hohlkugel ausgebildet ist, mit einer etwa zum Zentrum ausgerichteten Einführung der Lichtleitfaser. Hierbei kann die Lichtleitfaser von einer Wärmeisolierung umgeben sein, so daß Meßwertverfälschungen infolge von Temperaturableitungen oder Wärmezufuhr vermieden sind.
Um den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur auszuschalten, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Lichtleitfaser bzw. die Wärmeisolierung von mindestens einem vorzugsweise thermostatisierten Kühlmedium wenigstens bereichsweise umgeben sein. Dieses Kühlmedium ist vorteilhaft ein strömendes Fluid, das auf den jeweiligen Fall abgestimmt sei-n muß. Für Messungen in elektrischen Maschinen besteht dieses Fluid vorzugsweise aus elektrisch nichtleitendem Ö1, z.B. Transformatorenöl, jedoch sind auch gasförmige Fluide, wie Luft, Kohlensäure oder Stickstoff einsetzbar.
In manchen Fällen, z.B. bei kleinen oder handlichen Meßobjekten kann das Fühlelement vom Meßobjekt mitgebildet sein, d.h. Meßobjekt und Fühlelement bestehen aus einem Stück.
Weitere Vorteile und empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den schematischen Figuren hervor. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein an einem Bauteil angeordnetes plattenförmiges Fühlelement, Fig. 2 ein kugelförmiges, in einer elektrischen Wicklung angeordnetes Fühlelement, Fig. 3 ein als Hohlraumstrahler ausgebildetes, in einer Maschine angeordnetes Fühlelement im Vertikalschnitt, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 3 gemäß der Schnittlinie IV - IV, Fig. 5 das Ende eines Lichtleiters, der von einem Kühlmedium umgeben ist, in größerem Maßstab im Längsschnitt und Fig. 6 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 5 gemäß der Schnittlinie VI - VI.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Maschine 10 dargestellt, deren freie Oberfläche 12 mit einem Fühlelement 114 in Form einer kreisförmigen Platte versehen ist. Das Fühlelement 114 besteht aus gut wärmeleitendem Material, wie z.B. Kupfer oder Silber, und ist in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Oberfläche 12 der Maschine 10. Zur Verbesserung des Kontaktes kann eine Schicht Wärmeleitpaste, z.B. aus Aluminium oder Kupfer, zwischen dem Fühlelement 114 und der Maschine 10 eingefügt sein. Das plattenförmige Fühl-2 element 114 weist eine Fläche von etwa 1 bis 10 cm auf bei einer Dicke von etwa 0,1 bis 0,5 cm.
Etwa im Zentrum des Fühlelementes 114 ist der Lichtleiter 16 angekoppelt. Der Lichtleiter weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine einzige Lichtleitfaser 18 auf, die hohl, d.h. als Kapillare ausgebildet ist und mit einer für Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) durchlässigen Füllung 20 versehen und am Ende mit einem IR-Strahlung durchlassenden Stopfen 22 verschlossen ist.Als Füllung 20 kommt z.B. Tetrachlorkohlenstoff, gegebenenfalls mit Schwefelkohlenstoff gemischt, oder Tetrachloräthylen und als Material für die Kapillare z.B.
Quarzglas in Frage. Zur Befestigung der Lichtleitfaser 18 am plattenförmigen Fühlelement 114 ist diese mit der Platte durch einen IR-strahlungsdurchlässigen Klebstoff verbunden.
Um Wärmeableitungen oder Wärmezufuhr durch den Mantel des Lichtleiters 16 zu vermeiden, ist dieser mit einer sich bis zum Fühlelement 114 erstreckenden Wärmeisolierung 24 umgeben, ebenso ist das Fühlelement 114 mit einem wärmedämmenden Isolierstoff 26 abgedeckt.
Während des Betriebs der Maschine 10 nimmt infolge der gut wärmeleitenden Ausbildung und Befestigung des Fühlelements 114 dieses die Maschinentemperatur an. Die hierbei vom Fühlelement 114 abgegeb ene Wärmestrahlung wird durch den Lichtleiter 16 zum nicht dargestellten Strahlungsempfänger geleitet, der die Temperatur, welche der übertragenen Strahlungsintensität zugeordnet ist, erfa3t und in einem Meßgerät anzeigt. Da hierbei keinerlei elektrisch leitende Verbindung zwischen der Maschine 10 und dem Strahlungsempfänger bzw.
Meßgerät besteht, stören oder erschweren gegebenenfalls zwischen der Maschine 10 und dem Strahlungsempfänger vorhandene Potentialunterschiede und/oder magnetische bzw.
elektrische Felder die Messung nicht.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Wicklung einer elektrischen Maschine 28, z.B. eines elektrischen Motors, im Ausschnitt dargestellt. Die einzelnen elektrischen Leiter 30 sind mit gegenseitigem Abstand in einer Isoliermasse 32 eingebettet. Ebenso ist in dieser Isoliermasse im Raum zwischen den einzelnen Leitern 30 ein Fühlelement 214 eingebettet, welches die Form etwa einer Kugel aufweist, und aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder Silber besteht. An der Oberfläche dieser Kugel ist der Lichtleiter 24 befestigt, seine Befestigung und Ausbildung ist wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durchgeführt, ebenso erfolgt die Messung der Temperatur auf die gleiche Weise wie es beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläutert wurde.
Da beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 keinerlei metallische Verbindungen vom nicht dargestellten Strahlungsempfänger zum Fühlelement 214 erforderlich sind, ist keinerlei Beeinflussung der Messung durch magnetische oder elektrische Felder möglich, wie dies z.B. bei einer Temperaturmessung mit Thermoelementen der Fall wäre.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Maschine 10 in einem Vertikalschnitt. Das Fühlelement 314 besteht hier aus einem Körper, der mit gut wärmeleitendem Kontakt in dem zu messenden Bereich der Maschine angeordnet ist. Hierzu ist es am einfachsten, wenn das Fühlelement 314, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als zylindrischer Körper ausgebildet und in eine entsprechende öffnung der Maschine 10 eingepreßt ist. Hierbei muß der Werkstoff für das Fühlelement 314 selbstverständlich ebenfalls gut wärmeleitend, z. B.
metallisch sein, so daß das Temperaturprofil an der Meßstelle nicht oder höchstens geringfügig gestört wird.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Fühlelement 314 als Hohlraumstrahler ausgebildet, ist etwa in seinem Zentrum ein Hohlraum 34 angeordnet, der am einfachsten in Form einer Hohlkugel ausgebildet ist. Zur Herstellung dieser Hohlkugel wird im Fühlelement 314 eine Bohrung eingebracht, deren Grund die Form einer halben Hohlkugel 36 aufweist, und anschließend die Bohrung mit einem Verschlußstopfen 38 verschlossen, dessen linke Stirnseite ebenfalls als halbe Hohlkugel 40 ausgebildet ist, so daß sich bei eingesetztem Stopfen beide salbe Hohlkugeln 36, 40 zum hohlkugelförmigen Hohlraum 34 vereinen. Der Verschlußstopfen 38 muß hierbei gut wärmeleitend in das Fühlelement 314 eingesetzt sein, z.B. durch Einpressen oder Einschrauben, ebenso muß das Material des Verschlußstopfens 38 gut wärmeleitend sein.
Um dem Hohlraum 34 einheitliche Strahlungseigenschaften zu verleihen, bestehen seine Begrenzungswände aus gleichem Material und sind vorteilhaft mit einer schwarzen Oberfläche versehen.
Der zwischen dem Hohlraum 34 und dem nicht dargestellten Strahlungsempfänger eingefügte Lichtleiter 16 verläuft etwa im Bereich der Längsachse des Stopfens 38 und schließt etwa bündig mit der Wand des Hohlraums 34 ab. Bezüglich der Ausbildung des Lichtleiters und seiner Isolierung gelten auch hier die zu Fig. 1 gegebenen Erläuterungen. Der Querschnitt der öffnung 42, welche den Lichtleiter 16 aufnimmt, ist klein im Verhältnis zur Fläche des Hohlraumes 34 vorteilhaft im Verhältnis mindestens etwa 1' 10.
Während des Betriebs der Maschine 10 nimmt infolge der gut wärmeleitenden Ausbildung und Befestigung des Fühlelements 314 die Innenwand des Hohlraumes 34 die Maschinentemperatur an. Die auf die Stirnfläche des Lichtleiters 16 auftreffende Strahlung ist hierbei mit der Strahlung des absolut schwarzen Körpers etwa identisch, sie wird vom Lichtleiter 16 zum nicht dargestellten Strahlungsempfänger geleitet, die zugeordnete Temperatur dort ermittelt und von einem Meßgerät angezeigt.
Die Form des Fühlelements, in welchem der Hohlraum 34 ausgebildet ist, kann beliebig sein. So könnte insbesondere auch das Fühlelement 114 oder 214 mit einem Hohlraum versehen sein, an den der Lichtleiter angeschlossen ist.
Die Abmessungen der Fühlelemente sind jeweils auf den besonderen Anwendungs- und Meßfall abgestimmt. So kann das kugelförmigeFühlelement 214 mit einem Durchmesser bis herab zu etwa 0,5 mm hergestellt werden, wobei die Lichtleitfaser einen Durchmesser von etwa 0,1 mm aufweisen wird. Das Fühlelement 314 kann mit Hauptabmessungen hergestellt werden, die bis herab in den Bereich um 1 mm reichen.
Schließlich kann die Lichtleitfaser 18 bzw. die Wärmeisolierung 24 von einem Kühlmedium 44 umgeben sein, wie dies in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist, die eine Ausführungsvariante des Lichtleiters 16 zeigen. Hierzu weist der Lichtleiter 16 eine mit Abstand verlaufende, etwa rohrformige Umhüllung 46, z.B. aus Kunststoff auf. Der Innenraum der Umhüllung ist durch Stege 48, z.B. aus Kunststoff, die sich von der Umhüllung 46 bis zum Lichtleiter 18 etwa radial erstrecken, in einen ersten Raum 50 und einen zweiten Raum 52 aufgeteilt. Die Räume 50, 52 sind im Bereich des Stopfens 22 miteinander verbunden, z.B. durch Weglassen der Stege 48 in diesem Bereich, so daß das dem ersten Raum 50 am nicht dargestellten Ende des Lichtleiters 16 zugeführte Kühlmedium 44 bis etwa zum dargestellten Ende des Lichtleiters strömt, in den zweiten Raum 52 übertritt und hier zum nicht dargestellten Ende des Lichtleiters zurückströmt. Diese Strömung ist durch Pfeile angedeutet. Das zugeführte Kühlmedium ist vorzugsweise thermostatisiert, d.h. auf eine bestimmte, konstande Eintrittstemperatur geregelt, jeder störende Temperatureinfluß auf die Temperaturmessung ist somit ausgeschaltet.

Claims

Patentansprüche 1. Einrichtung zur Temperaturmessung an insbesondere elektrischen Maschinen, Bauelementen oder dergl., unter Ausnutzung der Infrarotstrahlung mit mindestens einem zwischen Meßstelle und Strahlungsempfänger eingefügten Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (16) J wenigstens eine hohle, mit einer für Infrarotstrahlung durchlässigen Füllung (20) versehene Lichtleitfaser (18) aufweist, die an ein an der Meßstelle angeordnetes Fühlelement (114; 214; 314) gekoppelt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (114; 214) im wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden, vorzugsweise meta]lischen Körper besteht, der mit der Meßstelle gut wärmeleitend verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (214) kugelförmig ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (114) plattenförmig und vorzugsweise der Kontur der Meßstelle angepaßt ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (314) als Hohlraumstrahler ausgebildet und an dessen Hohlraum (34) die Lichtleitfaser (18) angeschlossen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (34) eine Innenfläche aufweist, die groß ist im Verhältnis zu der die Lichtleitfaser (18) aufnehmenden Öffnung, vorteilhaft im Verhältnis größer als etwa 10 : 1.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (34) vom Fühlelement (314) und mindestens einem Verschlußstopfen (38) begrenzt ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (34) als Hohlkugel ausgebildet ist mit einer etwa zum Zentrum ausgerichteten Einführung der Lichtleitfaser (18).
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (18) von einer Wärmeisolierung (24) umgeben ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (18) bzw. Wärmeisolierung (24) von mindestens einem vorzugsweise thermostatisierten Kühlmedium (44) wenigstens bereichsweise umgeben ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium (44) ein strömendes Fluid ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement von der zu messenden Maschine, Bauelement o. dgl. mitgebildet ist.