DE3347176A1 - Vorrichtung zum messen des innendrucks eines betriebsmaessig eingebauten vakuumschalters - Google Patents

Description

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Berlin und München VPA 83 P 3 ^ 3 2 OE

Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters, der aus Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und Schaltkontakten sowie zugehörigem Antrieb besteht, unter Ausnutzung einer Kaltkathodenentladung (Penning-Effekt) mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, wobei das elektrische Feld zwischen wenigstens einem der Schaltkontakte und der metallischen Wand der Schaltkammer bzw. eines dazwischenliegenden Kondensationsschirmes angelegt wird und wobei zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete verwendet werden.

Bei der Fertigung von Vakuum-Schaltröhren ist es notwendig, den Innendruck der evakuierten Vakuumschaltgehäuse zu messen. Dazu wird beispielsweise die gesamte Schaltröhre in eine konzentrisch zur Schalterachse angeordnete Elektromagnetspule eingebracht, die ein magnetisches Feld erzeugt. Gleichzeitig wird ein elektrisches Feld an elektrisch leitende Bauteile der Schaltröhre derart angelegt, daß zumindest in Teilbereichen des Innenvolumens der Schaltröhre das elektrische und das magnetische Feld senkrecht aufeinanderstehen. Durch Ausnutzung des sogenannten Penning-Effektes kann eine Kaltkathodenentladung und damit ein Ionenstrom erzeugt werden, dessen Wert dem Innendruck der Schaltröhre im Druckbereich von

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10 bis 10 mbar proportional ist.

Wht 2 Gr / 07.12.1983

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Bei den bekannten Meßanordnungen wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß die Schaltröhre als allseitig frei zugängliches Einzelbauteil zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise in der US-PS 32 63 162 vorausgesetzt, wobei dort bei offenen Schaltkontakten das elektrische Feld zwischen einem Schaltkontakt und der notv/endigen, in der Schaltkammer liegenden Dampfabschirmung angelegt wird und das Magnetfeld durch eine Spule erzeugt wird. Alternativ dazu ist es aus der US-PS 28 64 998 auch bekannt, beispielsweise einerseits das elektrische Feld zwischen den geschlossenen Kontakten und der metallischen Dampfabschirmung anzulegen und andererseits für die Erzeugung eines kreuzenden Magnetfeldes Permanentmagnete zu verwenden. Speziell bei der in der US-PS 28 64 998 beschriebenen Vorrichtung stehen die Feldlinien der elektrischen und magnetischen Felder nur in Teilbereichen senkrecht aufeinander, so daß insgesamt vergleichsweise große Feldstärken notwendig werden.

fis wäre wünschenswert, den Innendruck von VakuumschaItröhren während der gesamten Lebensdauer, also auch im Schaltbetrieb überprüfen zu können. Es ist jedoch schwierig, zuverlässige Innendruckmessungen an Schaltröhren, die mit zugehörigem Antrieb in Schaltanlagen eingebaut sind, vorzunehmen, da die Zugänglichkeit erheblich eingeschränkt ist und insbesondere das Einbringen der Vakuumschaltröhre in eine koaxiale Zylinderspule nicht mehr möglich ist. Zwar ist in der EP-OS 0 056 722 eine Vakuumschaltröhre beschrieben, die bereits ein soge-0 nanntes ¹On line'-Vakuumüberwachungssystem beinhaltet. Dabei wird ebenfalls der Penning-Effekt ausgenutzt und durch dem Vakuumschaltrohr fest zugeordnete Komponenten

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das notwendige Magnetfeld erzeugt. Diese Komponenten können entweder magnetfelderzeugende Spulen oder Permanentmagnete sein, die innerhalb oder außerhalb der Schaltkammer angeordnet sind. Insbesondere kann ein Permanentmagnet ringförmig um die Schaltkammer gelegt sein.

Insbesondere letztere Anordnung mit integrierten Komponenten für eine ¹On line'-überwachung ist vergleichsweise aufwendig. Sie kann für die Verwendung bei übli- -\ Q chen Vakuumschaltern Nachteile haben, da durch das Magnetfeld der Permanentmagnete das Schaltverhalten beeinflußt wird.

Aus Gründen der Betriebsüberwachung soll jedoch der Innendruck von im Schalterantrieb befindlichen Vakuum-

—8 — "ί ■ Schaltröhren im Druckbereich von etwa 10 bis 10 mbar gemessen werden. Dabei soll diese Messung fakultativ im Prüffeld oder auch beim Anwender möglich sein, ohne daß das Schaltrohr aus dem Antrieb ausgebaut werden oder aufwendige mechanische Einstellarbeiten am Antrieb beispielsweise Hubverstellungen notwendig werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit Permanentmagneten arbeitet und sich leicht für die unterschiedlichen Bedürfnisse der Praxis anwenden läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Permanentmagnete stabförmig ausgebildet sind und derart ausgeformte Polschuhe aufweisen, daß sie zur Messung jeweils in Längsrichtung an einen Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer des im Schalterantrieb eingebauten Vakuumschalters anlegbar sind, wobei die Polschuhe der Permanentmagnete Metallformteile der Schaltkammer umgreifen und gleichermaßen die Magnetanordnung an der Schaltkammer für die Messung fixieren.

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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist wenigstens ein Permanentmagnet notwendig; vorzugsweise sind jedoch zwei oder vier Permanentmagnete vorhanden, wobei die Polschuhe jeweils halbkreisförmige Ausformungen bilden. Damit lassen sich die Grundplatten der Schaltkammer jeweils vollständig umschließen und die Magnete für die Messung fixieren. Vorteilhaft ist immer,daß auch bei eng nebeneinanderliegenden Vakuumröhren einer kompletten Schaltanlage mit zugehörigem Schalterantrieb aufgrund der geringen Bauhöhe der separaten Magnetanordnungen die Zugänglichkeit gewährleistet ist.

Aufgrund der Ausbildung der Permanentmagnet-Anordnung lassen sich Messungen mit vergleichsweise geringen FeIdstärken durchführen. Dabei ist der erwünschte Druckbereich von 10 bis 10 mbar erfaßbar, wozu ein axiales Permanentmagnetfeld in der Mitte der Vakuumröhrenachse

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etwa 10 Tesla betragen sollte. Durch Optimierung der Polschuhe läßt sich erreichen, daß die Magnetfeldminderung auch bei gegebenenfalls einzigen, einseitig angebrachten Permanentmagneten, auf dem dem Magneten gegenüberliegenden Rand nicht mehr als 75 % beträgt. Wenn vorzugsweise bei geschlossenen Schaltkontakten gemessen wird und die Kontaktanordnung auf Anodenpotential und das metallische Gehäuse der Schaltkammer auf Kathodenpotential gelegt wird, kann mit elektrischen Feldern zwischen einem und 4 kV, vorzugsweise aber bei 2 kV, gearbeitet werden.

0 Für die Auslegung der elektrischen Meßeinheiten können übliche Mittel des Standes der Technik verwendet werden: Der Ionenstrom fließt über einen Meßwiderstand, wobei der Spannungsabfall über ein geeignetes Extremwertvoltmeter registriert werden kann. Durch Kalibrierung oder Test-

BAD ORIGfNAL

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. messungen lassen sich die geeigneten Kennlinien für die jeweils benutzte Magnetanordnung ermitteln. Als Permanentmagnete sind übliche Stabmagnete verwendbar, die aus bekannten Werkstoffen bestehen. Werden Hochleistungsmagnete aus AlNiCo verwendet, ist es möglich, aufgrund deren geringen räumlichen Ausdehnung einzelne Stabmagnete über dem gesamten Umfang zu verteilen, wobei jeweils zwei Gruppen von Magneten durch Verbindung über gemeinsame Polschuhe mit halbkreisförmigen Ausnehmungen zusam-ο mengehören.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen Es zeigen:

FIG 1 das Prinzip des Meßverfahrens anhand einer Schnittdarstellung eines Vakuumschaltrohres mit angelegtem Permanentmagnet und schaltbildmäßig angedeuteten elektrisehen Meßeinheiten.

Die Figuren 2 bis 4 jeweils in perspektivischer Darstellung in der Meßstellung am Vakuumschaltrohr drei verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Permanentmagneten mit zugehörigen Polschuhen.

In den Figuren sind identische Teile, insbesondere die Teile der Vakuumröhre, mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen.

In FIG 1 bedeutet 1 einen Vakuumschalter, der im wesentlichen aus einem Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und darin fest angeordneten ersten Schaltkontakt sowie einen demgegenüber beweglich angeordneten zweiten Schaltkontakt

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besteht. Im einzelnen kennzeichnet 2 die eigentliche Schaltkammer, die aus einem metallischen Hohlzylinder mit jeweiligen ringförmigen Metallformteilen besteht, in die beidseitig jeweils Keramikisolatoren 3 und 4 vakuumdicht verbunden sind. In FIG 1 ist im unteren Isolator 3 ein erster Kontaktbolzen 5 starr eingefügt, während im anderen Isolator 4 ein zweiter Kontaktbolzen mittels eines flexiblen Metallbalges 7 demgegenüber verschiebbar angeordnet ist. Die Kontaktbolzen 5 und 6 tragen auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils Kontaktstücke 8 und 9, auf deren Aufbau und Material hier nicht weiter eingegangen zu werden braucht.

Bei der Herstellung des beschriebenen Vakuumschalters wird die Schaltkammer nach Aufbau und vakuumdichten Verbinden der Einzelteile evakuiert und durch Abquetschen des Pumprohres von der Vakuumpumpe getrennt. Eine Prüfung der Vakuumdichtigkeit sowie Messung des nach Herstellung des Kontaktes erreichten Enddruckes schließt sich im Normalfall dem Herstellungsverfahren an. Nachfolgend wir ein Meßaufbau für eine Messung unter Ausnutzung des Penning-Effektes beschrieben, mit dem auch bei anschließend in eine Schaltanlage eingebautem Vakuumschaltrohr gemessen werden kann.

In FIG 1 bedeutet 10 ein Stabmagnet, der tangential an einem ümfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer 2 angelegt ist. Wie aus der Schnittdarstellung der FIG 1 ersichtlich ist, sind beidseitig an den Polen 0 der Stabmagneten, dessen Länge exakt auf die Zylinderhöhe der Schaltkammer 2 abgestellt ist, Polschuhe 11 und 12 aus Weicheisen angebracht. Die Polschuhe 11 und 12 greifen vom Nord- und Südpol des Stabmagnetens 10 über

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die Grundflächen des Vakuumschaltrohres 1 und umschließen die Schaltkammer 2 an den Übergängen zu den Isolatorstrecken 3 und 4 ringförmig.

In FIG 1 sind die durch den Magneten 10 mit Polschuhen 11 und 12 erzeugten Magnetfeldlinien schematisch angedeutet. Durch die spezielle Ausbildung der Polschuhe ist gewährleistet, daß die Magnetfeldverminderung auch bei einem einseitig angebrachten Magneten auf der dem Magneten gegenüberliegenden Seite der Schaltkammer 2 nicht mehr als 75 % des Ausgangsfeldes beträgt. Bei Wahl geeigneter Permanentmagnete läßt sich erreichen, daß in der Mittelachse der Schaltkammer 2 ein Magnetfeld

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von 10 Tesla vorhanden ist.

Das Magnetfeld verläuft also im wesentlichen axial oder in dazu parallelen Richtungen. Elektrisch ist die Schaltkammer 2 so geschaltet, daß bei geschlossenen Kontakten 8 und 9 gemessen wird. Dabei werden die Kontakte auf Anodenpotential und der dem gegenüberliegenden metallischen Mantel der Schaltkammer 2 auf Kathodenpotential gelegt. Die elektrische Spannungsversorgungs- und Meßanordnung ist mit 15 bezeichnet. Sie besteht im einzelnen aus einer Gleichspannungsquelle 16, deren positiver Ausgang an den Kontaktbolzen 6 und deren negativer Ausgang an die Wand der Schaltkammer 2 gelegt ist. Dadurch wird ein radiales elektrisches Feld erzeugt, welches im gesamten Bereich weitgehend senkrecht zum erzeugten Magnetfeld liegt.

Durch die Beschaltung der Gehäusewand 2 mit negativem Potential wird eine optimal große Kathode gebildet, die als Kaltkathode zur Emission von Elektronen dient. Das elektrische Feld kann etwa zwischen 1 und 4 kV liegen und beispielsweise 2 kV betragen.

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Die emittierten Elektronen gelangen aufgrund des gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldes nicht unmittelbar zur Anode, sondern führen in etwa Spiralbahnen aus. Damit ist die Laufstrecke genügend weit verlängert, um auch im niedrigen Druckbereich eine ausreichende Ionisierung noch vorhandener Gasmoleküle zu erreichen. Der Ionenstrom ist dann als Maß für den Druck erfaßbar. Dieses Meßverfahren ist in der Vakuumtechnik hinreichend bekannt.

Während aber im Normalfall bei Ausnutzung des beschriebenen Penning-Effektes elektrische Spannungen zwischen 1000 und 20 000 V und Magnetfelder zwischen 0,2 und 0,35 Tesla zur Zündung einer Entladung benötigt werden, konnte anhand umfangreicher Untersuchungen gezeigt werden, daß bei der beschriebenen Anordnung bereits die angegebenen niedrigeren elektrischen Spannungen und niedrigen Magnetfeldstärken genügen.

Dem elektrischen Schaltkreis ist ein Widerstand 17 mit dem Wert R„ in Reihe geschaltet, an dem mittels eines parallelgeschalteten Extremwertvoltmeters 18 der Spannungsabfall gemessen werden kann. Aus dem Spannungsabfall wird bei bekannten R.. der Strom ermittelt und

eine Kalibrierung des Ionenstroms in Abhängigkeit des Druckes im Vakuumschaltrohr 1 vorgenommen. Aus der jeweiligen Kalibrierkurve, die vom Schaltrohrtyp abhängig ist, kann nach Messen des Ionenstroms auf den Innendruck des betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters geschlos-

3Q sen werden.

In den Figuren 2 bis 4 bedeutet jeweils 2 die zylinderförmige Schaltkammer mit den von außen angedeuteten

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Isolatoren 3 und 4 sowie den Schaltbolzen 5 und 6. Aus den perspektivischen Darstellungen ist nun insbesondere die Ausbildung der für die Stabmagneten verwendeten Polschuhe im einzelnen ersichtlich.

In FIG 2 bedeuten 21 und 22 zwei Stabmagnete, die an einem Umfangsabschnitt der Schaltkammer 2 benachbart nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Magnete 21 und 22 hat an seinen gegenüberliegenden Enden identisch ausgebildete Polschuhe 25 bis 28, die ausgehend von der Magnetquerschnittsfläche in etwa je eine halbe Ringscheibe bilden. Dabei ergänzen sich die beiden zueinander spiegelbildlich ausgebildeten Ringscheiben der beiden Magnete 21 und 22 zu einem Gesamtring, der die Isolatoransätze vollständig umschließt.

In FIG 3 sind Stabmagnete 31 bis 32 vorhanden, die aber an zwei gegenüberliegenden Umfangsabschnitten der Schaltkammer 2 liegen. Vier den Magnetpolen zugeordneten Polschuhe 35 bis38 bilden jeweils wieder je einen Halbring, wobei je ein Magnet mit zwei Polschuhen eine Einheit bildet. Durch ein spiegelbildliches Zusammenfügen der beiden Teileinheiten wird wieder ein Komplettumschluß des Vakuumschaltrohres am Isolatoransatz gebildet.

Bei den anhand der Figuren 2 und 3 beschriebenen Anordnungen der Permanentmagnete mit Polschuhen ist jeweils durch die vergleichsweise flache Bauform und getrennte Handhabungsmöglichkeit der spiegelbildlich zueinander ausgebildeten Einheiten sichergestellt, daß diese auch um solche Schaltröhren legbar sind, welche in Schaltanlagen eng benachbart nebeneinander eingebaut sind. Allerdings läßt sich bei den üblichen magnetischen Werkstoffen (Eisenoxide) und den vorgegebenen Randbedingungen

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eine bestimmte Querschnittsfläche der Stabmagnete nicht unterschreiten. Insofern werden dann bei Wahl von mehr als zwei, z.B vier, Magneten die einzelnen Magnete jeweils gruppenweise gegenüberliegen müssen.

Es sind jedoch auch magnetische Werkstoffe hoher Wirksamkeit bekannt, die es ermöglichen, einzelne Stabmagnete wesentlich schlanker auszuführen. In diesem Fall ist es möglich, das gesamte Schaltgehäuse 2 mit einer Mehrzahl

-] 0 von Einzelmagneten zu umgeben, was im einzelnen in FIG 4 dargestellt ist. Es bedeuten 40 identische Stabmagnete aus AlNiCo 7 00, die mit Abstand rund um das Schaltgehäuse gelegt sind. Mit 45 bis 48 sind jeweils wieder die oberen und unteren Polschuhe bezeichnet, die entsprechend den Figuren 2 und 3 aufgebaut sind, aber in diesem Fall keine Ausbuchtungen enthalten brauchen. Durch beide Teilanordnungen werden jetzt jeweils halbzylinderartige Gebilde geformt, welche bei Bedarf für eine Vakuummessung nach dem Penning-Effekt um eine Schaltröhre legbar sind.

Für die praktische Anwendung der beschriebenen Vorrichtung kann eine problemangepaßte Zahl von Permanentmagneten gewählt werden. Für Testmessungen in vergleichsweise schlechten Vakuum kann in der Praxis ein einziger Magnet ausreichen. Soll jedoch über einen größeren Meßbereich bei vergleichsweise guten Vakuum gemessen werden und wird eine lineare Kennlinie angestrebt, so ist die Zahl der stabförmigen Permanentmagnete entsprechend zu erhöhen, da insbesondere im untersten Druckbereich die Zündgrenze der Gasentladung stark abhängig vom Verlauf des magnetischen Feldes ist. In allen Fällen ist durch die Erfindung erreicht, daß mit optimal niedrigen

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elektrischen und magnetischen Feldern auch bei betriebsmäßig in Schaltanlagen eingebauten Vakuumschaltern gemessen werden kann.

1O Patentansprüche 4 Figuren

- Leerseite -

Claims (10)

.3357176 - χι - VPA 83 P 3 h 3 2 DE Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks eines betriebsmäßig eingebauten Vakuumschalters, der aus Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und Schaltkontakten sowie zugehörigem Antrieb besteht, unter Ausnutzung einer KaItkathodenentladung (Penning-Effekt) mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, wobei das elektrische Feld zwischen wenigstens einem der Schaltkontakte und einer metallischen Wand der Schaltkammer bzw. des dazwischenliegenden Kondensationsschirmes angelegt wird und wobei., zojiuJiagnetf elderzeugung Permanentmagnete verwendet:_: 'Werden, ' *d adurch gekennzeichn et'", daß die Permanentmagnete (10; 21, 22; 31, 32; 40) stabförmig ausgebildet sind und derart ausgeformte Polschuhe (11, 12, 25 - 28, 35 - 38, 45 - 48) aufweisen, daß die Magnetanordnung zur Druckmessung des in eine Schaltanlage eingebauten Vakuumschaltrohres (1) direkt in Längsrichtung an einen Umfangsabschnitt der zylinderförmigen Schaltkammer (2) anlegbar ist, wobei die Polschuhe (11, 12, 25 - 28, 35 - 38, 45 - 48) Metallformteile der Schaltkammer (2) umgreifen und gleichermaßen die Magnetanordnung an der Schaltkammer (2) für die Messung fixieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein einziger Permanentmagnet (10) vorhanden ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Permanentmagnete (21, 22) vorhanden sind, die jeweils Polschuhe (25 - 28) mit halbkreisartigen Ausformungen aufweisen, wobei bei

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nebeneinanderliegenden Permanentmagneten (21, 22) die Schaltkammer (2) vollständig umschlossen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß zwei Permanentmagnete (31, 32) vorhanden sind, die gegenüberliegend über Polschuhe (35 - 38) mit halbkreisförmigen Ausnehmungen verbunden sind, wobei jeweils zwei dieser Anordnungen die Schaltkammer (2) vollständig umschließen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (10; 21, 22; 31, 32) aus üblichen Magnetwerkstoffen, beispielsweise Eisenoxiden, bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von dünnen stabförmigen Permanentmagneten (40) vorhanden ist, von denen jeweils zwei Gruppen über Polschuhe (45 - 48) mit halbkreisförmigen Ausnehmungen verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (40) aus AlNiCo-Legierungen bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (11, 12; 25 - 28; 35 - 38; 45 - 48) aus Weich-0 eisen bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltkontakte (8, 9) auf Anodenpotential und die Wandung der Schaltkammer (2) auf Kathodenpotential liegt.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz zwischen 1 und 4 kV, vorzugsweise 2 kV beträgt.