DE4302076C2 - Dichtemeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Dichtemeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Druckempfindliche Meßgeräte in Form von Standard-Druckmanometern sind bekannt und werden z. B. für Armaturen von Gasflaschen verwendet. Das Meßprinzip eines Federmanometers beruht darauf, daß sich unter dem Einfluß des Druckes ein elastisches Meßglied verformt. Diese Verformung wird durch einen Übertragungsmechanismus in die drehende Bewegung eines Zeigers umgewandelt. Weiteste Verbreitung hat das Rohrfedermanometer mit dem sogenannten Bourdon-Rohr gefunden. Das elastische Meßglied besteht aus einem kreisförmigen, am Ende verschlossenen Hohlrohr von ovalem oder elliptischem Querschnitt. Wird der Innenraum des Rohres dem Meßdruck ausgesetzt, so vergrößert sich das Volumen und das Rohr windet sich etwas auf. Bei Unterdruck bewegt sich die Feder in der entgegengesetzten Richtung. Beim Plattenfedermanometer dehnt sich eine Platte bzw. bei einem Kapselfedermanometer eine aus zwei Membranen gebildete, geschlossene Kapsel bei Einwirkung eines Drucks. Als Anzeigeelement dient ein über einer Skala spielender Zeiger, welcher drehbar gelagert und mit dem elastischen Meßglied verbunden ist.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 90 07 575 ist ein Drehwertgeber bekannt, welcher es gestattet, einen Drehwinkel in elektrische Signale umzusetzen. Drehen sich Schleifer über einer Platte eines Codeträgers, welcher eine bestimmte Struktur von im wesentlichen konzentrischen leitenden und nichtleitenden Oberflächenelementen aufweist, so wird eine in den Graycode umgesetzte Spannung abgegriffen. Die leitenden Elemente sind elektrisch voneinander getrennt und als Kontaktstellen für die Schleifer ausgebildet.

Die Spannung ist an einem oder mehreren Ausgängen des Codeträgers abgreifbar und repräsentiert die Lage des Schleifers bezüglich des Codeträgers. Durch die Anzahl und Anordnung der für die Codierung vorgesehenen Leiterbahnen wird die Auflösung festgelegt.

Die Verwendung von Graycodes bei Drehstellungsgebern ist auch aus dem Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, 2. Auflage, 1967, Seite 715, bekannt. Der Vorteil des Graycodes besteht darin, daß sich bei einer Winkeländerung das digitale Ausgangssignal jeweils nur um 1 bit ändert.

Die elektrische Abtastung hat jedoch den Nachteil, daß die Kontakte verschleißen und infolge der Einwirkung von Umwelteinflüssen oxidieren können, so daß ein sicherer Kontakt nicht immer gewährleistet werden kann. Die Signale können außerdem durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden, wie z. B. hochfrequente transiente Felder.

Aus der Patentschrift 4,502,336, von der die Erfindung ausgeht, ist ein Druckmeßgerät bekannt, das ein Bourdonrohr aufweist, dessen bewegliches Ende mit einer optischen Meßeinrichtung gekoppelt ist. Bei der optischen Meßeinrichtung wird eine mit dem Gray-Code als optische Maske ausgearbeitete Platte vor einer Beleuchtungseinrichtung bewegt. Das durch die Maske fallende Licht wird mittels optischer Fasern an Detektoren weitergeleitet, deren Ausgangssignale ein Maß für den Druck darstellen.

Wie ein Bourdonrohr mittels einer Bimetallfeder zu einem Dichtemeßglied erweitert werden kann, ist in der US 4,214,474 dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtemeßgerät zu schaffen, welches eine digitale Ausgabe der Gasdichte erlaubt, welches unter erschwerten Umweltbedingungen und insbesondere durch starke elektromagnetische Felder nicht beeinflußt wird und billig herzustellen ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß bei elektromagnetischer Beeinflussung keine Störspannungen induziert werden können. Das liegt zum einen daran, daß die Signalleitungen als Lichtwellenleiter ausgebildet sind, und zum anderen daran, daß die Lichtwellenleiter in ein elektrisch und magnetisch abgeschirmtes Gehäuse führen, in welchem die optischen in elektrische Signale umgewandelt und in logischen Netzwerken und Mikroprozessoren weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise wird die Störanfälligkeit elektronischer Schaltungen in der durch starke elektromagnetische Felder beeinflußten Umgebung, beispielsweise von Hochspannungsleistungsschaltern, herabgesetzt.

Die Erfindung wird mit Vorteil bei SF₆-isolierten Leistungsschaltern verwendet, um die Dichte zu überwachen.

Diese Aufgabe ist sehr wichtig, da in elektrischen Energieverteilungsnetzen die Anforderungen an die Betriebssicherheit von Leistungsschaltern sehr hoch sind und die mit SF₆-Gas gefüllten Schalter über sehr lange Zeiträume das Gas speichern müssen. Das SF₆-Gas hat bei 20°C einen Druck von ca. 6 bar.

Durch die absolute Codierung ist es möglich, die Dichte bei einer Störung der Auswertschaltung oder nach einem Ausfall der Spannungsversorgung nach Beseitigung der Beeinträchtigung sofort wieder messen zu können. Der Aufwand für die Wartung, insbesondere bezüglich der Überwachung des Gasdrucks, läßt sich hierdurch erheblich vermindern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Überwachung ist wichtig, daß man nicht nur den Maximal- und den Minimalwert der Gasdichte fernüberwachen kann, sondern auch Zwischenwerte und einen Dichteanstieg oder Dichteabfall innerhalb eines bestimmten Meßbereichs. Durch den Graycode ist es möglich, einmal eine sichere Überwachung des gesamten Bereichs mit relativ geringer Meßgenauigkeit durchzuführen und gleichzeitig im wichtigen Druckbereich eine Verfeinerung der Messung vorzunehmen. Es ist nur nötig, in diesem Bereich auf der Codescheibe weitere Codesegmente konzentrisch in feinerer Unterteilung einzubringen. Aufgrund des Graycodes lassen sich auch Absolutwerte vorgeben, die digital als Grenzwerte überwacht werden können. Diese digitalen Werte stellen sich zunächst als Lichtimpulse bzw. als belichtete oder unbelichtete Lichtwellenleiter dar. Diesen werden entsprechende logische Zustände nach der Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale zugeordnet.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Dichtemeßgerät nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Scheibe mit Codeelementen nach Gray;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des optischen Meßwerterfassungs­ systems und

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der Codescheibe.

Ein handelsübliches Dichtemeßgerät 1 mit Bourdon-Rohr 13, Zeiger 12, Skala 11 sowie dem Zeigerantrieb 14 und mit einem temperaturempfindlichen Glied 15 ist in Fig. 1 dargestellt. Durch die Kompensationswirkung des temperaturempfindlichen Gliedes 15 kann die Gasdichte gemessen werden.

Nach der Erfindung befindet sich auf der Achse des Zeigers statt der üblichen Skalenscheibe eine Scheibe 2 mit lichtdurchlässigen Segmenten 3, wie in Fig. 2 dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Meßsystems mit der Scheibe 2, einer Optik 10, welche den über den Lichtleiter 4 übertragenen Lichtstrahl aus der lichtemittierenden Diode 9 spaltförmig auf die Scheibe 2 abbildet.

Hinter der Scheibe sitzen beispielsweise drei Lichtwellenleiter 5, 6 und 7. Ihr Licht wird in einem abgeschirmten Gehäuse, welches hier nicht dargestellt ist, auf die Dioden 8 geleitet. Das Gehäuse hat vorzugsweise eine erste Hülle aus ferromagnetischem Material und eine zweite Hülle aus einem elektrisch gut leitenden Material. Falls eine höhere Genauigkeit erforderlich sein sollte, sind weitere Segmente nach dem Graycode zur feineren Aufteilung des zu messenden Winkelbereichs vorgesehen. Statt des Bourdon-Rohrs kann auch eine Meßzelle mit Plattenfeder verwendet werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt geht der Bereich der Anzeige des Manometers über 270°. Um dies mit einer vernünftigen Auflösung darstellen zu können, wäre mindestens ein 8 oder 10 bit breiter Code notwendig. Dies wäre für eine Lichtleitermessung sehr aufwendig, da 10 Rückleitungen benötigt würden.

Wie sich zeigt, ist der eigentlich interessante Bereich viel kleiner. Man könnte ihn auf einen Winkel von 30° oder 60° beschränken. Der 30°- Bereich wäre mit einer 4-bit-Codescheibe, der 60°-Bereich mit einer 5- bit-Codescheibe und einer Auflösung von 2° darstellbar. Hierdurch läßt sich die Anzahl der Lichtleiter, die vom Gehäuse zum jeweiligen Schalter zu verlegen sind, vermindern.

Der Zeiger des Bourdon-Rohrs ist nach wie vor vorhanden, so daß auch vor Ort der Druck abgelesen werden kann.

Anstelle der Optik 10 kann auch ein Lichtleiter verwendet werden, der an seinem der Scheibe 2 zugewandten Ende in einzelne lichtleitende Elemente verzweigt, deren Enden je einer Spur der Scheibe 2 zugewandt ist.

In der Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Codescheibe 2 so modifiziert, daß sie dem Meßproblem angepaßt ist. Das bedeutet, daß die Längen der Codesegmente 3 sich nicht mehr wie 4 : 2 : 1 verhalten (3-bit-Graycode), sondern Winkelbereiche unterschiedlicher Größe definieren.

Dabei ist der eigentlich interessante Meßbereich feiner unterteilt und wie Fig. 4 zeigt, liegen die Grenzwerte, bei denen eine Meldung erfolgt, genau bei den Winkeln, bei denen sich die Bitfolge an einer Stelle ändert. Meldungen erfolgen beispielsweise bei P_A (SF₆-Schalter außer Betrieb setzen), P_M (Gasdruckabfall am Schalter wird gemeldet: "Wartung veranlassen"), P_S (Solldruck ist erreicht) und P_Ü (Schalter hat Überdruck). Dadurch ist es möglich, einige Lichtwellenleiter und Teile der Auswerteelektronik gegenüber dem Verfahren mit "linearem" Graycode einzusparen. Zwischen dem obersten und untersten Druck im Toleranzbereich P_S-P_M sind zwei Zwischenwerte detektierbar, sowie noch ein Zwischenwert P_O vor P_Ü. Es ist ohne weiteres möglich, diese Form der Codescheibe zu ändern, falls andere Alarmwerte gewählt werden. Eine feinere Unterteilung zwischen P_M und P_S ist möglich. Dabei tritt der Wert P_S an die Stelle des Zwischenwerts P_O.

Die Lichtwellenleiter unterliegen beim Schaltvorgang erheblichen mechanischen Wechselbeanspruchungen, die im Falle von Glasfasern zum Bruch führen können. Deshalb ist vorgesehen, daß die Lichtleitfasern aus einem hochtransparenten Kunststoff bestehen.

Claims (11)

1. Dichtemeßgerät für Gase mit einer druckempfindlichen Meßzelle, die mit einem temperaturempfindlichen Glied zur Erzeugung von druckunabhängigen Gasdichtewerten verbunden und an ein Anzeigeelement gekoppelt ist, welches eine von einem Drehwinkel abgeleitete Dichteanzeige bewirkt, wobei als Anzeigeelement des Meßgeräts (1) eine mit einer absoluten Winkelcodierung versehene Scheibe (2) vorgesehen ist, welche um einen von der Dichte abhängigen Winkel verdrehbar ist, und zur Anzeige Lichtstrahlen verwendet sind, welche von Codesegmenten (3) durchgelassen werden, die auf der drehbaren Codescheibe (2) in Spuren konzentrisch um den Drehpunkt angeordnet und wobei für Zufuhr, Kollimation und Detektion des Lichtes und zum Signaltransport Lichtwellenleiter (4, 5, 6, 7) verwendet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Codesegmente (3) einer Spur in einem modifizierten Graycode unterschiedliche Länge haben, daß beim Eintritt der Anfangs- oder Endpunkte der Codesegmente (3) in den Lichtstrahl bei Drehung der Codescheibe (2) die Bitfolge sich nur an einer Stelle ändert, und daß die Anfangs- und Endpunkte der Codesegmente (3) so gewählt sind, daß sie die zur Erfüllung einer Meßaufgabe wesentlichen Grenz- und Meßwerte repräsentieren.

2. Dichtemeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (4, 5, 6, 7) in ein elektrisch und magnetisch abgeschirmtes Gehäuse (10) hineingeführt sind und daß in diesem Gehäuse die gesamte Auswerteelektronik untergebracht ist.

3. Dichtemeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um bestimmte Meßwerte als Grenzwerte zu definieren.

4. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Signale in elektrische Signale umgewandelt und einer Auswertelogik, sowie einem Prozessorsystem zuführbar sind.

5. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Elektronik in einem Gehäuse aus einem Material hoher Permeabilität mit einer Auskleidung aus elektrisch gut leitendem Material angeordnet ist.

6. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle ein Bourdonrohr ist.

7. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle eine Plattenfeder aufweist.

8. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle mit dem Anzeigeelement über ein Getriebe gekoppelt ist.

9. Dichtemeßgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Überwachung der Gasdichte bei SF₆- Leistungsschaltern.

10. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Winkelauflösung von 2° und einem Winkelbereich von 30° auf der Codescheibe (2) bei einem 4-bit-Code 4 Spuren vorgesehen sind.

11. Dichtemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Winkelauflösung von 2° und einem Winkelbereich von 30° auf der Codescheibe (2) bei einem 5-bit-Code 5 Spuren vorgesehen sind.