DE4412012A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gasatmosphäre, insbesondere in druckgasisolierten Hochspannungsschaltanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gasatmosphäre, insbesondere in druckgasisolier­ ten Hochspannungsschaltanlagen sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Bei druckgasisolierten Hochspannungsschaltanlagen wird durch eine Gasatmosphäre mit einem Druck von einigen Bar der bei einem Schaltvorgang bestehende Abreißfunke unterdrückt. Für eine wirk­ same Unterdrückung des Abreißfunkens ist das Einhalten einer bestimmten Gasdichte und einer Obergrenze für die Luftfeuchtig­ keit erforderlich. Diese Faktoren müssen durch den Einsatz einer geeigneten Meß- und Überwachungsvorrichtung ständig kontrolliert werden.

Bekannte Meß- und Überwachungseinrichtungen verwenden als Fühler häufig einen Gasdrucksensor. Dieser bringt aber den entschei­ denden Nachteil mit sich, daß anstelle des entscheidenden Fak­ tors, nämlich der Gasdichte, nur der temperaturabhängige Gas­ druck gemessen wird. So wird möglicherweise durch eine niedrige Temperatur eine Undichtigkeit des Schaltraumes vorgetäuscht, bzw. eine möglicherweise vorhandene Leckage durch eine erhöhte Temperatur überdeckt und dadurch nicht erkannt. Zur Beseitigung dieses Mangels wäre der Einsatz eines zusätzlichen Temperatur­ sensors und eine entsprechende Korrektur des gemessenen tempera­ turabhängigen Gasdrucks zu einem temperaturunabhängigen Kon­ trollwert erforderlich. Nachteilig hierbei ist jedoch der damit verbundene erhöhte Aufwand bei der Realisierung der Meß- und Überwachungseinrichtung.

Aus diesem Grund ist bei einer anderen Gruppe von Meß- und Über­ wachungseinrichtungen ein Meßverfahren realisiert, bei dem die Gasdichte direkt mittels optischer Interferometrie bestimmt wird. Bei diesen optischen Interferenz-Meßverfahren wird die Gasdichte durch die Messung der optischen Weglänge eines be­ stimmten Wegs eines durch das Gas hindurchtretenden Lichtstrahls bestimmt.

Hierzu ist es beispielsweise bekannt, einen Lichtstrahl in zwei Strahlen aufzuteilen, wobei der eine Strahl durch die zu überwa­ chende Gasatmosphäre und der andere Strahl durch ein Referenzgas geführt wird. Anschließend werden beide Strahlen wieder zusam­ mengeführt, wodurch ein allein von der Gasdichte der zu über­ wachenden Atmosphäre abhängiges Interferenzgitter entsteht, aus dessen Struktur die zu bestimmende Gasdichte ermittelt werden kann. Nachteilig hierbei ist jedoch der mit der Aufteilung in die beiden optischen Strahlenwege verursachte Aufwand.

Des weiteren ist aus der EP 0 338 185 A2 eine Einrichtung mit einem optischen Gassensor zur Dichtemessung und -überwachung von Gasen bekannt, bei der ein aus zwei planparallelen Platten be­ stehender optischer Interferenzsensor verwendet wird. Diesem Sensor wird das Licht einer breitbandigen Lichtquelle zugeführt, so daß das Ausgangssignal dieses Fabry-Perot-Etalons in seinem Spektrum ein Interferenzmuster zeigt, aus dessen Struktur bei bekanntem Abstand der planparallelen Platten die Brechzahl der Gasatmosphäre und hieraus die Gasdichte berechnet werden kann.

Nachteilig bei dieser Einrichtung ist der relativ kompliziert und nur mit entsprechendem Aufwand herzustellende, aus zwei planparallelen Platten bestehende optische Interferenzsensor, da der Abstand der beiden Platten nur wenige Mikrometer betragen darf, um die Streifen des Interferenzmusters des Ausgangssignals eines derartigen Sensors noch mit vertretbarem Aufwand auflösen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das letztgenann­ te Verfahren zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gas­ atmosphäre, insbesondere in druckgasisolierten Hochspannungs­ schaltanlagen, so weiterzubilden, daß der erforderliche optische Interferenzsensor einfacher und mit geringerem Aufwand herge­ stellt werden kann, ohne hierdurch einen Mehraufwand bei der Auswertung des optischen Ausgangssignals des Interferenzsensors zu verursachen. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentan­ sprüche 1 und 7.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein optischer, aus zwei planparallelen Platten mit genau definiertem Abstand bestehender Interferenzsensor auf einfachere Weise herzustellen und der Abstand der beiden Platten genauer zu kontrollieren und einzuhalten ist, falls der Abstand der beiden Platten wenigstens in der Größenordnung von einigen Zehnteln Millimetern liegt. Hierdurch ergibt sich jedoch ein Spektrum des Ausgangssignals des Sensors, bei dem das durch die konstruktive und destruktive Interferenz der einzelnen Teilstrahlen entstehende Streifenmu­ ster direkt nicht mehr mit vertretbarem Aufwand aufgelöst werden kann.

Erst durch den Einsatz eines Referenzinterferometers, welches das Ausgangssignal des Interferenzsensors mit einem weiteren, der Dichte eines Referenzmediums entsprechenden Streifensystem moduliert, wird eine Signalauswertung mit vertretbarem Aufwand möglich. Hierbei wird die Dichte der Gasatmosphäre aus der Schwebungsfrequenz des durch den Interferenzsenors und das Refe­ renzinterferometer erzeugten Moir´ bestimmt, das bei der spek­ tralen Zerlegung dieses modulierten Sensorsignals entsteht.

Hierbei ist selbstverständlich ohne Bedeutung, ob das Ausgangs­ signal des Interferenzsensors durch das Referenzinterferometer oder das Ausgangssignal der Referenzinterferometers durch den Interferenzsensor moduliert wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der In­ terferenzsensor in Reflexion und das Referenzinterferometer in Transmission betrieben. Das heißt, im Fall des Interferenzsen­ sors wird das von diesem reflektierte Licht und im Fall des Referenzinterferometers wird das durch dieses hindurchtretende Licht ausgewertet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß der Interferenzsensor, der an oder in dem zu überwachenden Schalt­ schrank montiert werden muß und demzufolge üblicherweise in größerer Entfernung von der Meßeinrichtung positioniert ist, mittels nur einem einzigen Lichtwellenleiter mit der Meßeinrich­ tung verbunden werden muß. Der Lichtwellenleiter dient dann so­ wohl dazu, um das Licht einer breitbandigen Lichtquelle dem Interferenzsensors zuzuführen als auch zur Rückleitung des Sen­ sorsignals zur Meß- und Überwachungseinrichtung.

Die zur Berechnung der Gasdichte erforderliche Frequenz des Moir´ des Auswertesignals erfolgt vorzugsweise durch Fourier- Transformation des Auswertesignals und der Bestimmung der Eigen­ frequenz des Leistungsspektrums.

Da bei derartigen Meß- und Überwachungseinrichtungen üblicher­ weise ein auf eine Referenztemperatur bezogener Druckwert ange­ geben bzw. angezeigt wird, erfolgt bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine entsprechende Umrechnung der Dichte der Gasatmosphäre.

Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung weist einen optischen Schalter auf, der den Eingang des Spek­ trographen mit dem Interferenzsensor bzw. dem Referenzinterfero­ meter verbindet. In einer weiteren Schalterstellung kann der optische Schalter zur Durchführung einer Kalibriermessung die breitbandige Lichtquelle direkt mit dem Spektrographen verbin­ den.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung ist der Interferenzsensor und das Referenzinterferome­ ter in Form zweier planparalleler Platten realisiert, welche mittels eines Abstandshalters in einem exakt definierten Ab­ stand von vorzugsweise 0,5 mm gehalten sind.

Der Abstandshalter ist dabei aus einem Material mit einem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten von kleiner ± 0,1×10^-6 K^-1 gebil­ det, vorzugsweise aus einer Glaskeramik, deren thermischer Aus­ dehnungskoeffizient durch eine geeignete Kombination dieses Werk­ stoffes in kristalliner und glasartiger Phase kompensiert ist.

Der Abstandshalter ist mit den planparallelen Platten vorzugs­ weise durch Ansprengen verbunden, wodurch sich der Vorteil er­ gibt, daß durch die Verbindung selbst keine Ungenauigkeiten des Plattenabstands verursacht werden, wie dies beispielsweise bei einem Verkleben der Platten mit dem Abstandshalter der Fall wäre.

Für das Zu- und Abführen der optischen Signale zu den planpar­ allelen Platten mittels Lichtwellenleiter werden zur Fokusierung des Lichts Stablinsen, vorzugsweise Gradientenlinsen, verwendet, deren eine Stirnfläche in Kontakt zu der benachbarten Platte steht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein­ richtung ist der Sensor so ausgebildet, daß nur eine der beiden planparallelen Platten in einem Sensorgehäuse, vorzugsweise justierbar, gehalten ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß Veränderungen der Spannungsverhältnisse im Sensorgehäuse sich nicht auf den Abstand der planparallelen Platten auswirken. Eine Beeinflussung der Sensor- bzw. Interferometereigenschaften und damit eine Verfälschung des Meßergebnisses wird auf diese Weise sicher vermieden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gasatmo­ sphäre nach der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Meßkü­ vette in Fig. 1;

Fig. 3 eine konstruktive Ausgestaltung des Interferenzsen­ sors in Fig. 1;

Fig. 4 eine konstruktive Ausgestaltung des Referenzinter­ feromers in Fig. 1 und

Fig. 5 den wesentlichen Abschnitt einer weiteren Ausfüh­ rungsform eines Interferenzsensors.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispie­ les der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung und Überwa­ chung der Dichte einer Gasatmosphäre mit einem Sensorkopf 1, der über ein zweiadriges Lichtwellenleiterkabel 3 mit der Meß- und Überwachungseinheit 5 verbunden ist.

Die Verbindung des Sensorkopfes 1 mit der Meß- und Überwachungs­ einheit 5 mittels eines Lichtwellenleiterkabels ermöglicht die problemlose örtliche Trennung der Meßstelle von der Meß- und Überwachungseinrichtung. Gleichzeitig wird hierdurch eine galva­ nische Trennung erreicht, die gerade bei kritischen Meßstellen, beispielsweise einer Hochspannungsschaltanlage, die Meß- und Überwachungeinheit 5 vor möglichen Störfeldern schützt. Darüber hinaus wird durch die Verwendung einer Lichtwellenleiterverbin­ dung eine elekromagnetische Beeinflussung des Meßsignals durch Störfelder vermieden. Die Lichtwellenleiterverbindung mittels des Kabels 3 ermöglicht problemlos die Überwindung von großen Entfernungen zwischen dem Sensorkopf 1 und der Meß- und Über­ wachungseinheit 5.

Die beiden Fasern des Lichtwellenleiterkabels 3 verbinden mit­ tels einer Lichtwellenleitersteckverbindung 7 einen Gasdichte­ sensor 9 und einen Feuchte 11 über eine weitere Lichtwellenlei­ tersteckverbindung 13 mit der Meß- und Überwachungseinheit 5.

Der Feuchte 11 spielt im Zusammenhang mit der Erfindung nur eine untergeordnete Rolle, so daß auf dessen detaillierte Beschrei­ bung im folgenden verzichtet werden kann. Erwähnenswert ist lediglich, daß es sich bei dem Feuchte 11 ebenfalls um einen optischen Sensor handelt, der die Bestimmung der in der Gasatmo­ sphäre enthaltenen Feuchtigkeit durch eine Analyse des optischen Spektrums des Sensorausgangssignals ermöglicht.

Der Gasdichtesensor 9 besteht im wesentlichen aus einer Meßkü­ vette 15, der über Lichtwellenleiter 17, 19, 21, 23 und 25 sowie über die Stablinse 27 das Licht einer breitbandigen Lichtquelle 29 zugeführt wird. Der Lichtwellenleiter 23 verbindet innerhalb des Sensorkopfes 1 die Lichtwellenleitersteckverbindung 7 mit dem Gasdichtesensor 9 mittels einer weiteren Lichtwellenleiter­ steckverbindung 31. Hierdurch wird ein einfacher Austausch bzw. Ersatz des Gasdichtesensors ermöglicht.

Als Lichtquelle 29 eignet sich beispielsweise eine handelsüb­ liche Halogenlampe, die neben dem erforderlichen breiten und kontinuierlichen Spektrum den Vorteil einer langen Lebensdauer aufweist.

Da das Licht der Lichtquelle 29 aus nachstehend erläuternden Gründen gleichzeitig in mehrere Lichtwellenleiter eingekoppelt werden muß, wird die Glühwendel der Halogenlampe über eine Lin­ senoptik 33 leicht unscharf auf ein 3-fach-Pigtail abgebildet. Durch die leicht unscharfe Abbildung ist eine gleichmäßige Aus­ leuchtung der drei im Pigtail enthaltenen Lichtwellenleiter 17, 35 und 37 für den Gasdichtesensor, den Feuchte und das Referenz­ licht für Kalibriermessungen gewährleistet.

Bei der Auswahl der Lichtwellenleiter muß ein Kompromiß zwischen hoher Lichtausbeute und gutem Kontrast gefunden werden, da der Kontrast des Signals mit steigendem Kerndurchmesser des Licht­ wellenleiters abnimmt. Als guter Kompromiß bietet sich die Ver­ wendung einer 100/140 µm-Gradientenfaser an. Dieser Quarz- Lichtwellenleiter weist im interessierenden Spektralbereich nur einen Dämpfungsbelag von wenigen dB/km auf, so daß die durch die Lichtwellenleiterlänge verursachte Dämpfung bei den zu über­ brückenden Strecken vernachlässigt werden kann.

Da bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Gas­ dichtesensor 9 in Reflexion betrieben wird, d. h. es wird das von dem Sensor reflektierte Signal ausgewertet, ist der Lichtwellen­ leiter 17 mit dem Lichtwellenleiter 19 über einen 1/2-Lichtwel­ lenleiterkoppler 41 verbunden. Auf diese Weise kann ein bestimm­ ter Betrag des vom Gasdichtesensor 9 reflektierten Signals aus dem Lichtwellenleiter 19 ausgekoppelt und in einen Lichtwellen­ leiter 39 eingekoppelt werden.

In analoger Weise wird ein Teil des Signals des Feuchtesensors 11 in einen Lichtwellenleiter 43 eingekoppelt.

Das Signal des Gasdichtesensors 9 wird einem Referenzinterfero­ meter 45 zugeführt, welches das Ausgangssignal des Gasdichtesen­ sors 9 moduliert, um eine einfache Auswertung des Sensorsignals zu ermöglichen. Das Ausgangssignal des Referenzinterferometers 45 wird mittels eines Lichtwellenleiters 47 einem Eingang eines optischen Schalters 49 zugeführt dessen Ausgang über einen Lichtwellenleiter 51 mit einem Spektrographen 53 verbunden ist. Weitere Eingänge des optischen Schalters 49 sind mit den Dichtwellenleitern 43 und 37 verbunden, die dem betreffenden Eingang des optischen Schalters 49 das Signal des Feuchtesensors 11 bzw. direkt das Referenzlicht der Lichtquelle 29 zuführen. Mittels des optischen Schalters 49 kann daher dem Spektrographen 53 wahl­ weise das Signal des Gassensors 9, das Signal des Feuchtsensors 11 oder das Referenzlicht der Lichtquelle 29 geführt werden.

Hierzu ist der optische Schalter 49 vorzugsweise steuerbar aus­ gebildet, wobei die Ansteuerung des Schalters eine Steuer- und Auswerteeinheit 55 übernimmt.

Der Spektrograph 53 weist ein Reflexionsgitter 57 auf, auf wel­ ches das aus dem Lichtwellenleiter 51 austretende dicht auf­ trifft. Das von dem konkav ausgebildeten Reflexionsgitter ge­ beugte und reflektierte Licht wird auf eine CCD-Zeile 59 abge­ bildet, die das dem Spektrographen 53 mittels des Lichtwellen­ leiters 51 zugeführte dicht in elektrische Signale umwandelt und der Steuer- und Auswerteeinheit 55 zuführt.

Die Meßküvette 15 des Gassensors 9 weist die aus Fig. 2 ersicht­ liche Struktur auf. Zwei planparallele Platten 61 und 63 sind mittels des ringförmig ausgebildeten Abstandshalters 65 in einem exakt definierten Abstand d gehalten. Der Abstandshalter 65 ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, so daß der Innenraum der Küvette 15 über zwei Kanäle mit der die Küvette umgebenden Gas­ atmosphäre verbunden ist.

Der Aufbau der entsprechenden Küvette des Referenzinterferome­ ters 45 ist in wesentlichen mit dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau der Meßküvette 15 identisch, wobei jedoch auf die Aus­ bildung von Kanälen verzichtet werden kann. Auf diese Weise ist der zwischen den beiden planparallelen Platten und dem ringför­ migen Abstandshalter gebildete Zwischenraum abgeschlossen. Die­ ser kann mit einem Referenzgas gefüllt oder evakuiert sein.

In jedem Fall ergibt sich das von einer der beiden Küvetten erzeugte optische Signal durch die Überlagerung der an den In­ nenflächen der beiden planparallelen Platten reflektierten Strahlen, die durch die Küvette hindurchtreten bzw. von dieser reflektiert werden.

Bei der Herstellung der Küvetten ist darauf zu achten, daß für den Abstandshalter ein Material gewählt wird, dessen Temperatur­ ausdehnungskoeffizient möglichst gering ist. Hierfür bietet sich an, den Abstandshalter aus einer Glaskeramik zu fertigen, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient durch eine geeignete Kombina­ tion dieses Werkstoffes in kristalliner und glasartiger Phase kompensiert ist. In derartiger Werkstoff ist beispielsweise die Glaskeramik Zerodur der Fa. Schott.

Zur Verbindung der beiden planparallelen Platten mit dem Ab­ standshalter ist eine Verbindungstechnik zu wählen, die die Position der beiden Glasplatten zueinander unabhängig von der Temperatur konstant hält. Ein Verkleben oder Verkitten ist daher nur schwierig zu verwirklichen, da zwischen den einander gegen­ überliegenden Flächen der Glasplatten und des Abstandshalters nach Möglichkeit kein Material mit relativ großem Temperaturaus­ dehnungskoeffizienten eindringen soll.

Als in der Praxis besonders vorteilhaft hat sich das Ansprengen der Glasplatten an den ringförmigen Abstandshalter erwiesen. Diese Verbindungstechnik beruht lediglich auf der Ausnutzung der Adhäsionskräfte, wobei die zu verbindenden Körper in so enge Berührung gebracht werden müssen, daß die Reichweite dieser Molekularkräfte zur Erzielung einer entsprechend festen Verbin­ dung ausreicht. Dies setzt extrem ebene, hochgradig polierte und saubere Flächen voraus. Der Planitätsfehler einer Fläche sollte dabei kleiner als λ/4 sein.

Da die Festigkeit einer derartigen Verbindung mit der Anspreng­ fläche zunimmt, muß die den Glasplatten zugewandte Fläche des ringförmigen ausreichend Abstandshalters groß gewählt werden.

In Fig. 3 ist eine konstruktive Ausgestaltung des Gassensors 9 dargestellt. Der Lichtwellenleiter 23 ist mittels eines Licht­ wellenleitersteckers 67 und einer Buchse 69 mit einem Lichtwel­ lenleiterstecker 71 verbunden. Die Stecker 67 und 71 sowie die Buchse 69 bilden die Lichtwellenleitersteckverbindung 31 (Fig. 1).

Der Stecker 71 ist mit dem Lichtwellenleiter 25 verbunden, an dessen anderem Ende ebenfalls ein Stecker 73 angeordnet ist, der in eine Buchse 75 eingreift. In das gegenüberliegende Ende der Buchse 75 ragt eine Stablinse 77, die einerseits an der Oberflä­ che der Glasplatte 63 und andererseits an der Vorderseite des Steckers 73 anliegt.

Um störende Reflexionen durch Luftspalte zu vermeiden, kann die Stablinse 77 mittels eines optischen Klebers der Oberfläche der Platte 63 aufgeklebt sein. Störende Reflexionen zwischen der Stablinse und dem Stecker 73 können beispielsweise durch Ein­ bringen in einer Immersionsflüssigkeit vermieden werden.

Während die Steckverbindung 31 in einem Deckelteil 79 des Gas­ sensors 9 befestigt ist, sitzen die Buchse 69 und die Meßküvette 15 in einem Grundkörper 81 des Gassensors 9. Dies ermöglicht den einfachen Zusammenbau sowie den Austausch bzw. die Reparatur einzelner Komponenten des Gassensors 9. Der modulare Aufbau bringt mit sich, daß das Deckelteil 79 wird der Grundkörper 81 gasdicht verbunden werden müssen und die Lichtwellenleitersteck­ verbindung 31 ebenfalls gasdicht ausgebildet sein muß.

Die Halterung der Meßküvette 15 darf nicht in direktem Kontakt zum Grundkörper 81 stehen, da sonst temperaturbedingte Ausdeh­ nungen Spannungen in der Küvette verursachen würden, die unter Umständen zu einer Änderung des Abstands d der planparallelen Platten und damit zu einer Verfälschung des Meßergebnisse führen könnten. Aus diesem Grund ist die Meßküvette 15 mittels eines zwischen der Unterseite der Küvette und der Auflagefläche des Grundkörpers 81 angeordneten O-Rings 83 und einem weiteren, zwi­ schen der Oberseite der Meßküvette 15 und der Unterseite eines Andruckzylinders 85 angeordneten O-Rings 87 in dem Grundkörper 81 montiert. Die auf die Meßküvette 15 wirkenden Haltekräfte werden mittels dreier Feingewindeschrauben 89 erzeugt, die in einer Andruckplatte 91 angeordnet sind und einen entsprechenden Druck auf den Andruckzylinder 85 ausüben.

Diese Art der Montage stellt gleichzeitig eine Justiereinrich­ tung dar, die es erlaubt, eine Verkippung der Küvette gegenüber der Stablinse bzw. dem in dem Stecker 73 gehaltenen Lichtwellen­ leiter 25 zu kompensieren. Die Justierung der Küvette erfolgt vorzugsweise während des Meßbetriebs, so daß eine optimale Jus­ tage hinsichtlich Signalintensität und Kontrast erreicht werden kann.

Der Anschluß des Gasdichtesensors an den Gasraum erfolgt mittels eines im Meßkopf 1 angeordneten T-Verzweigers 93 (Fig. 1), der auf einer Seite ein genormtes Ventil 95 für den Gasanschluß und auf der anderen Seite jeweils einen gasdichten Gewindeanschluß für den Gassensor 9 bzw. den Feuchtesensor 11 besitzt. Dement­ sprechend weist der Gassensor 9 im oberen Bereich des Grundkör­ pers 81 eine Gewindebohrung 97 zum Anschluß an den T-Verzweiger 93 auf.

Das in Fig. 4 dargestellte Referenzinterferometer 45 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 99, in dem eine Referenzküvette 101 angeordnet ist, welche in Transmission betrieben wird und dem­ entsprechend an den gegenüberliegenden leiten jeweils eine Stab­ linse 103, 105 aufweist. Die Stablinsen 103, 105 ragen in Buch­ sen 107, 109, die in den Gehäuseteilen 99a, 99b montiert sind und zur Aufnahme von Lichtwellenleitersteckern 111, 113 dienen.

Der Lichtwellenleiterstecker 111 ist mit dem Lichtwellenleiter 39 verbunden, der das reflektierte Sensorsignal des Sensors 9 führt. Dieses Signal wird folglich der Referenzküvette 101 zu­ geführt, wobei das Ausgangssignal der Referenzküvette über den Lichtwellenleiter 51, er in dem Lichtwellenleiterstecker 113 gehalten ist, dem Spektrographen 53 zugeführt wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Montage der Meßküvette 15 in einem Gehäuse 115 einer weiteren zu bevorzugenden Ausfüh­ rungsform für den Gasdichtesensor 9. Dabei wurden aus Gründen er Einfachheit lediglich die wesentlichen Teile des Gehäuses 115 dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Meßküvette 15 derart ausge­ bildet, daß die untere planparallele Platte 63 gegenüber der oberen planparallelen Platte 61 eine größeren Durchmesser auf­ weist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Meßküvette ist mittels eines hohlzylindrisch ausgebildeten Andruckzylinders 85 derart zu halten, daß lediglich die untere planparallele Platte 63 an ihrem Rand mittels der zylindrischen Wandung 117 des An­ druckzylinders 85 behalten wird. Selbstverständlich können an der Oberseite bzw. Unterseite der planparallelen Platte 63 wie­ der O-Ringe angeordnet sein, um eine Justierung der Meßküvette mittels in der Andruckplatte 91 angeordneter Stellschrauben 89 zu gewährleisten. Die Zuführung bzw. Abführung des Lichts kann dann analog zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausrührungsbeispiel erfolgen.

Durch diese Montage ergibt sich der Vorteil, daß eine Verände­ rung der Haltekräfte für die Meßküvette sich nicht direkt auf den Abstand zwischen den beiden planparallelen Platten auswirken und damit das Meßergebnis verfälschen kann.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gas­ atmosphäre näher erläutert.

Zunächst steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 55 den opti­ schen Schalter 49 so an, daß dem Spektrographen 53 über den Lichtwellenleiter 37 das Referenzlicht der Lichtquelle 29 zu­ geführt wird. Das auf der CCD-Zeile 59 abgebildete Spektrum des Meßlichts wird dann in die Steuer- und Auswerteeinheit 55 einge­ lesen und als Referenzmessung gespeichert.

Anschließend steuert die Einheit 55 den optischen Schalter 49 so an, daß der Lichtwellenleiter 47 mit dem Lichtwellenleiter 51 verbunden ist. Somit wird das Licht der Lichtquelle 29 über die Lichtwellenleiter 17, 19, 21, 23, 25 der in dem Gasdichtesensor gehaltenen Meßküvette 15 zugeführt. Das von der Meßküvette 15 reflektierte Licht wird dann über die Lichtwellenleiter 25, 23, 21, 19, 39 dem Referenzinterferometer 45 bzw. der Referenzküvet­ te 101 zugeführt. Das Ausgangssignal des Referenzinterferometers 45 wird dann über den optischen Schalter 49 und dem Lichtwellen­ leiter 51 dem Spektrographen 53 zugeführt und somit das Spektrum dieses Signals auf der CCD-Zeile 59 abgebildet.

Dieses Signal besteht aus der Überlagerung der von der Meßküvet­ te 15 bzw. der Referenzküvette 101 erzeugten Streifensysteme, wobei die Überlagerung dieser Streifensysteme zu einem Moir´ führt, dessen Struktur von der CCD-Zeile 59 abgetastet wird. Das abgetastete Signal wird in die Steuer- und Auswerteeinheit 55 eingelesen und zunächst mit den Werten der zwischengespeicherten Referenzmessung korrigiert.

Das optische Spektrum dieses Signals weist im wesentlichen vier Bestandteile auf, wobei es sich bei einem ersten Bestandteil um einen Gleichlichtanteil handelt und ein zweiter und dritter Be­ standteil mit derart hohen Frequenzen oszillieren, daß diese Bestandteile dem von Spektrographen 53 nicht mehr aufgelöst werden können. Somit verbleibt lediglich der vierte Bestandteil, der die gesamte, für die Messung interessierende Information des Signals trägt. Dieser Bestandteil oszilliert im wesentlichen mit der Schwebungsfrequenz der von der Meßküvette 15 bzw. von der Referenzküvette 101 erzeugten Steifensysteme.

Der aufgelöste Intensitätsverlauf (einschl. des Gleichanteils) kann vereinfacht durch die Beziehung

dargestellt werden. Diese Beziehung ergibt sich bei der Betrach­ tung der Überlagerung jeweils zweier reflektierter bzw. trans­ mittierter Strahlen in der Meß- bzw. Referenzküvette, wobei le­ diglich das Argument der Cosinusfunktion für die Signalauswer­ tung von Bedeutung ist.

Die Schwebungsfrequenz f ergibt sich aus dem Argument der Cosi­ nusfunktion zu

Dabei bedeuten d₁ und d₂ die Abstände der planparallelen Platten der Meß- bzw. Referenzküvette und n₁ bzw. n₂ die Brechzahlen der zu messenden Gasatmosphäre bzw. des Mediums zwischen den plan­ parallelen Platten der Referenzküvette. Damit gestattet diese Beziehung die Berechnung der Brechzahl n₁ der zu messenden Gas­ atmosphäre aus der Schwebungsfrequenz f des Spektrums des Meß­ signals.

Die Gasdichte ρ ergibt sich dann aus dem durch den bekannten Zusammenhang zwischen der Gasdichte ρ und der Brechzahl n₁.

Eine elegante Methode zur Bestimmung der Schwebungsfrequenz des tatsächlichen auf der CCD-Zeile abgebildeten und diskretisierten Spektrums besteht darin, zunächst die diskrete Fourier-Trans­ formierte des Spektrums zu ermitteln und anschließend die Schwerpunktfrequenz des Leistungsspektrums zu bestimmen. Die Schwerpunktfrequenz des Leistungsspektrums entspricht dann mit hoher Genauigkeit der Schwebungsfrequenz des gemessenen Spek­ trums.

Da in der Praxis bei derartigen Meß- und Überwachungseinrichtun­ gen für die Gasatmosphäre in einer Hochspannungsschaltanlage häufig gewünscht wird, anstatt der Gasdichte einen auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise 20°C, umgerechneten Druck­ wert anzugeben bzw. anzuzeigen, kann die Steuer- und Auswerte­ einheit 55 selbstverständlich auch eine derartige Umrechnung nach vorbekannten Beziehungen vornehmen. Diesen auf einen be­ stimmten Temperaturwert bezogenen Druck kann die Einheit 55 dann mittels einer entsprechenden Anzeigeeinheit 119 anzeigen, wobei diese Anzeigeeinheit selbstverständlich auch zur Anzeige eines mittels des Feuchtesensors 11 bestimmten Feuchtewerts dienen dann.

Wird ein vorbestimmter zulässiger Bereich für die Gasdichte bzw. den auf einen bestimmten Temperaturwert bezogenen Gasdruck ver­ lassen, so kann die Einheit 55 eine Warnvorrichtung 121 ansteu­ ern, die beispielsweise ein optisches oder akustisches Signal erzeugt. Gleiches gilt selbstverständlich für den Fall, daß ein zulässiger Bereich für die Feuchte verlassen wird.

Dabei erfolgt die Bestimmung der Feuchte in der Weise, daß die Einheit 55 den Schalter 49 derart ansteuert, daß der Lichtwel­ lenleiter 43 mit dem Lichtwellenleiter 51 verbunden wird, so daß auf diese Weise aus dem Spektrum des Signals des Feuchtesensors 11 die Feuchte bestimmt werden kann.

Die Erfindung bietet somit den Vorteil, daß durch die Verwendung eines Referenzinterferometers Meß- bzw. Referenzküvetten mit einem in der Weise vereinfachten Aufbau verwendet werden können, daß der Abstand der planparallelen Platten in der Größenordnung von einigen Zehnteln Millimetern liegen kann.

Claims (22)

1. Verfahren zur Messung und Überwachung der Dichte einer Gas­ atmosphäre, insbesondere in druckisolierten Hochspannungs­ schaltanlagen, bei dem

• a) das Licht einer breitbandigen Lichtquelle (29) einem opti­ schen Interferenzsensor (9, 15) zugeführt wird, welcher ein der Dichte der zu messenden Atmosphäre entsprechendes optisches Ausgangssignal erzeugt, dessen Spektrum ein Streifensystem darstellt,
• b) das Ausgangssignal des Interferenzsensors einem Referenz­ interferometer (45, 101) zugeführt wird, welches das Aus­ gangssignal des Interferenzsensors (9, 15) entsprechend der Dichte eines Referenzmediums mit einem weiteren Strei­ fensystem moduliert,
• c) das optische Ausgangssignal des Referenzinterferometers (45, 101) zur Erzeugung eines Auswertesignals spektral zerlegt wird, und
• d) die Dichte der Gasatmosphäre aus der Schwebungsfrequenz des durch den Interferenzsensor (9, 15) und das Referenz­ interferometer (45, 101) erzeugten Moir´ des Auswertesi­ gnals bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Schritte a) und b) sinngemäß vertauscht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzsensor (9, 15) in Reflexion und das Referenz­ interferometer (45, 101) in Transmission betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Moir´ durch Fourier- Transformation des Auswertesignals und einer Bestimmung der Eigenfrequenz des Leistungsspektrums ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der zu messenden Gasatmosphäre in einen Druckwert für eine vorgegebene Referenztemperatur umgerechnet und angezeigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung eines Wertes für die Dichte bzw. für den Druck der zu überwachenden Atmosphäre, welche außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches liegt, ein Warnsignal erzeugt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der

• a) das Licht einer breitbandigen Lichtquelle (29) mittels Lichtwellenleiter (17, 19, 21, 23, 25) dem Interferenz­ sensor (9, 15) und
• b) bei der das Ausgangssignal des Interferenzsensors (9, 15) mittels Lichtwellenleiter (25, 23, 21, 19, 39) einem Refe­ renzinterferometer (45, 101) zugeführt ist, oder umge­ kehrt, und
• c) bei der das Ausgangssignal des Referenzinterferometers (45, 101) oder des Interferenzsensors (9, 15) einem Spek­ trographen (53) zugeführt ist, welcher das optische Spek­ trum des Ausgangssignals erfaßt und einer nachgeschalteten Steuer- und Auswerteeinheit (55) zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzsensor (9, 15) in Reflexion und das Referenzin­ terferometer (45, 101) in Transmission betrieben wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (29) in den den Interferenzsensor und das Referenzinterferometer (45, 101) verbindenden Lichtwel­ lenleiter (25, 23, 21, 19, 39) mittels eines Lichtwellenlei­ terkopplers (41) in Richtung auf den Interferenzsensor (9, 15) eingekoppelt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektrograph (53) über einen zwischen zwei Licht­ wellenleiter (51, 47) geschalteten optischen Schalter (49) mit dem Referenzinterferometer (45, 101) oder dem Interfe­ renzsensor (9, 15) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Eingang des optischen Schal­ ters (49) mit einem diesen Eingang und die Lichtquelle (29) verbindenden Lichtwellenleiter (37) verbunden ist, wobei zur Messung der Charakteristik im wesentlichen aus dem des Spek­ trographen (53) und der Lichtquelle (29) gebildeten Systems der optische Schalter den Spektrographen (53) mit der Licht­ quelle (29) verbindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Schalter von der Steuer- und Auswerteeinheit (55) ansteuerbar ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzsensor (9, 15) in Form zweier planparalleler Platten (61, 63) ausgebildet ist, welche mittels eines Abstandshalters (65) exakt in einem vorgegebenen Abstand (d) gehalten sind, wobei die zu mes­ sende Atmosphäre dem zwischen den Platten gebildeten Zwi­ schenraum zugeführt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Referenzinterferometer (45, 101) in Form zweier planparalleler Platten (61, 63) ausgebildet ist, welche mittels eines Abstandshalters exakt in einem vorgege­ benen Abstand gehalten sind, wobei in dem zwischen den Plat­ ten gebildeten Zwischenraum eine Referenzatmosphäre einge­ schlossen oder der Zwischenraum evakuiert ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand der Platten im Bereich 0,3 bis 0,7 mm liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (65) aus einem Mate­ rial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von kleiner ± 0,1×10^-6 K^-1 gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (65) aus Glaskeramik besteht, deren ther­ mischer Ausdehnungskoeffizient durch eine geeignete Kombina­ tion dieses Werkstoffes in kristalliner Phase und glasarti­ ger Phase kompensiert ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planparallelen Platten (61, 63) mit dem Abstandshalter (65) durch Ansprengen verbunden sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zu- und Abführen der optischen Signale zu den planparallelen Platten (61, 63) mittels einer zwi­ schen dem betreffenden Lichtwellenleiter und der Platte angeordneten Stablinse (77, 103, 105) erfolgt, deren Stirn­ fläche in Kontakt zu der Platte steht.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planparallelen Platten (61, 63) und/ oder die Stablinsen (77, 103, 105) (soweit vorhanden) in einem Sensorgehäuse (79, 81; 115) justierbar und von diesem in wesentlichen entkoppelt gehalten sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Stablinse (77, 103, 105) mit ihrem der betreffenden Platte abgewandten Ende in eine Buchse (75, 107, 109) für einen optischen Stecker (73, 111, 113) ragt, wobei die Buchse derart in dem Gehäuse (81, 99) des Sensors (9, 15) oder des Referenzinterferometers (45, 101) gehalten ist, daß ein Lichtwellenleiter mit einem an seinem Ende mon­ tierten Stecker an den Sensor oder das Referenzinterferome­ ter anschließbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der planparallelen Platten (63) grö­ ßer ausgebildet ist als die andere planparallele Platte (61), und daß diese Platte (63) an den über die andere Plat­ te (61) hinausragenden Rändern im Gehäuse (115) justierbar gehalten ist.