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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Detektierung von Feuer
oder Überhitzung.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Es
sind vielfältige
unterschiedliche Systeme und Verfahren zur Detektierung von Feuer
oder Überhitzung
bekannt. Diese Systeme werden oft im Bereich von Triebwerken bzw.
Maschinen zum Beispiel eines Flugzeuges, Schiffes, Hubschraubers,
Unterseebootes, einer Raumfähre
oder Industrieanlage verwendet, und allgemeiner in einem beliebigen empfindlichen
Bereich, wo die Gefahr eines Brandes oder einer Überhitzung vorhanden ist, zum
Beispiel in einem Laderaum oder Bunker, einem Zugabteil oder Kessel.
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Die
US-Patentschrift 5 136 278 beschreibt
einen Typ von Detektor, welcher eine lokale oder mittlere Überhitzung
detektiert. Der Detektor verwendet ein Gas, welches, wenn es sich
aufgrund des Überhitzungseffektes
ausdehnt, einen elektrischen Kontakt auslöst, wodurch angezeigt wird,
dass eine mittlere Temperatur des Detektors eine Schwelltemperatur überschritten
hat. Metalloxide mit einem absorbierten Gas, das über die
gesamte Länge
des Detektors verteilt ist, liefern anhand eines Entgasungsprinzips
eine lokale Anzeige, dass die Temperatur die Schwelltemperatur überschreitet.
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Ein
anderer Typ von Detektor misst den Widerstand eines Materials, das
einen negativen Temperaturkoeffizienten (Negative Thermal Coefficient, "NTC") aufweist. Das Material
kann als ein Kabel mit negativem Temperaturkoeffizienten implementiert sein.
Dieser Typ von Detektor wird zur Detektierung von lokaler Überhitzung
verwendet.
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Ein
Beispiel kann in der Patentschrift
US-A-5 172 099 bereitgestellt werden, welche
ein System zur Detektierung von Feuer oder Überhitzung beschreibt, das
zwei Sensormaterialien umfasst, mittels jeweiliger Thermistoren,
welche unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, zum Beispiel
basierend auf positiven und negativen Temperaturkoeffizienten. Beide
Widerstände
werden auf eine differentielle Weise gemessen und sind dynamisch
hinsichtlich der Temperatur indikativ, die mit einer Überhitzung,
jedoch auch mit einer Funktionsstörung des Systems zusammenhängt.
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Zusammenfassung gewisser Aspekte der Erfindung
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Ein
Detektor vom Gastyp erfordert bewegliche Teile, die miteinander
zu verbinden sind, und weist daher eine komplizierte, empfindliche
und teure Konstruktion auf. Ein Detektor vom NTC-Typ verwendet den
Widerstand als das einzige Kriterium und ist in Fehlersituationen
nicht sehr robust. Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein System
zur Detektierung von Feuer oder Überhitzung
bereitzustellen, welches verbesserte Merkmale im Hinblick auf Konstruktion
und Robustheit aufweist.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Detektierung von Feuer
oder Überhitzung.
Das System beinhaltet einen Sensor, der wenigstens ein Material
umfasst, das einen Widerstand mit einem ausgewählten Temperaturkoeffizienten
aufweist, wobei der Widerstand des Materials hinsichtlich einer Temperatur
indikativ ist. Das System beinhaltet ferner eine mit dem Sensor
verbundene Vorrichtung, um Messungen an dem wenigstens einen Material
auszuführen,
wobei die Vorrichtung dafür
konfiguriert ist, wenigstens einen Parameter aus den Messungen zu bestimmen
und ein dynamisches Verhalten des wenigstens einen Parameters zu
analysieren, um Zustandsinformationen abzuleiten, welche Überhitzung und
Funktionsstörung
des Sensors beinhalten.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektierung
von Feuer oder Überhitzung.
Das Verfahren führt
Messungen an wenigstens einem Material durch, das einen Widerstand
mit einem ausgewählten
Temperaturkoeffizienten aufweist und in einem Sensor enthalten ist,
welcher mit einer Vorrichtung gekoppelt ist, wobei der Widerstand
des Materials hinsichtlich einer Temperatur indikativ ist. Aus den
Messungen wird wenigstens ein Parameter bestimmt. Es wird ein dynamisches
Verhalten des wenigstens einen Parameters analysiert, um Zustandsinformationen
abzuleiten, welche Überhitzung und
Funktionsstörung
des Sensors beinhalten.
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Das
vorgeschlagene System weist insbesondere den Vorteil auf, dass Verarbeitungsoperationen ausgeführt werden,
welche Situationen der Schmutzablagerung oder Ausfallsituationen
(Kurzschluss, Leitungsbruch usw.) berücksichtigen. Es weist außerdem den
Vorteil auf, dass es die Bestimmung von Temperaturprofilen in Echtzeit
ermöglicht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Aspekte, Vorteile und neuen Merkmale der hier beschriebenen
Ausführungsformen
werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen sind gleiche Elemente
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur
Detektierung von Feuer oder Überhitzung;
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2 zeigt
schematische Kurven, die den Widerstand eines Materials mit einem
negativen Temperaturkoeffizienten als eine Funktion der Temperatur
und eines Sensoranteils, der einer Überhitzung ausgesetzt ist,
veranschaulichen;
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3 zeigt
schematische Kurven, die den Widerstand eines Nickeldrahtes als
eine Funktion eines Sensoranteils, der einer Überhitzung ausgesetzt ist,
veranschaulichen;
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4 zeigt
Kurven als eine Funktion eines Sensoranteils, der einer Überhitzung
ausgesetzt ist, der lokalen Temperatur und der mittleren Temperatur;
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5 ist
ein Diagramm, das einen Sensoranteil, der einer Überhitzung ausgesetzt ist,
als eine Funktion der in 4 dargestellten Kurven zeigt;
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6 ist
eine schematische Darstellung eines äquivalenten Schaltplans des
Sensors; und
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Mess- und Verarbeitungsvorrichtung, die an
den Sensor angeschlossen werden kann.
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Ausführliche
Beschreibung gewisser erfindungsgemäßer Ausführungsformen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur
Detektierung von Feuer oder Überhitzung.
Bei einer Anwendung kann das System in einem Auto, Zug, Flugzeug oder
Schiff installiert sein, zum Beispiel in der Nähe oder in einem Motor bzw.
Triebwerk, Passagier- oder Lastabteil,
um ein Feuer oder Überhitzung
zu detektieren. Es ist denkbar, dass das System an einem beliebigen
Ort installiert werden kann, wo die Gefahr eines Feuers oder einer Überhitzung
besteht, wie etwa an einem Industriestandort, einer Stromerzeugungsanlage
oder Transformatorstation, in einem Datenverarbeitungs- oder Datenspeicherraum,
oder bei einem Flugzeugtriebwerk, insbesondere einem Düsentriebwerk,
in einem Passagier- oder Lastabteil.
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Das
System gemäß einer
Ausführungsform umfasst
einen Sensor C und eine Vorrichtung T, die an den Sensor C angeschlossen
ist. Die Vorrichtung T misst und verarbeitet charakteristische Merkmale, die
sie von dem Sensor C erhält.
Der Sensor C umfasst einen leitenden Kern 2, der sich innerhalb
einer Ummantelung 3 erstreckt, welche leitend ist. Zum Beispiel
kann sich der Kern 2 entlang einer Längsachse der Ummantelung 3 erstrecken,
oder entlang einer Innenseite der Ummantelung 3. Ein Material 4 trennt
den Kern 2 und die Ummantelung 3 und weist einen
negativen Temperaturkoeffizienten auf.
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Der
Sensor C der dargestellten Ausführungsform
umfasst ferner einen Draht 1 und ein Isolationsmaterial 5,
welches den Draht 1 von der Ummantelung 3 trennt.
Bei einer Ausführungsform
ist der Draht 1 aus einem Material hergestellt, das einen
positiven Temperaturkoeffizienten (Positive Temperature Coefficient, "PTC") aufweist, zum Beispiel
aus Nickel (Ni), und ist zum Beispiel um die Ummantelung 3 herumgewickelt.
Der Draht 1, der Kern 2 und die Ummantelung 3 sind
mit der Vorrichtung T über
Anschlussklemmen 1a, 2a und 3a verbunden.
Die gesamte Baugruppe ist in einer äußeren Ummantelung 6 angeordnet.
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Die Änderungen
eines Widerstands RNi des Drahtes 1 sind
zu Änderungen
der mittleren Temperatur des Sensors C direkt proportional. Die Änderung
eines Widerstands RNTC des Materials 4 ermöglicht es,
lokale Bereiche einer Überhitzung
zu detektieren. Bei einer Überhitzung über einem
gegebenen Abschnitt des Sensors C ändert sich der Widerstand RNTC des Materials 4 mit der Temperatur,
d. h. er nimmt exponentiell ab.
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Die
Vorrichtung T führt
Widerstandsmessungen aus und bestimmt über diese Messungen den Widerstand
RNi des Drahtes 1 und den Widerstand RNTC des Materials 4. Die erhaltenen
Widerstandswerte werden verarbeitet, um Informationen abzuleiten,
die mögliche
allgemeine oder lokale Bereiche einer Überhitzung betreffen. Ferner
verarbeitet die Vorrichtung T die Widerstandswerte, um Inkonsistenzen abzuleiten,
die für
eine Funktionsstörung
wie etwa Kurzschlüsse,
Leitungsbrüche,
Schmutzablagerung usw. indikativ sind.
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Für eine spezielle
Anwendung und unter normalen Betriebsbedingungen nimmt der Widerstand RNi des Drahtes 1 normalerweise Werte
an, welche in Abhängigkeit
von der beabsichtigten Anwendung innerhalb eines gegebenen Bereiches
liegen. Dieser Bereich hängt
von den Parametern des Drahtes 1 ab, wie etwa Länge und
Durchmesser. Zum Beispiel erstreckt sich für eine Länge von ungefähr 1 m der
Bereich von ein paar Ohm (z. B. 20 Ohm) bis zu einigen Hundert Ohm
(z. B. 200 Ohm). Die Vorrichtung T vergleicht daher den gemessenen
Widerstandswert des Drahtes 1 mit dem erwarteten maximalen
und minimalen Widerstandswert für
die betreffende spezielle Anwendung. Wenn der Widerstandswert des
Drahtes 1 außerhalb
des gegebenen Bereiches liegt, löst
die Vorrichtung T die Übertragung
eines Signals aus, das für
eine Funktionsstörung
des Sensors C indikativ ist.
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2 zeigt
verschiedene schematische Kurven, die den Widerstand RNTC des
Materials 4, das einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist, als eine Funktion eines Sensoranteils α, der einer Überhitzung ausgesetzt ist,
veranschaulichen. Falls α =
1, ist der gesamte Sensor einer Überhitzung
ausgesetzt, und falls α =
0,5, ist die Hälfte
der Sensorlänge
einer Überhitzung
ausgesetzt. Die Kurven sind für zwei
mittlere Temperaturen 250°C
und 350°C,
die anhand der Widerstandsänderungen
des Drahtes 1 gemessen wurden, und für verschiedene Umgebungstemperaturen
100°, 150°, 200° und 300°C angegeben.
Wie in 2 dargestellt, enden die Kurven, die den Widerstand
RNTC für
eine gegebene Umgebungstemperatur und mittlere Temperatur darstellen,
bei einem maximalen Grenzwert RNTCmax1,
RNTCmax2. Es ist denkbar, dass ein Widerstandswert
oberhalb des Grenzwertes RNTCmax1, RNTCmax2 für
einen Defekt oder eine Störung
des Sensors C indikativ ist.
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Ein
gemessener Widerstand RNi des Drahtes 1 ist
für eine
gegebene Gesamttemperatur des Sensors C indikativ. Für diese
Gesamttemperatur existiert ein Grenzwert RNTCmax1,
RNTCmax2 bei α = 1, d. h. wenn der gesamte
Sensor einer Überhitzung
ausgesetzt ist. Die Vorrichtung T vergleicht den gemessenen Widerstand
RNTC mit dem Grenzwert RNTCmax1, RNTCmax2 für
die gegebene Gesamttemperatur. Wenn der Widerstand RNTC größer als
dieser Grenzwert RNTCmax1, RNTCmax2 ist,
löst die
Vorrichtung T die Übertragung
eines Signals aus, das für
eine Funktionsstörung
des Sensors C indikativ ist.
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3 zeigt
verschiedene schematische Kurven, die den Widerstand RNi eines
Nickeldrahtes als eine Funktion eines Sensoranteils α, der einer Überhitzung
ausgesetzt ist, für
verschiedene mittlere Temperaturen veranschaulichen. Jedem Widerstandswert
RNTC1,2 des Materials 4 entspricht
ein maximaler Nickel-Widerstandswert RNimax1,
RNimax2 bei α = 1. Das heißt, der
Widerstand RNTC wird verwendet, um einen
möglichen
Wert für
den Widerstand RNi zu bestimmen, welcher
für einen
speziellen Sensor C innerhalb eines gegebenen Bereiches liegen muss. Für einen
gegebenen Wert des Widerstands RNTC mit einem
negativen Temperaturkoeffizienten führt die Vorrichtung T eine
vergleichende Verarbeitungsoperation durch, um zu prüfen, ob
die dem Widerstand des Nickels RNi entsprechende
mittlere Temperatur unterhalb eines gegebenen Grenzwertes RNimax1, RNimax2 liegt,
da die mittlere Temperatur nicht höher als die Umgebungstemperatur
sein kann. Wenn dies nicht der Fall ist, löst die Vorrichtung T die Übertragung
eines Warnsignals aus, dass für
eine Funktionsstörung
des Sensors C indikativ ist.
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Die
Vorrichtung T führt
außerdem
eine dynamische Verarbeitungsoperation aus, indem sie Änderungen
bei einem oder mehreren Parametern analysiert, zum Beispiel um eine Überhitzung
oder eine Inkonsistenz in den Messungen anzuzeigen. Um eine lokale Überhitzung
oder eine allgemeine Überhitzung anzuzeigen,
vergleicht die Vorrichtung T somit gewisse Schwellwerte nicht direkt
mit dem Widerstand RNTC des Materials 4 und
dem Widerstand RNi des Drahtes 1,
sondern mit differentiellen Werten dieser Widerstände.
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Die
Vorrichtung T bestimmt vorteilhafterweise den Sensoranteil α, welcher
einer Überhitzung ausgesetzt
ist, und führt
eine Konsistenzprüfung
für die
so erfolgte Bestimmung durch. Diese beinhaltet das Analysieren der Änderungen
von log(RNTC) (d. h. der Differenz zwischen
log(RNTC) zum Zeitpunkt T1 und log(RNTC) zum Zeitpunkt T0) und der Änderungen des
Widerstandes RNi des Drahtes 1 (d.
h. der Differenz zwischen RNi zum Zeitpunkt
T1 und RNi zum Zeitpunkt T0). Die Parameter,
welche log(RNTC) und den Widerstand RNi des Drahtes 1 darstellen, sind
tatsächlich
Parameter, für
welche nachgewiesen wurde, dass sie sich linear mit der Temperatur
(lokale Temperatur bzw. Umgebungstemperatur) ändern. 4 zeigt
die Werte eines Verhältnisses
der Änderungen von
log(RNTC) und RNi für verschiedene
Werte des Sensoranteils α,
der einer Überhitzung
ausgesetzt ist. Die Werte des Verhältnisses sind als Funktion
der gemessenen lokalen Temperaturen und mittleren Temperaturen grafisch
dargestellt.
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Das
Verhältnis
der Änderungen
dieser zwei Parameter ändert
sich mit der mittleren Temperatur und mit der lokalen Temperatur
als eine Funktion, welche direkt von dem Sensoranteil α abhängt, welcher
einer Überhitzung
ausgesetzt ist. Insbesondere sind, wenn die lokale Temperatur mehr
als 100°C über der
mittleren Temperatur des Sensors C liegt, die ermittelten Kurven
asymptotische Kurven, welche direkt von dem Wert des Sensoranteils α abhängen, jedoch
nicht von der Temperatur. Dies ermöglicht zu schlussfolgern, welcher
Anteil des Sensors C überhitzt
ist, zum Beispiel dass 50% des Sensors C überhitzt sind.
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In ähnlicher
Weise wurde in 5 der asymptotische Wert, der
von dem oben erwähnten Verhältnis angenommen
wird, für
verschiedene Werte von α grafisch
dargestellt. Somit bestimmt die Vorrichtung T den Wert von α, welcher
den Änderungen der
Werte von log(RNTC) und RNi entspricht,
welche die Vorrichtung T misst. Die Vorrichtung T analysiert die
Konsistenz des ermittelten Wertes α, und wenn der Wert α außerhalb
des Intervalls [0,1] liegt, sendet sie ein Signal, dass für einen
Ausfall des Sensors C Indikativ ist.
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Es
könnten
auch andere Verhältnisse
von Änderungen
verwendet werden. Insbesondere könnte
das Verhältnis
differentieller Werte von log(RNTC) und
RNi auf dieselbe Weise verwendet werden,
wobei die differentiellen Werte auf der Basis der Werte berechnet
werden, die von den zwei Parametern log(RNTC)
und RNi zu zwei unterschiedlichen Messzeitpunkten
angenommen wurden.
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6 ist
eine schematische Darstellung eines äquivalenten Schaltplans des
die Anschlussklemmen 1a, 2a und 3a aufweisenden
Sensors C, der in 1 dargestellt ist. Der Schaltplan
enthält zwei
Widerstände
R1 und R2, die über eine
Zwischenanschlussklemme ZA verbunden sind. Ein Widerstand Rf ist zwischen die Anschlussklemme ZA und eine
Anschlussklemme 3b geschaltet. Der Widerstand Rf ist gleich dem Widerstand Rf von
Verbindungskabeln, welche die Anschlussklemmen 1a, 2a der
Widerstände
R1 und R2 mit Anschlussklemmen 1b bzw. 2b verbinden.
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Außerdem ist
ein Störwiderstand
Rp dargestellt, der zwischen die Anschlussklemmen 1a, 2a der Widerstände R1 und R2 geschaltet
ist. Der Widerstand R1 entspricht dem Widerstand
RNi, der zu Rp1 parallelgeschaltet
ist, und der Widerstand R2 entspricht dem
Widerstand RNTC, der zu Rp2 parallelgeschaltet
ist.
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Die
verschiedenen Widerstände
zwischen den Anschlussklemmen 1b bis 3b werden
zyklisch unter Verwendung einer Schaltung gemessen, die in 7 dargestellt
ist. Die Schaltung misst nacheinander den Widerstand zwischen den
Anschlussklemmen 1b und 2b, den Widerstand zwischen
den Anschlussklemmen 1b und 3b und den Widerstand
zwischen den Anschlussklemmen 2b und 3b.
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Ferner
bestimmt die Schaltung bei einer Ausführungsform nacheinander das
Verhältnis
der Spannungen
das Verhältnis der Spannungen
und das Verhältnis
wobei U
kl die
Spannung zwischen einer Anschlussklemme k und einer Anschlussklemme
l bezeichnet, wobei k und l die Anschlussklemmen
1b,
2b und
3b bezeichnen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung T des Systems einen Multiplexer M, welcher
bestimmte Anschlussklemmen des Sensors auswählt, um die Messungen durchzuführen, und
einen Mikroprozessor μC,
welcher Ausgangssignale von dem Multiplexer M empfängt. Bei einer
Ausführungsform
gibt der Multiplexer M Spannungen aus, welche geformt werden können, bevor sie
in den Mikroprozessor μC
eingegeben werden.
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Die
Werte der Widerstände
R
Ni und R
NTC werden
anschließend
aus den Messungen der Widerstände
zwischen den Anschlussklemmen
1b bis
3b bestimmt.
Folglich:
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Dieses
Gleichungssystem kann gelöst
werden, um daraus die Werte von RNi, RNTC und Rp abzuleiten.
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Das
Gleichungssystem ist im Allgemeinen nicht invertierbar, um Rf zu erhalten. Der Wert von Rf kann
geschätzt
werden, indem angenommen wird, dass Rf einem
symmetrischen Modell genügt.
In diesem Falle wird der Wert von Rf ebenso
wie der Wert von Rp mit maximalen Werten
verglichen, welche auf das Vorhandensein einer Schmutzablagerung
an den Kontakten hinweisen und daher einen Zustand anzeigen, der
zu potentiellen Ausfällen
führen
kann. Die Störungen
bei den Messwerten können
gegebenenfalls auch entsprechend korrigiert werden.
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In
dem allgemeinen Fall, in welchem Rp und Rf einem asymmetrischen Modell genügen, können RNi und RNTC nicht
direkt berechnet werden. Es ist jedoch möglich, indem Rp und
Rf als in dem System eingeführte Störungen betrachtet
werden, die besagten Werte von Rp und Rf zu schätzen
und Grenzwerte für
sie festzulegen, und dementsprechend eine anormale Situation zu
detektieren.
und das Verhältnis
wobei Ukl die Spannung zwischen einer Anschlussklemme k und einer Anschlussklemme l bezeichnet, wobei k und l die Anschlussklemmen
