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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Sicherheitsvorrichtungen
und insbesondere isolierte elektrische Leiter für die Feststellung einer Übertemperatur
und einer mechanischen Beschädigung.
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Historisch
hingen elektrische Vorrichtungen von Überstromvorrichtungen wie z.B.
Stromkreisunterbrechern und Sicherungen ab, um die Vorrichtung vor Übertemperaturbedingungen
zu schützen,
die zu einer Ausrüstungsbeschädigung oder
Personalverletzung führen
könnten,
die sich durch Feuer oder Rauch ergibt. Überstromvorrichtungen leiden
insofern unter Begrenzungen in ihrer Wirksamkeit, als sich Übertemperaturbedingungen
aus einem normalen Stromfluss durch die Ausrüstung ergeben können, die
unter beschädigten
Leitern oder schlechten elektrischen Verbindungen leidet. Ein elektrisches Kabel,
das Litzendrahtleiter enthält,
kann sich beispielsweise überhitzen,
wenn einige der Litzen zerbrochen sind, selbst wenn weniger als
der Nennstrom durch das Kabel fließt. Viele Feuer wurden aufgrund
von schlechten Verbindungen in Steckern, Steckbuchsen und Verbindungsstreifen
in Kabeln und Geräten
verursacht.
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Erdschluss-Unterbrecher
(GFI) sind eine weitere übliche
Sicherheitsvorrichtung, die in einer elektrischen Ausrüstung verwendet
wird. Obwohl solche Vorrichtungen beim Verringern eines elektrischen
Schlags und einer Ausrüstungsbeschädigung aufgrund
von Kurzschlüssen
zur Erdung wirksam sind, sind sie in Fällen unwirksam, in denen der
Erdschluss nicht zu einem Stromfluss zur Erdung führt. Ein
GFI verhindert beispielsweise nicht ein Feuer im Fall von zerbrochenen
Leiterlitzen oder schlechten Verbindungen, da kein Erdungsstromfluss
auftritt. Weder GFIs noch Überstromvorrichtungen
schützen ein
Kabel oder eine Vorrichtung vor Übertemperaturbedingungen,
die sich aus externen Wärmequellen wie
z.B. übermäßigen Umgebungstemperaturbedingungen
oder einen Kontakt mit heißen
Brennern, einer heißen
Rohrleitung usw. ergeben. Die Vorrichtung kann auch nicht wirksam
sein, wenn das Kabel außerstande
ist, normale Wärme
abzuleiten. Das Kabel oder Gerät
kann beispielsweise mit einem thermisch isolierenden Material bedeckt
werden, das die Ableitung von Wärme
aufgrund eines normalen Stromflusses verhindert.
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Temperatursensoren
wie z.B. Widerstandstemperatursensoren (RTDs) und Thermistoren werden üblicherweise
verwendet, um Übertemperaturbedingungen
in einer Anlage zu erfassen. Diese Vorrichtungen können verwendet
werden, um Alarme oder Relais auszulösen, um den Strom zur Vorrichtung
bei der Übertemperatur
zu unterbrechen. Obwohl diese Vorrichtungen beim Feststellen der
Temperatur in einem kleinen oder eingeschlossenen Raum wirksam sind,
sind sie beim Feststellen einer Übertemperatur über einen
langen Abstand oder in einem großen Volumen unwirksam, wenn
nicht viele Vorrichtungen verwendet werden. Die Verwendung von ausreichend
Vorrichtungen zum Feststellen der Temperatur über einen langen Abstand oder
in einem großem
Volumen erhöht
die Kosten des Schutzes beträchtlich.
Die für
die Verbindung einer großen
Anzahl von Sensoren erforderliche Verdrahtung macht auch die Vorrichtung
kompliziert und erhöht
die Größe und das
Volumen der Vorrichtung.
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Keine
der obigen Vorrichtungen stellt einen Schutz vor einer mechanischen
Beschädigung
an Kabeln oder Anlagengehäusen
bereit, die zu freiliegenden Leitern oder internen Kurzschlüssen führen kann.
Keine der Vorrichtungen stellt einen Schutz vor einem Schlag oder
Feuer von beschädigten
elektrischen Kabeln oder einer Anlage bereit, bis ein ausreichender
Erdschlussstrom zu fließen
beginnt. Eine Person, die ein fehlerhaftes Anlagenstück mit einer Erdschlussunterbrechung
verwendet, die einen Erdungsweg herstellt, muss beispielsweise einen
vorübergehenden
Schlag erleiden, damit der Unterbrecher den Stromkreis öffnet.
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WO
95/24757 offenbart eine elektrische Sicherheitsvorrichtung mit den
Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 2, die einen Sensorleiter verwendet,
der in einer kontinuierlichen Schleife konfiguriert ist und in einem
elektrischen Bauteil angeordnet ist, um eine Übertemperatur oder mechanische
Beschädigung über eine
Länge oder
einen breiten Bereich des Bauteils festzustellen. Der Sensor umfasst
einen einfachen isolierten oder nicht isolierten Kupferdraht oder
leitende Polymerstreifen. Ein Bezugsleiter ist angeordnet, um die
Umgebungstemperatur zu erfassen, und eine Sensorschaltung misst die
Differenz zwischen dem Widerstand des Sensors und den Bezugsleitern
durch Anlegen eines niedrigen Spannungspotentials über die
Leiter. Eine Steuerschaltung deaktiviert das elektrische Bauteil,
wenn die Differenz des Widerstandes im Sensorleiter und Bezugsleiter
einen vorbestimmten Wert erreicht, wie es durch eine Übertemperaturbedingung
des elektrischen Bauteils verursacht werden würde. Der Sensorleiter und der
Bezugsleiter sind so gewählt,
dass sie einen ähnlichen
Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen.
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Ferner
wird auf US-A-4545926 verwiesen, das leitende Polymerzusammensetzungen
beschreibt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen
Widerstandes aufweisen und eine große Zunahme des spezifischen
Widerstandes erfahren, wenn die Temperatur über einen bestimmten Wert ansteigt,
der als Schalttemperatur bezeichnet wird. Insbesondere wird eine Änderung
des spezifischen Widerstandes offenbart, die derart ist, dass der spezifische
Widerstand der Zusammensetzung über der
Schalttemperatur zumindest etwa eintausend Mal der spezifische Widerstand
der Zusammensetzung unter der Schalttemperatur ist. Das Dokument erwähnt auch,
dass die beschriebenen Polymerzusammensetzungen in Strombegrenzungsvorrichtungen
nützlich
sind.
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Aufgaben und Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Sicherheitsvorrichtung
für Stromkabel,
Geräte
und andere elektrische Vorrichtungen bereitzustellen, die in der
Lage ist, eine Übertemperaturbedingung über eine
erweiterte Länge
des Stromkabels oder über
eine erweiterte Oberfläche
eines elektrischen Geräts
festzustellen.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
elektrischen Sicherheitsvorrichtung, um eine Überhitzung von Stromkabeln
und Geräten
zu verhindern, die beschädigte
Leiter oder schlechte Verbindungen in Steckern, Steckbuchsen oder
Verbindungen aufweisen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung, die einen Schutz für elektrische
Kabel oder Geräte
bereitstellt, die eine mechanische Beschädigung erleiden, die zu freiliegenden
Leitern, internen Kurzschlüssen
oder Kurzschlüssen
zur Erdung führen
könnten.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung für Stromkabel und Geräte, die
einen Schutz vor übermäßigen Umgebungstemperaturen
oder einem Kontakt mit einer heißen Anlage bereitstellt.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung für Stromkabel und Geräte, die
für die
Integration mit einem Erdschlussschutz und/oder Überstromschutz mit den Merkmalen
der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein isolierter elektrischer Leiter für die Feststellung
einer Übertemperatur
und einer mechanischen Beschädigung
nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bereitgestellt. Beispiele von Vorrichtungen,
die geschützt werden
können,
umfassen Verlängerungskabel, Stromkabel
von Geräten
oder Werkzeugen, Leistungsstreifen, Computer, eine elektronische
Anlage und eine kommerzielle und industrielle elektrische Anlage.
Vorzugsweise misst eine Steuereinheit wie z.B. eine Impedanzmessschaltung
die elektrische Impedanz oder den Widerstand der Sensorschleife und
aktiviert einen Unterbrecher oder ein Relais in Reihe mit einem
Leiter im Kabel, das Leistung zur Vorrichtung liefert. Eine ausreichende
Zunahme des Widerstandes des Sensors öffnet das Relais, was den Stromfluss
durch die Vorrichtung stoppt. Der Sensorstreifen erstreckt sich
entlang einer beträchtlichen
Länge des
Kabels. In einem Ausführungsbeispiel
erstreckt sich der Sensorstreifen vom Stecker zum zweiten Ende des
an der Vorrichtung angebrachten Kabels.
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Der
Sensorstreifen besteht aus einem elektrisch leitenden Polymer mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes, der
mit der Temperatur zunimmt. Mit anderen Worten, die Zunahme des
Widerstandes des Sensorstreifens über einen gegebenen Temperaturanstieg
ist bei einer höheren
Temperatur größer als
bei einer niedrigeren Temperatur. Im Idealfall besitzt das leitende Polymer
einen relativ niedrigen Widerstand unter einer Temperatur, die die
Isolation oder andere Materialien in der Vorrichtung beschädigen kann,
und einen unendlich hohen Widerstand bei Temperaturen, die eine
Beschädigung
verursachen können.
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Der
vorstehend beschriebene "Schalt"-Effekt ermöglicht die
Temperaturerfassung über
einer ausgedehnten Länge
eines Kabels, da die resultierende Zunahme des Widerstandes beträchtlich
genug ist, um zu bewirken, dass die Schaltung auslöst, selbst wenn
eine kurze Länge
des Kabels überhitzt
wird. Der hohe Betrag der Widerstandsänderung bei Temperaturen nahe
der gewünschten
Auslösetemperatur ist
wichtig, da andere Faktoren wie z.B. hohe Umgebungstemperatur, Erhitzung
aufgrund eines normalen Stromflusses oder normaler Dehnung am Kabel auch
Erhöhungen
des Widerstandes verursachen. Wenn die Änderung des Widerstandes über einen gegebenen
Temperaturbereich im Allgemeinen konstant war (wie im Fall von vielen
Metallen), würde eine
kleine Temperaturänderung über die
Länge des Kabels
dieselbe Widerstandsänderung
wie eine große
(oder vielleicht schädigende) Änderung
in einer kurzen Länge
des Sensorstreifens verursachen.
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Viele
leitende Polymere weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC) des spezifischen Widerstandes auf, der mit der Temperatur
zunimmt. Diese Materialien umfassen sowohl von Natur aus leitende
Polymere als auch mit leitenden Teilchen oder Fasern wie z.B. Kohlenstoff
und Metallen gefüllte
Polymere. Die leitenden Polymere der vorliegenden Erfindung sollten
eine Erhöhung
des PTC des Materials von mindestens einer Größenordnung zwischen 30 Grad
Celsius und einer festgelegten maximalen zulässigen Temperatur vor dem Erweichungs-, Schmelz-
oder Verkohlungspunkt der Isolation des Kabels zeigen. Die maximale
zulässige
Temperatur hängt
von der Isolation und von anderen in der Vorrichtung verwendeten
Materialien ab, und liegt typischerweise zwischen 75 und 200 Grad
Celsius. In anderen Ausführungsbeispielen
ist die Erhöhung
des PTC von einer maximalen erwarteten Betriebstemperatur auf die
maximale zulässige
Temperatur größer als
2 Größenordnungen.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist die Erhöhung
des PTC von der maximalen erwarteten Betriebstemperatur auf die maximale
zulässige
Temperatur größer als
3 Größenordnungen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind mindestens drei Sensorstreifen im Kabel zwischen
den Leitern und der nächsten äußeren Oberfläche des Kabels
angeordnet. In dieser Weise angeordnet führt eine Beschädigung oder
ein Abrieb des Stromkabels zu einem Leerlauf im Sensorstreifen,
bevor der Leiter freigelegt wird. Vorzugsweise sind die Sensorstreifen durch
einen Nebenschluss, der sich in mindestens einem Ende des Kabels
befindet, in Reihe geschaltet, so dass ein Leerlauf in irgendeinem
Streifen als hoher Widerstand durch die Widerstandsmessschaltung
festgestellt wird, die das Relais oder den Unterbrecher öffnet. Vorzugsweise
sind genügend
in Reihe geschaltete Sensorstreifen außerhalb der Leistungsleiter
angeordnet, so dass eine Beschädigung
von einer einzelnen oder mehreren Richtungen dazu führt, dass
mindestens ein Sensorleiter durchtrennt wird, bevor ein gespeister
Leiter freigelegt wird.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
kann der Masseleiter als einer der Sensorstreifen verwendet werden.
In dieser Konfiguration erfasst die Widerstandsmessschaltung auch
einen Leerlauf im Masseleiter des Kabels. In noch weiteren Ausführungsbeispielen
werden ein oder mehrere Sensorstreifen aus einem leitenden Polymer
für die
Temperaturerfassung verwendet und zusätzliche in Reihe geschaltete Sensorstreifen
aus irgendeinem leitenden Material werden für die Erfassung einer mechanischen
Beschädigung
verwendet.
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Der
Unterbrecher der vorliegenden Erfindung kann mit einem Erdschlussdetektor
verbunden werden, um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen.
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Überstromvorrichtungen
wie z.B. Heizvorrichtungen können
in den Unterbrecher integriert sein, um mehrere Sicherheitsmerkmale
in einer einzigen Vorrichtung zu bieten.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Hinblick auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und
die zugehörigen
Zeichnungen besser verständlich,
in denen gilt:
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Verlängerungskabels, das ein Ausführungsbeispiel der
elektrischen Sicherheitsvorrichtung enthält, wobei das Kabel einen Stecker,
der Strom zu einem Lastende liefert, einen Sensorstreifen, der in
der Isolierung des Kabels angeordnet ist, eine Impedanzmessschaltung
zum Messen des Widerstandes des Sensorstreifens und ein Relais zum
Unterbrechen des Stroms zu den Leistungsleitern der Vorrichtung umfasst.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Stromkabels zum Liefern von Leistung
zu einer Last, wobei das Stromkabel ein Ausführungsbeispiel 200 der Sicherheitsvorrichtung
enthält,
wobei die Sicherheitsvorrichtung den Masseleiter in einer in Reihe
geschalteten Sensorschleife verwendet und einen Erdschlussdetektor
und eine Schaltung zum Unterbrechen des Stroms zur Vorrichtung umfasst.
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3 ist
ein schematisches Diagramm des Kabels eines weiteren Ausführungsbeispiels
unter Verwendung von vier Sensorstreifen und Nebenschlüssen am
Versorgungs- und am Lastende, um eine in Reihe geschaltete Sensorschleife
zu bilden.
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4 ist
ein schematischer Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der elektrischen
Sicherheitsvorrichtung, der eine Leistungsversorgung, eine Impedanzmessschaltung
und einen Erdschlussindikator zeigt.
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5A ist
eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Geräts und eines
Stromkabels unter Verwendung einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung,
wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Einsteckmodul umfasst, das
die Impedanzmessschaltung und das Relais enthält.
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5B ist
eine teilweise bruchstückhafte Zeichnung
des Kabels von 5A, die zwei Sensorstreifen
zeigt, die innerhalb des Kabelisolationsmantels angeordnet sind.
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6A ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen auf der Innenfläche eines äußeren Isolationsmantels
des Kabels angeordnet sind.
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6B ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen an der Außenfläche eines äußeren Isolationsmantels
des Kabels angeordnet sind.
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6C ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen an der Innenfläche eines äußeren Isolationsmantels
des Kabels angeordnet sind, wobei die Streifen innerhalb der Innenfläche des
Mantels vorstehen.
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6D ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen auf der Außenfläche eines äußeren Isolationsmantels
des Kabels angeordnet sind, wobei die Streifen außerhalb
der Außenfläche des
Mantels und einer isolierten Beschichtung über dem Mantel vorstehen.
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6E ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen in der Isolation
des Kabels angeordnet sind, wobei die Streifen radial um ein geometrisches
Zentrum des Querschnitts des Kabels beabstandet sind.
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6F ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen in der Isolierung
eines Flachkabels mit einem zentralen Masseleiter angeordnet sind.
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6G ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen in der Isolierung
eines Flachkabels ohne zentralen Masseleiter angeordnet sind.
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6H ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen auf der Oberfläche der
Isolierung eines Flachkabels und einer die Isolierung bedeckenden
Isolationsbeschichtung angeordnet sind.
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6I ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines elektrischen Kabels, wobei die Sensorstreifen so angeordnet
sind, dass gerade Linien, die benachbarte Sensorstreifen verbinden,
außerhalb
der Leiter des Kabels liegen.
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7A ist
eine perspektivische Zeichnung des Steckerendes eines Stromkabels,
das ein Sensorverbindungselement vom Ringtyp mit Nebenschluss- und
Drahtverbindungselementen, die am Versorgungsende des geschützten Stromkabels
befestigt sind, verwendet.
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7B ist
ein Querschnitt eines Sensorstreifen-Verbindungselements, der einen
Presssitz mit dem Sensorstreifenende zeigt.
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7C ist
ein Querschnitt eines Sensorstreifen-Verbindungselements, der eine
eingebettete Elektrode, die in das Sensorstreifenende eingesetzt ist,
zeigt.
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7D ist
eine perspektivische Zeichnung der Sensorstreifenverbindungen an
einem Versorgungsende eines elektrischen Kabels unter Verwendung
eines leitenden Polymermaterials, um die Verbindungen mit den Sensorstreifenenden
herzustellen.
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7E ist
eine perspektivische Zeichnung der Sensorstreifenverbindungen am
Lastende eines Stromkabels unter Verwendung eines leitenden Polymermaterials,
um Verbindungen mit den Sensorstreifenenden und einem Sensorstreifen,
der am Gehäuse
eines elektrischen Geräts
angeordnet ist, herzustellen.
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7F ist
eine perspektivische Zeichnung einer Steckbuchse eines Verlängerungskabels
unter Verwendung von leitenden Polymerstreifen in einer Steckbuchse
als zusätzliche
Sensorstreifen und als Nebenschluss für die Kabelsensorstreifen.
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8 ist
ein schematisches Diagramm von zwei elektrischen Vorrichtungen,
die durch eine einzelne Sicherheitsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung geschützt
sind, wobei das Verbindungselement der ersten Vorrichtung eine Aufnahme
für einen
Stift des Steckers der zweiten Vorrichtung umfasst, um einen einzelnen
in Reihe geschalteten Sensor bereitzustellen.
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9A ist
ein schematisches Diagramm von zwei elektrischen Vorrichtungen,
die durch eine einzelne Sicherheitsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung geschützt
sind, wobei das Verbindungselement der ersten Vorrichtung eine Aufnahme
für einen
Stift der zweiten Vorrichtung umfasst, um einen einzelnen in Reihe
geschalteten Sensor bereitzustellen, wobei der Masseleiter jeder
Vorrichtung in den in Reihe geschalteten Sensor integriert ist.
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9B ist
eine perspektivische Zeichnung des Ausführungsbeispiels von 9A,
die den Stecker mit dem Sensorstift und das Verbindungselement mit
der Sensorstiftaufnahme zeigt.
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10A ist ein Graph des spezifischen Volumenwiderstandes
als Funktion der Temperatur einer Probe von gefülltem Polyethylen mit niedriger Dichte.
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10B ist ein Graph des Temperaturkoeffizienten
des spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur der gefüllten Polyethylenprobe
mit niedriger Dichte von 10A.
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11A ist ein Graph des spezifischen Volumenwiderstandes
als Funktion der Temperatur einer Probe von gefülltem Polyethylen mit hoher
Dichte.
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11B ist ein Graph des Temperaturkoeffizienten
des spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur der gefüllten Polyethylenprobe
mit hoher Dichte von 10A.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Das
Folgende ist eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung, die leitende Polymersensorstreifen
verwendet, um eine Übertemperaturbedingung
in einem elektrischen Kabel, einer Verbindung oder einem Gerät zu erfassen.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines elektrischen Verlängerungskabels
unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels 100 der
elektrischen Sicherheitsvorrichtung zum Erfassen einer Übertemperaturbedingung
im Kabel 101. Der Versorgungsstecker 103 des Kabels 101 liefert
elektrische Leistung zur Laststeckbuchse oder zum Lastverbindungsstecker 105 durch
einen ersten Leiter 107 und einen zweiten Leiter 109.
Ein erster Zinken 111 des Steckers 103 ist mit
dem ersten Leiter 107 durch den Kontakt 113 des
Relais 115 verbunden. Ein zweiter Zinken 112 des
Steckers 103 ist mit dem zweiten Leiter 109 durch
den Kontakt 114 des Relais 115 verbunden. Der
Stecker 103 kann in eine Versorgungssteckbuchse 117 eingesteckt
werden, um Leistung zu einer Last 119 vom Lastverbindungselement 105 zu
liefern. Eine Isolierung 121 umgibt den ersten Leiter 107 und
den zweiten Leiter 109 zwischen dem Stecker 103 und
dem Lastverbindungselement 105.
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Ein
erster Sensorstreifen 123, der in der Isolierung 121 angeordnet
ist, umfasst ein erstes Ende 125 und ein zweites Ende 127.
Ein zweiter oder Rückführungsstreifen 129,
der in der Isolierung 121 angeordnet ist, umfasst ein erstes
Ende 131 und ein zweites Ende 133. Das zweite
Ende 127 des ersten Sensorstreifens 123 ist mit
dem zweiten Ende 133 des zweiten Streifens 129 durch
einen Nebenschluss 135 verbunden, um einen in Reihe geschalteten
Sensor oder eine in Reihe geschaltete Schleife 137 zu bilden.
Der zweite Streifen 129 kann irgendein Leitermaterial sein.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist
der zweite Streifen 129 ein zweiter Sensorstreifen. Der
in Reihe geschaltete Sensor 137 ist mit einer Impedanz-
oder Widerstandsmessschaltung 139 am ersten Ende 125 des
ersten Sensorstreifens 123 und am ersten Ende 131 des
zweiten Streifens 129 verbunden.
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Der
Sensorstreifen 123 besteht aus einem Material mit einem
Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes, der positiv
ist und mit der Temperatur zunimmt. Es wurde festgestellt, dass
die Verwendung von Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC), dessen Wert bei einer erhöhten
Temperatur im Vergleich zu einer niedrigeren Temperatur höher ist,
beim Erfassen von Übertemperaturbedingungen über eine
ausgedehnte Länge
eines Sensorstreifens besonders nützlich ist. Ein aus einem Material
mit einem gegebenen spezifischen Volumenwiderstand, einer gegebenen
Querschnittsfläche
und einer gegebenen Länge
bestehender Sensorstreifen führt
beispielsweise zu einem Widerstandswert, gemessen von Ende zu Ende.
Dieser Widerstandswert ist zum spezifischen Volumenwiderstand und
zur Länge
des Sensorstreifens proportional und zur Querschnittsfläche des
Streifens umgekehrt proportional. Eine Änderung der Temperatur des
Streifens führt
zu einer Widerstandsänderung, die
zum Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes und zur
Temperaturdifferenz proportional ist.
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Wenn
das Material einen relativ konstanten PTC über einen festgelegten Temperaturbereich
aufweist, wie es in vielen Materialien wie z.B. Metallen der Fall
ist, verhält
sich die Widerstandsänderung (wie
an den Enden des Streifens gemessen) im Vergleich zu einem Material,
in dem der PTC mit der Temperatur zunimmt, anders. Der Widerstand
eines Streifens, der aus einem Material mit einem konstanten PTC
besteht, erfährt
beispielsweise dieselbe Widerstandsänderung, ob der ganze Streifen
eine gegebene Temperaturerhöhung
erfährt
oder ob die Hälfte
der Streifenlänge
eine Temperaturänderung mit
zweimal dem gegebenen Wert erfährt.
Diese Bedingung führt
insofern zu einem Problem, wenn ein solches Material als linearer
Temperatursensor verwendet wird, als dieselbe Widerstandsänderung
(die einen Auslösepunkt
der Schutzvorrichtung darstellt) durch eine nicht bedrohliche, kleine
Temperaturerhöhung
im ganzen Streifen erreicht werden könnte. Alternativ kann der Auslösepunkt
eine übermäßig hohe Temperatur
im Fall einer sehr kurzen Störungslänge erfordern.
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Die
Streifenmaterialien der vorliegenden Erfindung verwenden ein Material
mit einem PTC, der mit der Temperatur zunimmt. Diese Materialien
sind, wenn sie in einem linearen Temperatursensorstreifen verwendet
werden, durch eine Erhöhung
des elektrischen Widerstandes gekennzeichnet, der mit einer zunehmenden
Rate mit der Temperatur zunimmt. Eine Temperaturänderung in einer kurzen Länge des Sensorstreifens
führt zu
einer Änderung
des Widerstandes, die ausreicht, um die Schaltung auszulösen, bevor
eine Beschädigung
auftritt. Eine kleine Temperaturänderung über die
Länge des
Kabels, die sich aus einer hohen Umgebungstemperatur oder normalen
Stromflüssen
durch das Kabel ergeben könnte, verursacht
keine Widerstandsänderung,
die ausreicht, um die Schaltung auszulösen. Da ein elektrischer Fehler
wahrscheinlich über
eine sehr kurze Länge
des Kabels existiert (beispielsweise wenn mehrere Litzen eines Litzenleiters
ausfallen), sollte das Material einen PTC-Wert aufweisen, der bei
einer Temperatur, die sich der Schmelz- oder Erweichungstemperatur
der Isolierung nähert,
zumindest eine Größenordnung
höher ist
im Vergleich zu normalen Betriebstemperaturen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist der PTC-Wert des leitenden Polymers 2–12 Größenordnungen größer als
die Schmelz- oder Erweichungstemperatur der Isolierung im Vergleich
zu normalen Betriebstemperaturen.
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Um
die Komplexität
der Impedanzmessschaltung zu verringern, wird der spezifische Volumenwiderstand
des Sensormaterials so gewählt, dass
er geringer als 10000 Ω-cm
ist. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird der spezifische Volumenwiderstand so gewählt, dass er geringer ist als 100 Ω-cm.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
besitzt das Sensorstreifenmaterial einen PTC, der einen relativ
niedrigen Wert bei den Betriebstemperaturen und einen relativ hohen
Wert bei Temperaturen, die zu einem Ausfall der Isolierung des Kabels
führen können, oder
Temperaturen, die wahrscheinlich ein Feuer verursachen, aufweist.
Bestimmte leitende Polymere weisen solche Eigenschaften auf und
können sowohl
von Natur aus leitende Polymere als auch gefüllte Polymere umfassen. Gefüllte Polymere
können thermoplastische
und wärmehärtende Polymere,
Copolymere, Elastomere und natürliche
oder synthetische Kautschuke umfassen. Elektrisch leitende Füllstoffe
können
Metallteilchen oder -fasern wie z.B. Edelstahl, Aluminium, Nickel,
Kupfer und Silber umfassen. Füllstoffe
auf Kohlenstoffbasis können
auch verwendet werden. Verschiedene Polymere und Füllstoffe
können
kombiniert werden, um die Leitfähigkeit und
den "Schalteffekt" des Sensors zu optimieren.
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Zusätzlich zu
einem mit der Temperatur zunehmenden PTC weisen einige dieser Materialien auch
mechanische Eigenschaften auf, die als linearer Temperatursensor
in elektrischen Kabeln und anderen Vorrichtungen vorteilhaft zu
verwenden sind. Diese Eigenschaften umfassen eine gute Biegsamkeit,
eine hohe Dehnung und eine gute Bruchbeständigkeit. Einige von diesen
Materialien sind extrudierbar und einige sind coextrudierbar mit üblichen
Isolationspolymeren wie z.B. Polyethylen mit niedriger und hoher
Dichte und Polyvinylchlorid. Einige von diesen Materialien können beim
Spritzgießen
oder beim gemeinsamen Formen mit üblichen Polymeren, die in elektrischen
Steckern, Steckbuchsen und Steckern verwendet werden, verwendet
werden. Noch weitere leitende Polymere können als heiße Schmelzen,
Beschichtungen oder Tinten angewendet werden. Diese Eigenschaften
befähigen
diese Materialien, die Anordnung des Sensorstreifens im Kabel oder
in der Vorrichtung zu optimieren, um zusätzliche Merkmale zu erhalten,
wie in zusätzlichen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung erörtert.
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Im
Betrieb führt
eine übermäßige Temperatur an
irgendeinem Punkt entlang der Länge
des elektrischen Kabels 101, wie vom ersten Sensorstreifen 123 festgestellt,
zu einem hohen Widerstand oder einer hohen Impedanz über dem
in Reihe geschalteten Sensor 137. Die Impedanzmessschaltung 139 öffnet das
Relais 115 beim Messen einer vorbestimmten Impedanz des
in Reihe geschalteten Sensors, die eine Übertemperaturbedingung im Sensorstreifen 123 darstellt.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Stromkabels 203 unter
Verwendung eines Ausführungsbeispiels 200 der
Sicherheitsvorrichtung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel 100 darin,
dass ein Masseleiter 201 im Kabel 203 angeordnet
ist, welcher den Massestift 205 des Steckers 207 mit
dem Lastverbindungselement 209 verbindet. Das Lastverbindungselement 209 kann
eine Steckbuchse oder ein Verbindungsstecker wie in einem Verlängerungskabel
sein oder es kann die internen Verbindungen der Lastvorrichtung 211 sein.
In diesem Ausführungsbeispiel dient
der Masseleiter 201 als Rückführungs- oder zweiter Streifen 129 von 1.
Der Nebenschluss 213 verbindet ein zweites Ende 127 des
ersten Sensorstreifens 123 mit dem Ende 215 des
Masseleiters 201. Der Nebenschluss 213 bildet
einen in Reihe geschalteten Sensor 217 aus dem Sensorstreifen 123 und
dem Masseleiter 201. Die Verwendung des Masseleiters 201 als
Rückführungsweg
des in Reihe geschalteten Sensors 217 führt dazu, dass die Impedanzmessschaltung 219 einer
zweiten Funktion als Massedraht-Kontinuitätssensor dient, da ein Leerlauf im
Masseleiter 201 zwischen der Verbindung 221 und der
Nebenschlussverbindung 223 zu einer hohen Impedanz führt, wie
durch die Schaltung 219 gemessen.
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Das
Ausführungsbeispiel 200 kann
auch einen Erdschlusstransformator oder – detektor 225 umfassen.
Ein Unterschied im Stromfluss zwischen dem Leiter 107 und 109,
wie vom Detektor 225 festgestellt, öffnet das Relais 115 durch
die Erdschluss-Erfassungsschaltung 227. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann der Detektor 225 gegen einen Stromdetektor ausgetauscht
werden. Der Stromdetektor kann Nebenschlussvorrichtungen wie z.B. Heizvorrichtungen,
die das Relais 115 bei einem Überstrom auslösen, sein
oder er kann eine Nebenschlussvorrichtung umfassen, die das Relais 115 durch
eine Steuereinheit (nicht dargestellt) öffnet. Andere Überstromvorrichtungen,
die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie z.B. Stromkreisunterbrecher oder
Sicherungen können verwendet
werden. Noch weitere Ausführungsbeispiele
verwenden einen Bogendetektor, gegen den der Detektor 225 ausgetauscht
wird. Die Verwendung von mehreren Detektoren, wie in 2 gezeigt,
stellt eine zusätzliche
Sicherheit durch Vorsehen von mehrfacher Störungserfassung bereit und ermöglicht die
Verwendung eines einzelnen Relais 115, um die Vorrichtung
im Fall einer Störung
zu deaktivieren.
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Das
Relais 115 kann sich am Lastende des Kabels 203 befinden
oder es kann sich in der Lastvorrichtung 211 befinden.
Der bevorzugte Ort liegt am Quellenende des Kabels 203.
Der Rückführungsstreifen
des in Reihe geschalteten Sensors 217 kann sich außerhalb
des Kabels 203 befinden. Eine externe Rückführung kann in üblichen
Erdungsanwendungen verwendet werden.
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektrischen Kabels
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. Das Kabel 301 umfasst
einen ersten Leiter 303 und einen zweiten Leiter 305,
der von einer Kabelisolierung 307 umgeben ist. Ein erster
Sensorstreifen 309, ein zweiter Sensorstreifen 311,
ein dritter Sensorstreifen 313 und ein vierter Sensorstreifen 315 sind
in einer Länge
der Isolierung 307 angeordnet und erstrecken sich von einem
Versorgungsende 317 zu einem Lastende 319. Ein
erster Nebenschluss 321 verbindet die Sensorstreifen 309 und 311 am
Lastende 319; ein zweiter Nebenschluss 323 verbindet
die Sensorstreifen 311 und 313 am Versorgungsende 317;
und ein dritter Nebenschluss 325 verbindet die Sensorstreifen 313 und 315 am
Lastende 319. In dieser Weise verbinden die Nebenschlüsse 321, 323 und 325 Paarkombinationen
von Sensorstreifen 309, 311, 313 und 315,
um eine in Reihe geschaltete Schleife 327 an den Verbindungen 329 und 331 zu bilden.
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4 ist
ein elektrisches schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels 400 der
vorliegenden Erfindung. Leistung zur Last 401 wird über den
Stecker 403, den Relaiskontakt 404A, Leiter 405 und 407 und
das Lastverbindungselement 409 geliefert. Strom wird zur
Last 401 durch Leiter 405 und 407 nur
dann geliefert, wenn der normalerweise offene Relaiskontakt 404A geschlossen
ist. Die Impedanzmessschaltung 402 aktiviert das Relais 404 während des
normalen Betriebs und deaktiviert das Relais 404 während einer Übertemperaturbedingung,
wie durch die Sensorstreifen 411 und 413 festgestellt.
Der Nebenschluss 412 verbindet die Enden der Sensorstreifen 411 und 413 am
Lastende, was einen in Reihe geschalteten Sensor 437 bildet.
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Während des
normalen Betriebs liefert die Leistungsversorgung 415 eine
niedrige Spannung dc an der Leistungsversorgungsverbindung 417.
Diese Betriebsspannung wird vom Stecker 403 durch den Isolierungstransformator 419,
den Vollweggleichrichter 421, den Spannungsregler 423 und
die Filterkondensatoren 425 und 427 erhalten.
Die Betriebsspannung, die normalerweise geringer als 10 VDC ist, wird
zu einem Bezugsspannungsteiler mit Widerständen 429 und 431 geliefert.
Die Bezugsspannung an der Verbindung 433 wird zum (–)-Eingang
des Vergleichers 435 geliefert. Ein zweiter Spannungsteiler umfasst
einen in Reihe geschalteten Sensor 437 und Widerstand 438.
Die Sensorspannung der Teilerverbindung 441 ist mit dem
Gate eines FET 443 verbunden. Der FET 443 sieht
einen Puffer mit hoher Impedanz für den Vergleicher 435 vor.
Der Ausgang des FET 443 liefert den (+)-Eingang in den
Vergleicher 435. Der Transistor 436 wirkt als
Treiber für
das Relais 404.
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Der
Kontakt 404B sieht einen Zwischenspeicher für das Relais 404 vor.
Der vorübergehende Schalter 439 wird
verwendet, um das Relais 404 zu aktivieren, nachdem der
Stecker 403 in eine Versorgungssteckbuchse eingesteckt
wird.
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Während des
normalen Betriebs bei normalen Umgebungstemperaturen und Lastströmen ist der
Widerstand des in Reihe geschalteten Sensors 437 geringer
als ein vorbestimmter Wert. Dieser vorbestimmte Widerstandswert
stellt sicher, dass die Spannung an der (+)-Verbindung des Vergleichers 435 größer ist
als die Bezugsspannung an der (–)-Verbindung
des Vergleichers 435. In diesem Zustand ist das Ausgangssignal
des Vergleichers 435 hoch, was den Transistor 436 durchsteuert
und das Relais 404 aktiviert.
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Bei
der Feststellung einer Übertemperaturbedingung
steigt der Widerstand der in Reihe geschalteten Sensorschleife 437 über einen
vorbestimmten Wert an, was zu einer Spannung an der Teilerverbindung 441 und
der entsprechenden Spannung an der (+)-Verbindung des Vergleichers 435 führt, die
ausreichend niedrig ist, um den Zustand des Vergleichers 435 zu ändern. Das
Ausgangssignal des Vergleichers 435 schaltet auf niedrig
um, was den Transistor 436 sperrt und das Relais 404 deaktiviert.
Die Deaktivierung des Relais 404 öffnet den Kontakt 404A,
was den Stromfluss durch die Leiter 405, 407 und
die Last 401 unterbricht. Die Deaktivierung des Relais 404 öffnet auch
den Kontakt 404B, was die Relaisschaltung entriegelt. Das
Relais 404 bleibt deaktiviert, selbst wenn sich die Störung klärt und der
Widerstand des in Reihe geschalteten Sensors 437 unter
den vorbestimmten Wert fällt.
Der vorübergehende
Schalter 439 müsste
vorübergehend geschlossen
werden, um das Relais 404 wieder zu aktivieren. Dies würde erst
nach einer Untersuchung der Störung
und des Zustandes der elektrischen Vorrichtung durchgeführt werden.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
wird das Relais 404 gegen ein Halbleiterrelais oder einen
Triac und eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) ausgetauscht.
Eine geeignete elektronische Verriegelungsschaltung kann auch hinzugefügt werden.
Nebenschlusskondensatoren 442 und 444 leiten induziertes
Wechselspannungsrauschen zur Erdung um.
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Die
LED 445 wird aktiviert, wenn das Relais 404 aktiviert
wird, was eine "normale" Betriebsart anzeigt,
wobei Leistung für
die Last 401 zur Verfügung steht.
Die LED 447 wird aktiviert, wenn Leistung am Stecker 403 zur
Verfügung
steht, aber der Vergleicher 435 sich im "Aus"-Zustand befindet,
was eine Störung
anzeigt, wie durch den in Reihe geschalteten Sensor 437 festgestellt.
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Die
Komponenten der Impedanzmessschaltung 402 sind so angeordnet,
dass ein Ausfall der Hauptkomponenten dazu führt, dass sich das Relais 404 öffnet. Ein
Leerlauf in der Leistungsversorgung 415, im FET 443,
im Vergleicher 435, im Treiber 436, im Relais 404 oder
im in Reihe geschalteten Sensor 437 führt beispielsweise zu einer "fehlersicheren" Betriebsart.
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5A ist
eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Geräts wie z.B.
eines Hängelichts 501.
Das Hängelicht 501 ist
mit einem Einsteckmodul 503 durch ein elektrisches Kabel 505 verbunden.
Das Einsteckmodul 503 umfasst Standardzinken 507 und einen
Massepunkt 509, die in eine Standardleistungssteckbuchse
(nicht dargestellt) eingesetzt sind. Das Modul 503 enthält eine
Impedanzmessschaltung 402 und ein Relais 404 von 4.
Die Leistungsversorgung 402 befindet sich auch im Modul 503.
Ein Indikator 511 für
einen "normalen" Zustand zeigt an, dass
die Einheit eingesteckt wurde und der "Start"-Schalter 513 gedrückt wurde,
was Leistung zum Hängelicht 501 liefert.
Die Beleuchtung des Fehlerindikators 515 gibt an, dass
die Impedanz des in Reihe geschalteten Sensors (437 von 4)
bis zu einem Punkt zugenommen hat, der eine übermäßige Temperatur im Kabel 505 oder
einen Leerlauf im in Reihe geschalteten Sensor 437 angibt.
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5B ist
eine teilweise bruchstückhafte Zeichnung
des elektrischen Kabels 505 von 5A. Isolierte
Leiter für
das Kabel umfassen einen spannungsführenden Leiter 511A,
einen Nullleiter 511B und einen Masseleiter 511C.
Die Leiter 511A, 511B und 511C sind durch
einen isolierten Mantel 515 umgeben. Ein Sensorstreifen 517A ist
schraubenförmig um
die Leiter 511A, 511B und 511C gewickelt.
Der Sensorstreifen 517B ist schraubenförmig um die Faserisolierung 518 gewickelt,
die die Leiter umgibt. Sensorstreifen 517A und 517B sind
aus einem leitenden Polymermaterial extrudiert und sind durch einen Nebenschluss
(nicht dargestellt) im Hängelicht 501 verbunden,
um den in Reihe geschalteten Sensor 437 von 4 zu
bilden. Der Sensorstreifen 517B kann in einer zu 511A entgegengesetzten
Richtung gewickelt werden, um induzierte Ströme von den Leitern aufzuheben.
Alternativ umfassen die Sensorstreifen 517A und 517B einen
coextrudierten Isolationsmantel (nicht dargestellt) mit einer Isolierung
koaxial zum Sensorstreifen. In dieser Weise isoliert können beide
Sensorstreifen außerhalb
der Faserisolierung 518 gewickelt werden.
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6A–6I sind
Querschnitte von Stromkabeln, die mehrere Verfahren zum Verteilen von
Sensorstreifen in den Kabeln darstellen.
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6A ist
ein Querschnitt eines Stromkabels 600A mit Leitern 601A, 601B und 601C,
die mehrere mögliche
Kombinationen von spannungsführenden,
neutralen und Masseleitern darstellen. Einer oder mehrere der Leiter
können
mit einer Isolierung 603 bedeckt sein. Alle Leiter sind
durch einen isolierten äußeren Mantel 605 geschützt, der
die Leiter über
die Länge
des Stromkabels umgibt. Zusätzliches
Material wie z.B. Fasermaterial 607 kann für eine zusätzliche
Isolierung oder für
die Kabelfestigkeit verwendet werden.
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Sensorstreifen 609A, 609B, 609C und 609D sind
im isolierten äußeren Mantel 605 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel
bildet eine innere Oberfläche 611 der
Sensorstreifen einen Teil der inneren Oberfläche 613 des Mantels 605.
Die Sensorstreifen sind radial vom geometrischen Zentrum 602 des
Kabelquerschnitts beabstandet. Die Sensorstreifen sind auch radial
auswärts
von den Leitern beabstandet. Der radiale Abstand von den Sensorstreifen 609A, 609B, 609C und 609D zur äußeren Oberfläche 606 des
isolierten Mantels 605 ist geringer als der radiale Abstand
von den Leitern 601A, 601B und 601C zur äußeren Oberfläche 606 des
Mantels 605.
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Dieser äußere Abstand
von Sensorstreifen relativ zu den Leitern (insbesondere dem spannungsführenden
Leiter) fördert
ein zweites Schutzmerkmal der Sensorstreifen insofern, als eine
Durchtrenn- oder Abriebwirkung von der Außenseite des Kabels wahrscheinlich
einen Sensorstreifen durchtrennt, bevor das durchtrennende oder
abreibende Objekt mit einem der Leiter in Kontakt kommt. Die Sensorstreifen
bestehen aus einem leitenden Polymermaterial wie z.B. einer mit
teilchenförmigem
Kohlenstoff gefüllten
Polyethylenmatrix. Die Streifen können durch Coextrudieren der
Sensorstreifen mit dem isolierten Mantel 605 aufgebracht
werden.
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6B ist
ein Querschnitt eines Stromkabels 600B mit Sensorstreifen 611A, 611B, 611C und 611D,
die in der Außenseite
des isolierten Mantels 605 angeordnet sind. Eine äußere Oberfläche 615 der
Sensorstreifen bildet einen Teil der äußeren Oberfläche 606 des
Mantels 605. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine äußere isolierte
Beschichtung 619 auf die äußere Oberfläche 606 des Mantels 605 aufgebracht,
einschließlich
der äußeren Oberfläche 615 der
Sensorstreifen 611A, 611B, 611C und 611D. Der
radiale Abstand von den Sensorstreifen 611A, 611B, 611C und 611D zur äußeren Oberfläche 606 des
Mantels 605 ist geringer als der radiale Abstand von den
Leitern zur äußeren Oberfläche. Die
Beschichtung 619 isoliert die Sensorstreifen vom leitenden
Material, das mit den Sensorstreifen in Kontakt kommen könnte, wie
z.B. verunreinigtes Wasser, Metallrohre usw.
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6C ist
ein Querschnitt eines Kabels 600C ähnlich zum Ausführungsbeispiel
des Stromkabels 600A, wo Sensorstreifen 621A, 621B, 621C und 621D auf
der inneren Oberfläche 613 des
Mantels 605 abgelagert sind, so dass sich die Sensorstreifen in
den inneren Bereich 604 des Mantels 605 erstrecken.
Die Sensorstreifen können
durch ein Verfahren wie z.B., dass Heißschmelze aufgebracht wird,
aufgebracht werden.
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6D ist
ein Querschnitt eines Kabels 600D, wo Sensorstreifen 623A, 623B, 623C und 623D auf
der äußeren Oberfläche 606 des
Mantels 605 abgelagert sind. Eine isolierte Beschichtung 625 bedeckt
und isoliert die Sensorstreifen und den äußeren Mantel 605.
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6E ist
ein Querschnitt eines Stromkabels 600E, in dem Leiter 627A, 627B und 627C in
der Kabelisolierung 629 verteilt sind. Die Isolierung 629 stützt die
Leiter ab und beabstandet sie ebenso wie sie sie isoliert. Sensorstreifen 631A, 631B, 631C, 631D, 631E, 631F, 631G und 631H sind
radial um das geometrische Zentrum 632 des Querschnitts
der Isolierung 629 verteilt. Der radiale Abstand zwischen den
Sensorstreifen und der äußeren Oberfläche 633 des
Kabels 600E ist geringer als der radiale Abstand zwischen
den Leitern 627A, 627B und 627C und der äußeren Oberfläche 633 des
Kabels 600E.
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6F ist
ein Querschnitt eines flachen Stromkabels 600F. Leiter 635A, 635B und 635C sind kollinear.
Sensorstreifen 637A, 637B, 637C, 637D, 637E und 637F sind
in der Isolierung 639 so verteilt, dass die Streifen näher an der
nähesten Außenfläche liegen
als der "spannungsführende" Leiter, der geschützt ist.
Ein Leiter auf Massepotential (wie z.B. 635B in typischen
Kabeln) erfordert keinen solchen Schutz.
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6G ist
ein Querschnitt eines Kabels 600G mit acht Sensorstreifen 641,
die in der Isolierung 642 angeordnet sind, die den ersten
Leiter 643A umgibt, und acht Sensorstreifen 641,
die den zweiten Leiter 643B umgeben. Die Sensorstreifen 641 können mit
der Isolierung 642 coextrudiert werden, wenn das Kabel
gebildet wird.
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6H ist
ein Querschnitt eines Kabels 600H mit einer Vielzahl von
Sensorstreifen 645, die mit einer äußeren Oberfläche 646 der
Streifen auf der äußeren Oberfläche 647 der
Isolierung 649 extrudiert werden. Die Beschichtung 651 stellt
eine Isolierung bereit, um unerwünschte
Strompfade für
die Sensorstreifen 645 zu verhindern.
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6I ist
ein Querschnitt eines Kabels 600I, der ein Verfahren zum
Verteilen von Sensorstreifen 651 im Kabel 600I demonstriert.
Spannungsführende Leiter 653A und 653B sind
durch gerade Linien 652 eingeschlossen, die benachbarte
Sensorstreifen verbinden. In dieser Weise besitzen die Sensorstreifen eine
angemessene Gelegenheit zum Öffnen
und Deaktivieren der Leiter, bevor ein Objekt den spannungsführenden
Leiter berühren
kann.
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7A ist
eine perspektivische Zeichnung des Steckerendes 701 eines
Stromkabels 703 mit einem Sensorstreifen-Verbindungselement 705.
Wenn ein Ring 706 des Sensorstreifen-Verbindungselements 705 auf
das Ende 701 gepresst wird, federn die Federkontakte 707A, 707B, 707C und 707D auseinander
und stellen einen Klemmkontakt mit den Sensorstreifen 709A, 709B, 709C und 709D her.
Ein Teil der Kabelisolierung 711 wurde abgelöst, um die Sensorstreifen über eine
Länge freizulegen,
die ausreicht, um das Sensorstreifen-Verbindungselement 705 einzufügen. Eindringspitzen 708 an
jedem der Federkontakte halten das Sensorstreifen-Verbindungselement 705 am
Kabel 703 fest und unterstützen den Kontakt mit den Sensorstreifen.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Federkontakte 707B und 707D durch einen
Nebenschluss 713 verbunden. Eine Drahtverbindung 715,
die mit dem Federkontakt 707A verbunden ist, und eine Drahtverbindung 717, die
mit dem Federkontakt 707C verbunden ist, sind mit einer
Impedanzmessschaltung (nicht dargestellt) verbunden. Die Leiter 719A, 719B und 719C verlaufen
durch eine Öffnung 706A des
Sensorstreifen-Verbindungselements 705.
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7B ist
ein Querschnitt des Sensorstreifen-Verbindungselements 700B.
Eine Leiste 721 des Sensorstreifen-Verbindungselements 700B stellt
einen Presssitz mit dem zugeschnittenen Ende des Kabels 703 her.
Der Sensorstreifenkontakt 723 stellt einen Presssitz am
Sensorstreifen 709A her. Ein Drahtverbindungselement 725 verbindet
den Sensorstreifenkontakt 723 mit der Impedanzmessschaltung oder
einem anderen Element des in Reihe geschalteten Sensors (nicht dargestellt).
Die Isolierung 711 ist zugeschnitten, um zu ermöglichen,
dass der Kontakt 723 des Verbindungselements 700B einen
Kontakt mit dem Sensorstreifen 709A herstellt. Die Öffnung 722 stellt
einen Zwischenraum für
den Leiter 719C bereit.
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7C ist
ein Querschnitt eines Sensorstreifen-Verbindungselements 700C.
In diesem Ausführungsbeispiel
besitzt das Verbindungselement 700C einen Presssitz mit
der äußeren Isolierung 711 des Kabelendes 703.
Kein Zuschneiden des Kabelendes 703 ist erforderlich. Der
Einfügekontakt 727 durchbohrt
das Ende des Sensorstreifens 709C, um einen elektrischen
Kontakt mit dem Sensorstreifen 709C herzustellen. Ein Drahtverbindungselement 725 verbindet
den Einfügekontakt 727 mit
einem anderen Element (nicht dargestellt).
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7D ist
eine perspektivische Ansicht und teilweise aufgeschnitten von einem
weiteren Ausführungsbeispiel
von Sensorstreifenverbindungen. Das Kabelende 729 durchdringt
das Modulgehäuse 731. Ein
Nebenschluss 733A aus leitendem Polymer verbindet die Enden
eines Paars von Sensorstreifen (nicht dargestellt). Ein Nebenschluss 733B aus
leitendem Polymer verbindet die Enden von Sensorstreifen 734 (aufgeschnitten
gezeigt) und eines zweiten Sensorstreifens (nicht dargestellt).
Verbindungselemente 735A und 735B aus leitendem
Polymer verbinden Sensorstreifenenden (nicht dargestellt) mit Drahtverbindungselementen 737A und 737B.
Nebenschlüsse
und Verbindungselemente aus leitendem Polymer können aus demselben leitenden
Material hergestellt werden, das in den Sensorstreifen verwendet
wird. Das leitende Material kann beispielsweise ein mit Kohlenstoffteilchen
gefülltes
Polyethylen sein. Die Nebenschlüsse
und Verbindungselemente aus leitendem Polymer können durch ein Schweiß- oder
Heißschmelzverfahren
aufgebracht werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die
Nebenschlüsse
und Verbindungselemente aus leitendem Polymer eine polymere Klebstoffpaste sein,
die mit Teilchen wie z.B. Metallteilchen gefüllt ist, um die Verbindungen
an den Sensorstreifenenden herzustellen.
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7E ist
eine perspektivische Zeichnung von Sensorstreifenverbindungen am
Lastende eines Stromkabels 743. Nebenschlüsse 745A und 745B aus
leitendem Polymer verbinden Paare von Sensorstreifenenden (nicht
dargestellt) wie in 7D. Verbindungselemente 747A und 747B aus
leitendem Polymer schalten den Sensorstreifen 749 mit einem Paar
von Kabelsensorstreifen über
Drahtverbindungselemente 746A und 746B in Reihe.
Der Sensorstreifen 749 besteht aus einem leitenden Polymer, das
auf die Innenseite des Gehäuses 751 der
Lastvorrichtung 753 aufgebracht ist. Wenn das Gehäuse 751 ausreichend
beschädigt
wird, um das Gehäuse zu
zerbrechen, wird der Sensorstreifen 749 geöffnet, was
die Leistungsversorgung für
die Leiter 755A und 755B auslöst.
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7F ist
eine perspektivische Zeichnung einer Steckbuchse 761, die
am Lastende 763 eines Verlängerungskabels 765 angebracht
ist. Steckbuchsensensorstreifen 767A und 767B sind
verbunden (nicht dargestellt), um einen Nebenschluss zu bilden, der
die Kabelsensorstreifen 769A und 769B verbindet.
Die Verbindungen, wo die Steckbuchsensensorstreifen 767A und 767B die
Kabelsensorstreifen 769A und 769B treffen, können Presssitze,
Schweißverbindungen
sein oder leitende Klebstoffe können verwendet
werden. Eine Beschichtung (nicht dargestellt), die über die
Sensorstreifen 767A und 767B aufgebracht ist,
isoliert die Streifen. Alternativ werden die Sensorstreifen 767A und 767B unter
der Oberfläche
der Steckbuchse gemeinsam geformt.
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8 ist
ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels 800 einer
zweiten geschützten elektrischen
Vorrichtung 801, die in eine erste geschützte elektrische
Vorrichtung 803 eingesteckt werden kann. Die Leistung für die Last 805 wird durch
Zinken 810A und 810B eines ersten Steckers 808,
einen ersten Leiter 807A und einen zweiten Leiter 807B,
Zinkenaufnahmen 812A und 812B eines ersten Verbindungselements 809,
Zinken 814A und 814B eines zweiten Steckers 811 und
Leiter 816A und 816B der Vorrichtung 801 geliefert.
Ein Relais 813 unterbricht den Strom durch den ersten Leiter 807A,
wenn es durch die Impedanzmessschaltung 815 geöffnet wird.
Der in Reihe geschaltete Sensor für die erste geschützte Vorrichtung 803 umfasst
einen ersten Sensorstreifen 819, einen zweiten Sensorstreifen 821 und
einen Nebenschluss 823 mit einem Anker 825, einem
Ankerkontakt 827 und einem Nebenschluss-Verbindungselement 829.
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Die
zweite geschützte
Vorrichtung 801 umfasst einen zweiten in Reihe geschalteten
Sensor 830 mit einem dritten Sensorstreifen 831,
einem vierten Sensorstreifen 833 und einem Nebenschluss 835,
der ein Sensorstreifen, der benachbart zur Last 805 angeordnet
ist, sein kann. Der Körper 837 des Doppelleiterstifts 839 ist
mit dem dritten Sensorstreifen 831 des in Reihe geschalteten
Sensors 830 verbunden. Die Spitze 841 des Doppelleiterstifts 839 ist mit
dem vierten Sensorstreifen 833 des in Reihe geschalteten
Sensors 830 verbunden.
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Wenn
der Stecker 811 der zweiten elektrischen Vorrichtung 801 in
das Verbindungselement 809 der ersten elektrischen Vorrichtung 803 eingesteckt
wird, stellt die Spitze 841 des Doppelleiterstifts 839 mit
dem Spitzenkontaktelement 843 des Verbindungselements 809 einen
Kontakt her. Die Spitze 841 bewegt auch das Spitzenkontaktelement 843 und
den Anker 825 in der Richtung des Pfeils 846, was
den elektrischen Kontakt zwischen dem Anker 825 und dem
Ankerkontakt 827 unterbricht. Der Körper 837 des Doppelleiterstifts 839 stellt
einen elektrischen Kontakt mit dem Körperkontakt 845 des
Verbindungselements 809 her. Das Einstecken des zweiten
Steckers 811 in das Verbindungselement 809 trennt
folglich den ersten in Reihe geschalteten Sensor 817 und
erzeugt einen dritten in Reihe geschalteten Sensor mit dem ersten Sensorstreifen 819,
dem dritten Sensorstreifen 831, dem Nebenschluss 835,
dem vierten Sensorstreifen 833 und dem zweiten Sensorstreifen 821.
Eine Übertemperaturbedingung
entweder in der zweiten elektrischen Vorrichtung 801 oder
der ersten elektrischen Vorrichtung 803 wird von der Impedanzmessschaltung 815 festgestellt,
die die Leistung für
die Vorrichtung über das
Relais 813 unterbricht.
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9A ist
ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels 900 einer
zweiten geschützten
elektrischen Vorrichtung 901, die in eine erste geschützte elektrische
Vorrichtung 903 eingesteckt werden kann. Die Leistung für die Last 905 wird
durch Zinken 910A und 910B eines ersten Steckers 908,
einen ersten Leiter 907A und einen zweiten Leiter 907B,
Zinkenaufnahmen 912A und 912B des ersten Verbindungselements 909,
Zinken 914A und 914B des zweiten Steckers 911 und
Leiter 916A und 916B der Vorrichtung 901 geliefert.
Das Relais 913 unterbricht den Strom durch den ersten Leiter 907A,
wenn es durch die Impedanzmessschaltung 915 geöffnet wird.
Der Massekontakt zum Gehäuse der
Last 905 ist durch einen Massestift 918 des Steckers 908,
einen Masseleiter 920 der Vorrichtung 903, eine
Massestiftaufnahme 922 des Verbindungselements 909,
einen Massestift 924 des Steckers 911, einen Masseleiter 926 der
Vorrichtung 901 und einen Lastmasseleiter 928 vorgesehen.
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Der
in Reihe geschaltete Sensor 906 für die erste geschützte Vorrichtung 903 umfasst
einen ersten Sensorstreifen 919, einen Masseleiter 920 und
einen Nebenschluss 923 mit einem ersten Anker 925, einem
ersten Ankerkontakt 927 und einem Nebenschlussverbindungselement 929.
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Die
zweite geschützte
Vorrichtung 901 umfasst einen zweiten in Reihe geschalteten
Sensor 930 mit einem dritten Sensorstreifen 931,
einem Masseleiter 926 und einem Nebenschluss 935.
Der Stift 939 ist mit dem dritten Sensorstreifen 931 des
in Reihe geschalteten Sensors 930 verbunden.
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Wenn
der Stecker 911 der zweiten elektrischen Vorrichtung 901 in
das Verbindungselement 909 der ersten elektrischen Vorrichtung 903 eingesteckt wird,
stellt der Stift 939 einen elektrischen Kontakt mit dem
Kontaktelement 943 des Verbindungselements 909 her.
Der Stift 939 bewegt auch den Kontakt 943 und
den Anker 925 in der Richtung des Pfeils 960,
wobei der elektrische Kontakt zwischen dem Anker 925 und
dem Ankerkontakt 927 unterbrochen wird.
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Das
Einstecken des zweiten Steckers 911 in das Verbindungselement 909 trennt
folglich den ersten in Reihe geschalteten Sensor 906 und
erzeugt einen dritten in Reihe geschalteten Sensor mit dem ersten
Sensorstreifen 919, dem dritten Sensorstreifen 931,
dem Nebenschluss 935, dem Masseleiter 926 und
dem Masseleiter 920 und ihren zugehörigen Verbindungselementen.
Eine Übertemperaturbedingung
entweder in der zweiten elektrischen Vorrichtung 901 oder
der ersten elektrischen Vorrichtung 903 wird von der Impedanzmessschaltung 915 festgestellt,
die die Leistung für
die Vorrichtungen über das
Relais 913 unterbricht.
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Der
in Reihe geschaltete Sensor der Vorrichtungen 901 und 903 führt drei
unterschiedliche Funktionen durch. Erstens wird eine Übertemperaturbedingung
in einer Vorrichtung durch die Sensorstreifen festgestellt, die
in den Vorrichtungen angeordnet sind, und unterbricht die Leistung über das
Relais 913. Zweitens löst
eine mechanische Beschädigung, die
die Kontinuität
des in Reihe geschalteten Sensors unterbricht, die Leistung durch
das Relais 913 aus. Drittens wirkt der in Reihe geschaltete
Sensor als Massekontinuitätssensor,
der die Leistung für
die Vorrichtungen über
das Relais 913 auslöst,
wenn ein Leerlauf im Massestromkreis zur Last auftritt.
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9B ist
eine perspektivische Zeichnung eines Steckers 911 für eine zweite
geschützte
Vorrichtung mit einem ersten Leiterzinken 914A, einem zweiten
Leiterzinken 914B, einem Massestift 924 und einem
Sensorstift 939. Der Stecker 911 wird in die Steckbuchse
oder das Verbindungselement 909 einer ersten geschützten Vorrichtung
mit einer ersten Zinkenaufnahme 912A, einer zweiten Zinkenaufnahme 912B,
einer Massestiftaufnahme 922 und einer Sensorstiftaufnahme 951 eingesetzt.
Ein Adapter 953 zum Anpassen des geschützten Steckers 911 an eine
geerdete Standardsteckbuchse (nicht dargestellt) umfasst Zinken-
und Stiftaufnahmen (ähnlich zu 912A, 912B, 922 und 951 der
Steckbuchse 909) am Ende 955 und einen ersten
Leiterzinken 957A, einen zweiten Leiterzinken 957B und
einen Massestift 959. Ein ähnlicher Adapter kann für die Vorrichtungen von 8 verwendet
werden, wobei der Massestift beseitigt ist. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
ist der Sensorstift 939 vom Stecker 911 durch eine
Stift- und Buchsenanordnung (nicht dargestellt) abnehmbar gemacht,
was ermöglicht,
dass der Stecker 911 in eine geerdete Standardsteckbuchse
eingesteckt wird.
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Beispiel 1
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Eine
0,330 cm breite mal 0,152 cm dicke mal 15,24 cm lange Testprobe
wurde aus einem kommerziell erhältlichen
extrudierten leitenden Flächenpolymer
hergestellt. Das leitende Polymer war mit Kohlenstoffteilchen gefülltes Polyethylen
mit niedriger Dichte, das unter dem Handelsnamen CONTRIM® LD,
hergestellt von Crystal-X Corporation, Darby, Pa, erhältlich ist.
Der Widerstand wurde von Ende zu Ende mit Testklemmen gemessen und
der spezifische Volumenwiderstand als 101 Ω-cm bei Umgebungstemperatur
(22 Grad Celsius) berechnet. Die Probe wurde in Luft erhitzt und
der Widerstand gemessen. 10A zeigt
das resultierende Diagramm des spezifischen Volumenwiderstandes
als Funktion der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen
Widerstandes wurde aus den Daten durch Dividieren der Änderung
des spezifischen Widerstandes durch die Änderung der Temperatur für aufeinander
folgende Messwerte berechnet. Das Diagramm des Temperaturkoeffizienten
des spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur ist in 10B gezeigt.
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Beispiel 2
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Eine
0,355 cm breite mal 0,154 cm dicke mal 10,16 cm lange Testprobe
wurde aus einem kommerziell erhältlichen
extrudierten leitenden Flächenpolymer
hergestellt. Das leitende Polymer war mit Kohlenstoffteilchen gefülltes Polyethylen
mit hoher Dichte, das unter dem Handelsnamen CONTRIM® VF, hergestellt
von Crystal-X Corporation, Darby, Pa, erhältlich ist. Der Widerstand
wurde von Ende zu Ende mit Testklemmen gemessen und der spezifische
Volumenwiderstand als 125 Ω-cm
bei 27 Grad Celsius berechnet. Die Probe wurde in Luft erhitzt und
der Widerstand gemessen. 11A zeigt
das resultierende Diagramm des spezifischen Volumenwiderstandes
als Funktion der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen
Widerstandes wurde aus den Daten durch Dividieren der Änderung
des spezifischen Widerstandes durch die Änderung der Temperatur für aufeinander
folgende Messwerte berechnet. Das Diagramm des Temperaturkoeffizienten des
spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur ist in 11B gezeigt.
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Die
Proben sowohl des gefüllten
Polyethylens mit niedriger Dichte als auch des gefüllten Polyethylens
mit hoher Dichte wiesen die gewünschte
Zunahme des PTC mit der Temperatur auf. Die Polyethylenprobe mit
niedriger Dichte wies eine Zunahme des PTC von über 4 Dekaden zwischen der
Umgebungs- und der maximalen Testtemperatur (78 Grad Celsius) auf.
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Folglich
wird der Leser sehen, dass die ELEKTRISCHE SICHERHEITSVORRICHTUNG
MIT LEITEFÄHIGEM
POLYMERSENSOR einen Übertemperaturschutz
für elektrische
Vorrichtungen bereitstellt, der vorher nicht erhältlich war. Die Vorrichtung
stellt die folgenden zusätzlichen
Vorteile bereit:
- • Die Vorrichtung unterbricht
die Leistung für
ein Stromkabel oder ein elektrisches Gerät über einem beliebigen Teil des
Kabels;
- • Die
Vorrichtung unterbricht die Leistung für die Vorrichtung bei einer
mechanischen Beschädigung,
die aktivierte Leiter freilegen könnte;
- • Die
Vorrichtung unterbricht die Leistung für die Vorrichtung, wenn die
Massekontinuität
verloren geht;
- • Zusätzliche
elektrische Vorrichtungen werden ohne zusätzliche Elektronik oder Unterbrecher geschützt; und
- • Die
Vorrichtung kann leicht mit einem Überstrom- und Erdschlussschutz
kombiniert werden.
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Obwohl
die obige Beschreibung viele Spezifikationen enthält, sollten
diese nicht als Begrenzung des Schutzbereichs der Erfindung, sondern
lediglich als Bereitstellung von Erläuterungen von einigen der derzeit
bevorzugten Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung aufgefasst werden. Ein Wechselstrom- oder Impulsstromsignal
kann beispieisweise an den in Reihe geschalteten Sensor angelegt
werden. Folglich sollte der Schutzbereich der Erfindung vielmehr durch
die beigefügten
Ansprüche
und ihre gesetzlichen Äquivalente
als durch die gegebenen Beispiele bestimmt werden.