WO2012100827A1 - Mehrfachsensor zur absorption von infrarotstrahlung - Google Patents

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Jürgen ZETTNER
Reinhold Keck
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01J5/0096—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for measuring wires, electrical contacts or electronic systems

Definitions

  • the invention relates to a sensor for absorbing infrared radiation with a first radiation-absorbing element.
  • thermopiles As a radiation-absorbing element, they have a membrane with which an object temperature can be detected by absorption of infrared radiation in a defined radiation channel.
  • pyrometers which in the case of gas-insulated systems, consisting of an inner conductor, a gas chamber and an outer encapsulation to zero potential, additionally require optical access for infrared wavelengths.
  • partial discharge methods and sensor techniques which by means of electric fields, by means of acoustic emission according to
  • the object is achieved with a sensor having the features according to claim 1 An ⁇ .
  • the sensor is designed as a multiple sensor with at least one second radiation-absorbing element.
  • at least one of the radiation-absorbing elements is designed for a first radiation channel which is not suitable for temperature measurement.
  • the infrared radiation measurement is advantageous here not only for temperature detection, but in addition to the detection other physical phenomena with associated infrared radiation used.
  • An advantageous embodiment is when, according to ⁇ demanding 2 at least one of the radiation-absorbing elements is adapted averaging channel to an appropriate temperature measurement to the second radiation. This makes it possible, if necessary, to record the temperature in addition to other physical phenomena.
  • the radiation channel suitable for measuring the temperature is designed for 3-5 ⁇ according to claim 3.
  • a further advantageous embodiment is given if, according to claim 4, the first radiation channel is used to detect partial discharges.
  • the first radiation channel serving to detect partial discharges is designed for a central wavelength of 9.6 ⁇ . Furthermore, it has proven to be advantageous if, according to claim 6, the first radiation channel serving to detect partial discharges is designed for a wavelength of 300 ⁇ m to 100 ⁇ m. Since a light emission is associated with an arc, it is advantageous if, according to claim 7, the first radiation channel is used to detect light emissions as a result of an electric arc. The first serving for the detection of light emissions as a result of an arc radiation channel is advantageously according to claim 8 to a central wavelength of 9 sets out ⁇ 6 ⁇ . The design of the sensor with radiation-absorbing elements is a cost-effective solution.
  • a redundant detection for example of partial discharges, can therefore be realized at low costs.
  • at least two of the radiation-absorbing elements are advantageously designed according to claim 10 on the same first radiation channel.
  • an interior space is formed, in which the electrical conductor is laid centrally. This is surrounded by an insulating gas, eg SF6. Partial discharges on the surface of the electrical conductor result in decomposition products that emit infrared radiation.
  • the senor serves to detect infrared radiation via a radiation-transmissive window.
  • the window is expediently used as an optical passage through the outer ⁇ coat.
  • FIG. 2 shows an arrangement of a sensor according to the invention with optical implementation.
  • the sensor according to the invention is designed as a multiple sensor with at least one first and one second radiation-absorbing element, wherein at least one of the radiation-absorbing elements is designed for a first radiation channel not suitable for temperature measurement.
  • 1 shows a simplified representation of a erfindungsge ⁇ MAESSEN sensor 1 with four radiation-absorbing elements 2, 3, 4 and 5, which are each designed as a membrane.
  • the radiation-absorbing elements 2, 3 and 4 are designed for a first radiation channel which is not suitable for temperature measurement, while the radiation-absorbing element 5 is designed for a second radiation channel of 3 to 5 ⁇ m wavelength which is suitable for temperature measurement.
  • the radiation-absorbing elements 2, 3, 4 and 5 can also be designed as a photo-semiconductor.
  • the first radiation channel of the radiation-absorbing element 2 is designed for a central areal length of 9.6 ⁇ .
  • the first radiation channel which also serves to detect partial discharges of the radiation-absorbing element 3, is designed for a wavelength of 300 .mu.m-100 .mu.m.
  • Light emissions as a consequence of an arc can be detected with a radiation channel of the radiation-absorbing element 4 which is likewise designed for a central wavelength of 9.6 ⁇ .
  • the senor 1 is a combination sensor with which different physical phenomena with different radiation emission can be detected via absorption with correspondingly designed radiation channels.
  • the senor 1 is very simple and inexpensive in construction, can also be realized according to a simple redundant structure with two or more sensor elements, which are designed for the same radiation channel.
  • FIG. 2 shows an arrangement of a sensor 1 according to the invention, in which the of an inner conductor 6 of a gas ⁇ insulated cable, eg due to partial discharges,longed- Hanging infrared radiation is absorbed.
  • the inner conductor 6 is surrounded by a distance from an outer jacket 7.
  • the space in between is filled with insulating gas.
  • Erfas ⁇ solution of the infrared radiation sensor 1 is flanged externally on the outer jacket.
  • a radiation-permeable passage is provided, which advantageously as a radiation-permeable window 8 (eg silicon, ZnS) is out ⁇ forms. After the infrared radiation has passed through the window 8, bundling of the radiation takes place by means of a lens 9 before it is absorbed by the sensor 1.
  • a radiation-permeable window 8 eg silicon, ZnS

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Sensor (1) zur Messung von Infrarotstrahlung mit einem ersten Strahlungsabsorbierenden Element (5) vorgeschlagen. Der Sensor (1) ist als Mehrfachsensor mit mindestens einem zweiten Strahlungsabsorbierenden Element (2, 3, 4) ausgeführt, wobei mindestens eines der strahlungsabsorbierenden Elemente (2,3,4,5) auf einen nicht zur Temperaturmessung geeigneten ersten Strahlungskanal ausgelegt ist.

Description

Beschreibung
MEHRFACHSENSOR ZUR ABSORPTION VON INFRAROTSTRAHLUNG Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Absorption von Infrarotstrahlung mit einem ersten Strahlungsabsorbierenden Element .
Derartige Sensoren sind als Thermopile bekannt. Sie weisen als Strahlungsabsorbierendes Element eine Membran auf, mit der sich über Absorption von Infrarotstrahlung in einem definierten Strahlungskanal eine Objekttemperatur erfassen lässt.
In luft- und gasisolierten energietechnischen Komponenten treten hohe elektrische Potenziale und große Stromstärken auf. Eine herkömmliche Temperaturmessung wird hier wegen der hohen Spannungen in der Regel nicht vorgenommen. An Kontakt- und Verbindungsstellen und vor allem bei Schaltvorgängen können ebenfalls hohe Temperaturen auftreten, die bislang nicht erfasst werden. Stattdessen werden z.B. die elektrischen Leiter meist überdimensioniert, um wegen fehlender Temperaturmessung einen für alle Betriebsbedingungen und eine lange Lebensdauer der Anlage sicheren Zustand zu gewährleisten. Bei Hochspannungskomponenten wurde versucht, die Temperatur mit funkabfragbaren Oberflächensensoren zu ermitteln, jedoch sind mangelnde Adressierbarkeit und die fehlende Lokalisierung nicht zufriedenstellend gelöst. An luftisolierten Anlagen können per Thermographie auch im Betriebszustand regelmäßige Temperaturmessungen vorgenommen werden.
In der Entwicklung und Optimierung werden hauptsächlich Pyrometer eingesetzt, die im Falle von gasisolierten Anlagen, bestehend aus einem Innenleiter, einem Gasraum und einer Außenkapselung auf Null-Potenzial, zusätzlich einen optischen Zu- gang für Infrarot-Wellenlängen benötigen.
Neben der Temperaturerfassung bestehen auch Anforderungen Teilentladungen unter den oben genannten Bedingungen in elektrischen Anlagen zu erfassen. Hierfür sind Teilentladungsverfahren und Sensortechniken bekannt, die mittels elektrischer Felder, mittels akustischer Emission gemäß
DE 42 26 234 AI oder über Lichtemission im UV/VIS- (Ultra- violett, Violett) Spektralbereich Teilentladungen nachweisen bzw. orten können. Daneben existieren Lösungen, um die Konzentration von SF6 ( Schwefelhexafluorid) und dessen zugehörige Zersetzungsprodukte per Nachweis in Ionenbeweglichkeits- spektrometern gemäß DE 195 28 290 Cl oder infrarotoptisch zu messen. Hierzu werden in der Regel extraktive Verfahren gemäß DE 101 04 556 AI eingesetzt.
Weiterhin ist die Erfassung von Lichtbögen von Interesse, die in luftisolierten Anlagen für Material und Bedienpersonal ge- fährlich werden können. Daher sind eine schnelle Detektion eines entstehenden Lichtbogens und nachfolgend die rasche Leitungsabschaltung erforderlich. Hierzu sind Verfahren und Lösungen bekannt, die mittels Fotodioden eine auftretende Lichtemission des Lichtbogens messen, wozu Lichtleitfasern (DE 10 2004 051 734 AI) eingesetzt werden. Jedoch hat sich die schnelle Messung in der Praxis als störanfällig erwiesen. Außerdem ist bekannt, den mit einem Lichtbogen einhergehenden Druckstoß mit einem Gasdrucksensor zu messen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der oben genannten Art zu schaffen, der neben der berührungslosen Objekttemperaturmessung die Erfassung von Teilentladungen und/oder eines Lichtbogens auf einfache Weise ermöglicht. Die Aufgabe wird mit einem Sensor mit den Merkmalen gemäß An¬ spruch 1 gelöst. Der Sensor ist als Mehrfachsensor mit mindestens einem zweiten Strahlungsabsorbierenden Element ausgeführt. Dabei ist mindestens eines der strahlungsabsorbieren- den Elemente auf einen nicht zur Temperaturmessung geeigneten ersten Strahlungskanal ausgelegt.
Die Infrarot-Strahlungsmessung wird hier vorteilhaft nicht nur zur Temperaturerfassung, sondern zusätzlich zur Erfassung anderer physikalischer Phänomene mit einhergehender Infrarotstrahlung genutzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran- Sprüchen zu entnehmen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn gemäß An¬ spruch 2 zumindest eines der Strahlungsabsorbierenden Elemente auf einen zur Temperaturmessung geeigneten zweiten Strah- lungskanal ausgelegt ist. Damit ist es möglich, bei Bedarf neben anderen physikalischen Erscheinungen auch die Temperatur zu erfassen.
Vorteilhafterweise ist gemäß Anspruch 3 der zur Temperatur- messung geeignete Strahlungskanal auf 3-5μη ausgelegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist gegeben, wenn gemäß Anspruch 4 der erste Strahlungskanal zur Erfassung von Teilentladungen dient.
Um dies zu erreichen, wird gemäß Anspruch 5 der erste zur Erfassung von Teilentladungen dienende Strahlungskanal auf eine Zentralwellenlänge von 9 , 6μη ausgelegt. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn gemäß Anspruch 6 der erste zur Erfassung von Teilentladungen dienende Strahlungskanal auf 300ηη - 100μιη Wellenlänge ausgelegt ist . Da mit einem Lichtbogen eine Lichtemission einhergeht, ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 7 der erste Strahlungskanal zur Erfassung von Lichtemissionen als Folge eines Lichtbogens dient . Der erste zur Erfassung von Lichtemissionen als Folge eines Lichtbogens dienende Strahlungskanal ist vorteilhafterweise gemäß Anspruch 8 auf eine Zentralwellenlänge von 9 , 6μη ausge¬ legt . Die Ausführung des Sensors mit Strahlungsabsorbierenden Elementen stellt eine kostengünstige Lösung dar. Um eine erhöhte Zuverlässigkeit zu erreichen, kann demnach mit geringen Kos- ten eine redundante Erfassung, z.B. von Teilentladungen, realisiert werden. Hierzu sind vorteilhafterweise gemäß Anspruch 10 mindestens zwei der Strahlungsabsorbierenden Elemente auf denselben ersten Strahlungskanal ausgelegt. Durch den geschlossenen Außenmantel eines gasisolierten Kabels wird ein Innenraum gebildet, in dem zentral der elektrische Leiter verlegt ist. Dieser ist von einem Isoliergas, z.B. SF6, umgeben. Teilentladungen an der Oberfläche des elektrischen Leiters haben Zersetzungsprodukte zur Folge, die Infrarotstrahlung abgeben.
Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 11 der Sensor zur Erfassung einer Infrarotstrahlung über ein strahlungsdurchlässiges Fenster dient. Das Fenster wird dabei zweckmäßigerweise als optische Durchführung durch den Außen¬ mantel genutzt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen
Sensors mit mehreren Strahlungsabsorbierenden Elementen und
FIG 2 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensors mit op- tischer Durchführung.
Der erfindungsgemäße Sensor ist als Mehrfachsensor mit mindestens einem ersten und einem zweiten strahlungsabsorbieren- den Element ausgeführt, wobei mindestens eines der strah- lungsabsorbierenden Elemente auf einen nicht zur Temperaturmessung geeigneten ersten Strahlungskanal ausgelegt ist. FIG 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsge¬ mäßen Sensors 1 mit vier Strahlungsabsorbierenden Elementen 2 , 3 , 4 und 5 , die jeweils als Membran ausgeführt sind. Die Strahlungsabsorbierenden Elemente 2 , 3 und 4 sind auf einen nicht zur Temperaturmessung geeigneten ersten Strahlungskanal ausgelegt, während das Strahlungsabsorbierende Element 5 auf einen zur Temperaturmessung geeigneten zweiten Strahlungskanal von 3 - 5μη Wellenlänge ausgelegt ist. Die Strahlungsabsorbierenden Elemente 2 , 3 , 4 und 5 können auch als Photohalbleiter ausgeführt sein.
Zur Erfassung von Teilentladungen ist der erste Strahlungskanal des Strahlungsabsorbierenden Elements 2 auf eine Zentral- weilenlänge von 9 , 6μη ausgelegt.
Der erste auch zur Erfassung von Teilentladungen dienende Strahlungskanal des Strahlungsabsorbierenden Elements 3 ist auf 300ηη - 100μιη Wellenlänge ausgelegt.
Lichtemissionen als Folge eines Lichtbogens können mit einem ebenfalls auf eine Zentralwellenlänge von 9 , 6μη ausgelegten Strahlungskanal des Strahlungsabsorbierenden Elements 4 er- fasst werden.
Der Sensor 1 ist demnach ein Kombinationssensor, mit dem verschiedene physikalische Erscheinungen mit unterschiedlicher Strahlungsemission über eine Absorption mit entsprechend ausgelegten Strahlungskanälen erfasst werden können.
Da der Sensor 1 sehr einfach und kostengünstig im Aufbau ist, lässt sich auch entsprechend einfach ein redundanter Aufbau mit zwei oder mehreren Sensorelementen realisieren, die auf denselben Strahlungskanal ausgelegt sind.
In FIG 2 ist eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt, bei der die von einem Innenleiter 6 eines gas¬ isolierten Kabels, z.B. aufgrund von Teilentladungen, ausge- hende Infrarotstrahlung absorbiert wird. Der Innenleiter 6 ist mit Abstand von einem Außenmantel 7 umgeben. Der dazwischen liegende Raum ist mit Isoliergas aufgefüllt. Zur Erfas¬ sung der Infrarotstrahlung ist der Sensor 1 von außen auf den Außenmantel 7 aufgeflanscht . Zum Durchlass der Strahlung vom Innenraum zum Sensor 1 nach außen ist eine strahlungsdurchlässige Durchführung vorgesehen, die vorteilhafterweise als strahlungsdurchlässiges Fenster 8 (z.B. Silizium, ZnS) ausge¬ bildet ist. Nach Durchtritt der Infrarotstrahlung durch das Fenster 8 erfolgt mittels einer Linse 9 eine Bündelung der Strahlung bevor diese von dem Sensor 1 absorbiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor (1) zur Absorption von Infrarotstrahlung mit einem ersten Strahlungsabsorbierenden Element (5) , dadurch gekenn- zeichnet, dass der Sensor (1) als Mehrfachsensor mit mindes¬ tens einem zweiten Strahlungsabsorbierenden Element (2,3,4) ausgeführt ist, wobei mindestens eines der strahlungsabsor- bierenden Elemente (2,3,4,5) auf einen nicht zur Temperaturmessung geeigneten ersten Strahlungskanal ausgelegt ist.
2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Strahlungsabsorbierenden Elemente (5) auf einen zur Temperaturmessung geeigneten zweiten Strahlungskanal ausgelegt ist.
3. Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Temperaturmessung geeignete Strahlungskanal auf 3-5μη Wellenlänge ausgelegt ist.
4. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungskanal zur Erfassung von Teilentladungen dient .
5. Sensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zur Erfassung von Teilentladungen dienende Strahlungskanal auf eine Zentralwellenlänge von 9, 6μη ausgelegt ist .
6. Sensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zur Erfassung von Teilentladungen dienende Strahlungskanal auf 300ηη-100μιη Wellenlänge ausgelegt ist.
7. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungskanal zur Erfassung von Lichtemissionen als Folge eines Lichtbogens dient.
8. Sensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zur Erfassung von Lichtemissionen als Folge eines Lichtbogens dienende Strahlungskanal auf eine Zentralwellen¬ länge von 9, 6μη ausgelegt ist.
9. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorbierenden Elemente
(2,3,4,5) als Membrane ausgeführt sind.
10. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der strahlungsab- sorbierenden Elemente (2,3,4) auf denselben ersten Strahlungskanal ausgelegt sind.
11. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zur Erfassung einer Infrarotstrahlung über ein strahlungsdurchlässiges Fenster (8) dient.
12. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorbierenden Ele- mente (2,3,4,5) als Photohalbleiter ausgeführt sind.
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