DE19617193A1 - Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störlichtbögen und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störlichtbögen und Verfahren zur Herstellung der VorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Er
fassen von Störlichtbögen in gekapselten oder geschotteten Schaltanla
gen (Lichtbogenwächtersystem), bei der der Störlichtbogen innerhalb
der gekapselten oder geschotteten Schaltanlage von einem
Lichtaufnehmer optisch erfaßt und über Lichtwellenleiter zu einem
photoelektrischen Empfänger geleitet wird, dem eine
Lichtbogenauswerteeinheit nachgeschaltet ist, die entsprechende
Gegenmaßnahmen, wie z. B. das Abschalten des betroffenen Bauteils
einleitet, und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Ein Lichtbogenwächtersystem ist aus der DE 28 56 188 A1 bekannt.
Bei dieser Vorrichtung wird das von einem Lichtbogen ausgesandte
Licht durch Lichtaufnehmer in Form einer abgeflachten Sammellinse
und einem Lichtwellenleiter zu einer Auswerteeinheit gesandt. Dabei
befindet sich in jedem Schottraum mindestens ein Lichtaufnehmer mit
einem angeschlossenen Lichtwellenleiter.
Weiterhin ist aus der EP 0 126 270 B1 eine Vorrichtung zur Erfassung
von Störlichtbögen in einer gekapselten Schaltanlage bekannt, bei der
die Störlichtbögen, die in lichtdicht gegeneinander abgeschlossenen
Räumen auftreten, über Lichtwellenleiter zu einer photoelektrischen
Verstärkerschaltung führen.
Nachteilig bei den vorbekannten Lösungen ist es, daß bei einer
Schaltanlage, deren einzelne Schotträume eine größere oder
verwinkelte Ausgestaltung aufweisen, mehrere Lichtaufnehmer mit
einem angeschlossenen Lichtwellenleiter pro Schottraum erforderlich
sind, um alle in den jeweiligen Schotträumen möglicherweise
auftretenden Störlichtbögen sicher zu erfassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum
Erfassen von Störlichtbögen in gekapselten oder geschotteten
Schaltanlagen anzugeben, die auch bei größeren oder verwinkelten
Schotträumen mit nur einem Lichtaufnehmer mit angeschlossenem
Lichtwellenleiter alle möglichen Störlichtbögen sicher erfaßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Lichtaufnehmer nach
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Trifft Licht von irgend einer
Seite auf den erfindungsgemäßen Aufnehmer, so wird das eindringende
Licht im Inneren durch Vielfachreflexion annähernd homogen verteilt,
so daß nahezu unabhängig von der Lichteinfallsrichtung eine dem
äußeren Lichtfluß proportionale Lichtintensität in den Lichtwellenleiter
gelangt und von der nachgeschalteten Auswerteeinheit verarbeitet
werden kann.
Das Material der Kugel besteht vorteilhafterweise aus Glas oder einem
glasklaren Kunststoff, in das Material zum Streuen des Lichts
eingebracht oder auf das Material zum Streuen des Lichtes in Form
einer Streuschicht aufgebracht ist. Besonders geeignet erweisen sich
weiße Farbpigmente, die in das optisch leitfähige Material eingebracht
und homogen verteilt sind, die für eine annähernd homogene
Verteilung des in die Kugel einfallenden Lichtes sorgen.
Ein besonders einfach und preiswert herzustellender Lichtaufnehmer
besteht aus einer Kugel und einer Lichtwellenleitermontagehilfe, der
aus einen einzigen Stück (einstückig) durch Spritzguß hergestellt ist.
Hierbei können der oder die Lichtwellenleiter vor dem Spritzgießen in
die Spritzgußform eingelegt werden. Sofern dabei ein optisch
leitfähiges Material mit eingebrachten Farbpigmenten verwendet wird,
ist der gesamte Lichtaufnehmer mit dem(n) angeschlossenen
Lichtwellenleiter(n) in einem einzigen Arbeitsschritt herstellbar. Bei
bestimmten Gußmaterialien kann es vorteilhaft sein, Zwischenformteile
auf die Lichtwellenleiter vor dem Einbringen derselben in die
Spritzgußform aufzubringen, um eine Zerstörung der Lichtwellenleiter
durch den Spritzguß zu verhindern.
Eine Streuschicht ist vorteilhafterweise durch Ätzen oder Beschichten
realisierbar, wobei ein bestimmtes Transparent eingehalten ist.
Vorteilhaft ist es, einen zweiten Lichtwellenleiter an die Kugel
anzukoppeln, über den ein Prüflicht in das Innere der Kugel
einkoppelbar ist. Mit diesem Prüflicht können die Übertragungsstrecke
von der Kugel bis zur Auswerteeinheit die Auswerteeinheit und
wesentliche Teile der Kugel getestet werden.
Aufgrund der annähernd homogenen Lichtverteilung in der Kugel ist es
besonders vorteilhaft, beide Lichtwellenleiter symmetrisch zueinander
anzuordnen, da sie so in ihrer Funktionalität vertauschbar sind und eine
Kennzeichnung ihrer Funktion entfallen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren für besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1a eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit aufgebrachter
Streuschicht;
Fig. 1b eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit eingebrachtem
Material zum Streuen;
Fig. 2 eine besonders bevorzugte Auswerteeinheit;
Fig. 3 die Vorrichtung aus Fig. 1 eingebaut in eine einpolig
gekapselte Schaltanlage und
Fig. 4 das Diagramm der Intensität des Lichtes innerhalb des
erfindungsgemäßen Lichtaufnehmers in Abhängigkeit von
der Lichteinfallsrichtung.
Der Lichtaufnehmer in Fig. 1a ist als glasklare Kugel 1a ausgestaltet
und an den ersten Lichtwellenleiter 3 gekoppelt. Realisiert wird dies
vorteilhafterweise durch Kleben oder Schweißen. Weiterhin ist ein
zweiter Lichtwellenleiter 5 an die Kugel gekoppelt, mit dem
Prüflichtimpulse in das Innere der Kugel 1a einkoppelbar sind. Mit dem
Prüflichtimpuls ist die Kugel 1a, der Lichtwellenleiter 3 und die
Auswerteeinheit 4 überprüfbar.
Eine Lichtwellenleitermontagehilfe 6 vereinfacht die Verbindung
zwischen Kugel 1a und dem Lichtwellenleiter 3. Die Kugel 1a ist an der
Oberfläche mit Ausnahme der Koppelflächen 13, 15 zwischen der
Kugel 1a und dem ersten Lichtwellenleiter 3 und dem zweiten
Lichtwellenleiter 5 mit einer Streuschicht 2 überzogen. Diese
Streuschicht ist vorteilhafterweise durch eine Beschichtung oder durch
Ätzen realisiert. Im dargestellten Beispiel ist die Kugel 1 massiv
dargestellt, sie kann aber auch hohl ausgeführt sein.
Besonders bevorzugt ist ein Lichtaufnehmer nach Fig. 1b:
Die Kugel 1b und die Lichtwellenleitermontagehilfe 6b bestehen aus einem einzigen Bauteil und sind aus einem optisch leitfähigen Material mit darin homogen verteilten weißen Farbpigmenten durch Spritzguß hergestellt, wobei die Enden der Lichtwellenleiter 3 mit dem optisch leitfähigen Material so umspritzt sind, daß die Lichtwellenleiter 3 etwas in die Kugel 1b ragen. So kann in einem einzigen Arbeitsgang der Lichtaufnehmer hergestellt und mit den Lichtwellenleitern 3 verbunden werden. Werden zwei Lichtwellenleiter 3, 5 symmetrisch in die Lichtaufnehmer eingebracht, lassen sich ihre Funktionen vertauschen. So kann auf eine Kennzeichnung der Lichtwellenleiter 3 verzichtet werden. Bei bestimmten optisch leitfähigen Materialien ist es vorteilhaft, die Lichtwellenleiter 3, 5 vor den Aufspritzen des Lichtaufnehmers mit Zwischenformteilen zu versehen, um eine Zerstörung oder Beschädigung der Lichtwellenleiter durch den Spritzgußvorgang zu verhindern.
Die Kugel 1b und die Lichtwellenleitermontagehilfe 6b bestehen aus einem einzigen Bauteil und sind aus einem optisch leitfähigen Material mit darin homogen verteilten weißen Farbpigmenten durch Spritzguß hergestellt, wobei die Enden der Lichtwellenleiter 3 mit dem optisch leitfähigen Material so umspritzt sind, daß die Lichtwellenleiter 3 etwas in die Kugel 1b ragen. So kann in einem einzigen Arbeitsgang der Lichtaufnehmer hergestellt und mit den Lichtwellenleitern 3 verbunden werden. Werden zwei Lichtwellenleiter 3, 5 symmetrisch in die Lichtaufnehmer eingebracht, lassen sich ihre Funktionen vertauschen. So kann auf eine Kennzeichnung der Lichtwellenleiter 3 verzichtet werden. Bei bestimmten optisch leitfähigen Materialien ist es vorteilhaft, die Lichtwellenleiter 3, 5 vor den Aufspritzen des Lichtaufnehmers mit Zwischenformteilen zu versehen, um eine Zerstörung oder Beschädigung der Lichtwellenleiter durch den Spritzgußvorgang zu verhindern.
Die Verarbeitung der von der Kugel 1a, b empfangenen und durch den
ersten Lichtwellenleiter 3 übertragenen Lichtblitze in der
Auswerteeinheit 4 ist aus der vorgenannten DE 28 56 188 A1
bekannt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsgestaltung der Auswerteeinheit
4 ist durch die DE 44 40 281.3 der Anmelderin vorgeschlagen worden,
auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, ist in Fig.
2 dargestellt.
Das von der Kugel 1 empfangene Licht wird über den ersten
Lichtwellenleiter 3 zu einem photoelektrischen Sensor 41, wie z. B.
einer Photodiode, einem Phototransistor oder einer Photozelle geleitet.
Daran ist die eigentliche Lichtbogenauswerteeinheit 40 angeschlossen,
die Bauelemente enthält, mit denen das vom Sensor 41 gelieferte
Signal bewertet wird.
Die Bewertung geschieht nach Intensität, Anstiegszeit und Dauer und
ist an sich bekannt. Wenn vorgegebene Grenzwerte der Intensität, der
Anstiegszeit oder der Dauer überschritten werden, erzeugt die
Lichtbogenauswerteeinheit 40 ein Signal, das einer Steuereinheit 53
zugeführt wird. Die Steuereinheit 53 gibt dann am Ausgang 54 ein
Alarmsignal aus, das zum Abschalten der Schaltanlage 20 benutzt
werden kann. Der Prüfgenerator 50 sendet über den zweiten
Lichtwellenleiter 5 Prüflichtimpulse mit Hochfrequenz oder
pulscodemoduliert in die Kugel 1, die dort reflektiert und über den
ersten Lichtwellenleiter 3 zum Sensor 41 geleitet werden. Der
Prüfgenerator 50 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 53 verbunden.
Die Prüflichtimpulse werden vom Sensor 41 empfangen und in
elektrische Signale umgewandelt. Die Intensität der vom Prüfgenerator
50 ausgesandten Lichtsignale ist geringer als die bei einer
Lichtbogenentladung am Sensor 41 auftretende Intensität und liegt
unterhalb der Ansprechwelle der Lichtbogenauswerteeinheit 40. An
den Sensor 41 ist vorteilhafterweise weiterhin ein Prüfempfänger 52
angeschlossen, der die vom Prüfgenerator 50 ausgesandten Signale
erkennt und dann eine entsprechende Meldung an die Steuereinheit 53
abgibt.
Weiterhin ist vorteilhafterweise ein Lichtbogensimulator 51 vorhanden,
der ein Signal erzeugt, das dem Verlauf von typischen Signalen
entspricht, die von Lichtbogenentladungen am Ausgang des Sensors
41 erzeugt werden. Die Dauer des simulierten Lichtbogensignals kann
allerdings etwas geringer sein als die Dauer des kürzesten real
auftretenden Lichtbogens. Die Vergleichswerte sind in der
Lichtbogenauswerteeinheit 40 so eingestellt, daß das simulierte
Lichtbogensignal noch erfaßt wird.
Zur Überwachung der Lichtbogenauswerteeinheit 40 wird von der
Steuereinheit 53 der Ausgang 54 für das Alarmsignal gesperrt und der
Ausgang des Lichtbogensimulators 51 an den Eingang der
Lichtbogenauswerteinheit 40 geschaltet. Der Lichtbogensimulator 51
erzeugt ein Lichtsignal, das den Auslösekriterien entspricht. Ist die
Lichtbogenauswerteeinheit 40 in Ordnung, löst sie ein Alarmsignal aus
und leitet es an die Steuereinheit 53.
Diese setzt die Lichtbogenauswerteeinheit 40 zurück und gibt den
Ausgang 54 für das Alarmsignal wieder frei. Im Fall einer Störung
aktiviert die Steuereinheit 53 den Ausgang 55 für ein Störsignal.
In Fig. 3 sieht man den Schnitt durch eine einpolige gekapselte
Schaltanlage 20 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Kugel
1, dem Lichtwellenleiter 3 und der Auswerteeinheit 4. Die gekapselte
Schaltanlage weist neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen
Leiter 21, eine metallische Kapselung 22, Schottwände 23 und einen
Leistungsschalter 5 auf.
Die Kugeln 1A, 1B sind so positioniert, daß sie die Störlichtbogen, der
innerhalb der gekapselten Schaltanlage 20 auftreten können, erfassen
können und die Auswerteeinheiten 4a, 4b dann z. B. die
Zwangserdung des Leiters 21 einleiten können. Statt mehrerer
Auswerteeinheiten 4a, 4b kann auch eine Auswerteeinheit 4 die
Informationen aller Lichtaufnehmer über die Lichtwellenleiter 3a, 3b
verarbeiten.
Fig. 4 zeigt das Diagramm der Intensität des Lichtes innerhalb eines
Lichtaufnehmers in Abhängigkeit von der Lichteinfallsrichtung. Dabei
zeigt der Pfeil A die Achse des ersten Lichtwellenleiters 3. Man
erkennt, daß über einen Bereich von 320° die Intensität des Lichtes
mindestens 70% des Maximalwertes beträgt, und in einem Bereich
von 300° sogar mindestens 80% des Maximalwertes vorhanden sind.
So läßt sich in jeder einzelnen Kapselung ein Einbauort finden, von dem
aus alle auftretenden Störlichtbögen sicher erfaßt werden können und
somit nur ein Lichtaufnehmer aus Fig. 1a oder aus Fig. 1b erforderlich
ist.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störlichtbögen in
gekapselten Schaltanlagen, bei der der Störlichtbogen innerhalb
der gekapselten Schaltanlage von einem Lichtaufnehmer optisch
erfaßt und über einen Lichtwellenleiter zu einer Auswerteeinheit
geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtaufnehmer aus einer Kugel (1) aus optisch leitfähigem Material besteht, die mit dem Lichtwellenleiter (3) verbunden ist,
daß in oder auf der Kugel (1) Materialien zum Streuen des Lichtes vorhanden sind.
daß der Lichtaufnehmer aus einer Kugel (1) aus optisch leitfähigem Material besteht, die mit dem Lichtwellenleiter (3) verbunden ist,
daß in oder auf der Kugel (1) Materialien zum Streuen des Lichtes vorhanden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Lichtwellenleitermontagehilfe (6) fest mit der Kugel
verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugel (1) und die Lichtwellenleitermontagehilfe (6) aus
einem Stück hergestellt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Farbpigmente in dem optisch leitfähigen Material der Kugel
vorhanden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Farbpigmente weiß sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Streuschicht (2) auf die Kugel (1) aufgebracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streuschicht (2) durch Ätzen der Kugel (1) realisiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streuschicht (2) durch Beschichten der Kugel (1)
realisiert ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das optisch leitfähige Material ein Kunststoff ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das optisch leitfähige Material Glas ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß über einem zweiten Lichtwellenleiter (5) ein Prüflicht in das
Innere der Kugel (1) einkoppelbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Lichtwellenleiter (3, 5) symmetrisch zueinander an die
Kugel (1) angekoppelt sind.
13. Verfahren zum Herstellen eines Lichtaufnehmers nach einem der
Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf jeden Lichtwellenleiter (3) ein Zwischenformteil
aufgebracht wurde, daß jeder Lichtwellenleiter (3) mit dem
Zwischenformteil in eine Spritzgußform eingebracht wird und
dann das optisch leitfähige Material in die Spritzgußform
eingespritzt wird, wobei die Spritzgußform die Form einer Kugel
(1) mit angeschlossener Lichtwellenleitermontagehilfe (6)
aufweist.
Priority Applications (1)
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