DE69822981T2

DE69822981T2 - Spannungsmessinstrument mit Schutz der Eingänge gegen transiente Überspannungen

Info

Publication number: DE69822981T2
Application number: DE69822981T
Authority: DE
Inventors: Howard Everett Voorhies; William Mukilteo Lauby; Michael Edmonds Gallavan; Monte Bothell Washburn
Original assignee: Fluke Corp
Current assignee: Fluke Corp
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: KR19990045514A; CA2248735A1; EP0922961A3; CA2248735C; DE69822981D1; EP0922961A2; CN1229192A; JP3066364B2; US5920188A; CN1140806C; JPH11237412A; TW392072B; EP0922961B1; KR100302101B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Schutz von Eingängen von Spannungsmessinstrumenten gegen Überspannungen und im Besonderen digitale Multimeter-Handgeräte mit Schutz der Eingänge gegen transiente Überspannungen.
Mehrere internationale Normen sind implementiert worden, um den sicheren Gebrauch elektronischer Prüfgeräte zu regeln. Um Produkte auf vielen Märkten zu verkaufen, müssen die Produkte den Normen entsprechen, das heißt, die Produkte müssen den wesentlichen Anforderungen derartiger Normen entsprechen.
Eine derartige internationale Sicherheitsnorm ist die Pilotnorm der International Electrotechnical Commission (IEC) 644-1 (1992) mit dem Titel "Insulation Co-ordination For Equipment Within Low-Voltage Systems." Von IEC 644-1 abgeleitet wurde die Produktnorm IEC-1010, welche sich beim Darlegen der Schutzanforderungen gegen Überspannungstransienten, die an den Eingängen elektronischer Messgeräte auftreten können, während eine Spannungsquelle gemessen wird, des Konzepts von Überspannungskategorien (CAT I–CAT IV) bedient. Überspannungstransienten sind für gewöhnlich regellos auftretende, abnormal hohe Spannungsspitzen oder -impulse, deren Dauer von wenigen Nanosekunden bis zu wenigen Millisekunden betragen kann. Die durch IEC-1010 berücksichtigten sind nach einem Impuls modelliert, welcher eine Anstiegszeit von 1,2 Mikrosekunden mit einer Abfallzeit, auf 50% der Spitze, von 50 Mikrosekunden aufweist, und werden als 1,2 × 50 μsec-Impulse bezeichnet. Derartige Überspannungstransienten können durch Blitzschlag, Hochspannungs-Schaltstromkreise, welche sich auf die Quelle auswirken, Wechselstromfehler oder elektrostatische Entladungen herbeigeführt werden.
Überspannungskategorien werden verwendet, um Bereiche auf der Grundlage der Wahrscheinlichkeit, dass ein Überspannungstransient eine Gefahr hervorrufen kann, zu differenzieren. CAT IV ist die Einspeisung durch das Vorsorgungsunternehmens, CAT III ist das Hauptverteilungssystem, CAT II sind die Stecker in der Wand und CAT I sind geregelte Energiekreise. CAT III-Kreise stellen die am gefährdetsten dar, da gängige Prüfausstattungen in diesen Kreisen verwendet werden. CAT III-Kreise können erhebliche Energiemengen bereitstellen. Wenn es sich bei dem Messgerät um ein Digitalmultimeter(DMM)-Handgerät handelt, welches zum Messen von Spannungen und anderen elektrischen Phänomenen ausgelegt ist, kann das Ergebnis des Auftretens eines Lichtbogens im DMM mit Folgeenergie katastrophal sein und/oder Schäden nach sich ziehen. Demnach kann die mit CAT III-Kreisen einhergehende Gefahr groß sein.
Die Norm IEC-1010 sieht Abstandsanforderungen zwischen leitfähigen Oberflächen für eine bestimmte maximale Eingangsnennspannung, einen bestimmten Verschmutzungsgrad und eine bestimmte Überspannungskategorie vor. Die Abstände werden als "Kriech"-Abstände entlang Oberflächen und "Luft"-Abstände von Punkt zu Punkt durch die Luft bezeichnet. Selbstverständlich ermöglichen größere Abstände, dass elektronische Messinstrumente höher bemessenen Spannungen und manchen der höheren Überspannungstransienten, die in einem gemessen werdenden System vorkommen, standhalten.
EP 0 366 507 A offenbart ein Spannungsmessinstrument gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
DMM-Handgeräte sind für gewöhnlich klein und kompakt, und Spannungseingangsanschlüsse sind zwangsläufig körperlich in einer geringen Entfernung voneinander angeordnet. Es wäre erstrebenswert, ein Spannungsmessinstrument bereitzustellen, welches den höchsten erreichbaren Schutz von Eingängen gegen transiente Überspannungen aufweist, ohne dabei seine Komplexität, sein Volumen oder seine Kosten zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsmessinstrument, beispielsweise ein Digitalmultimeter, mit Schutz der Eingänge gegen transiente Überspannungen versehen. Innenwände können einstückig mit dem Instrumentengehäuse geformt und in nächster Nähe der Eingangsbuchsen und -anschlüsse angeordnet sein, um leitfähige Oberflächen zu trennen und Schranken gegenüber transienten Überspannungen vorzusehen. Der obere und der untere Wandabschnitt können auf Nut-und-Feder-Art miteinander verbunden werden, um die Kriech- und Luftstrecke zu vergrößern, ohne den linearen Abstand zwischen leitfähigen Oberflächen zu vergrößern. Diese Anordnung ermöglicht es auch, dass das Instrument unauffällig bleibt.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht Überspannungs-Trennwände zwischen leitfähigen Oberflächen in einem Digitalmultimeter-Handgerät vor, wobei die Kriech- und Luftstrecke verlängert wird, ohne die linearen Abstände zwischen derartigen leitfähigen Oberflächen zu vergrößern.
Die Ausführungsform kann auch ein Digitalmultimeter-Handgerät bereitstellen, welches die internationale Sicherheitsnorm IEC-1010 erfüllt, ohne dessen Volumen, Größe oder Komplexität dadurch zu erhöhen.
Anordnungen, welche die vorliegende Erfindung ausführen, werden nunmehr in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Digitalmultimeters, welches die vorliegende Erfindung einbindet;
2 ist eine in Einzelteile auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Digitalmultimeters, welches die vorliegende Erfindung einbindet;
3A ist eine Querschnittansicht des Digitalmultimeters aus 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine Querschnittansicht des Digitalmultimeters aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittansicht einer Überspannungs-Trennwand, welche die Kriech- und Luftstrecke zeigt; und
5 ist eine Draufsicht einer alternativen Konfiguration, wobei die Überspannungs-Trennwände ausgestaltet sind, um der Auslegung von Spannungspotenzialen oder Schaltungskomponenten zu entsprechen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen wird darin eine perspektivische Ansicht eines Digitalmultimeters 10 mit Überspannungsschutz gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Das Multimeter 10 weist einen oberen Gehäuseabschnitt 12 und einen unteren Gehäuseabschnitt 14 auf, welche aus einem geeigneten Kunststoff geformt sind, um ein Gehäuse für elektronische Messschaltungen vorzusehen. Das Multimeter 10 weist auch eine durchsichtige Kunststofflinse oder -frontscheibe 16, um das Betrachten alphanumerischer Zeichen auf einer Flüssigkristallanzeige (LCD) zu ermöglichen, einen Funktionswahldrehknopf 18, Betriebsartentaster 20 und 22 und Eingangsbuchsen 24a, 24b und 24c, die in einer Reihe angeordnet sind, auf.
Diese Beschreibung konzentriert sich in erster Linie auf den Bereich der Eingangsbuchsen. Die Buchse 24a kann beispielsweise eine 10-Ampere(10 A)-Eingangsbuchse sein. Gleichermaßen kann die Buchse 24b ein Masseeingang oder gemeinsamer Eingang (COM) sein, und die Buchse 24c kann ein Spannungs- und Widerstands(Volt/Ohm)-Eingang sein.
Um das Verstehen der Erfindung und den Vergleich von Abbildungen zu erleichtern, weisen gleiche Elemente in allen Figuren gleiche Bezugszeichen auf.
2 ist eine in Einzelteile auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Digitalmultimeters aus 1, wobei der obere Gehäuseabschnitt 12 und der untere Gehäuseabschnitt 14 getrennt sind, um innenliegende Details des Multimetergehäuses zu zeigen. Eine Leiterplatte 28, welche die elektronischen Messschaltungen (nicht dargestellt) trägt, ist innerhalb des unteren Gehäuseabschnitts 14 gelagert. Die Eingangsbuchsen 24a, 24b und 24c passen mit Kontakten oder Anschlüssen 30a, 30b und 30c zusammen und sind daran elektrisch angeschlossen. Demzufolge können die Anschlüsse 30a, 30b und 30c hoher Stromstärke, Massespannung bzw. hoher Spannung zugeordnet sein. Schaltungsleiterbahnen oder Leiter 32a, 32b und 32c erstrecken sich von den Anschlüssen 30a, 30b und 30c weg zu den elektronischen Messschaltungen hin.
Einstückig mit dem Boden des unteren Gehäuseabschnitts 14 und einer Endwand 34 davon geformt und sich davon entlang zumindest einem Abschnitt der Länge der Schaltungsleiterbahnen 32a–c wegerstreckend sind Überspannungs-Trennwände 36 und 38 vorgesehen, welche die Anschlüsse 32a–c und die Leiter 32a–c separieren und trennen. Die Wände 36 und 38 können aus demselben Kunststoff geformt sein wie jenem, welcher bei dem oberen und dem unteren Gehäuseabschnitt 12 und 14 verwendet wird, und weisen eine ausreichende Dicke auf, um eine trennende Schranke zwischen den leitfähigen Oberflächen der jeweiligen Anschlüsse 32a–30c/Leiter 32a–32c vorzusehen. Es sollte festgehalten werden, dass ähnliche Wände ebenso einstückig mit dem oberen Gehäuseabschnitt 12 geformt sind und mit den Wänden 36 und 38 zusammenpassen, wenn der obere und der untere Gehäuseabschnitt 12 und 14 zusammengefügt werden, wie aus 3A und 3B hervorgeht.
3A ist eine Querschnittansicht des Digitalmultimeters aus 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie x-x und in den Körper des Multimeters hineinblickend. Untere Trennwände 36 und 38 erstrecken sich von dem unteren Gehäuseabschnitt 14 nach oben und passen nach dem Nut-und-Feder-Prinzip, um eine nichtgeradlinige oder gewundene Kriechstrecke vorzusehen, mit oberen Trennwänden 42 bzw. 44 zusammen, welche sich von dem oberen Gehäuseabschnitt 12 nach unten erstrecken, wobei die Leiterplatte 28 dazwischen festgehalten wird. Die unteren Wände 36 und 38 weisen jeweils Schultern auf, auf denen die Leiterplatte 28 aufliegt, und umfassen einen Federabschnitt 36', 38', welcher sich nach oben in eine Nut erstreckt, welche in jeder der oberen Wände 42 und 44 vorgesehen ist. Die Baugruppe passt mit engen Toleranzen zusammen, um jedwede Luftspalten zu minimieren, welche eine Lichtbogenstrecke für Überspannungstransienten bilden könnten.
3B ist eine Querschnittansicht des Digitalmultimeters aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie x-x und in den Körper des Multimeters hineinblickend. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich untere Trennwände 36 und 38 vom unteren Gehäuseabschnitt 14 durch Schlitze in der Leiterplatte 28, welche auf dem unteren Gehäuseabschnitt 14 aufliegt, nach oben. Parallele obere Trennwände 46a, 46b und 48a, 48b erstrecken sich vom oberen Gehäuseabschnitt 12 nach unten und erfassen die untere Wand 36 zwischen den oberen Wänden 46a und 46b und die untere Wand 38 zwischen den oberen Wänden 48a und 48b. Diese Baugruppe passt, wie jene aus 3A, mit engen Toleranzen zusammen, um jedwede Luftspalten zu minimieren, welche eine Lichtbogenstrecke für Überspannungstransienten darstellen könnten. Wie an früherer Stelle erwähnt wurde, werden die Abstände zwischen Leitern in der internationalen Sicherheitsnorm IEC-1010 als "Kriechstrecken" entlang Oberflächen und als "Luftstrecken" von Punkt zu Punkt durch die Luft bezeichnet. Durch eine Prüfung kann festgestellt werden, dass die Kriechstrecke, welche durch diese Ausführungsform vorgesehen wird, länger als jene der Ausführungsform aus 3A ist.
Bezugnehmend auf 4, bei welcher es sich um eine Querschnittansicht einer Überspannungs-Trennwand handelt, welche eine untere Wand 38 und eine obere Wand 46a, 46b umfasst und zwei Leiter 32a und 32b trennt, können die Abmessungen der Kriech- und Luftstrecke (CCP) anhand von Informationen, welche in der internationalen Sicherheitsnorm IEC-1010 angegeben werden, berechnet werden. Tabelle 1 zeigt die gesamte Kriech- und Luftstrecke in Millimetern für Nennspannungen von 15 Kilovolt und 20 Kilovolt für 50/60 Hertz-Sinuswellen, 1,2 × 50 Mikrosekunden-Impulse und eine Kombination aus beiden.
TABELLE 1
Die Kriech- und Luftstrecke (CCP) ist in 4 als eine fette Linie dargestellt, welche die Leiter 32a und 32b über eine nichtgeradlinige, gewundene Strecke rund um den Federabschnitt 36' der unteren Wand 36, welcher durch die oberen Wände 46a und 46b umgeben ist, verbindet. Durch die gewundene Form der CCP innerhalb der Wand, welche die Leiter 32a und 32b trennt, können die Leiter 32a und 32b weit näher beieinander liegen, als andernfalls zulässig wäre. Nehmen wir an, die Abmessung t, bei der es sich um die Dicke des Federabschnitts 36' der Wand 36 handelt, ist gleich 0,060 Inch (1,524 mm) und die Abmessung d_t gleich 0,1 Inch (2,54 mm). Dies ist der Abstand vom Leiter 32a zum Federabschnitt 36' oder vom Leiter 32b zum Federabschnitt 36'. Die Abmessung d_h für die Höhe des Federabschnitts 36' kann aus der Länge der CCP abzüglich der anderen Abstände in der Strecke berechnet werden. Das heißt, 2d_h = CCP – (t + 2d_t), da CCP = t + 2d_t + 2d_h. Für eine Mindestkriech- und -luftstrecke von 34,2 Millimetern für eine Nennspannung von 20 kV aus Tabelle 1, beträgt d_h = 13,8 mm oder 0,543 Inch. Für eine Mindestkriech- und -luftstrecke von 24,42 Millimeter für eine Nennspannung von 15 kV aus Tabelle 1, beträgt d_h = 8,91 mm oder 0,351 Inch.
Die gesamte Wanddicke muss ausreichend groß sein, um als ein festes Dielektrikum zwischen Leitern (z. B. zwischen den Leitern 32a und 32b) zu dienen, derart, dass kein Lichtbogenüberschlag durch die Wand (d. h. den Federabschnitt 36' in Kombination mit den oberen Wänden 46a und 46b, wie aus 4 hervorgeht) stattfinden kann.
Ein großer Vorteil der nichtgeradlinigen oder gewundenen Kriech- und Luftstrecke ist nun, was die lineare Beabstandung betrifft, einfach zu verstehen. Das heißt, dass beim oben angeführten Beispiel beispielsweise für einen Bemessungswert von 20 kV die Leiter 32a und 32b körperlich ungefähr 6,6 Millimeter voneinander beabstandet angeordnet werden können, während die bemessene Kriech- und Luftstrecke zwischen diesen Leitern 34,2 Millimeter beträgt.
Wenn nun alle Abmessungen und Abstände aus den vorangehenden Berechnungen bekannt sind, kann auch die Gesamtdicke T für das in 4 dargestellte Multimeter berechnet werden. Nehmen wir beispielsweise an, dass die Dicke des oberen Gehäuseabschnitts 12, des unteren Gehäuseabschnitts 14 und der Leiterplatte 28 jeweils 0,060 Inch beträgt. Dann folgt aus T = 2d_h + 3t, dass die Gesamtdicke T mindestens 32,172 mm (1,267 Inch) für eine Nennspannung von 20 kV und mindestens 22,392 mm (0,8816 Inch) für eine Nennspannung von 15 kV beträgt. Die in diesem Dokument verwendeten Abmessungen dienen lediglich Zwecken der Veranschaulichung, und es können alle beliebigen Abmessungen verwendet werden, sofern die Mindestkriech- und -luftstrecken für in Tabelle 1 dargelegten Bedingungen erfüllt werden.
Die Überspannungs-Trennwände müssen keine gleichförmige Dicke aufweisen und können gekrümmt oder derart ausgebildet sein, dass sie der Form der Auslegung von Spannungspotenzialen oder Schaltungskomponenten angepasst sind. 5 ist eine Draufsicht des unteren Gehäuseabschnitts 14 in einer alternativen Konfiguration, wobei die Überspannungs-Trennwände ausgestaltet sind, um wie gewünscht angepasst zu sein. Es ist zu beachten, dass die untere Wand 38 verzweigt ist, um für eine teilweise Umschließung eines Sicherungswiderstands 50 zu sorgen.

Claims

Spannungsmessinstrument mit Schutz der Eingänge gegen transiente Überspannungen, wobei das Spannungsmessinstrument umfasst: einen oberen Gehäuseabschnitt (12) und einen unteren Gehäuseabschnitt (14), welche zusammengefügt sind, um ein Instrumentengehäuse bereitzustellen; eine Leiterplatte (28), die im Gehäuse angeordnet ist; und mindestens zwei Anschlussbuchsen (24a, 24b, 24c), die im Gehäuse angeordnet sind und Anschlüssse (30a, 30b, 30c) aufweisen, welche an Leiter auf der Leiterplatte elektrisch angeschlossen sind; dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand zwischen den Anschlussbuchsen angeordnet ist und sich entlang der Leiter erstreckt, wobei die Trennwand aus einer oberen Wand (42, 44) und einer unteren Wand (36, 38) gebildet ist, welche zusammengefügt sind, um eine gewundene Kriech- und Luftstrecke zwischen den Leitern bereitzustellen.
Spannungsmessinstrument nach Anspruch 1, wobei die obere Wand und die untere Wand einstückig mit dem oberen Gehäuseabschnitt bzw. dem unteren Gehäuseabschnitt ausgebildet sind.