EP2561325A2 - Temperaturüberwachungssystem - Google Patents

Temperaturüberwachungssystem

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Publication number
EP2561325A2
EP2561325A2 EP11719467A EP11719467A EP2561325A2 EP 2561325 A2 EP2561325 A2 EP 2561325A2 EP 11719467 A EP11719467 A EP 11719467A EP 11719467 A EP11719467 A EP 11719467A EP 2561325 A2 EP2561325 A2 EP 2561325A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
component
measured value
monitoring system
monitoring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11719467A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Wittig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG
Original Assignee
Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG filed Critical Wuerth Elektronik ICS GmbH and Co KG
Publication of EP2561325A2 publication Critical patent/EP2561325A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/005—Circuits arrangements for indicating a predetermined temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • G01K7/223—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor characterised by the shape of the resistive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/08—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving differences of values; giving differentiated values
    • G01K3/14—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving differences of values; giving differentiated values in respect of space
    • G01K2003/145—Hotspot localization

Definitions

  • the invention relates to a system for monitoring the temperature of at least one component, wherein the monitoring system comprises at least one
  • Monitoring circuit in which at least one temperature sensor is arranged, which is thermally coupled or coupled to the component such that the temperature sensor can assume a current temperature or at least almost the current temperature of the component.
  • thermocouple temperature sensor arranged in the monitoring circuit
  • the at least one temperature sensor is an electrical resistance element, in particular a PTC resistance element or a PPTC resistance element whose electrical resistance in a temperature range in which a predetermined threshold temperature to be monitored is the component is increasing non-linearly with increasing temperature, so that monitoring of the current temperature of the component can be carried out on exceeding the threshold temperature based on an electrical measurement of a dependent of the current electrical resistance of the resistive element measured value.
  • PTC resistors PTC for positive temperature coefficient
  • PPTC resistors PPTC for polymer positive temperature coefficient
  • PPTC resistors are known per se from the prior art and are used as current limiters in load circuits.
  • PPTC resistors PPTC for polymer positive temperature coefficient
  • PPTC resistors are also referred to as "smart fuses”.
  • the provided for monitoring the component resistance element is selected such, for example, from the commercially available PPTC resistors that the threshold temperature is within the said temperature range of the resistive element in which the electrical resistance increases strongly nonlinearly with increasing temperature. Therefore, when the threshold temperature is reached or exceeded, the resistance of the resistance element essentially changes abruptly, so that, based on a measured value dependent on the current electrical resistance of the resistance element, monitoring of the current temperature of the component is achieved
  • Resistor elements arranged electrically in series in the monitoring circuit and each resistive element is thermally coupled or coupled at least to a component to be monitored. As a result, it is possible to monitor the temperatures and / or several components occurring at several points on a component in a particularly simple manner.
  • a measuring device is provided for measuring the measured value, which is electrically connected or connectable to the at least one electrical resistance element.
  • the measuring device is integrated in the monitoring circuit or can via one or more switches or the like in the
  • Monitoring circuit are switched at least temporarily.
  • at least one further, second monitoring circuit is provided, which is electrically from the first
  • Monitoring circuit is disconnected and in which at least one other
  • Resistor element is arranged.
  • Monitoring circuits are used, for example by the
  • Measuring device is connected via one or more switches in each one of the circuits.
  • the use of separate monitoring circuits, each with a resistive element is particularly advantageous in that in this way a localization of the component is possible, the temperature of a
  • Threshold temperature exceeds.
  • the electrical resistance of the resistance element of the second monitoring circuit can increase non-linearly with increasing temperature in a higher second temperature range in which a predetermined second threshold temperature of the component to be monitored is located.
  • An evaluation device can also be provided, which is designed to select an operating state from at least two predetermined operating states on the basis of the measured value and optionally of the further, second measured value.
  • the evaluation device may be cable-based or wirelessly connected or connectable to the measuring device in order to transmit the measured value or optionally the measured values to the evaluation device.
  • the evaluation and measuring equipment may in particular also be accommodated in the same component of the monitoring system.
  • the evaluation device can be embodied as a separate, in particular portable device, and the measuring device can be designed as a component of the monitoring circuit or circuits which can be connected in particular.
  • the evaluation device is adapted to a
  • Normal temperature mode to select when the measured value meets a specified for normal temperature operating condition, a
  • the evaluation device has a
  • the evaluation device has a data memory or is at least functionally coupled thereto.
  • data which in particular the measured value and / or the second measured value and / or the
  • the evaluation device can also be designed to be made of the
  • the evaluation device is designed to use the frequency distribution to determine the number of within a certain range
  • An advantage of this development is therefore that an advanced aging of the component can be detected, which in turn promotes rapid replacement of the component. As a result, the risk of fire from a heavily aged component can ultimately be reduced.
  • the at least one component may be any mechanical component, for example, which may become warm, in particular when used as intended.
  • the component may be a component of an engine or a component installed in a motor vehicle.
  • the component may be an electrical or electronic component which is arranged in a load circuit, which is of the
  • the invention also relates to a PPTC electrical resistance element, in particular for use in a monitoring system according to the invention, which is designed in the form of a cable or integrated in an electrical cable.
  • the resistance element is suitable for monitoring the temperature of one or more electrical cables which, for example, are bundled in a cable harness. It is preferably the kabeiförmige or integrated into a cable
  • Resistance element arranged as a central, central "cable" in the wiring harness and the actual cables are distributed around the resistance element distributed in the circumferential direction.
  • An electrical cable, in which the PPTC resistance element is integrated, preferably has an electrically conductive wire, for example, a copper wire, in at least an area is interrupted.
  • the PPTC resistance element is arranged in this area so that it can bridge the interruption electrically.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a monitoring system according to the invention
  • FIG. 2 shows a resistance characteristic of a PPTC resistance element in logarithmic representation as a function of the temperature.
  • Fig. 4 shows another embodiment of an inventive
  • Fig. 6 shows an example for each determined over a period of one year
  • FIG. 7 shows an application example of a monitoring system according to the invention for monitoring components of a load circuit
  • Fig. 8 is another example of an application of the invention
  • Fig. 9 shows an embodiment of an electric cable according to the invention, in which a PPTC resistance element is integrated.
  • the monitoring system 1 shown in FIG. 1 is provided for monitoring the temperature of a component 3 and has a monitoring circuit 5, in which an electrical resistance element 7 is contained. To the monitoring circuit 5, a measuring device 9 is also connected, through which the Monitoring circuit 5 is closed. However, the measuring device 9 can only be temporarily integrated into the monitoring circuit 5, in particular if the monitoring system 1 is used as intended, and otherwise the monitoring circuit 5 remain open.
  • the resistance element 7 is thermally coupled to the component 3, that is to say it is thermally connected to the component 3, so that the resistance element 7 essentially assumes the temperature of the component 3.
  • the resistance element 7 essentially assumes the temperature of the component 3.
  • Resistive element 7 is thermally coupled to a position of the component 3, which is assumed or known to be particularly strongly heated, in particular in the case of a malfunction of the component 3, so that an effective monitoring of the temperature of the component 3 can take place on the basis of the resistance elements 7.
  • a location is generally referred to as a hot spot or as a "hot spot”.
  • the resistance element 7 is embodied as a PPTC resistance element, which is also referred to as "smart fuses.”
  • the electrical resistance value of the "smart fuse" along the ordinate increases within a relatively narrow temperature range ⁇ , 5, for example, may be non-linear with the temperature plotted along the abscissa from a lower resistance value R1 to an upper resistance value R2.
  • the lower resistance value R1 is typically only a few ohms.
  • the upper resistance value R1 is typically only a few ohms.
  • Resistance value R2 is typically several orders of magnitude higher and may be a few mega- or even a few gig-ohms.
  • a PPTC resistance element is formed of a polymer matrix filled with elemental carbon. At low temperatures, which are below the temperature range ⁇ , the carbon forms in the
  • Polymer matrix conductive areas whereby the resistance element forms quasi an electrical conductor with low electrical resistance.
  • the polymer expands the matrix and reversibly changes from a crystalline state to an amorphous state.
  • the carbon particles are separated from each other, whereby the conductive areas are interrupted and the resistance element at higher Temperatures thus quasi an insulator with a very high electrical
  • Resistance element 7 selected such, for example. From the commercially available PPTC resistors that the temperature T1 is within, especially in the middle, the temperature range .DELTA. ⁇ , as shown in FIG. 2 can be seen.
  • the measuring device 9 comprises a resistance measuring device 11, the
  • the resistance measuring device 11 may have a constant voltage source 13 through which a predetermined voltage to the monitoring circuit 5 can be applied.
  • the resistance measuring device 11 includes an ammeter 15 with which the current flowing through the monitoring circuit 5 current can be determined.
  • Resistance element 7 has only a low resistance. However, if the actual temperature of the resistive element 7 exceeds the temperature T1, then the resistance of the resistive element 7 changes quasi to R2 due to the narrow temperature range ⁇ , so that only a small or no current can be measured, since the resistive element 7 is more or less forms an insulator.
  • the monitoring system 1 based on a simple measurement of a dependent of the resistance of the resistive element 7 measured value, which is according to the preceding example, the amount of current flowing through the monitoring circuit 5 current monitoring of
  • Temperature of the component 3 take place be done that reaching or exceeding the temperature T1 can be determined.
  • non-linear PTC resistors for which an exemplary resistance-temperature characteristic is shown schematically in FIG. 3, are suitable for use in the monitoring circuit. These show within a
  • Temperature range ⁇ which is wider than in PPTC resistors and, for example, may have a width of 10 to 40 K, one of a lower resistance value R3 to an upper resistance value R4 non-linearly increasing with increasing temperature resistance characteristic.
  • the upper resistance value is thereby
  • the resistance element 7 designed in the form of a PTC resistor is in turn selected such that the threshold temperature T1 is within the temperature range ⁇ , in particular substantially in the middle of the temperature range ⁇ , as indicated in FIG.
  • the resistance element 7 is a PPTC resistor, based on a measurement of the current flowing through the monitoring circuit 5 because of the non-linearly increasing course of the
  • monitoring component 3 is achieved, since the measured value depends on the electrical resistance of the PTC resistor, the according to FIG. 3 in the environment of
  • the measuring device 9 has a display 17, which is controlled such that the display indicates a falling below and exceeding the threshold temperature T1.
  • the display may be an LED display that lights in a first color, such as green, when the threshold temperature T1 is undershot and that in a second color, such as red, is lit when the threshold temperature reaches T1 becomes.
  • the measuring device 9 may comprise a transmitting / receiving device 19, by means of which the measured value measured, that is, according to the present example, the measured Amperage, to a transmitting / receiving device 21 of an evaluation device 23 can be transmitted wirelessly.
  • the evaluation device 23 receives the measured value measured and assigns the measured value to one of, for example, two predetermined operating states.
  • Operating states can be stored on a memory device 25, for example, together with an assignment rule.
  • the resistance element 7 is designed as a PPTC resistor, be determined by the ZuOrdungsvorschrift that if the measured value measured (current) exceeds a certain amount, for example. 10 mA, the measured value referred to as normal operating condition
  • Operating state is assigned, and that is associated with a measured value below 10 mA, a so-called over-temperature operating state.
  • the evaluation device 23 can determine on the basis of the measured value whether the threshold temperature T1 has been reached and thus the component has no longer been operated in normal operation.
  • the evaluation device 23 can therefore select the corresponding operating state on the basis of the measured value measured and display it, for example for the user, on a display device 27 of FIG.
  • the evaluation device 23 is also designed to store the measured value and the determined operating state together with a time stamp in order, for example, to perform a later detailed evaluation, which will be described below by way of example.
  • the monitoring system 1 makes it possible, with a skillful choice of the resistance element 7 used, to monitor the temperature of the component 3 by means of a measured value associated with the electrical resistance of the resistance element 7, in particular to reach or exceed the threshold temperature T1.
  • the monitoring system 41 shown in FIG. 4 comprises a first one
  • Resistance element 43 and a second resistance element 45, both in one Monitoring circuit 47 are arranged in series with a measuring device 49.
  • the measuring device 49 is constructed in accordance with the measuring device 9, so that reference is made to the above explanations of the measuring device 9 with regard to details of the measuring device 49.
  • the first resistance element 43 is thermally coupled to a first component 51 and the second resistance element 45 is thermally coupled to a second component 53.
  • the two resistance elements 43, 45 are in turn in particular PPTC resistors.
  • the first resistance element 43 is selected such that a threshold temperature to be monitored for the component 51 lies within, essentially in the middle, the temperature range ⁇ in which the resistance characteristic increases abruptly (cf., FIG. 2).
  • the second resistive element 45 is designed such that a possibly different threshold temperature to be monitored for the component 53 is again within the characteristic characteristic of the second resistive element
  • the measuring device 49 consequently determines a measured value, for example, again the current magnitude which adjusts itself at a constant voltage in the monitoring circuit 47, which depends on the total resistance of the two resistance elements 43, 45.
  • the total resistance of the monitoring circuit 47 increases sharply when at least one of the two resistance elements 43, 45 due to heating of the corresponding component 51, 53 exceeds the respective threshold temperature and thus its resistance abruptly, in particular by several orders of magnitude increases.
  • the measuring device 49 therefore only measures little or no current when one of the two resistance elements 43, 45 exceeds the respective threshold temperature. Accordingly, by measuring a measured value dependent on the total resistance of the two resistance elements 43, 45, it can be ascertained whether at least one component 51, 53 has to be monitored for the respective component 51, 53 Threshold temperature has reached or exceeded. The further processing of the measured value can take place in a corresponding manner as in the embodiment of FIG.
  • the monitoring system 41 described with reference to FIG. 4 is not limited to two series-connected resistance elements 43, 45, but in principle any number of resistance elements can be connected in series. In addition, two or more resistive elements on the same component,
  • the monitoring system 71 described with reference to FIG. 5 comprises a first resistance element 73 and a second resistance element 75.
  • Resistance element 73 is in a first monitoring circuit 77 and the second resistance element 75 is arranged in a second monitoring circuit 79.
  • the monitoring system 71 comprises a measuring device 81 and a switch 83, by means of which either the first or second
  • Monitoring circuit 77, 79 can be closed, so that the
  • Measuring device 81 can be selectively switched into the first or second monitoring circuit 77, 79 to determine a first measured value, which depends on the electrical resistance of the first resistive element 73, or to determine a second measured value, the electrical resistance of the second
  • Resistive element 75 depends.
  • the first or second measured value can again be the magnitude of the current which flows through the first or second monitoring circuit 77, 79 at a constant voltage.
  • the two resistance elements 73, 75 are fastened to a component 85 and thermally coupled thereto, so that the two
  • Resistive elements 73, 75 have substantially the same instantaneous temperature.
  • the two resistive elements 73, 75 are designed as PPTC resistors.
  • the temperature range ⁇ of the first resistive elements 73, 75 are designed as PPTC resistors.
  • Resistance element 73 in which, as described above in particular with reference to FIG. 2, whose resistance increases sharply, deeper, for example. In the field of 80 ° C, than the corresponding temperature range ⁇ of the second
  • Resistance element 75 which is, for example, at about 120 ° C.
  • the temperature of the component 85 exceeds a first threshold temperature of 80 ° C., whereas it can be determined on the basis of the second measured value measured with respect to the second monitoring circuit 79 the temperature of the component 85 exceeds a second threshold temperature of about 120 ° C.
  • the two measured values are transmitted by the measuring device 81, as described above, to an evaluation unit 87 of the monitoring system 71.
  • a plurality of operating states of the component 85 or the apparatus to which the component 85 belongs are specified on a memory 89 of the evaluation unit 87, and the evaluation unit 87 is designed to determine the current operating state on the basis of the first and second measured values.
  • the first measured value as well as the second measured value can each indicate a measured current intensity. If the temperature of the component 85 is below the first threshold temperature of 80 ° C., a current flow is possible in the first monitoring circuit 77, since the first resistance element 73 acts as a conductor and not as an insulator, so that the first measured value corresponds to a current value deviating significantly from zero For example, is above a predetermined limit of 10 mA.
  • the first one acts
  • Resistor element 73 as an insulator.
  • the current that can be measured as the first measured value is close to zero amperes, in particular below the limit value.
  • the second resistance element 79 continues to act as a conductor and the current measured as the second measured value is, for example, above the limit value.
  • the second resistance element 79 also acts as an insulator, so that too the current measured as the second measured value is in the vicinity of zero amperes and in particular below the limit value.
  • the evaluation unit 87 selects a predetermined normal temperature operating state when the first measured value is above the limit value
  • the normal temperature operating state indicates an operating state of the component 85 or the apparatus in which the occurring
  • Wear of the component 85 may be.
  • the evaluation device 91 can in turn have a display device 91, by means of which the determined operating state can be displayed.
  • the indicator 91 may include an LED display, and display a first color, such as green, when the normal operating temperature condition has been detected, indicating a second color, such as yellow, when the normal operating temperature condition has been detected.
  • Intermediate temperature operating condition has been determined and a third color, for example red, indicate when the overtemperature operating condition has been determined.
  • the evaluation device 91 can also store the first measured value, the second measured value, the determined operating state and a time stamp, which specifies the time of measurement of the two measured values, in the memory 91 in order to generate a frequency distribution for the number of operating states determined within a certain period of time , 6 shows an example of such frequency distributions 101, 103 and 105 prepared for the years 2008, 2009 and 2010, each of which is shown as a histogram and from which it can be easily deduced how often in each individual year the normal temperature (" green "), the intermediate temperature (“ yellow ”) and the overtemperature operating state (“ red ”) has occurred.
  • Overtemperatur istzupiece found so that estimate the degree of aging from the obtained frequency distributions 101, 103, 105 and in particular can be monitored.
  • Evaluation device 87 the number of overtemperature operating conditions that occurred within a certain period, eg. During the last year with a predetermined maximum value and, if this is exceeded, for example, by means of the display device 91 from a warning signal.
  • Fig. 7 shows schematically an electronic or electrical assembly 111 with a printed circuit board 113, on which a load circuit 115, z. B. for high current applications, and a monitoring circuit 117 of a monitoring system according to the invention is arranged.
  • the load circuit 115 includes a plurality of printed conductors shown in dashed lines, via which a plurality of arranged in the load circuit 115 components 119 which form Joule heat sources in the load circuit and in particular fuses, relays or power elements can be electrically connected to each other.
  • the monitoring circuit 117 a plurality of, in the example shown in series resistor elements 121 and a measuring device 123 are arranged, which in turn for particular wireless communication with an evaluation device (not shown) is formed.
  • a component 119 is in thermal contact with a resistance element 121.
  • the resistance elements 121 may each be arranged between the components 119 and the printed circuit board 113.
  • the components 119 may be pressed onto the printed circuit board 113, so that a particularly good
  • the monitoring of the components 119 on the basis of the resistance elements 121 takes place in accordance with the embodiment described with reference to FIG. 4.
  • FIG. 8 schematically shows a sectional view of a cable harness 141 with a bundle of individual cables 143.
  • a resistance element 145 is arranged inside the cable harness 141, which is in thermal contact with at least one cable 143.
  • the resistance element 145 likewise has a cable shape, and is preferably in contact with it over the entire length of the cable 143. More preferably, the resistive element 145 is in thermal contact with several or all of the cables 143 along their entire length.
  • the resistance element 145 runs as a central core in the cable harness 141 and the actual cables 143 are arranged around the resistance element 145 around.
  • the resistance element 145 is again realized as kabeiförmiger PPTC resistor. Therefore, the resistive element 145 comprises a substantially kabeiförmige non-conductive crystalline organic polymer matrix, in which
  • Carbon particles are arranged so that the above-described
  • the electrical cable 153 according to the invention shown in longitudinal section in FIG. 9 comprises an electrically conductive wire, which consists of a first electrical conductor 149a and a second electrical conductor 149b and a PPTC resistance element 151 arranged between the two conductors.
  • the latter electrically connects the two electrical conductors 149a, 149b with one another or isolates them from one another, as it were, electrically.
  • the electrically conductive wire is also surrounded by a sheath 147, for example. Plastic.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem zur Überwachung der Temperatur von zumindest einem Bauteil, wobei das Überwachungssystem zumindest einen Überwachungsstromkreis aufweist, in dem zumindest ein Temperatursensor angeordnet ist, welcher derart mit dem Bauteil thermisch gekoppelt oder koppelbar ist, dass der Temperatursensor eine aktuelle Temperatur oder zumindest nahezu die aktuelle Temperatur des Bauteils annehmen kann, wobei der zumindest eine Temperatursensor ein elektrisches Widerstandselement ist, insbesondere ein PTC-Widerstandselement oder ein PPTC-Widerstandselement, dessen elektrischer Widerstand in einem Temperaturbereich, in dem eine vorgegebene zu überwachende Schwellentemperatur des Bauteils liegt, mit zunehmender Temperatur nichtlinear ansteigt, so dass anhand einer elektrischen Messung eines vom aktuellen elektrischen Widerstand des Widerstandselement abhängigen Messwerts eine Überwachung der aktuellen Temperatur des Bauteils auf Übersteigen der Schwellentemperatur erfolgen kann.

Description

Temperaturüberwachungssystem
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung der Temperatur von zumindest einem Bauteil, wobei das Überwachungssystem zumindest einen
Überwachungsstromkreis aufweist, in dem zumindest ein Temperatursensor angeordnet ist, welcher derart mit dem Bauteil thermisch gekoppelt oder koppelbar ist, dass der Temperatursensor eine aktuelle Temperatur oder zumindest nahezu die aktuelle Temperatur des Bauteils annehmen kann.
Derartige Überwachungssysteme, bei welchen ein in Form eines Thermoelements ausgebildeter Temperatursensor im Überwachungsstromkreis angeordnet ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Überwachungssystem anzugeben, mit welchem es auf einfache Art und Weise möglich ist, die Temperatur eines Bauteils daraufhin zu überwachen, ob diese eine bestimmte Schwellentemperatur erreicht oder überschreitet.
Die Aufgabe wird durch ein Überwachungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass der zumindest eine Temperatursensor ein elektrisches Widerstandselement ist, insbesondere ein PTC-Widerstandselement oder ein PPTC- Widerstandselement, dessen elektrischer Widerstand in einem Temperaturbereich, in dem eine vorgegebene zu überwachende Schwellentemperatur des Bauteils liegt, mit zunehmender Temperatur nichtlinear ansteigt, so dass anhand einer elektrischen Messung eines vom aktuellen elektrischen Widerstand des Widerstandselements abhängigen Messwerts eine Überwachung der aktuellen Temperatur des Bauteils auf Übersteigen der Schwellentemperatur erfolgen kann.
PTC-Widerstände (PTC für positive temperature coefficient) sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden als Strombegrenzer in Laststromkreisen eingesetzt. Auch PPTC-Widerstände (PPTC für Polymerie positive temperature coefficient) sind an sich bekannt und werden insbesondere als selbstrückstellende Sicherungen in Laststromkreisen eingesetzt. Daher werden PPTC-Widerstände auch als„smart fuses", also als intelligente Sicherungen, bezeichnet.
Ein der Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht nun darin, derartige
Widerstände wegen ihrer charakteristischen nichtlinearen Widerstands-Temperatur- Kennlinie als Temperatursensoren einzusetzen, mit deren Hilfe detektiert werden kann, wenn das zu überwachende Bauteil eine, eine bestimmte Schwellentemperatur übersteigende Temperatur aufweist. Dabei wird das zur Überwachung des Bauteils vorgesehene Widerstandselement derart ausgewählt, bspw. aus den kommerziell erhältlichen PPTC-Widerständen, dass die Schwellentemperatur innerhalb des besagten Temperaturbereichs des Widerstandselements liegt, in dem der elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur stark nichtlinear ansteigt. Daher ändert sich der Widerstand des Widerstandselements bei Erreichen oder Überschreiten der Schwellentemperatur im Wesentlichen sprunghaft, so dass anhand eines vom aktuellen elektrischen Widerstand des Widerstandselements abhängigen Messwerts eine Überwachung der aktuellen Temperatur des Bauteils auf Erreichen oder
Übersteigen der Schwellentemperatur erfolgen kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere
Widerstandselemente elektrisch in Reihe in dem Überwachungsstromkreis angeordnet und jedes Widerstandselement ist zumindest mit einem zu überwachenden Bauteil thermisch gekoppelt oder koppelbar. Dadurch kann auf besonders einfache Weise eine Überwachung der an mehreren Stellen an einem Bauteil auftretenden Temperaturen und/oder mehrerer Bauteile erfolgen.
Bevorzugt ist eine Messeinrichtung zur Messung des Messwerts vorgesehen, welche elektrisch mit dem mindestens einen elektrischen Widerstandselement verbunden oder verbindbar ist.
Besonders bevorzugt ist die Messeinrichtung in den Überwachungsstromkreis integriert oder kann über einen oder mehrere Schalter oder dergleichen in den
Überwachungsstromkreis zumindest zeitweise geschaltet werden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein weiterer, zweiter Überwachungsstromkreis vorgesehen, welcher elektrisch vom ersten
Überwachungsstromkreis getrennt ist und in dem zumindest ein weiteres
Widerstandselement angeordnet ist.
Dabei kann eine Messeinrichtung für den ersten als auch den zweiten
Überwachungsstromkreise verwendet werden, beispielsweise indem die
Messeinrichtung über einen oder mehrere Schalter in jeweils einen der Stromkreise geschaltet wird. Die Verwendung separater Überwachungsstromkreise mit jeweils einem Widerstandselement ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass auf diese Weise eine Lokalisierung des Bauteils möglich ist, dessen Temperatur eine
Schwellentemperatur übersteigt.
Insbesondere kann der elektrische Widerstand des Widerstandselements des zweiten Überwachungsstromkreises in einem höher liegenden zweiten Temperaturbereich, in dem eine vorgegebene zu überwachende zweite Schwellentemperatur des Bauteils liegt, mit zunehmender Temperatur nichtlinear ansteigen. Dadurch wird es möglich, wenn sowohl das Widerstandselement des ersten als auch das Widerstandselement des zweiten Überwachungsstromkreises mit demselben Bauteil thermisch gekoppelt sind, das Bauteil nicht nur daraufhin zu überwachen, ob dessen Temperatur eine erste Schwellentemperatur übersteigt, was mittels des ersten Überwachungsstromkreises erfolgt, sondern mittels des zweiten Überwachungsstromkreises gegebenenfalls auch daraufhin, ob dessen Temperatur eine zweite Schwellentemperatur übersteigt, die über der ersten Schwellentemperatur liegt. Die Temperatur des Bauteils kann also auf Überschreiten von wenigstens zwei unterschiedlichen Schwellentemperaturen überwacht werden, so dass eine genauere Überwachung des Bauteils möglich ist.
Es kann auch eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, welche dazu ausgebildet ist, anhand des Messwert und gegebenenfalls des weiteren, zweiten Messwerts einen Betriebszustand aus zumindest zwei vorgegebenen Betriebszuständen auszuwählen.
Die Auswerteeinrichtung kann mit der Messeinrichtung kabelbasiert oder kabellos verbunden oder verbindbar sein, um den Messwert oder gegebenenfalls die Messwerte an die Auswerteeinrichtung zu übertragen. Die Auswerte- und die Messeinrichtung können insbesondere auch in derselben Komponente des Überwachungssystems untergebracht sein. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung als separates, insbesondere portables Gerät ausgeführt sein, und die Messeinrichtung kann als insbesondere zuschaltbare Komponente des oder der Überwachungsstromkreise ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, einen
Normaltemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der Messwert ein für den Normaltemperaturbetriebszustand vorgegebenes Kriterium erfüllt, einen
Zwischentemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der Messwert und der zweite Messwert ein für den Zwischentemperaturbetriebszustand vorgegebenes Kriterium erfüllt, und einen Übertemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der zweite Messwert ein für den Übertemperaturbetriebszustand vorgegebenes Kriterium erfüllt. Dadurch wird es möglich, anhand der gewonnenen Messwerte den aktuellen
Betriebszustand des Bauteils oder der Bauteile festzustellen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinrichtung eine
Anzeigeeinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, den ausgewählten
Betriebszustand anzuzeigen. Damit kann beispielsweise ein Benutzer über den aktuellen Betriebszustand des oder der Bauteile informiert werden.
Insbesondere weist die Auswerteeinrichtung einen Datenspeicher auf oder ist zumindest funktional mit diesem gekoppelt. Dadurch können Daten, welche insbesondere den Messwert und/oder den zweiten Messwert und/oder den
ausgewählten Betriebszustand und/oder zumindest einen Zeitstempel umfassen, in dem Speicher gespeichert werden.
Die Auswerteeinrichtung kann außerdem dazu ausgebildet sein, aus den
gespeicherten Daten eine Häufigkeitsverteilung für die innerhalb eines bestimmten Zeitraums auftretende Anzahl der vorgegebenen Betriebszustände zu erstellen. Dies ermöglicht eine einfache Analyse der über einen bestimmten Zeitraum gewonnenen Daten. Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, anhand der Häufigkeitsverteilung die Anzahl von innerhalb eines bestimmten
Zeitraums auftretenden Übertemperaturbetriebszuständen mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und insbesondere anzuzeigen, wenn der Maximalwert überschritten wird. Zu häufig auftretenden Übertemperaturbetriebszustände sind insbesondere ein Anzeichen für eine fortgeschrittene Alterung eines Bauteils.
Vorteilhaft an dieser Weiterbildung ist daher, dass eine fortgeschrittene Alterung des Bauteils erkannt werden kann, was wiederum einen raschen Austausch des Bauteils befördert. Dadurch kann letzten Endes auch die von einem stark gealterten Bauteil ausgehende Brandgefahr eingedämmt werden.
Bei dem zumindest einen Bauteil kann es sich um ein beliebiges bspw. mechanisches Bauteil handeln, welches insbesondere bei bestimmungsgemäßem Gebrauch warm werden kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente eines Motors oder um eine in ein Kraftfahrzeug eingebaute Komponente handeln.
Insbesondere kann es sich bei dem Bauteil um ein elektrisches oder elektronisches Bauteil handeln, welches in einem Laststromkreis angeordnet ist, der vom
Überwachungsstromkreis galvanisch getrennt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches PPTC-Widerstandselement, insbesondere zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem, welches in Form eines Kabels ausgebildet oder in ein elektrisches Kabel integriert ist. Dadurch eignet sich das Widerstandselement zur Überwachung der Temperatur eines oder mehrerer elektrischer Kabel, welche bspw. in einem Kabelbaum gebündelt angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise das kabeiförmige oder in ein Kabel integrierte
Widerstandselement als mittiges, zentrales„Kabel" im Kabelbaum angeordnet und die eigentlichen Kabel sind in Umfangsrichtung verteilt um das Widerstandselement angeordnet.
Ein elektrisches Kabel, in welches das PPTC-Widerstandselement integriert ist, weist bevorzugt eine elektrisch leitende Ader auf, z.B. eine Kupferleitung, die in zumindest einem Bereich unterbrochen ist. Dabei ist das PPTC-Widerstandselement in diesem Bereich angeordnet, so dass dieses die Unterbrechung elektrisch überbrücken kann.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems,
Fig. 2 eine Widerstandskennlinie eines PPTC-Widerstandselements in logarithmischer Darstellung als Funktion der Temperatur,
Fig. 3 eine Widerstandskennlinie eins PTC-Widerstandselements als Funktion der Temperatur,
Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Überwachungssystems,
Fig. 5 noch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Überwachungssystems,
Fig.6 ein Beispiel für über jeweils einen Zeitraum von einem Jahr ermittelte
Häufigkeitsverteilungen,
Fig. 7 ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems zur Überwachung von Bauteilen eines Laststromkreises,
Fig. 8 ein anderes Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Überwachungssystems zur Überwachung eines Kabelbaums
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Kabels, in welches ein PPTC-Widerstandselement integriert ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Überwachungssystem 1 ist zur Überwachung der Temperatur eines Bauteils 3 vorgesehen und weist einen Überwachungsstromkreis 5 auf, in dem ein elektrisches Widerstandselement 7 enthalten ist. An den Überwachungsstromkreis 5 ist außerdem eine Messeinrichtung 9 angeschlossen, durch die der Überwachungsstromkreis 5 geschlossen wird. Die Messeinrichtung 9 kann jedoch nur temporär in den Überwachungsstromkreis 5 integriert sein, insbesondere dann wenn das Überwachungssystem 1 bestimmungsgemäß gebraucht wird, und ansonsten kann der Überwachungsstromkreis 5 offen bleiben.
Das Widerstandselement 7 ist thermisch mit dem Bauteil 3 gekoppelt, steht also thermisch mit dem Bauteil 3 in Verbindung, so dass das Widerstandselement 7 im Wesentlichen die Temperatur des Bauteils 3 annimmt. Insbesondere ist das
Widerstandselement 7 mit einer Stelle des Bauteils 3 thermisch gekoppelt, von der angenommen wird oder bekannt ist, dass sie sich insbesondere bei einer Fehlfunktion des Bauteils 3 besonders stark erwärmt, so dass anhand des Widerstandselemente 7 eine effektive Überwachung der Temperatur des Bauteils 3 erfolgen kann. Eine derartige Stelle wird generell auch als heiße Stelle oder als„hot spot" bezeichnet.
Das Widerstandselement 7 ist insbesondere als ein PPTC-Widerstandselement ausgeführt, die auch als„smart fuses" bezeichnet werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, steigt der entlang der Ordinate aufgetragene elektrische Widerstandswert der„Smart Fuse" innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs ΔΤ, der bspw. 5 breit sein kann, nichtlinear mit der entlang der Abszisse aufgetragenen Temperatur von einem unteren Widerstandswert R1 auf einen oberen Widerstandswert R2 an. Dabei beträgt der untere Widerstandswert R1 typischerweise nur einige Ohm. Der obere
Widerstandswert R2 ist typischerweise um mehrere Größenordnung höher und kann einige Mega- oder sogar einige Giga-Ohm betragen.
Der Grund hierfür ist, dass ein PPTC-Widerstandselement aus einer Polymermatrix gebildet ist, die mit elementarem Kohlenstoff gefüllt ist. Bei niedrigen Temperaturen, die unterhalb des Temperaturbereichs ΔΤ liegen, bildet der Kohlenstoff in der
Polymermatrix leitende Bereiche, wodurch das Widerstandselement quasi einen elektrischen Leiter mit geringem elektrischem Widerstand bildet. Bei Temperaturen innerhalb des vorgenannten Temperaturbereichs expandiert das Polymer der Matrix und geht reversibel von einem kristallinen Zustand in einen amorphen Zustand über. Dadurch werden die Kohlenstoffpartikel voneinander separiert, wodurch die leitenden Bereiche unterbrochen werden und das Widerstandselement bei höheren Temperaturen somit quasi einen Isolator mit einem sehr hohen elektrischen
Widerstand bildet.
Zur Überwachung des Bauteils 3 kann es beispielsweise gewünscht sein, anhand des Überwachungssystems zu erkennen, ob das Bauteil 3 eine Temperatur von T1= 80°C erreicht, beispielsweise weil ab dieser Temperatur Beschädigungen am Bauteil 3 auftreten können. Daher wird für einen derartigen Einsatz das elektrische
Widerstandselement 7 derart gewählt, bspw. aus den kommerziell erhältlichen PPTC- Widerständen, dass die Temperatur T1 innerhalb, insbesondere in der Mitte, des Temperaturbereichs ΔΤ liegt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Die Messeinrichtung 9 umfasst eine Widerstandsmesseinrichtung 11 , die
beispielsweise eine Konstantspannungsquelle 13 aufweisen kann, durch die eine vorgegebene Spannung an den Überwachungsstromkreis 5 angelegt werden kann. Außerdem umfasst die Widerstandsmesseinrichtung 11 einen Strommesser 15 mit dem der durch den Überwachungsstromkreis 5 fließende Strom ermittelt werden kann.
Entsprechend den vorstehenden Ausführungen kann, wenn die Temperatur des Widerstandselements 7 unterhalb des Temperaturbereichs ΔΤ und damit unterhalb der Temperatur T1 liegt, ein Strom gemessen werden, da in diesem Falle das
Widerstandselement 7 nur einen geringen Widerstand aufweist. Übersteigt jedoch die aktuelle Temperatur des Widerstandselements 7 die Temperatur T1 , so ändert sich der Widerstand des Widerstandselements 7 wegen des schmalen Temperaturbereichs ΔΤ quasi sprunghaft auf R2, so dass nur noch ein geringer oder gar kein Strom mehr gemessen werden kann, da das Widerstandselement 7 quasi einen Isolator bildet.
Daher kann bei dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem 1 auf Basis einer einfachen Messung eines vom Widerstand des Widerstandselements 7 abhängigen Messwerts, welcher gemäß dem vorherstehenden Beispiel der Betrag der durch den Überwachungsstromkreis 5 fließenden Stromstärke ist, eine Überwachung der
Temperatur des Bauteils 3 dahingehen erfolgen, dass das Erreichen oder Übersteigen der Temperatur T1 festgestellt werden kann. Für den Einsatz im Überwachungsstromkreis eignen sich neben PPTC-Widerständen auch nichtlineare PTC-Widerstände, für die in Fig. 3 eine beispielhafte Widerstands- Temperaturkennlinie schematisch dargestellt ist. Diese zeigen innerhalb eines
Temperaturbereichs ΔΤ, der jedoch breiter ist als bei PPTC-Widerständen und bspw. eine Breite von 10 bis 40 K aufweisen kann, eine von einem unteren Widerstandswert R3 auf einen oberen Widerstandswert R4 nichtlinear mit zunehmender Temperatur ansteigende Widerstandskennlinie. Dabei liegt der obere Widerstandswert
typischerweise - je nach Ausführungsform - ein bestimmtes Vielfaches über dem unteren Widerstandswert R3.
Das in Form eines PTC-Widerstands ausgebildete Widerstandselement 7 ist wiederum derart gewählt, dass die Schwellentemperatur T1 innerhalb des Temperaturbereichs ΔΤ liegt, insbesondere im Wesentlichen in der Mitte des Temperaturbereichs ΔΤ, wie in Fig. 3 angedeutet ist. Insbesondere kann in gleicher Weise wie vorstehend für den Fall beschrieben wurde, dass es sich bei dem Widerstandselement 7 um einen PPTC- Widerstand handelt, anhand einer Messung des durch den Überwachungsstromkreis 5 fließenden Stromes wegen des nichtlinear ansteigenden Verlaufs der
Widerstandskennlinie im Temperaturbereichs ΔΤ wiederum erkannt werden, ob die Schwellentemperatur T1 von dem Widerstandselement 7 und damit vom zu
überwachenden Bauteil 3 erreicht wird, da der Messwert vom elektrischen Widerstand des PTC-Widerstands abhängt, der gemäß Fig. 3 in der Umgebung der
Schwellentemperatur T1 vom unteren Widerstandswert R1 auf den oberen
Widerstandswert R2 ansteigt.
Die Messeinrichtung 9 weist eine Anzeige 17 auf, die derart angesteuert wird, dass die Anzeige ein Unterschreiten und ein Überschreiten der Schwellentemperatur T1 anzeigt. Beispielsweise kann es sich bei der Anzeige um eine LED-Anzeige handelt, die in einer ersten Farbe, bspw. grün, leuchtet, wenn die Schwellentemperatur T1 unterschritten wird und die in einer zweiten Farbe, bspw. rot, leuchtet, wenn die Schwellentemperatur T1 erreicht wird.
Die Messeinrichtung 9 kann eine Sende-/Empfangseinrichtung 19 umfassen, mittels der der gemessene Messwert, also gemäß dem vorliegenden Beispiel die gemessene Stromstärke, an eine Sende-/Empfangseinrichtung 21 einer Auswerteeinrichtung 23 drahtlos übertragen werden kann.
Die Auswerteeinrichtung 23 empfängt den gemessenen Messwert und ordnet den Messwert einem von bspw. zwei vorgegebenen Betriebszuständen zu. Die
Betriebszustände können beispielsweise zusammen mit einer ZuOrdnungsvorschrift auf einer Speichereinrichtung 25 gespeichert sein. Beispielsweise kann, wenn entsprechend dem vorhergehenden Beispiel das Widerstandselement 7 als PPTC- Widerstand ausgebildet ist, durch die ZuOrdnungsvorschrift festgelegt sein, dass wenn der gemessene Messwert (Stromstärke) einen bestimmten Betrag, bspw. 10 mA, übersteigt, der Messwert dem als Normalbetriebszustand bezeichneten
Betriebszustand zugeordnet wird, und dass bei einem Messwert unterhalb von 10 mA ein sogenannter Übertemperaturbetriebszustand zugeordnet wird.
Mit anderen Worten kann die Auswerteeinrichtung 23 anhand des Messwerts feststellen, ob die Schwellentemperatur T1 erreicht und damit das Bauteil nicht mehr im Normalbetrieb betrieben wurde. Die Auswerteeinrichtung 23 kann also anhand des gemessenen Messwerts den entsprechenden Betriebszustand auswählen und diesen beispielsweise für den Benutzer auf einer Anzeigeeinrichtung 27 der
Auswerteeinrichtung 23 anzeigen.
Die Auswerteeinrichtung 23 ist außerdem dazu ausgebildet, den Messwert und den ermittelten Betriebszustand zusammen mit einem Zeitstempel abzuspeichern, um beispielsweise eine spätere detaillierte Auswertung durchzuführen, was weiter unten beispielhaft beschrieben wird.
Zusammenfassend ermöglicht es das Überwachungssystem 1 bei geschickter Wahl des verwendeten Widerstandselements 7 die Temperatur des Bauteils 3 anhand eines mit dem elektrischen Widerstand des Widerstandselements 7 verknüpften Messwerts insbesondere auf Erreichen oder Übersteigen der Schwellentemperatur T1 zu überwachen.
Das in Fig. 4 dargestellte Überwachungssystem 41 umfasst ein erstes
Widerstandselement 43 und ein zweites Widerstandselement 45, die beide in einem Überwachungsstromkreis 47 in Serie mit einer Messeinrichtung 49 angeordnet sind. Die Messeinrichtung 49 ist entsprechend der Messeinrichtung 9 aufgebaut, so dass hinsichtlich Details zur Messeinrichtung 49 auf die vorstehenden Ausführungen zur Messeinrichtung 9 verwiesen wird.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist das erste Widerstandselement 43 mit einem ersten Bauteil 51 thermisch gekoppelt und das zweite Widerstandselement 45 ist mit einem zweiten Bauteil 53 thermisch gekoppelt. Bei den beiden Widerstandselementen 43, 45 handelt es sich insbesondere wiederum um PPTC-Widerstände. Dabei ist das erste Widerstandselement 43 so gewählt, dass eine für das Bauteil 51 zu überwachende Schwellentemperatur innerhalb, im Wesentlichen in der Mitte, des Temperaturbereich ΔΤ liegt, in dem die Widerstandskennlinie sprunghaft steigt (vgl. Fig. 2).
Dementsprechend ist das zweite Widerstandselement 45 so ausgebildet, dass eine für das Bauteil 53 zu überwachende, möglicherweise andere Schwellentemperatur wiederum innerhalb des für das zweite Widerstandselement charakteristischen
Temperaturbereich ΔΤ liegt.
Aufgrund der seriellen Anordnung der beiden Widerstandselemente 43, 45 addieren sich die Widerstandswerte der beiden Elemente 43, 45 zu einem Gesamtwiderstand. Die Messeinrichtung 49 ermittelt folglich einen Messwert, beispielsweise wiederum die sich bei einer konstanten Spannung im Überwachungsstromkreis 47 einstellende Stromstärke, der vom Gesamtwiderstand der beiden Widerstandselemente 43, 45 abhängig ist. Der Gesamtwiderstand des Überwachungsstromkreises 47 steigt stark an, wenn zumindest einer der beiden Widerstandselemente 43, 45 aufgrund einer Erwärmung des entsprechenden Bauteils 51 , 53 die jeweilige Schwellentemperatur überschreitet und damit sein Widerstand schlagartig, insbesondere um mehrere Größenordnungen, ansteigt.
Die Messeinrichtung 49 misst daher nur einen geringen oder gar keinen Strom mehr, wenn eines der beiden Widerstandselemente 43, 45 die jeweilige Schwellentemperatur überschreitet. Demnach kann durch Messung eines vom Gesamtwiderstand der beiden Widerstandselemente 43, 45 abhängigen Messwerts festgestellt werden, ob zumindest ein Bauteil 51 , 53 die für das jeweilige Bauteil 51 , 53 zu überwachende Schwellentemperatur erreicht bzw. überschritten hat. Die Weiterverarbeitung des Messwerts kann dabei in entsprechender Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erfolgen.
Das mit Bezug auf Fig. 4 beschriebene Überwachungssystem 41 ist nicht beschränkt auf zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente 43, 45, sondern es können prinzipiell beliebig viele Widerstandselemente in Reihe geschaltet werden. Außerdem können auch zwei oder mehr Widerstandselemente an demselben Bauteil,
insbesondere an verschiedenen Stellen, angeordnet sein.
Das mit Bezug auf Fig. 5 beschriebene Überwachungssystem 71 weist ein erstes Widerstandselement 73 und ein zweites Widerstandselement 75 auf. Das
Widerstandselement 73 ist dabei in einem ersten Überwachungsstromkreis 77 und das zweite Widerstandselement 75 ist in einem zweiten Überwachungsstromkreis 79 angeordnet. Außerdem umfasst das Überwachungssystem 71 eine Messeinrichtung 81 und einen Schalter 83, mittels dem wahlweise der erste oder zweite
Überwachungsstromkreis 77, 79 geschlossen werden kann, so dass die
Messeinrichtung 81 wahlweise in den ersten oder zweiten Überwachungsstromkreis 77, 79 geschaltet werden kann, um einen ersten Messwert zu ermitteln, der vom elektrischen Widerstand des ersten Widerstandselements 73 abhängt, oder einen zweiten Messwert zu ermitteln, der vom elektrischen Widerstand des zweiten
Widerstandselements 75 abhängt. Dabei kann es sich bei dem ersten bzw. zweiten Messwert wiederum um den Betrag des Stroms handeln, der bei einer konstanten Spannung durch den ersten bzw. zweiten Überwachungsstromkreis 77, 79 fließt.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind die beiden Widerstandselemente 73, 75 an einem Bauteil 85 befestigt und thermisch mit diesem gekoppelt, so dass die beiden
Widerstandselemente 73, 75 im Wesentlichen die gleiche momentane Temperatur aufweisen. Dabei sind die beiden Widerstandselemente 73, 75 als PPTC-Widerstände ausgeführt. Außerdem liegt der Temperaturbereich ΔΤ des ersten
Widerstandselements 73, in dem, wie vorstehend insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, dessen Widerstand sprunghaft ansteigt, tiefer, bspw. im Bereich von 80°C, als der entsprechende Temperaturbereich ΔΤ des zweiten
Widerstandselements 75, der bspw. bei etwa 120°C liegt.
Demnach kann anhand des bezüglich des erstens Überwachungsstromkreises 77 von der Messeinrichtung 81 gemessenen ersten Messwerts ermittelt werden, ob die Temperatur des Bauteils 85 eine erste Schwellentemperatur von 80° C übersteigt, wohingegen anhand des bezüglich des zweiten Überwachungsstromkreises 79 gemessenen zweiten Messwerts ermittelt werden kann, ob die Temperatur des Bauteils 85 eine zweite Schwellentemperatur von ca. 120°C übersteigt.
Insbesondere werden die beiden Messwerte von der Messeinrichtung 81 , wie vorstehend beschrieben, an eine Auswerteeinheit 87 des Überwachungssystems 71 übertragen. Auf einem Speicher 89 der Auswerteeinheit 87 sind wiederum mehrere Betriebszustände des Bauteils 85 bzw. der Apparatur, zu der das Bauteil 85 gehört, spezifiziert und die Auswerteeinheit 87 ist ausgebildet, anhand des ersten und zweiten Messwerts den aktuellen Betriebszustand zu ermitteln.
Wie erwähnt, kann der erste Messwert als auch der zweite Messwert jeweils eine gemessene Stromstärke angeben. Liegt die Temperatur des Bauteils 85 unter der ersten Schwellentemperatur von 80° C, so ist im ersten Überwachungsstromkreis 77 ein Stromfluss möglich, da das erste Widerstandselement 73 als Leiter und nicht als Isolator wirkt, so dass der erste Messwerte einer deutlich von null abweichenden Stromstärke entspricht, beispielsweise oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts von 10 mA liegt.
Übersteigt die Temperatur des Bauteils 85 die erste Schwellentemperatur von 80°C, aber nicht die zweite Schwellentemperatur von 120°C, so wirkt das erste
Widerstandselement 73 quasi als Isolator. Der als erster Messwert messbare Strom liegt in der Nähe von null Ampere, insbesondere unterhalb des Grenzwerts.
Demgegenüber wirkt das zweite Widerstandselement 79 weiterhin als Leiter und der als zweiter Messwert gemessene Strom liegt bspw. oberhalb des Grenzwerts.
Übersteigt die Temperatur des Bauteils 85 die zweite Schwellentemperatur von 120°C, dann wirkt auch das zweite Widerstandselement 79 quasi als Isolator, so dass auch der als zweiter Messwert gemessene Strom in der Nähe von null Ampere und insbesondere unterhalb des Grenzwerts liegt.
Die Auswerteeinheit 87 wählt einen vorgegebenen Normaltemperaturbetriebszustand aus, wenn der erste Messwert oberhalb des Grenzwerts liegt, einen
Zwischentemperaturbetriebszustand, wenn der erste Messwert unterhalb und der zweite Messwert oberhalb des Grenzwerts liegt und einen
Übertemperaturbetriebszustand, wenn der zweite Messwert unterhalb des ersten Grenzwerts liegt. Insofern kennzeichnet der Normaltemperaturbetriebszustand einen Betriebszustand des Bauteils 85 bzw. der Apparatur, bei dem die auftretenden
Temperaturen unterhalb von 80°C liegen und der daher als„normaler" Betriebsmodus angesehen wird. Der Zwischentemperaturbetriebszustand kennzeichnet einen
Betriebszustand, die dem bereits Temperaturen von bis zu 120°C auftreten können, was ein Indiz für eine Fehlfunktion und auch für eine stattfindende Alterung bzw.
Abnutzung des Bauteils 85 sein kann. Der Übertemperaturbetriebszustand
kennzeichnet einen Betriebszustand, bei dem Temperaturen über 120°C auftreten, bei denen beispielsweise bereits von einer erheblichen Fehlfunktion und/oder einer fortgeschrittenen Alterung des Bauteils 85 ausgegangen werden muss.
Die Auswerteeinrichtung 91 kann wiederum eine Anzeigeeinrichtung 91 aufweisen, anhand der der ermittelte Betriebszustand angezeigt werden kann. Beispielsweise kann die Anzeigeeinrichtung 91 eine LED-Anzeige umfassen, und eine erste Farbe, bspw. grün, anzeigen, wenn der Normalbetriebstemperaturzustand ermittelt wurde, eine zweite Farbe, bspw. gelb, anzeigen, wenn der
Zwischentemperaturbetriebszustand ermittelt wurde und eine dritte Farbe, bspw. rot, anzeigen, wenn der Übertemperaturbetriebszustand ermittelt wurde.
Die Auswerteeinrichtung 91 kann außerdem den ersten Messwert, den zweiten Messwert, den ermittelten Betriebszustand sowie einen Zeitstempel, der den Zeitpunkt der Messung der beiden Messwerte spezifiziert, im Speicher 91 speichern, um eine Häufigkeitsverteilung für die Anzahl der innerhalb eines bestimmten Zeitraums ermittelten Betriebszustände zu erstellen. Fig. 6 zeigt ein Beispiel derartiger für die Jahre 2008, 2009 und 2010 erstellten Häufigkeitsverteilungen 101 , 103 und 105, die jeweils als Histogramm dargestellt sind und aus denen in einfacher Weise entnehmbar ist, wie oft in den einzelnen Jahren jeweils der Normaltemperatur- („grün"), der Zwischentemperatur- („gelb") und der Übertemperaturbetriebszustand („rot") aufgetreten ist.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, werden mit zunehmendem Alter des Bauteils 85 mehr und mehr Zwischentemperaturbetriebszustände und insbesondere auch
Übertemperaturbetriebszustände festgestellt, so dass sich aus den gewonnenen Häufigkeitsverteilungen 101 , 103, 105 der Alterungsgrad abschätzen und insbesondere auch überwachen lässt.
Um zu verhindern, dass das Bauteil 85 weiter benutzt wird, wenn häufig
Übertemperaturbetriebszustände festgestellt werden, vergleicht die
Auswerteeinrichtung 87 die Anzahl der innerhalb eines bestimmten Zeitraums, bspw. während des letzten Jahres, aufgetretenen Übertemperaturbetriebszustände mit einem vorgegebenen Maximalwert und gibt, falls dieser überschritten wird, bspw. mittels der Anzeigeeinrichtung 91 ein Warnsignal aus.
Fig. 7 zeigt schematische eine elektronische oder elektrische Baugruppe 111 mit einer Leiterplatte 113, auf der ein Laststromkreis 115, z. B. für Hochstromapplikationen, und ein Überwachungsstromkreis 117 eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems angeordnet ist. Der Laststromkreis 115 beinhaltet mehrere, gestrichelt dargestellte Leiterbahnen, über die mehrere im Laststromkreis 115 angeordnete Bauteile 119, die joulesche Wärmequellen im Laststromkreis bilden und insbesondere Sicherungen, Relais oder Powerelemente sein können, miteinander elektrisch verbunden sind. Im Überwachungsstromkreis 117 sind mehrere, im dargestellten Beispiel in Reihe geschaltete Widerstandselemente 121 und eine Messeinrichtung 123 angeordnet, die wiederum zur insbesondere drahtlosen Kommunikation mit einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) ausgebildet ist.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, sind der Laststromkreis 115 und der
Überwachungsstromkreis 117 galvanisch voneinander getrennt. Außerdem steht jeweils ein Bauteil 119 mit einem Widerstandselement 121 in thermischem Kontakt. Beispielsweise können die Widerstandselemente 121 jeweils zwischen den Bauteilen 119 und der Leiterplatte 113 angeordnet sein. Beispielsweise können die Bauteile 119 auf der Leiterplatte 113 aufgepresst sein, so dass sich eine besonders gute
Wärmeübertragung zwischen den Bauteilen 119 und den Widerstandselementen 121 ergibt.
Die Überwachung der Bauteile 119 anhand der Widerstandselemente 121 erfolgt entsprechend der bezüglich Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform.
Fig. 8 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung eines Kabelbaums 141 mit einem Bündel von einzelnen Kabeln 143. Im Innern des Kabelbaums 141 ist ein Widerstandselement 145 angeordnet, welches in thermischen Kontakt mit zumindest einem Kabel 143 steht. Das Widerstandelement 145 weist dabei ebenfalls kabelform auf, und steht vorzugsweise über die gesamte Länge des Kabels 143 mit diesem in Kontakt. Weiter bevorzugt steht das Widerstandselement 145 mit mehreren oder allen Kabeln 143 über deren gesamte Länge mit diesen in thermischem Kontakt.
Beispielsweise verläuft das Widerstandselement 145 als zentrale Ader im Kabelbaum 141 und die eigentlichen Kabel 143 sind um das Widerstandselement 145 herum angeordnet.
Das Widerstandselement 145 ist dabei wiederum als kabeiförmiger PPTC-Widerstand realisiert. Daher umfasst das Widerstandselement 145 eine im Wesentlichen kabeiförmige nicht-leitende kristalline organische Polymermatrix, in welcher
Kohlenstoffpartikel angeordnet sind, so dass sich die vorstehend beschriebene
Widerstandscharakteristik eines PPTC-Widerstands einstellt.
Mit dem Widerstandselement 145 wird es daher möglich, wenn es als Teil eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems eingesetzt wird, eines oder mehrere Kabel 143 eines Kabelbaums 145 auf Erreichen bzw. Übersteigen einer Schwelltemperatur zu überwachen. Dadurch wird es beispielsweise möglich, einen Defekt im Kabelbaum 141 zu erkennen, der eine erhöhte Temperatur in einem Kabel 143 bewirkt und möglicherweise einen Kabelbrand auslösen könnte. Kabelbrände können daher durch Einsatz des erfindungsgemäßen Überwachungssystems vermieden werden. Das in Fig. 9 im Längsschnitt dargestellte erfindungsgemäße elektrische Kabel 153 umfasst eine elektrisch leitende Ader, welche aus einem ersten elektrischen Leiter 149a und einem zweiten elektrischen Leiter 149b sowie einem zwischen den beiden Leitern angeordneten PPTC-Widerstandselement 151 besteht. Je nach Temperatur des PPTC-Widerstandselements 151 verbindet dieses die beiden elektrischen Leiter 149a, 149b elektrisch miteinander oder isoliert diese quasi elektrisch voneinander. Die elektrisch leitende Ader ist außerdem von einer Ummantelung 147, bspw. aus Kunststoff, umgeben.
Bezuqszeichenliste
I Überwachungssystem
3 Bauteil
5 Überwachungsstromkreis
7 elektrisches Widerstandselement
9 Messeinrichtung
I I Widerstandsmesseinrichtung
13 Spannungsquelle
15 Strommesser
17 Anzeige
19 Sende-/Empfangseinrichtung
21 Sende-/Empfangseinrichtung
23 Auswerteeinrichtung
25 Speichereinrichtung
27 Anzeigeeinrichtung
41 Überwachungseinrichtung
43 erstes Widerstandselement
45 zweites Widerstandselement
47 Überwachungsstromkreis
49 Messeinrichtung
51 erstes Bauteil
53 zweites Bauteil
71 Überwachungseinrichtung
73 erstes Widerstandselement
75 zweites Widerstandselement
77 erster Überwachungsstromkreis
79 zweiter Überwachungsstromkreis Messeinrichtung
Schalter
Bauteil
Auswerteeinheit
Speicher
Anzeigeeinrichtung
Häufigkeitsverteilung
Häufigkeitsverteilung
Häufigkeitsverteilung
Baugruppe
Leiterplatte
Laststromkreis
Überwachungsstromkreis
Bauteil
Widerstandselement
Kabelbaum
Kabel
Widerstandselement
Umhüllung
a elektrischer Leiterb elektrischer Leiter
PPTC-Widerstandselement Kabel

Claims

Patentansprüche
1. Überwachungssystem zur Überwachung der Temperatur von zumindest einem Bauteil, wobei das Überwachungssystem zumindest einen Überwachungsstromkreis aufweist, in dem zumindest ein Temperatursensor angeordnet ist, welcher derart mit dem Bauteil thermisch gekoppelt oder koppelbar ist, dass der Temperatursensor eine aktuelle Temperatur oder zumindest nahezu die aktuelle Temperatur des Bauteils annehmen kann, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der zumindest eine Temperatursensor ein elektrisches Widerstandselement ist, insbesondere ein PTC-Widerstandselement oder ein PPTC-Widerstandselement, dessen elektrischer Widerstand in einem Temperaturbereich, in dem eine vorgegebene zu überwachende Schwellentemperatur des Bauteils liegt, mit zunehmender
Temperatur nichtlinear ansteigt, so dass anhand einer elektrischen Messung eines vom aktuellen elektrischen Widerstand des Widerstandselements abhängigen
Messwerts eine Überwachung der aktuellen Temperatur des Bauteils auf Übersteigen der Schwellentemperatur erfolgen kann.
2. Überwachungssystem nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere Widerstandselemente elektrisch in Reihe geschaltet in dem
Überwachungsstromkreis angeordnet sind und dass jedes Widerstandselement zumindest mit einem zu überwachenden Bauteil thermisch gekoppelt oder koppelbar ist.
3. Überwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zur Messung des Messwerts vorgesehen ist, welche elektrisch mit dem zumindest einen elektrischen Widerstandselement verbunden oder verbindbar ist.
4. Überwachungsstromkreis nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Überwachungsstromkreis vorgesehen ist, in dem zumindest ein weiteres Widerstandselement angeordnet ist, dessen elektrischer Widerstand in einem höher liegenden zweiten Temperaturbereich, in dem eine vorgegebene zu
überwachende zweite Schwellentemperatur des Bauteils liegt, mit zunehmender Temperatur nichtlinear ansteigt, so dass anhand einer elektrischen Messung eines vom aktuellen elektrischen Widerstand des weiteren Widerstandselements abhängigen weiteren, zweiten Messwerts zusätzlich eine Überwachung der aktuellen Temperatur des zumindest einen Bauteils auf Übersteigen der zweiten Schwellentemperatur erfolgen kann.
5. Überwachungsstromkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Messung des zweiten Messwerts mit dem zweiten Überwachungsstromkreis elektrisch verbunden oder verbindbar ist.
6. Überwachungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, anhand des Messwerts und gegebenenfalls des weiteren, zweiten Messwerts einen
Betriebszustand aus zumindest zwei vorgegebenen Betriebszuständen auszuwählen.
7. Überwachungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, einen
Normaltemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der Messwert ein für den Normaltemperaturzustand vorgegebenes Kriterium erfüllt, einen
Zwischentemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der Messwert und der zweite Messwert ein für den Zwischentemperaturbetriebszustand vorgegebenes Kriterium erfüllt, und einen Übertemperaturbetriebszustand auszuwählen, wenn der zweite Messwert ein für den Übertemperaturbetriebszustand vorgegebenes Kriterium erfüllt.
8. Überwachungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den ausgewählten Betriebszustand anzuzeigen.
9. Überwachungssystem nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Datenspeicher zur Speicherung von Daten aufweist oder zumindest funktional mit diesem koppelbar ist, und dass die Daten den Messwert und/oder den zweiten Messwert und/oder den ausgewählten
Betriebszustand und/oder zumindest einen Zeitstempel umfassen.
10. Überwachungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den gespeicherten Daten eine Häufigkeitsverteilung für die innerhalb eines bestimmten Zeitraums vorkommende Häufigkeit des Vorkommens der vorgegebenen Betriebszustände zu erstellen.
11. Überwachungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der Häufigkeitsverteilung die Häufigkeit von innerhalb eines bestimmten Zeitraums auftretenden
Übertemperaturbetriebszuständen mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und insbesondere anzuzeigen, wenn der Maximalwert überschritten wird.
12. Überwachungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein elektrisches oder elektronisches Bauteil ist und in einem Laststromkreis angeordnet ist, und dass der Laststromkreis galvanisch von dem zumindest einen Überwachungsstromkreis getrennt ist.
13. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g ekennzeichnet, dass
der zumindest eine Temperatursensor ein elektrisches PPTC- Widerstandselement ist, welches kabeiförmig ausgebildet ist und/oder in ein zu überwachendes elektrisches Kabel integriert ist.
14. Elektrisches PPTC-Widerstandselement, insbesondere für ein
Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses kabeiförmig ausgebildet und/oder in ein elektrisches Kabel integriert ist.
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