WO2012031924A1 - Verfahren zur überwachung der alterung eines organischen stoffes und messanordnung mit einem kondensator - Google Patents

Verfahren zur überwachung der alterung eines organischen stoffes und messanordnung mit einem kondensator Download PDF

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WO2012031924A1
WO2012031924A1 PCT/EP2011/064789 EP2011064789W WO2012031924A1 WO 2012031924 A1 WO2012031924 A1 WO 2012031924A1 EP 2011064789 W EP2011064789 W EP 2011064789W WO 2012031924 A1 WO2012031924 A1 WO 2012031924A1
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capacitor
substance
voltage
oil
measurement
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PCT/EP2011/064789
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Jörg HASSEL
Arno Steckenborn
Oliver Theile
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2888—Lubricating oil characteristics, e.g. deterioration

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the aging of an organic substance having dielectric properties, such as. B. transformer oil or bearing oil.
  • the invention relates to a measuring arrangement with a capaci tor, which has two capacitor electrodes.
  • Organic materials with dielectric properties are often used in the art, these changing their properties with time over the period of use.
  • the object of the invention is to provide a method for monitoring the aging of an organic substance having dielectric properties as well as a measuring arrangement for performing this method with which the monitoring at a reasonable technical complexity cost in regular ⁇ regular intervals or continuously can be carried out.
  • the voltage applied to the capacitor voltage can be changed over time.
  • the next step of the ent ⁇ standing by modulating the capacitance of the capacitor temporal profile of the displacement current I (t) is measured ⁇ ge. This results as a system response of the measuring system to the modulation of the charge on the capacitor. From the time course of the displacement current I (t) is then a determines time variation of the relative permittivity r ds / dt currency ⁇ end of the measurement.
  • this method of measurement makes use of the typical behavior of organic substances with dielectric properties (such as transformer oils) by measuring the dielectric charge shifts in the measuring capacitor (also known as the recharging effect in the capacitor) by a highly sensitive method.
  • This shift of charges is due to the movement of the charges in the electric field between the capacitor electrodes forming the measuring cell. Due to the charge shifts, the relative permittivity ⁇ ⁇ and, as a consequence, also the capacitance of the capacitor changes. This effect is also called dielectric relaxation.
  • the time profiles ds r / dt of the repeated measurements are compared with one another and are characterized by differences in the temporal progression are used as a measure of the aging of the substance.
  • the time lapse ds r / dt be compared with a lower and / or upper limit for the temporal courses of the relative permittivity and the difference to the upper limit and / or the lower limit value as a measure of the aging of the substance zoom is pulled ⁇ .
  • Ver ⁇ equal value must be determined as a function of the particular application, which can for example be electronically stored in a database. This can be done in the case of transformer oil for example, in the above genann ⁇ th way that oils of different ages used to be investigated.
  • the modulation of the charge on the capacitor during a measurement is carried out solely by the temporal variation of the voltage U (t) applied to the capacitor. This is advantageously a size that can be temporally changed only by electronic means.
  • the voltage U (t) applied to the capacitor is kept constant over time in sections, in particular a square-wave voltage, wherein in each case only the measured values of the time course ds r / dt of the relative performance be taken into account in such a section.
  • the voltage U (t) remains constant, in other words, so that the step response of the measuring system can be ge ⁇ measure.
  • characteristic curves which can be concluded on the dielectric Relaxationsverhal ⁇ th of the substance in question.
  • the capacitor area or the spacing of the capacitor electrodes is changed periodically, ie that the period of this periodic change is shorter by at least a factor of 2, in particular a factor of 10, than the sections of constant voltage on Capacitor.
  • This makes it possible to superimpose a plurality of influencing variables on one another for the measurement on the capacitor, the voltage applied to the capacitor being kept constant during the change of the distance of the capacitor electrodes or the capacitor surface. This advantageously makes it easier to evaluate the individual influencing factors of a change in the measurement result separately from one another.
  • the time constants of the dielectric relaxation in the range of a few ms up to the hour range can be determined.
  • the at capacitor anlie ⁇ constricting voltage U (t) is selected periodically over time, said measured values the time course ds r / dt of relative permittivity be taken into account in each case at the same locations of the periods. Comparing the so gewonne ⁇ NEN measured values, the influence of the voltage change is hereby eliminated, and it can be determined which is a multiple of the period of the applied voltage U (t) drifting of the reco ⁇ te in a period of time. That's it geous also possible to determine more accountablefakto ⁇ ren with different time constants in the measurement result.
  • the measurements are carried out at a specific temperature. In this case, it can be ruled out that a change in the dielectric properties of the organic substance due to temperature fluctuations is determined and is erroneously correlated with aging of the substance. The influence of temperature since ⁇ with are eliminated. If the substance is liquid, it is also advantageous if it flows continuously in the electric field of the capacitor. It can hereby be advantageous ver ⁇ prevents that by differences in concentration in the liquid substance a heterogeneous property profile is created which could not be used to uniquely identify age-related changes in properties. The continuous flow of the substance causes a circulation takes place in the Reser ⁇ voir of the substance in question, which ensure ⁇ at least largely uniform property profiles over the entire volume.
  • the interior of the transformer is defined by the space in which the transformer oil is enclosed. This includes mainly the installation space for the components to be cooled transformer, but also oil-filled areas of the transformer housing, can be implemented in de ⁇ nen certain functions.
  • Example ⁇ it may be a supply or circulation line for transformer oil in which a conveyor is provided as a pump. Such a line kom ⁇ municates with the installation space of the further transformer parts, wherein the transformer oil is removed at one point and fed back to another location.
  • the OF INVENTION ⁇ -making process according to the monitoring of the transformer oil can advantageously be closed at an early stage to a unzuläs ⁇ sig high aging-induced characteristic change of the transformer oil and measures such as replacement of the transformer oil or a regeneration will be initiated in good time before a fault in the transformer.
  • the transformer is in the context of the invention only an example of an oil circulation application. Therefore, the same arguments apply to other machines with oil circuits such as engines, turbines with sliding or oil-lubricated roller bearings and the like.
  • the OF INVENTION ⁇ to the invention the measuring arrangement with a capacitor in which a measuring cell is provided between the capacitor electrodes, which is accessible to a substance to be examined.
  • the measuring cell is therefore dictated by the geometry of the Kondensa ⁇ tors, which is located in the signal generated by the capacitor electrodes electric field.
  • the capacitor electrodes themselves can form wall parts of this measuring cell. But it is also possible that the capacitor electrodes are applied to any housing component, wherein the walls of this housing component must be permeable to the electric field.
  • the capacitor electrodes can be placed on the surface of anomme ⁇ sponding solid, thus forming a function of the geometry of the capacitor electrodes, the measuring cell to be examined solid.
  • the measuring arrangement according to the invention is simply made from a few components can be adapted very flexibly to the present application all.
  • one of the capacitor electrodes is formed as part of a micro-electro-mechanical system, where ⁇ in the micro-electro-mechanical system is on a Strombau ⁇ part and having a mechanically coupled to an actuator, movable diaphragm, the is displaceable by the actuator in front of the said capacitor electrode .
  • the actuator can move the shutter so that the capacitor electrode is released or shaded.
  • the diaphragm of a material which can at least from the electrical ⁇ 's field or not are heavier penetrated, as the medium otherwise located between the capacitor electrodes.
  • the structure of the micro-electro-mechanical system can be designed, for example, according to the aforementioned DE 10 2008 052 477 A1, which advantageously ent ⁇ a simple to manufacture component with a small footprint ent stands.
  • the micro-electro-mechanical system (hereinafter briefly referred to as MEMS) is suitable, for example, the clamping voltage ⁇ running U (t) to be determined.
  • the measuring cell is designed as part of a fluidic line for a liquid substance to be examined.
  • the measuring arrangement according to the invention is provided in the conduit in such a way that a measurement can be carried out on the substance to be examined while it flows through the conduit.
  • this measuring arrangement integrated into a pipe that is designed as part of an oil circuit of a machine. This makes it advantageous to carry out measurements on the oil in a simple manner, without the need for a removal of oil and external examination in the laboratory. Further details of the invention are described below with reference to schematic embodiments.
  • the same or corresponding Zeichnungsele ⁇ elements here are each provided with the same reference numerals and are explained only to the extent that there are differences between the individual figures. Show it :
  • FIG. 4 is a schematic circuit view of a machine with oil, in which the measurement assembly is installed in accordance with Fi gur ⁇ 2 and
  • Figures 5 and 6 waveforms as WUR created using embodiments of the method according to the invention ⁇ , once for glass as toomme ⁇ sponding material and once for an FR4 material as the organic material having dielectric properties.
  • a measuring device consists of a MEMS voltmeter 11, the structure of which is still described below.
  • a capacitor electrode 12a (see FIG. 3), not shown, is provided, which forms a capacitor 13 with a second capacitor electrode 12b.
  • the capacitor forms a measuring cell into which an organic substance 14 with dielectric properties in the form of a plate of FR4 material is introduced.
  • the MEMS voltmeter 11 has not further illustrates ⁇ asked connections, which make it possible to determine a shift Ver ⁇ current I (t) flowing at the pins sen when the capacitance of the capacitor is modulated. 13
  • An electronic circuit for determining the displacement current for example, the above-mentioned article by B.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the measuring device according to FIG.
  • This has a conduit 15 which is provided for receiving the substance to be examined 14 in liquid form.
  • This line 15 has a rectangular cross-section (not shown in detail), so that the MEMS voltmeter 11 with an associated support plate 16a and the capacitor electrode 12b with an associated Trä ⁇ gerplatte 16b just on the outer wall of the line 15 can be fastened ⁇ taken.
  • the capacitor plates 12a, 12b see also Figure 3
  • the capacitor area A (t) is predetermined.
  • the position of the capacitor plates 12a, 12b also determines their distance d.
  • the capacitor plates 12a, 12b are connected in the manner indicated to a voltage source 17 with which, for example, a square-wave voltage U (t) can be generated.
  • the MEMS voltmeter 11 according to FIGS. 1 and 2 (detail III) is shown schematically with its essential components.
  • the capacitor electrode 12a which are covered by a shutter 18 and released can.
  • This diaphragm 18 is therefore movable into and out of the measuring cell.
  • the diaphragm 18 is fixed with an elastic suspension 19 and connected to a mechanical coupling 20 with an actuator 21.
  • This consists of telescoping electrodes 22, which are available as an electrostatic drive for the diaphragm 18.
  • the components described are produced micromechanically in a carrier component 23, which in turn is fixed on the carrier plate 16a.
  • the actuator 21 is driven by a drive voltage, which is not shown in detail.
  • the time course of at ⁇ operating voltage is periodic, in particular, there is a square-wave voltage.
  • the period of the rectangular voltage is at most half, preferably one
  • a transformer 24 is shown as an example of a machine having an oil circuit. This is an outer view, wherein an oil circulation in the perception ⁇ ren of the transformer is indicated by a dot-dash line 25th This oil circuit also passes through a För ⁇ said power 26 with a pump 27. The bypass goes from the delivery line 26 and the line 15 from, in which the MEMS voltmeter is integrated. 11 At this point, a uniform volume flow in the conduit 15 can be ensured, so that the method according to the invention can be used. Likewise, according to the circumstances, the measuring system can also be integrated directly on the delivery line 26.
  • the measurement curve for a measurement setup is Darge ⁇ provides, in which instead of the inventive organic material 14, a glass plate is placed in the measuring cell shown in FIG. 1
  • the illustrated step function shows the course of the voltage U (t) applied to the capacitor electrodes as well as the course of the voltage determined by the displacement current I (t), which is output by the MEMS voltmeter (referred to as "signal (glass)").
  • the flow of the measured voltage and the applied voltage are the same, since a dielectric relaxation in this Frequency Ranges ⁇ is rich negligible in the glass sample.
  • a dashed line drawn ⁇ give (labeled "signal (FR4)").
  • a region 30 for the change of the relaxation curve and a region 31 for the change of the drift 29 are qualitatively indicated in FIG.
  • Such curves can be determined in particular for Tranformatoröl.
  • Factors that change the dielectric behavior of the transformer oil in particular can be the contamination of the transformer oil with water and a breaking of the molecules of the transformers ⁇ toröls. These effects inevitably have an effect on the characteristic relaxation curves with different time constants, so that criteria for a still permissible age-related change of these properties can be defined by defining ranges 30, 31 or comparable ranges.
  • A is the area of the capacitor electrodes and
  • d is the distance between the capacitor electrodes.
  • I (t) ⁇ -. U + .C + ⁇ . K f
  • U (t) is off-dU
  • the term - includes the dielectric relaxation. It changes
  • the ⁇ ser term which can be detected by the measurement.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung der Alterung eines organischen Stoffes mit dielektrischen Eigenschaften, wie z. B. Transformatoröl oder auch Lageröl oder-fett. Außerdem betrifft die Erfindung eine Messanordnung mit einem Messkondensator, welche zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wiederholt durch Modulation der Ladung auf dem Messkondensator der zeitliche Verlauf des Verschiebungsstroms I (t) aufgezeichnet wird, wobei eine Alterung des Stoffes dadurch ermittelt wird, dass eine Veränderung der relativen Permittivität (28, 29) jeweils in Bereichen (30, 31) alterungsbedingt variiert, so dass hierdurch Rückschlüsse auf den alterungsbedingten Zustand des Stoffes ermöglicht werden. Die Messanordnung kann vorteilhaft als MEMS ausgeführt sein, so dass eine kostengünstige Durchführung des Verfahrens möglich ist.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG DER ALTERUNG EINES ORGANISCHEN STOFFES UND MESSANORDNUNG MIT EINEM KONDENSATOR
Verfahren zur Überwachung der Alterung eines organischen Stoffes und Messanordnung mit einem Kondensator, geeignet Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Alterung eines organischen Stoffes mit dielektrischen Eigenschaften, wie z. B. Transformatoröl oder Lageröl. Außerdem betrifft die Erfindung eine Messanordnung mit einem Kondensa tor, der zwei Kondensatorelektroden aufweist.
In der Technik werden vielfach organische Stoffe mit dielektrischen Eigenschaften verwendet, wobei diese über die Einsatzdauer mit der Zeit ihre Eigenschaften ändern. Diesbezüglich besteht ein Interesse daran, den Alterungsprozess des eingesetzten Stoffes zu überwachen, um den Zeitpunkt eines alterungsbedingten erforderlichen Wechsels des entsprechenden Stoffes nicht zu verpassen oder beispielsweise eine Regenera- tion des Stoffes vorzunehmen.
So wird beispielsweise in dem Artikel „Neue Regenerationsme¬ thode für Transformatoröl" im Naphthenics Magazine, publi¬ ziert durch die Firma Nynas im Internet (www2. nynas . com) an- gegeben, dass eine Prüfung der Alterung von Transformatorenöl visuell vorgenommen werden kann. Während der Regeneration in einer geeigneten Einrichtung kann der Gehalt des Öls danach auch durch geeignete Messinstrumente überwacht werden. Allgemein sind Messgeräte unterschiedlichster Bauart und Baugröße bekannt. So können beispielsweise miniaturisierte Span¬ nungsmessgeräte in mikromechanischer Bauweise hergestellt werden, wie in der DE 10 2008 052 477 AI und durch B. Bahrey- ni et al . in Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, No. 1, Februar 2008, Seiten 31 - 36 dargestellt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Überwachung der Alterung eines organischen Stoffes mit dielektrischen Eigenschaften sowie eine Messanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem die Überwachung bei vertretbarem technischen Aufwand kostengünstig in regel¬ mäßigen Abständen oder kontinuierlich durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren er¬ findungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem organischen Stoff wiederholt Messungen nach folgenden Verfahrensschritten durchgeführt werden. Der Stoff wird dem elektrischen Feld ei¬ nes Kondensators ausgesetzt. Dies bedeutet, dass der Stoff sich zwischen den Kondensatorelektroden befindet, zwischen denen sich das elektrische Feld des Kondensators ausbildet. Danach wird die Ladung am Kondensator moduliert. Dies kann durch eine zeitliche Veränderung der Kondensatorfläche erfol¬ gen. Die Kondensatorfläche kann dadurch beeinflusst werden, dass die Überlappung der beiden Kondensatorelektroden zeitlich geändert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in den Raum zwischen den Kondensatorelektroden eine Blende ein- zuschieben. Gleichzeitig oder alternativ kann die Kapazität des Kondensators auch durch Verändern des Abstandes der Kon¬ densatorelektroden zueinander verändert werden. Gleichzeitig oder alternativ kann auch die an dem Kondensator anliegende Spannung zeitlich verändert werden. Im nächsten Schritt wird der durch die Modulation der Kapazität des Kondensators ent¬ stehende zeitliche Verlauf des Verschiebungsstroms I (t) ge¬ messen. Dieser ergibt sich als Systemantwort des Messsystems auf die Modulation der Ladung am Kondensator. Aus dem zeitlichen Verlauf des Verschiebungsstroms I (t) wird dann eine zeitliche Veränderung der relativen Permittivität dsr/dt wäh¬ rend der Messung ermittelt.
Erfindungsgemäß macht man sich bei diesem Messverfahren das typische Verhalten von organischen Stoffen mit dielektrischen Eigenschaften (wie z. B. von Transformatorölen) zu Nutze, indem die dielektrischen Ladungsverschiebungen in dem Messkondensator (auch als Nachladeeffekt im Kondensator bekannt) durch ein hochempfindliches Verfahren gemessen werden. Diese Verschiebung von Ladungen beruht auf der Bewegung der Ladungen im elektrischen Feld zwischen den Kondensatorelektroden, welche die Messzelle bilden. Durch die Ladungsverschiebungen verändert sich die relative Permittivität εΓ und als Folge davon auch die Kapazität des Kondensators. Dieser Effekt wird auch als dielektrische Relaxation bezeichnet.
Für die dielektrische Relaxation unterschiedlicher organischer Stoffe mit dielektrischen Eigenschaften lassen sich auch charakteristische Zeitkonstanten mit dem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren ermitteln. Überdies hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass die Alterung der untersuchten Stoffe auch zu charakteristischen Änderungen im Verhalten der dielektrischen Relaxationen führt. Daher kann erfindungsgemäß durch wiederholtes Messen in der oben beschriebenen Weise festgestellt werden, wie sich der untersuchte organische Stoff al¬ terungsbedingt verändert. Beispielsweise kann ein Transforma- toröl untersucht werden, welches in verschiedenen Alterungs¬ stufen verfügbar ist, indem Proben aus älteren Transformatoren entnommen werden. Für diese Proben lässt sich jeweils die zeitliche Veränderung der relativen Permittivität dsr/dt in der oben beschriebenen Weise ermitteln. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zur Überwachung der Alterung des organischen Stoffes die zeitlichen Verläufe dsr/dt der wiederholten Messungen miteinander verglichen werden und die sich durch den Vergleich ergebenden Unterschiede in den zeitlichen Verläufen als Maß für die Alterung des Stoffes herangezogen werden. Alternativ zu dieser Maßnahme zur Bestimmung der Alterung kann auch vorgesehen werden, dass die zeitlichen Verläu- fe dsr/dt mit einem unteren und/oder oberen Grenzwert für die zeitlichen Verläufe der relativen Permittivität verglichen werden und die Differenz zu dem oberen Grenzwert und/oder dem unteren Grenzwert als Maß für die Alterung des Stoffes heran¬ gezogen wird. Wird einer der Grenzwerte erreicht bzw. ein zeitlicher Verlauf ermittelt, der auf eine zu starke alte¬ rungsbedingte Änderung des Stoffes hinweist, so muss der un¬ tersuchte Stoff ausgewechselt oder regeneriert werden. Zu diesem Zweck müssen in Abhängigkeit des Anwendungsfalles Ver¬ gleichswerte ermittelt werden, die beispielsweise elektro- nisch in einer Datenbank abgelegt sein können. Dies kann im Falle von Transformatoröl beispielsweise in der oben genann¬ ten Weise erfolgen, dass eingesetzte Öle unterschiedlichen Alters untersucht werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modulation der Ladung auf dem Kondensator während einer Messung allein durch die zeitliche Veränderung der am Kondensator anliegenden Spannung U(t) vorgenommen wird. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um eine Größe, die allein auf elektronischem Wege zeitlich verändert werden kann. Mechanische Einstellmöglichkeiten, wie diese zur Veränderung des Ab- standes der Kondensatorelektroden oder der zur Verfügung stehenden Kondensatorfläche nötig wären, können daher entfallen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die am Kondensator anliegende Spannung U(t) im zeitlichen Verlauf abschnittsweise konstant gehalten wird, insbesondere eine Rechteckspannung ist, wobei jeweils nur die Messwerte des zeitlichen Verlaufs dsr/dt der relativen Per- mittivität in einem solchen Abschnitt berücksichtigt werden. Während der Messung bleibt mit anderen Worten die Spannung U(t) konstant, so dass die Sprungantwort des Messsystems ge¬ messen werden kann. Hierbei stellen sich charakteristische Verläufe ein, welche auf das dielektrische Relaxationsverhal¬ ten des betreffenden Stoffes schließen lassen.
Innerhalb der konstanten Abschnitte der Spannungen U(t) ist dU/dt gleich Null. Besonders vorteilhaft ist es, wenn inner¬ halb dieser Abschnitte zusätzlich die Kondensatorfläche oder der Abstand der Kondensatorelektroden periodisch verändert wird, d. h., dass die Periodendauer dieser periodischen Änderung mindestens um den Faktor 2, insbesondere den Faktor 10, kürzer ist als die Abschnitte konstanter Spannung am Kondensator. Hierdurch ist es möglich, für die Messung am Kondensator mehrere Einflussgrößen einander zu überlagern, wobei während der Änderung des Abstandes der Kondensatorelektroden bzw. der Kondensatorfläche die am Kondensator anliegende Spannung konstant gehalten wird. Dadurch wird es vorteilhaft erleichtert, die einzelnen Einflussfaktoren einer Änderung im Messergebnis voneinander getrennt auszuwerten. Im Sinne der Erfindung können die Zeitkonstanten der dielektrischen Relaxation im Bereich von einigen ms bis in den Stundenbereich hinein bestimmt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die am Kondensator anlie¬ gende Spannung U(t) im zeitlichen Verlauf periodisch gewählt wird, wobei die Messwerte des zeitlichen Verlaufes dsr/dt der relativen Permittivität jeweils an denselben Stellen der Perioden berücksichtigt werden. Vergleicht man die so gewonne¬ nen Messwerte, so ist der Einfluss der Spannungsänderung hierbei eliminiert und es lässt sich ein Driften der Messwer¬ te in einem Zeitraum bestimmen, der ein Vielfaches der Periode der anliegenden Spannung U(t) beträgt. Damit ist es vor- teilhaft auch möglich, im Messergebnis mehrere Einflussfakto¬ ren mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zu bestimmen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Messungen bei einer be¬ stimmten Temperatur durchgeführt werden. Hierbei kann ausgeschlossen werden, dass eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften des organischen Stoffes aufgrund von Temperaturschwankungen ermittelt wird und fälschlich mit einer Alterung des Stoffes korreliert wird. Der Temperatureinfluss kann da¬ mit eliminiert werden. Wenn der Stoff flüssig ist, ist es auch vorteilhaft, wenn dieser kontinuierlich im elektrischen Feld des Kondensators fließt. Hierdurch kann vorteilhaft ver¬ hindert werden, dass durch Konzentrationsunterschiede in dem flüssigen Stoff ein heterogenes Eigenschaftsprofil entsteht, welches nicht zur eindeutigen Bestimmung alterungsbedingter Eigenschaftsänderungen herangezogen werden könnte. Das kontinuierliche Fließen des Stoffes führt dazu, dass in dem Reser¬ voir des betreffenden Stoffes eine Umwälzung erfolgt, die zu¬ mindest weitgehend gleichmäßige Eigenschaftsprofile über das gesamte Volumen sicherstellen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messungen im Innenraum eines Transformators am Transformatoröl als zu untersuchendem Stoff oder in Maschinen am Lageröl oder Schmieröl oder Lagerfett durchgeführt werden. Das Innere des Transformators ist durch denjenigen Raum definiert, in dem das Transformatoröl eingeschlossen ist. Hierzu gehört im Wesentlichen der Einbauraum für die zu kühlenden Transformatorbauteile, aber auch weitere ölgefüllte Bereiche des Transformatorgehäuses, in de¬ nen bestimmte Funktionen realisiert sein können. Beispiels¬ weise kann es sich um eine Versorgungs- oder Umwälzleitung für das Transformatoröl handeln, in der eine Fördereinrichtung wie eine Pumpe vorgesehen ist. Eine solche Leitung kom¬ muniziert mit dem Einbauraum der weiteren Transformatorteile, wobei das Transformatoröl an einer Stelle entnommen und an einer anderen Stelle wieder zugeführt wird. Wird das erfin¬ dungsgemäße Verfahren zur Überwachung von Transformatoröl eingesetzt, so kann vorteilhaft frühzeitig auf eine unzuläs¬ sig hohe alterungsbedingte Eigenschaftsänderung des Transformatoröls geschlossen werden und Maßnahmen wie ein Austausch des Transformatoröls oder eine Regeneration rechtzeitig vor einem Störfall im Transformator eingeleitet werden.
Der Transformator stellt im Sinne der Erfindung nur ein Beispiel für eine Ölumlaufanwendung dar. Daher gelten dieselben Argumente auch für andere Maschinen mit Ölkreisläufen wie Motoren, Turbinen mit gleit- oder ölgeschmierten Walzlagern und dergleichen .
Die eingangs angegebene Aufgabe wird außerdem mit der erfin¬ dungsgemäßen Messanordnung mit einem Kondensator gelöst, bei dem zwischen den Kondensatorelektroden eine Messzelle vorgesehen ist, die für einen zu untersuchenden Stoff zugänglich ist. Die Messzelle ist also durch die Geometrie des Kondensa¬ tors vorgegeben, wobei diese sich die in dem durch die Kondensatorelektroden erzeugten elektrischen Feld befindet. Dabei können die Kondensatorelektroden selbst Wandteile dieser Messzelle bilden. Es ist aber auch möglich, dass die Kondensatorelektroden auf ein beliebiges Gehäusebauteil aufgebracht werden, wobei die Wandungen dieses Gehäusebauteils für das elektrische Feld durchlässig sein müssen. Auch können die Kondensatorelektroden auf die Oberfläche eines zu untersu¬ chenden Feststoffes aufgesetzt werden, wodurch in Abhängigkeit der Geometrie der Kondensatorelektroden die Messzelle im zu untersuchenden Feststoff entsteht.
Es zeigt sich also vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Messanordnung einfach aus wenigen Bauelementen hergestellt erden kann und sehr flexibel an den vorliegenden Anwendungs all angepasst werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung ist vorgesehen, dass eine der Kondensatorelektroden als Teil eines mikro-elektromechanischen Systems ausgebildet ist, wo¬ bei das mikro-elektromechanische System auf einem Trägerbau¬ teil liegt und eine mit einem Aktor mechanisch gekoppelte, bewegliche Blende aufweist, die durch den Aktor vor der be¬ sagten Kondensatorelektrode verschiebbar ist. Dies bedeutet, dass der Aktor die Blende so verschieben kann, dass die Kondensatorelektrode freigegeben oder abgeschattet wird. Dabei ist die Blende aus einem Material, welches von dem elektri¬ schen Feld nicht oder zumindest schwerer durchdrungen werden kann, als das sonst zwischen den Kondensatorelektroden befindliche Medium. Der Aufbau des mikro-elektromechanischen Systems kann beispielsweise gemäß der eingangs genannten DE 10 2008 052 477 AI ausgestaltet sein, wodurch vorteilhaft ein einfach herzustellendes Bauteil mit geringem Platzbedarf ent¬ steht. Das mikro-elektromechanische System (im Folgenden kurz als MEMS bezeichnet) ist beispielsweise geeignet, den Span¬ nungsverlauf U(t) zu ermitteln.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messzelle als Teil einer fluidischen Leitung für einen flüssigen zu untersuchenden Stoff ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Messanordnung in der Leitung derart vorgesehen, dass eine Messung am zu untersuchenden Stoff ausgeführt werden kann, während dieser durch die Leitung strömt. Hierdurch kann, wie bereits erwähnt, er¬ reicht werden, dass in dem zu untersuchenden Stoff durch ständiges Umwälzen bzw. Durchmischen ein homogenes Eigenschaftsprofil entsteht, welches zuverlässig gemessen werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Messanordnung in eine Leitung integriert ist, die als Teil eines Ölkreis- laufes einer Maschine ausgeführt ist. Hierdurch lassen sich vorteilhaft auf einfache Weise Messungen am Öl durchführen, ohne dass eine Entnahme von Öl und externe Untersuchung im Labor notwendig werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Ausführungsbeispiele beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungsele¬ mente sind hierbei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 und 2 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Messanordnung jeweils im schematischen Schnitt für Feststoffe (Fig. 1) und Flüssigkeiten
(Fig. 2), das Detail III gemäß Figur 1 und 2 als Ausfüh rungsbeispiel für ein als MEMS aufgebautes Voltmeter im schematischen Schnitt,
Figur 4 schematisch die Ansicht einer Maschine mit Öl- kreislauf, bei dem die Messanordnung gemäß Fi¬ gur 2 eingebaut ist und
Figur 5 und 6 Messkurven, wie sie mit Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens erstellt wur¬ den, und zwar einmal für Glas als zu untersu¬ chenden Stoff und einmal für ein FR4-Material als organischen Stoff mit dielektrischen Eigenschaften .
In Figur 1 besteht eine erfindungsgemäße Messeinrichtung aus einem MEMS-Voltmeter 11, dessen Aufbau im Folgenden noch nä- her erläutert wird. In diesem MEMS-Voltmeter 11 ist eine nicht näher dargestellte Kondensatorelektrode 12a (vgl. Figur 3) vorgesehen, welche mit einer zweiten Kondensatorelektrode 12b einen Kondensator 13 bildet. Der Kondensator bildet eine Messzelle, in die ein organischer Stoff 14 mit dielektrischen Eigenschaften in Form einer Platte aus einem FR4-Material eingebracht ist. Das MEMS-Voltmeter 11 weist nicht näher dar¬ gestellte Anschlüsse auf, welche es ermöglichen, einen Ver¬ schiebungsstrom I (t) zu ermitteln, der zwischen den Anschlüs- sen fließt, wenn die Kapazität des Kondensators 13 moduliert wird. Eine elektronische Schaltung zur Ermittlung des Verschiebungsstroms kann beispielsweise dem eingangs erwähnten Aufsatz von B. Bahreyni et al . entnommen werden. In Figur 2 ist eine alternative Ausgestaltung der Messeinrichtung gemäß Figur 1 dargestellt. Diese weist eine Leitung 15 auf, die zur Aufnahme des zu untersuchenden Stoffes 14 in flüssiger Form vorgesehen ist. Diese Leitung 15 weist einen rechteckigen Querschnitt auf (nicht näher dargestellt) , damit das MEMS-Voltmeter 11 mit einer zugehörigen Trägerplatte 16a und die Kondensatorelektrode 12b mit einer zugehörigen Trä¬ gerplatte 16b einfach auf der Außenwand der Leitung 15 befes¬ tigt werden kann. Durch die Kondensatorplatten 12a, 12b (vgl. auch Figur 3) ist die Kondensatorfläche A(t) vorgegeben. Die Lage der Kondensatorplatten 12a, 12b bestimmt außerdem deren Abstand d. Außerdem sind die Kondensatorplatten 12a, 12b in der angedeuteten Weise mit einer Spannungsquelle 17 verbunden, mit der sich beispielsweise eine Rechteckspannung U(t) erzeugen lässt.
Gemäß Figur 3 ist das MEMS-Voltmeter 11 gemäß Figur 1 und 2 (Detail III) schematisch mit seinen wesentlichen Bauelementen dargestellt. Zu erkennen ist die Kondensatorelektrode 12a, die durch eine Blende 18 verdeckt und freigegeben werden kann. Diese Blende 18 ist also in die Messzelle hinein und aus ihr heraus verschiebbar. Zu diesem Zweck ist die Blende 18 mit einer elastischen Aufhängung 19 fixiert und mit einer mechanischen Kopplung 20 mit einem Aktor 21 verbunden. Dieser besteht aus ineinander schiebbaren Elektroden 22, die als elektrostatischer Antrieb für die Blende 18 zur Verfügung stehen. Die beschriebenen Bauteile sind mikromechanisch in einem Trägerbauteil 23 hergestellt, welches seinerseits auf der Trägerplatte 16a fixiert ist.
Der Aktor 21 wird mit einer Antriebsspannung, die nicht näher dargestellt ist, angetrieben. Der zeitliche Verlauf der An¬ triebsspannung ist periodisch, insbesondere handelt es sich um eine Rechteckspannung. Die Periodendauer der Rechteckspan- nung liegt höchstens bei der halben, bevorzugt bei einem
Zehntel der Periodendauer der Versorgungsspannung U(t) für die Kondensatorelektroden 12a, 12b. Hierdurch wird eine genügend große Auflösung des Messsignals gewährleistet, da am Ausgang des MEMS-Voltmeters der Verschiebungsstrom I (t) auf- grund der Modulation der Kondensatorfläche A(t) mittels der Blende 18 gemessen wird.
Gemäß Figur 4 ist ein Transformator 24 als Beispiel für eine Maschine mit einem Ölkreislauf dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Außenansicht, wobei ein Ölkreislauf im Inne¬ ren des Transformators durch eine strichpunktierte Linie 25 angedeutet ist. Dieser Ölkreislauf führt auch durch eine För¬ derleitung 26 mit einer Pumpe 27. Als Bypass geht von der Förderleitung 26 auch die Leitung 15 ab, in die das MEMS- Voltmeter 11 integriert ist. An dieser Stelle kann ein gleichmäßiger Volumenfluss in der Leitung 15 gewährleistet werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Ebenso kann nach den Gegebenheiten das Messsystem auch direkt an die Förderleitung 26 integriert werden. In Figur 5 ist die Messkurve für einen Messaufbau darge¬ stellt, bei dem statt dem erfindungsgemäßen organischen Stoff 14 gemäß Figur 1 eine Glasplatte in die Messzelle eingebracht wird. Die dargestellte Treppenfunktion zeigt sowohl den Verlauf der an die Kondensatorelektroden angelegten Spannung U(t) als auch den Verlauf der anhand des Verschiebungsstroms I (t) ermittelten Spannung, welche durch das MEMS-Voltmeter ausgegeben wird (bezeichnet als „Signal (Glas )" ) . Wie zu er¬ warten und gewünscht, stimmen der Vorlauf der gemessenen Spannung und der anliegenden Spannung überein, da bei der Glasprobe eine dielektrische Relaxation in diesem Frequenzbe¬ reich vernachlässigbar ist. Im Falle einer organischen Platte im Messspalt würde sich als Sprungantwort die in Fig. 5 ein¬ gezeichnete gestrichelte Linie ergeben (gekennzeichnet mit „Signal (FR4) ") .
Entsprechend liegt der Fall bei der Messung gemäß Figur 6. Hier wurde der Messaufbau gemäß Figur 1 realisiert und ein FR4-Material in die Messzelle eingebracht. Die Anregungsspan¬ nung U(t) ist eine Rechteckspannung, wobei zusätzlich das Ausgangssignal des MEMS-Voltmeters (bezeichnet als „Signal") dargestellt ist. Zunächst ist zu erkennen, dass aufgrund der dielektrischen Relaxation des FR4-Materials eine charakteris¬ tische Relaxationskurve 28 zu messen ist, die durch eine Sprungantwort auf die jeweiligen Flanken der ansonsten abschnittsweise konstanten Rechteckspannung U(t) folgt. Vergleicht man allerdings die aufeinanderfolgenden Impulse der Rechteckspannung, wird außerdem eine Verschiebung 29 deutlich, um die sich die jeweiligen Relaxationskurven 28 verschieben. Dies deutet auf weitere Vorgänge der dielektrischen Relaxation hin, welche eine andere Zeitkonstante aufweisen. Dabei ist vom Verlauf der Versorgungsspannung U(t) abhängig, welche Zeitkonstanten im Dielektrikum ermittelt werden kön- nen. Bipolare U ( t ) -Verlaufe sind dabei geeignet, kurze Zeit¬ konstanten entsprechend der Kurve 28 zu bestimmen, während unipolare (gepulste Gleichspannungen) Versorgungsspannungen U(t) eher geeignet sind, größere Zeitkonstanten entsprechend Verlauf 29 zu messen. Hierbei stellt sich für das jeweilige gemessene Material (hier das FR4-Material ) ein charakteristi¬ scher Verlauf ein. Alterungsbedingt wird dieser Verlauf sich allerdings verändern, wenn das Material seine Eigenschaften ändert. Ein Bereich 30 für die Änderung der Relaxationskurve und ein Bereich 31 für die Änderung der Drift 29 ist in Figur 6 qualitativ angedeutet. Derartige Kurven lassen sich insbesondere auch für Tranformatoröl ermitteln. Einflussfaktoren, die das dielektrische Verhalten des Transformatoröls ändern, können insbesondere die Kontamination des Transformatoröls mit Wasser sowie ein Aufbrechen der Moleküle des Transforma¬ toröls sein. Diese Effekte wirken sich zwangsläufig auch auf die charakteristischen Relaxationskurven mit unterschiedlichen Zeitkonstanten aus, so dass hier Kriterien für eine noch zulässige alterungsbedingte Veränderung dieser Eigenschaften durch Definition von Bereichen 30, 31 oder vergleichbaren Bereichen festgelegt werden können.
Die Berechnung der Relaxationskurven erfolgt vor dem Hintergrund, dass die Kapazität C folgendermaßen vorgegeben ist:
C = f (εΓ, A, d, U) , wobei Er die relative Permittivität des Mediums im Kondensa¬ torspalt,
A die Fläche der Kondensatorelektroden und
d der Abstand der Kondensatorelektroden zueinander.
Um einen Verschiebungsstrom I (t) zu messen, kann folgender Zusammenhang genutzt werden: I(t) = ^-.u+ .C+^ . K f
dt dt dt wobei
K = ε0 ' — U ist ( 0 ist die elektrische Feldkonstante) .
d
Durch Vorsehen von U(t) als Rechteckspannung ist U(t) ab- dU
schnittsweise konstant, d. h. ist m diesen Zeiträumen dt
gleich Null, so dass der Verschiebungsstrom I (t) näherungs weise wie folgt berechnet werden kann: dC dsr
I (t) -U+—r- K
dt dt ds
Der Term —- beinhaltet die dielektrische Relaxation. Es än- dt
dert sich allerdings durch Alterung des Transformatoröls die¬ ser Term, was durch die Messung nachgewiesen werden kann.
dC
Hierzu wird m bekannter Weise moduliert, so dass Abwei¬
Figure imgf000016_0001
chungen von dem zu erwartenden Ergebnis für I (t) direkt auf ds
eine alterungsbedingte Veränderung des Terms —-· zurückzu- dt
führen sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Alterung eines organischen Stoffes (14) mit dielektrischen Eigenschaften, insbesondere eines Öles oder Fettes,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass wiederholt Messungen durchgeführt werden, indem
• der Stoff (14) dem elektrischen Feld eines Kondensators ausgesetzt wird,
· die Ladung auf dem Kondensator (13) durch zeitliche Veränderung der Kondensatorfläche (A) und/oder des Abstan- des (d) der Kondensatorelektroden (12a, 12b) und/oder der am Kondensator anliegenden Spannung (U) moduliert wird und
· der durch die Modulation der Ladung auf dem Kondensator
(13) entstehende zeitliche Verlauf des Verschiebungsstroms (I(t)) gemessen wird und
• aus dem zeitlichen Verlauf des Verschiebungsstroms
(I(t)) eine zeitliche Veränderung der relativen Permit- tivität (der/dt) während der Messung ermittelt wird, wobei die zeitlichen Verläufe (dsr/dt) der wiederholten Messungen
• miteinander verglichen werden und die sich durch den
Vergleich ergebenden Unterschiede in den zeitlichen Ver- laufen als Maß für die Alterung des Stoffes (14) herangezogen werden
und/oder
• mit einem unteren und/oder oberen Grenzwert für die
zeitlichen Verläufe (der/dt) der relativen Permittivität verglichen werden und die Differenz zu dem oberen Grenzwert und/oder dem unteren Grenzwert als Maß für die Alterung des Stoffes (14) herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Modulation der Ladung auf dem Kondensator während einer Messung allein durch die zeitliche Veränderung der am Kondensator anliegenden Spannung (U(t)) vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die am Kondensator anliegende Spannung (U(t)) im zeitli- chen Verlauf in Abschnitten konstant gehalten wird, insbesondere eine Rechteckspannung ist, wobei jeweils nur die Messwerte des zeitlichen Verlaufes (d r/dt) der relativen Permit- tivität in einem solchen Abschnitt berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Kondensatorfläche (A) oder der Abstand der Kondensatorelektroden (d) periodisch verändert wird, wobei die Periodendauer dieser periodischen Änderung mindestens um den Fak- tor 2, bevorzugt um den Faktor 10, kürzer ist, als die Abschnitte konstanter Spannung am Kondensator.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die am Kondensator anliegende Spannung (U(t)} im zeitlichen Verlauf periodisch gewählt wird, wobei die Messwerte des zeitlichen Verlaufes (der/dt) der relativen Permittivität jeweils an denselben Stellen dieser Perioden erzeugt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Kondensatorfläche (A) oder der Abstand (d) der Kon- desatorelektroden (12a, 12b) periodisch verändert wird, wobei die Periodendauer dieser periodischen Änderung mindestens um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 10, kürzer ist, als die Periodendauer des periodischen Verlaufes der am Kondensator anliegenden Spannung (U(t)).
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Messungen bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Stoff (14) flüssig ist und kontinuierlich im elektrischen Feld des Kondensators (13) fließt, wobei die Fließge- schwindigkeit hinreichend gering ist, damit ein betrachtetes Volumenelement des Stoffes (14) während der Messung im elektrischen Feld des Kondensators (13) verbleibt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Messungen im Innenraum eines Transformators (24) am Transformatoröl als zu untersuchenden Stoff (14) oder in einer Lagerung am Lageröl durchgeführt werden.
10. Messanordnung mit einem Kondensator (13), aufweisend zwei Kondensatorelektroden (12a, 12b)
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zwischen den Kondensatorelektroden (12a, 12b) eine Messzelle vorgesehen ist, die für einen zu untersuchenden Stoff (14) zugänglich ist.
11. Messanordnung nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine der Kondensatorelektroden (12a, 12b) als Teil eines mikro-elektromechanischen Systems ausgebildet ist, wobei das mikro-elektromechanische System auf einem Trägerbauteil (23) liegt und eine mit einem Aktor (21) mechanisch gekoppelte, bewegliche Blende (18) aufweist, die durch den Aktor (21) vor der besagten Kondesatorelektrode verschiebbar ist.
12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Messzelle als Teil einer fluidischen Leitung (15) für einen flüssigen zu untersuchenden Stoff (14) ausgeführt ist .
13. Messanordnung nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Leitung (15) als Teil eines Ölkreislaufes (26) einer mit Öl gefüllten Maschine, insbesondere eines Transformators (24) ausgeführt ist.
PCT/EP2011/064789 2010-09-06 2011-08-29 Verfahren zur überwachung der alterung eines organischen stoffes und messanordnung mit einem kondensator WO2012031924A1 (de)

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