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Dokumentenidentifikation DE10047905A1 08.05.2002
Titel Elektrischer Isolierstoff und mit diesem Stoff isolierter elektrischer Leiter
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Türkes, Peter, Dr., 82008 Unterhaching, DE
DE-Anmeldedatum 27.09.2000
DE-Aktenzeichen 10047905
Offenlegungstag 08.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.05.2002
IPC-Hauptklasse H01B 3/00
IPC-Nebenklasse H01B 7/36   H01B 7/32   G01K 11/12   
Zusammenfassung Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters (10), mit einem im Isolierstoff enthaltenen Indikator (2), der sich temperaturabhängig optisch verändert und mit einem solchen Isolierstoff isolierter elektrischer Leiter (10).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters und einen mit dem Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter.

Kurzschluss, permanente Überlast und/oder ähnliche Schaltzustände in einem elektrischen System können zu Übertemperatur oder zu einem Brand, im schlimmsten Fall zu Personenschaden führen. Überlast bei einem isolierten elektrischen Leiter eines solchen Systems führt zudem zu einem raschen Altern des den Leiter isolierenden Isolierstoffs und zu einer Erhöhung der Schadenswahrscheinlichkeit.

Gegenwärtig wird in einem elektrischen System die Temperatur z. B. mit einer Thermochromfarbe, die von außen auf einen Isolierstoff aufgetragen wird, mit direkter Temperaturmessung über einen Sensor oder durch aufwendige Infrarotthermografie erfasst. Ein solches Verfahren wird ausschließlich an einem eigens präparierten System und nicht an einem Produktsystem angewandt. Eine tatsächliche Überwachung eines Produktsystems findet in der Regel nicht statt.

Daneben werden in einem elektronischen System häufig ein oder mehrere Temperatursensoren mit zugehöriger Auswerteelektronik eingebaut, die aber nicht eine Übertemperatur in z. B. einem elektrischen Kabel oder einer sonstigen Installation des Systems registrieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie an einem elektrischen Leiter auf einfache Weise die Temperatur überwacht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, wonach die Erfindung in einem Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters mit einem im Isolierstoff enthaltenen Indikator, der sich temperaturabhängig optisch verändert, besteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Isolierstoff kann auf einfache Weise an einer sicherheitssensitiven elektrischen Isolierung die Temperatur überwacht, eine Übertemperatur bei einem routinemäßigen Test erkannt und dadurch einem entstehenden Schaden vorgebeugt werden. Die Lösung ist sowohl vom wirtschaftlichen Aspekt als auch vom Personensicherheitsaspekt von großem Vorteil.

Unter der optischen Veränderung des Indikators ist jede Veränderung zu Verstehen, die optisch gemessen und/oder mit dem Auge wahrgenommen werden kann. Die Veränderung kann beispielsweise in einer Änderung einer optischen Wellenlänge und/oder eines optischen Spektrums und/oder einer optischen Intensität und/oder einer Lumineszenzeigenschaft und/oder einer sonstigen optischen Eigenschaft des Indikators bestehen. Die Veränderung ist nicht auf den sichtbaren optischen Bereich beschränkt, sondern kann auch im Ultraviolettbereich und/oder im Infrarotbereich stattfinden und dort beispielsweise mit einem Sensor gemessen werden.

Die optische Veränderung des Indikators muss allerdings abhängig von der Temperatur eintreten, d. h., eine optische Eigenschaft des Indikators muss sich abhängig von der Temperatur ändern, beispielsweise mit steigender Temperatur kontinuierlich und/oder mehr oder weniger schlagartig, wenn die steigende Temperatur einen bestimmten Wert erreicht.

Bei einer vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolierstoffs weist der Indikator ein Lumineszenzmittel, d. h. einen chemischen Stoff, in welchem durch optische Bestrahlung des Stoffs eine Lumineszenz anregbar ist, auf, wobei das Lumineszenzmittel so beschaffen ist, dass sich eine bestimmte Lumineszenzeigenschaft, beispielsweise eine Lumineszenzwellenlänge und/oder eine Lumineszenzabklingzeit nach Anregung der Lumineszenz temperaturabhängig verändert.

Lumineszenzmittel der genannten Art sind für sich genommen beispielsweise aus der Literatur (siehe z. B. R. Reisfeld: "Spectroscopy and Applications of Molecules in Glasses", Journ. of Non-Crystalline Solides 121 (1990), S. 254-266, North-Holland; I. P. McClean et al.: "High Temperature Thick and Thin Film Thermographic Sensor', 1997, Sensor and Transducer Conference at MTEC Measurement Technology, Birmingham, UK, 22.-23. Jan. 1997; S. A. McElhaney et al.: " Passive (Self-Powered) Fiber Optic Sensors", Conf. Record of the 1993 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, S.101-103) bekannt, jedoch geht aus diesen Dokumenten nichts hervor, was eine Anwendung eines solchen Lumineszenzmittels in einem Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters als Indikator zur Temperaturüberwachung am Leiter nahe legen könnte.

Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen Isolierstoff vorteilhafterweise ein Lumineszenzmittel verwendet werden, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Übertemperatur auch noch nach längerer Zeit aus der veränderten Lumineszenzeigenschaft ablesbar ist, z. B. dadurch, dass sich durch erhöhte Temperatur die chemische Zusammensetzung des Lumineszenzmittels oder die chemische Umgebung von Molekülen des Lumineszenzmittels verändert hat und damit die Lumineszenz verschwindet oder auch verstärkt wird. Damit ist es dann möglich, in einem elektrischen System bei Routineuntersuchungen durch den erfindungsgemäßen Isolierstoff Überlastprobleme zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Die Temperaturauswertung erfolgt beispielsweise durch Anregung von Molekülen des Indikators mit einer passenden Lichtquelle und der anschließenden qualitativen (per Auge) oder quantitativen (per Sensor) Auswertung der temperaturabhängigen Lumineszenz.

Bei einer weiteren vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolierstoffs, die mit der oben erwähnten Ausgestaltung kombiniert werden kann, weist der Indikator ein Farbmittel auf, dessen Farbe sich temperaturabhängig verändert. Das Farbmittel kann ein Farbstoff oder ein Pigment sein. Zweckmäßig ist es, wenn sich die Farbe bei Übertemperatur bleibend verändert, so dass eine Stelle, bei der einmal eine Übertemperatur aufgetreten ist, jederzeit an der veränderten Farbe des Isolierstoffs erkannt werden kann.

Der Indikator kann im Isolierstoff an einer oder mehreren Stellen, beispielsweise direkt unter der Oberfläche des Isolators konzentriert sein. Nicht zuletzt aus Gründen einer möglichst einfachen Herstellung des Isolators ist es jedoch zweckmäßig, wenn der Indikator im Isolierstoff verteilt ist, beispielsweise über den ganzen Querschnitt des Isolators.

Durch den erfindungsgemäßen Isolierstoff werden literaturbekannte Lumineszenzmittel- und/oder Farbmitteleigenschaften und Methoden der Farbstoffchemie auf elektrische Isolationssysteme angewendet.

Durch die Erfindung ist auch ein einem erfindungsgemäßen Isolierstoff isolierter elektrischer Leiter bereitgestellt. Ein Beispiel eines solchen Leiters ist ein isoliertes elektrisches Kabel, dessen Isolierung aus dem erfindungsgemäßen Isolierstoff besteht.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Die Figur zeigt in perspektivischer Darstellung ein Stück eines isolierten elektrischen Kabels, dessen Isolierung aus dem erfindungsgemäßen Isolierstoff besteht.

Das in der Figur dargestellte und generell mit 1 bezeichnete beispielhafte Stück elektrisches Kabel weist einen zylinderförmigen elektrischen Leiter 10 aus Metall und eine elektrische Isolierung in Form eines Mantels 11 aus elektrischem Isolierstoff auf, der eine äußere Umfangsfläche 101 des Leiters 10 geschlossen umgibt.

Der Isolierstoff besteht beispielsweise aus einem Grundmaterial aus Kunststoff, in das erfindungsgemäß ein Indikator 2 eingebettet ist, der sich temperaturabhängig optisch verändert.

Der Indikator 2 befindet sich demgemäß im Innern des Grundmaterials und somit auch des Mantels 11.

Als Indikator 2 ist prinzipiell jeder chemische Stoff geeignet, der sich temperaturabhängig optisch verändert und dessen optische Veränderung mit dem Auge wahrnehmbar ist und/oder beispielsweise mit einem Sensor gemessen werden kann.

In der Figur ist der eingebettete Indikator 2 durch Punkte 20 im Mantel 11 dargestellt, die einzelne Moleküle oder Molekülverbände, beispielsweise Partikel des chemischen Stoffs andeuten, aus dem der Indikator 2 besteht.

Der Indikator 2 auf verschiedene Weise in den Mantel 11 eingebettet werden.

Ein besonders einfaches Verfahren besteht beispielsweise darin, einem flüssigen härtbaren isolierenden Kunststoff den Indikator 2 beizumischen, den Leiter 10 mit diesem Kunststoff zu beschichten und danach den Kunststoff auf dem Leiter 10 sich vernetzen zu lassen. Im flüssigen Kunststoff kann eine sehr gleichmäßige Verteilung des Indikators 2 erhalten werden, die dann auch im Mantel 11 bestehen bleibt. In der Figur ist eine solche Verteilung durch die gleichmäßige Verteilung der Punkte 20 über den Querschnitt 111 des Mantels 11 angedeutet.

Ein anderes einfaches Verfahren besteht darin, den Indikator 2 erst nachträglich in den Mantel 11 durch dessen äußere Umfangsfläche 110 eindringen zu lassen oder zu implantieren. In diesem Fall ist eine gleichmäßige Verteilung des Indikators 2 im Mantel 11 aus herstellungstechnischen Gründen nicht wünschenswert. Besser ist es, wenn der Indikators 2 unter der Umfangsfläche 110 des Mantels 11 konzentriert ist. Bezogen auf die Figur würde dies beispielsweise bedeuten, dass die Dichte der Punkte 20 an oder in der Nähe der Umfangsfläche 110 maximal ist und von da in Richtung radial nach innen abnimmt.

Um festzustellen, welche Temperatur in einem mit einem erfindungsgemäßen Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter herrscht, wird eine temperaturabhängige optische Eigenschaft des in diesem Isolierstoff enthaltenen Indikators festgestellt und danach die Temperatur ermittelt, die zu dieser ermittelten optischen Eigenschaft aufgrund der Abhängigkeit gehört.

Die Genauigkeit der Temperaturermittlung hängt davon ab, wie genau die optische Eigenschaft des Indikators als Funktion der Temperatur bekannt ist. Bei elektrischen Anlagen spielt indes eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturermittlung kaum eine Rolle, vielmehr will man nur wissen, bei welchen elektrischen Leitern der Anlage unzulässig hohe Temperaturen, welche die Anlage in Gefahr bringen, auftreten. Zu diesem Zweck genügt eine grobe oder qualitative Temperaturermittlung.

Bei einem für einen solchen Zweck geeigneten Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolierstoffs besteht der Indikator 2 aus einem oder mehreren der aus den erwähnten Dokumenten bekannten Lumineszenzmitteln, die überdies vorteilhafterweise in verschiedenste Matrixsysteme eingebettet werden können, z. B. aus einem oder mehreren Lumineszenzmitteln auf der Basis von Rhodamin 6G(1).

Bei einem solchen Lumineszenzmittel ändert sich beispielsweise die Lumineszenzwellenlänge oder die Lumineszenzabklingzeit nach Anregung der Lumineszenz abhängig von der Temperatur. Beispielsweise nimmt die Lumineszenzabklingzeit mit zunehmender Temperatur ab.

Um die Temperatur in einem mit diesem beispielhaften Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter, beispielsweise in dem Stück Kabel 1 zu ermitteln, wird der Isolierstoff, im Beispielsfall der Mantel 11, mit einer optischen Strahlung 30 bestrahlt, die im Indikator 2 Lumineszenz anregt.

Die von der Temperatur T des Isolierstoffs und damit des elektrischen Leiters abhängige Lumineszenzwellenlänge λ(T) der vom Isolierstoff abgestrahlten Lumineszenzstrahlung 40 und/oder die ebenfalls von der Temperatur T des Isolierstoffs abhängige Lumineszenzabklingzeit Δt(T) der Lumineszenzstrahlung 40 nach Abschaltung der die Lumineszenz anregenden Strahlung 30 werden/wird beispielsweise mittels eines optoelektrischen Sensors 4 festgestellt und danach die Temperatur T ermittelt.

Weist die festgestellte Lumineszenzwellenlänge λ(T) und/oder die festgestellte Lumineszenzabklingzeit Δt(T) einen vorgegeben kritischen Wert auf, ist die dazu gehörige Temperatur T des Isolierstoffs unzulässig hoch.

Bei einem für den erwähnten Zweck geeigneten anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolierstoffs besteht der Indikator 2 aus einem Farbmittel, dessen Farbe temperaturabhängig verändert. Das Farbmittel kann ein Pigment und/oder ein Farbstoff sein.

Um die Temperatur in dem mit diesem anderen beispielhaften Isolierstoff isolierten elektrischen Leiter, beispielsweise in dem Stück Kabel 1 zu ermitteln, wird der Isolierstoff, im Beispielsfall der Mantel 11, mit sichtbarem, vorzugsweise weißen Licht 30' bestrahlt, das die Farbe des Indikators 2 mit dem Auge erkennen lässt.

Die von der Temperatur T des Isolierstoffs und damit des elektrischen Leiters abhängige Lumineszenzwellenlänge F(T) des Indikators 2 wird mit dem Auge festgestellt und danach die Temperatur T ermittelt.

Hat die festgestellte Farbe F(T) einen vorgegeben kritischen Farbwert, ist die dazu gehörige Temperatur T des Isolierstoffs unzulässig hoch.


Anspruch[de]
  1. 1. Isolierstoff zur Isolation eines elektrischen Leiters (10), mit einem im Isolierstoff enthaltenen Indikator (2), der sich temperaturabhängig optisch verändert.
  2. 2. Isolierstoff nach Anspruch 1, wobei der Indikator (2) ein Lumineszenzmittel, bei dem sich eine Lumineszenzeigenschaft temperaturabhängig verändert, aufweist.
  3. 3. Isolierstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Indikator (2) ein Farbmittel aufweist, dessen Farbe sich temperaturabhängig verändert.
  4. 4. Isolierstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Indikator (2) im Isolierstoff verteilt ist.
  5. 5. Mit einem Isolierstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche isolierter elektrischer Leiter (10).






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