DE19820505A1 - Meßkabel zur Meßwertübertragung von einer Aufnehmerbrückenschaltung zu einer Meßwertverarbeitungsschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Meßkabel (4) zur Meßwertübertragung von einer Aufnehmerschaltung (1) in Sechsleitertechnik zu einer entfernten elektronischen Meßwertverarbeitungsschaltung (5). Dabei ist das Meßkabel (4) zweilagig aufgebaut und besteht aus einem zweiadrigen Kern (9), der eine Meßleitung (13) darstellt, wobei die Adern mit dünner PEEK-Isolierung (17) umgeben sind. Dieser Kern (9) ist mit einer weiteren PEEK-Isolierung (15) ummantelt, worüber eine zweiadrige, mit PEEK-Isolierung versehene Speiseleitung (18) und eine zweiadrige, mit PEEK-Isolierung (11) versehene Rückführleitung (7) angeordnet ist, wobei das Ganze mit einem Kunststoffaußenmantel (10) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßkabel zur Meßwertübertragung von einer Aufnehmerbrücken- zu einer Meßwertverarbeitungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der industriellen Meßtechnik werden Aufnehmer häufig nach dem Prinzip der Wheatstone'schen Meßbrücke geschaltet und mit­ tels einer elektronischen Meßwertverarbeitungsschaltung werden die erfaßten Meßsignale ausgewertet. Dabei ist es nicht immer möglich, daß die Meßwerterfassung und Meßwertverarbeitung in räumlicher Nähe untergebracht sind, so daß dazwischen Meßkabel zur Meßwertübertragung und Speisung der Aufnehmerschaltung vorgesehen sein müssen. Damit auf dieser Übertragungsstrecke keine Meßwertverfälschungen entstehen, werden hohe Anforderun­ gen an derartige Meßkabel gestellt. So werden derartige Meß­ leitungen in bekannter Weise verdrillt und abgeschirmt, um induktive und kapazitive Beeinflussungen weitgehend auszu­ schalten.

Bei Meßwertaufnehmern in Brückenschaltung ist es bekannt, das Meßkabel in Sechsleitertechnik auszuführen, um neben den Meß­ leitungen und den Speiseleitungen noch Referenzleitungen vor­ zusehen, durch die bei längeren Übertragungsstrecken der Span­ nungsabfall der Speisespannung berücksichtigt werden kann. Diese Meßkabel bestehen in der Regel aus mindestens sechs kunststoffummantelten, verdrillten Leitern, die mit einer Ab­ schirmung und einem Außenmantel aus Kunststoff umgeben sind. Diese Meßkabel sind aber nicht bei extremen Umgebungseinflüs­ sen einsetzbar, wie sie beispielsweise in Kernreaktoren herr­ schen. So sind zwar Kunststoffe wie Polyetheretherketon (PEEK) bekannt, die weitgehend unempfindlich gegen radioaktive Strah­ lung und hohe Dampfdrücke bei hohen Temperaturen sind, die aber sehr starr und damit für Kabel mit hohen Isolationsanfor­ derungen zu unflexibel sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Meßkabel für extreme Umgebungseinflüsse wie hohe Dampfdrücke bei ex­ tremen Temperaturen zu schaffen, ohne daß dadurch die Meßer­ gebnisse verfälscht werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus­ führungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Aufnehmerschaltung auch über längere örtliche Entfernung von der elektronischen Ver­ arbeitungsschaltung getrennt untergebracht sein kann, ohne daß dadurch das Meßergebnis nennenswert beeinträchtigt wird. Ins­ besondere ist es im Kernkraftwerksbereich möglich, daß die Aufnehmer unmittelbar in strahlungsgefährdeten Bereichen an­ zubringen sind, um unmittelbar am Entstehungsort die physika­ lischen Größen zu erfassen, wobei die strahlungsgefährdete Elektronik an entfernter Stelle ohne nennenswerte radioaktive Strahlung installiert wird.

Weiterhin sind durch das erfindungsgemäße Meßkabel hochgenaue Meßwerterfassungen möglich, da durch die zweifache PEEK-Iso­ lierung nicht nur eine hohe Strahlungsbeständigkeit, sondern auch eine doppelte Dampf-Diffusionssperre erreicht wird, die trotzdem die notwendige Elastizität des Kabels gewährleistet. So sind die erfindungsgemäßen Meßkabel nicht nur bei strah­ lungsgefährdeten Meßaufgaben einsetzbar, sondern gewährleisten auch bei hoher Dampfdruckbelastung und hohen Temperaturen ma­ ximale Isolationsbedingungen.

Darüber hinaus erfüllt das erfindungsgemäße Meßkabel in vor­ teilhafter Weise höchste Ansprüche an die Isolationswirkung und sonstige elektrische Eigenschaften, da die elektrisch emp­ findliche zweiadrige Meßleitung im Kern angeordnet und mit doppelter PEEK-Umhüllung versehen ist. Hierdurch sind relativ dünnwandige Isolierschichten möglich, die eine Verdrillung der Meßadern ermöglichen - in Verbindung mit dem Schirm um die beiden Meßadern herum- um die kapazitiven und induktiven Wir­ kungen zu kompensieren und dies unter Erzielung eines maxima­ len Isolationswiderstandes bei hohen Dampfdruckbelastungen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßwertübertragungsschaltung mit Aufneh­ merschaltung, Meßkabel und Meßwertver­ arbeitungsschaltung, und

Fig. 2 den Aufbau eines Meßkabels für eine Sechslei­ teranschlußtechnik.

In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch eine Meßwertübertra­ gungsschaltung mit einem Aufnehmer in Brückenschaltung 2, ei­ nem Sechsleitermeßkabel 4 und einer Meßwertverarbeitungsschal­ tung 5 dargestellt.

Der Aufnehmer ist in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 2 vorgesehen, die als veränderliche Widerstände 3 dargestellt ist. Mit diesem Aufnehmer werden physikalische Größen, wie beispielsweise der Druck in einem Kernkraftreaktor erfaßt. Es können mit einer derartigen Aufnehmerschaltung 1 aber auch andere physikalische Größen, wie beispielsweise eine Kraft oder eine Temperatur erfaßt werden. Da bei vielen Brücken­ schaltungen 2 bei maximaler physikalischer Größe nur wenige mV übertragen werden, sind hohe Anforderungen an die Meßstrecke zu stellen. Insbesondere dann, wenn zwischen den Aufnehmern 1 und der Meßwertübertragungsschaltung 5 eine größere örtliche Entfernung überwunden werden soll. Dies ist häufig der Fall, wenn elektronische Schaltungen zur Meßwertverarbeitung einge­ setzt werden und die Aufnehmer 1 die physikalischen Größen unter ungünstigen Umweltbedingungen erfassen müssen. So sind elektronische Schaltungen 5 insbesondere nicht in Bereichen mit hoher radioaktiver Strahlung, hoher Temperatur oder bei großer Feuchtigkeitseinwirkung einsetzbar, während die Auf­ nehmer 1 hierdurch nicht beeinflußt oder dagegen leicht abge­ kapselt werden können. So ist es beispielsweise im Kernkraft­ werksbereich notwendig, den Dampfdruck im Reaktor sicher und genau zu erfassen, insbesondere um die Gefahr einer Kern­ schmelze frühzeitig zu erkennen und abzuwenden. Deshalb wird im Reaktorbereich ein Druckaufnehmer in Brückenschaltung 2 vorgesehen, die als veränderliche Widerstände R_Br dargestellt sind. Diese Brückenschaltung 2 besteht aus passiven Bauelemen­ ten, die auch durch radioaktive Strahlung nicht beeinflußt werden. Die Brückenschaltung 2 ist in einem nicht dargestell­ ten abgeschlossenen Metallgehäuse untergebracht, so daß das Meßsignal auch nicht durch Feuchtigkeit und hohe Dampfdrücke verfälscht wird.

Maßgeblich für das Messen mit einer Wheatstone'schen Brücken­ schaltung ist das Verhältnis von Brücken-Ausgangsspannung zu Brückenspeisespannung. Damit die tatsächliche Druckaufnehmer­ speisespannung U_e erfaßt werden kann, wird die Meßwertübertra­ gung in Sechsleiter-Anschlußtechnik durchgeführt. Hierzu wird die Brückenschaltung 2 mit einem sechsadrigen Meßkabel 4 ver­ bunden, das druckdicht an dem Aufnehmer 1 befestigt ist.

Da zwischen der Meßwertverarbeitungsschaltung 5 und den Druck­ aufnehmern 1 Leitungslängen von mehr als 20 Metern keine Sel­ tenheit sind, ist die an der Brückenschaltung 2 anliegende Spannung U_e kleiner als die an den Klemmen 2, 3 anliegende Speisespannung U_sp, weil eine Teilspannung (U_RL1, U_RL2) am Lei­ tungswiderstand abfällt. Dieser Spannungsabfall ist zudem in geringem Maße temperaturabhängig.

Damit die tatsächlich an der Brückenschaltung 2 anliegende Speisespannung U_e zur Bildung der Referenzspannung verwendet werden kann, wird der Speisespannungswert direkt an dem Druck­ aufnehmer über eine zweiadrige Leitung 2B, 3B zu einem Ver­ gleicher in der Meßwertverarbeitungsschaltung 5 zurückgeführt. Referenz- und Meßsignal werden von entsprechenden hochohmigen Eingangsstufen gemessen, so daß der Strom in den Meßleitungen (1, 4; 2B, 3B) vernachlässigt werden kann. Eine hochkonstante Referenzspannung U_ref liefert die Bezugsgröße für den Verglei­ cher. Ändert sich die Speisespannung durch äußere Einflüsse, ändert sich das Meß- und Referenzsignal gleichermaßen. Dadurch bleibt der Meßwert nach der Auswertung durch den Analog- Digital-Wandler unverändert.

Da dieses Meßkabel 4 auch im Reaktorraum verläuft, darf es weder durch die hohe radioaktive Strahlung noch durch hohe Dampfdrücke bis 8 bar und Temperaturen bis 170°C elektrisch nennenswert beeinflußbar sein.

So sind die meisten Kunststoffe bei hohen Temperaturen und Dampfdrücken nicht genügend dicht, so daß der notwendige Iso­ lationswiderstand nicht gewährleistet ist. Weiterhin sind die meisten Kunststoffe durch die radioaktive Strahlenbelastung nicht alterungsbeständig, so daß auch dadurch der Isolations­ widerstand ungünstig beeinflußt wird. Es ist jedoch ein Kunst­ stoff Polyetheretherketon (PEEK) bekannt, der in bestimmter Wandstärke diesen Temperaturen, Dampfdrücken und radioaktiven Belastungen standhält. Allerdings sind bei sehr geringen Si­ gnalspannungen bei hohen Dampfdrücken und hohen Temperaturen Isolationswanddicken erforderlich, die ein Verdrillen der Lei­ tungen und eine flexible Handhabung der Meßkabel 4 nicht mehr zulassen.

Deshalb wird bei dem vorgesehenen Meßkabel 4 nach Fig. 2 der Zeichnung ein zweilagiger Aufbau vorgeschlagen. Dabei ist im Kern 9 des Meßkabels 4 ein vieradriger Bereich mit zwei iso­ lierten Meßleitungen (1, 4) 13 vorgesehen. Die Meßleitungen (1, 4) 13 sind mit einer dünnen PEEK-Isolation 17 umgeben und miteinander verdrillt. Weiterhin sind noch zwei Fülladern 12 aus Kunststoff oder andere Füllstoffe vorgesehen, um einen runden Kernquerschnitt zu erzeugen. Um diese Meßleitungen (1, 4) 13 hinreichend gegen die durch den Dampfdruck und die hohe Temperatur erzeugte Feuchtigkeitseinwirkung zu schützen und trotzdem die Flexibilität des Kabels zu gewährleisten, sind diese zweiadrige Meßleitungen (1, 4) 13 und die zwei Fülladern 12 oder andere Füllstoffe zusätzlich mit einer weiteren Isola­ tion 15 aus PEEK-Kunststoff umgeben.

Zusätzlich zu dieser PEEK-Ummantelung 15 ist noch ein Draht­ geflecht 16 als Abschirmung gegen elektromagnetische Einwir­ kungen vorgesehen. Dabei bestehen die Meßleitungen (1, 4) 13 beispielsweise aus verzinnter Kupferlitze mit einer PEEK-Adern­ isolation 17 von 0,3 mm Wanddicke. Auch die PEEK-Isolations­ ummantelung 15 des Kabelkerns 9 besitzt beispielsweise eine Wanddicke von 0,3 mm. Dabei hängt die Wanddicke in erster Li­ nie von der zulässigen Mindestisolationswirkung und Temperatur sowie der notwendigen Flexibilität des Kabels 4 ab, so daß hierfür auch andere Wanddicken vorgesehen werden können.

In der äußeren Lage 6 des Meßkabels 4 sind zwei Speise- (2, 3) 18 und zwei Rückführleitungen (2B, 3B) 7 und acht Blindadern 8 angeordnet. Zwischen jeder Leitung sind in den Freiräumen aus Symmetriegründen zwei Kunststoffblindadern 8 vorgesehen. Die Freiräume zwischen den Leitungen können aber auch mit anderen Füllstoffen oder Leitungen ausgefüllt werden. Die Speise- 18 und Rückführleitungen 7 sind wie die im Kern 9 befindlichen Meßleitungen (1, 4) 13 ausgeführt und bestehen aus PEEK-iso­ lierten 11 Kupferlitzen. Die äußere Lage 6 ist mit einem Ab­ schirmgeflecht 14 und einem äußeren Kabelmantel 10 umgeben, der beispielsweise aus strahlungsvernetztem Polyolefin be­ steht. Unter dem Außenmantel 10 ist eine zusätzliche PEEK-Iso­ lierung entbehrlich, da durch die Sechsleitertechnik der Span­ nungsabfall bei Verminderung der Isolierfähigkeit durch die Rückführleitung (2B, 3B) 7 in der Verarbeitungsschaltung 5 berücksichtigt wird. Im übrigen wäre eine zusätzliche PEEK- Umhüllung mit einem relativ großen Durchmesser unter der Au­ ßenmantelumhüllung 10 oder als Außenmantel so steif, daß der ganze Aufbau keinerlei Biegsamkeit hätte und nicht wie ein Kabel um Hindernisse herumlegbar wäre.

Das Meßkabel 4 ist weiterhin nach IEC-Norm flammwidrig, halo­ genfrei und erzeugt im Brandfall keine korrosiven Gase. Des­ halb ist es nicht nur in Kernkraftwerksbereichen einsetzbar, sondern auch in anderen Bereichen mit hoher Dampfdruckbela­ stung bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise auch in herkömmlichen Kraftwerken oder Heizkraftwerken vorkommen.

Claims (3)

1. Meßkabel zur Meßwertübertragung von einer Aufnehmer- zu einer Meßwertverarbeitungsschaltung mit mindestens sechs kunststoffisolierten Adern, die mit einem Kunststoffau­ ßenmantel umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (4) mindestens zweilagig aufgebaut ist, wobei die innere Lage (9) aus mindestens zwei Meßadern (13) be­ steht, die zusätzlich mit einer dünnen Kunststoffummante­ lung (15) umgeben ist, die wie die Adernummantelung (17) aus dünnem Polyetheretherketon (PEEK)-Kunststoff besteht.

2. Meßkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) aus zwei Meßadern (13) und Füllstoffen (12) be­ steht und daß die darüberliegende Schicht (6) vier kunststoffisolierte Adern (7, 18) und Füllstoffe (8) enthält.

3. Meßkabel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßleitungen (13) im Kern (9) mitein­ ander verdrillt und mit einem Drahtgeflecht (16) umgeben sind, das mit der dünnen Kunststoffummantelung (15) aus PEEK umgeben ist, worauf sich die zweite Lage (6) aus vier PEEK-isolierten Adern (7, 18) mit dazwischen ange­ ordneten Füllstoffen (8) anschließt, die mit einem weite­ ren Drahtgeflecht (14) und darüberliegendem Außenmantel (10) umgeben sind.