КОНТРОЛЬ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ В ШТЕПСЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ
CONTROL OF CONTACT AREA IN PLUG DEVICE

Изобретение относится к способу определения электрических контактных свойств, в частности переходного контактного сопротивления в контактной зоне между двумя контактными элементами (контактным штырем, гнездом) штепсельного устройства. Кроме того, оно относится к штепсельному устройству, предназначенному для осуществления этого способа.
Электрические штепсельные устройства, например, штепсельные вилки или розетки или муфты для питающего тока по DIN VDE 0623, EN 60309-2 («CEE-Штепсельные разъемы») или по IEC 62196 («Зарядные штепсельные устройства для электромобилей») содержат металлические контактные элементы (штыри у штепсельной вилки и гнезда у розетки), через которые в соединенном состоянии возникает электрический контакт. Вследствие загрязнения, окисления, ослабления контактных усилий и т.п. в контактной зоне между этими контактными элементами могут возникать электрические сопротивления, которыми нельзя пренебрегать. Именно у силовых штепсельных устройств, в которых при эксплуатации протекают относительно высокие токи, такие переходные контактные сопротивления могут привести к недопустимым потерям мощности. Поскольку потерянная мощность преобразуется в тепло, возникает, кроме того, риск опасного перегрева. Поэтому в уровне техники были предложены различные меры по контролю температуры в штепсельном устройстве. Однако такие системы могут реагировать только тогда, когда уже произошел нагрев и, тем самым, возникла потенциально проблемная ситуация.
Из JP 2007285833 известна схема для обнаружения аномальных условий на штепсельном контакте. Чтобы можно было измерить падение напряжения через штепсельный контакт, предусмотрен дополнительный штепсельный контакт. Аналогичные устройства раскрыты также в CN 206848406 и CN 202008524.
Из ЕР 2944503 А2 известно силовое устройство сопряжения транспортного средства, содержащее силовую цепь с первым и вторым силовыми контактами. Кроме того, оно содержит вспомогательный контакт, который электрически изолирован от первого силового контакта и также контактирует со вторым силовым контактом, причем через вспомогательный контакт включена измерительная цепь для регистрации электрического контактного состояния между первым и вторым силовыми контактами.
На этом фоне задачей изобретения является создание альтернативных средств для определения или контроля функции штепсельного устройства. Преимущественно они должны обеспечить при этом как можно более раннее обнаружение проблемных ситуаций.
Эта задача решается посредством способа с признаками п. 1 формулы и штепсельного устройства с признаками п. 9 формулы. Предпочтительные варианты содержатся в зависимых пунктах формулы.
Предложенный способ служит для определения электрических свойств контакта в контактной зоне между контактным элементом первого штепсельного устройства (далее также «первый контактный элемент») и ответным ему контактным элементом (также «второй контактный элемент») ответного второго штепсельного устройства. Первое штепсельное устройство может иметь муфту с гнездами в качестве первых контактных элементов, а второе штепсельное устройство может иметь штепсельную вилку с контактными штырями в качестве вторых контактных элементов, или наоборот, причем штепсельные устройства, помимо контактных элементов, содержат, как правило, еще дополнительные компоненты (корпуса, вставки и т.д.). Способ характеризуется тем, что оцениваются свойства по меньшей мере одной токовой цепи, содержащей:
- первый контактный элемент,
- контактную зону и
- из второго штепсельного устройства только второй ответный контактный элемент и, при необходимости, другие контактные элементы второго штепсельного устройства.
Токовая цепь образует, по определению, электропроводящее соединение между двумя выводами, через которые может течь или течет постоянный ток или, по меньшей мере, переменный ток. Если эти выводы идентичны, то имеет место электрический контур. В противном случае замкнутый контур создается обычно за счет соединения выводов с оценочной схемой.
Концы или выводы токовой цепи находятся обычно в первом штепсельном устройстве или являются его составными частями, так что токовая цепь полностью доступна из первого штепсельного устройства.
Электропроводность токовой цепи может быть кондуктивной, т.е. обеспечивать протекание постоянного тока (причем величина омического сопротивления составляет обычно менее примерно 100 кОм). Дополнительно или в качестве альтернативы может иметь место емкостная проводимость токовой цепи, например когда она содержит последовательно включенную емкость (причем величина такой емкости составляет обычно более чем примерно 10 пФ, предпочтительно, более чем примерно 100 пФ, более 1 нФ или более 3 нФ).
Определение электрических контактных свойств может осуществляться как качественно, так и количественно. Качественное определение может заключаться, например, в констатации того, что контактные свойства пригодны или непригодны для надежной эксплуатации. Количественное определение может относиться, в частности, к определению значения переходного контактного сопротивления между первым и вторым контактными элементами.
Способ имеет то преимущество, что за счет использования описанной токовой цепи определение контактных свойств возможно только со стороны первого штепсельного устройства. Из второго штепсельного устройства для полноты токовой цепи используется только ответный второй контактный элемент (и, при необходимости, или в исключительных случаях еще один или несколько других контактных элементов второго штепсельного устройства), который в процессе соединения так и так соединяется с первым контактным элементом. Поэтому в результате не требуется никаких конструктивных изменений второго штепсельного устройства, так что способ не зависит от типа, возраста, изготовителя и т.п. используемого второго штепсельного устройства.
Конкретный состав используемой токовой цепи и применяемый принцип измерения могут быть разными. Согласно первому варианту, используемая токовая цепь содержит по меньшей мере один щуп, который расположен в первом штепсельном устройстве и в соединенном состоянии обоих штепсельных устройств контактирует с ответным вторым контактным элементом в дополнительной (другой) контактной зоне. Такой щуп обычно отсутствует в традиционном штепсельном устройстве, а предусматривается исключительно или в том числе для данного способа. За счет щупа в соединенном состоянии создаются две контактные зоны между первым штепсельным устройством и ответным вторым контактным элементом. Поэтому реализованная, в основном, в первом штепсельном устройстве токовая цепь может содержать лежащий между обеими контактными зонами отрезок второго контактного элемента (и ничего больше из второго штепсельного устройства). Переходное контактное сопротивление в представляющей интерес контактной зоне между контактными элементами штепсельных устройств находится в этой токовой цепи и поэтому доступно для измерения.
В первой модификации описанного выше варианта с щупом через образованную токовую цепь измеряется падение напряжения, возникающее при протекании рабочего тока через представляющую интерес контактную зону. «Рабочий ток» течет при этом, по определению, во время первоначально предусмотренной эксплуатации штепсельного устройства через рассматриваемые контактные элементы (и обычно через по меньшей мере два дополнительных) для привода, например, потребителя, такого как электродвигатель, или зарядки аккумулятора. У силовых штепсельных устройств этот рабочий ток лежит в диапазоне от одно- до трехзначных значений в амперах, так что даже относительно низкое переходное контактное сопротивление ведет к заметному обнаруживаемому падению напряжения. Это падение напряжения возникает также в образованной оценочной токовой цепи и образует индикатор для контактных свойств в представляющей интерес контактной зоне. В случае если дополнительно известна величина лежащего в основе измерения рабочего тока, можно, помимо выявленного падения напряжения, вычислить также существующее переходное контактное сопротивление в контактной зоне.
При использовании щупа следует обратить внимание на то, что в контактной зоне между ним и вторым контактным элементом второго штепсельного устройства, как правило, также имеют место неизвестные контактные свойства, которые делают затруднительным определение контактных свойств в представляющей интерес контактной зоне. Поэтому, при необходимости, перед оценкой или ведущим к оценке измерением могут быть созданы определенные контактные свойства между щупом и вторым контактным элементом второго штепсельного устройства. Для этого существуют различные возможности. Например, за счет конструктивных средств можно было бы создать как можно более хорошо определенное, воспроизводимое контактное давление. Чем выше контактное давление, тем выше вероятность того, что будет разрушен оксидный слой, посторонние слои и т.д. Однако повышение контактного давления имеет пределы: за счет щупа исполнительные усилия штепселя должны возрастать лишь незначительно. Дополнительно или в качестве альтернативы можно применить работающую с электрическими методами процедуру, при которой за счет приложения подходящего напряжения (далее «пробивное напряжение») пробивается возможный имеющийся изолирующий слой (из оксидов, посторонних слоев и т.п.). По окончании этого процесса, называемого также «точечное контактирование», напряжение в переходной контактной зоне между контактными элементами составляет, как правило, максимум порядка напряжения плавления материала контактной поверхности. Этим обеспечивается определенное значение или, по меньшей мере, определенное максимальное значение.
Согласно другому варианту, первое штепсельное устройство содержит два (или больше) щупа с соответственно собственной и отдельной контактной зоной ко второму контактному элементу. Поэтому могут оцениваться три или более токовых цепей, содержащих различные комбинации по меньшей мере трех контактных зон, образуемых между (а) вторым контактным элементом и (б) первым контактным элементом и/или различными щупами. Следовательно, возможны несколько независимых измерений, из которых могут определяться неизвестные величины, например переходные контактные сопротивления.
В другом варианте в используемой токовой цепи наводится индукционное напряжение. Это имеет то преимущество, что без механического/электрического контактирования могут быть проведены измерения тока в упомянутой цепи, которые позволяют сделать выводы о представляющих интерес свойствах контакта.
В одной специальной модификации описанного выше варианта рассматриваемая токовая цепь образует вторичную обмотку (как правило, с единственным витком) на магнитном сердечнике, который расположен в первом штепсельном устройстве и на котором расположен еще первичная обмотка. Через первичную обмотку может тогда контролируемым образом осуществляться возбуждение системы, которое через магнитный сердечник приводит к наведению индукционного напряжения во вторичной обмотке, т.е. рассматриваемой токовой цепи. При этом электрические свойства токовой цепи зависят от представляющих интерес свойств контакта в контактной зоне и обнаруживаются, например, в виде обратного действия в первичной обмотке. Например, на первичной обмотке можно определить входной импеданс системы, который определенным образом зависит от переходного контактного сопротивления в представляющей интерес контактной зоне.
Дополнительно или в качестве альтернативы электрические свойства токовой цепи в предыдущем случае могут быть выявлены также с помощью отдельной, расположенной вокруг токовой цепи измерительной катушки.
Гнезда штепсельных устройств часто выполнены конструктивно так, что они содержат два или более расположенных параллельно вокруг цилиндрической полости контактных пальцев, которые параллельно отстоят от общего основания гнезда. Каждый из этих контактных пальцев имеет собственную переходную контактную зону к вставленному контактному штырю и поэтому в рамках описанного здесь способа может рассматриваться как самостоятельный «первый контактный элемент». Однако для работы штепсельного устройства интерес представляет, как правило, только переходное контактное сопротивление, образованное всеми контактными пальцами совместно (в параллельном включении) с соответствующим контактным штырем, так что контактные пальцы одного и того же гнезда в рамках описанного здесь способа могут рассматриваться как единственный «первый контактный элемент». Переходное контактное сопротивление к этому «первому контактному элементу» образовано тогда параллельным включением переходных контактных сопротивлений с отдельными контактными пальцами.
В гнездах с несколькими контактными пальцами эти пальцы могут быть электрически соединены между собой на свободных («дистальных») концах, например посредством огибающего снаружи пружинного кольца, которое давит на контактные пальцы внутрь. Если же два или более контактных пальцев гнезда вне общего основания электрически отделены друг от друга, то рассматриваемая токовая цепь может быть образована так, что они расположены в ней последовательно. Одна часть контактных пальцев образует тогда первый участок токовой цепи, а другая часть контактных пальцев – второй участок, причем оба этих участка электрически соединены, с одной стороны, вставленным контактным штырем, а, с другой стороны, – общим основанием контактных пальцев. При такой конфигурации одна часть контактных пальцев может быть расположена, например, с одной стороны, а другая часть контактных пальцев – с другой стороны кольцеобразного магнитного сердечника, так что в целом образуется виток вторичной обмотки в соответствии с приведенным выше описанием.
Приведенные рассуждения относятся аналогичным образом также к случаю разделенного в продольном направлении контактного штыря, причем части этого штыря играют роль контактных пальцев.
В случае более общих конструктивных форм контактных элементов также может быть расположен магнитный сердечник, охватывая контактную зону между первым и вторым контактными элементами. В этом случае, например, независимо от выступания контактных пальцев возможно наведение напряжения в рассматриваемой токовой цепи.
В зависимости от конфигурации описанный способ взаимодействует по-разному с эксплуатацией штепсельного устройства. При рассмотренном выше определении падения напряжения в представляющей интерес контактной зоне эксплуатация штепсельного устройства необходима, например, для осуществления способа. В случае оценки при наведении индукционного напряжения, напротив, протекающие при эксплуатации высокие токи могут мешать. Поэтому, как правило, может быть предпочтительным, если оценка предложенным способом синхронизируется с протеканием рабочего тока. Например, в смысле синхронизации подключения/выключения это может означать, что оценка происходит только тогда, когда рабочий ток не течет, или, наоборот, происходит только тогда, когда рабочий ток течет. Кроме того, синхронизация может быть отнесена также к модуляции рабочего тока, например когда измерения проводятся предпочтительно в области прохождения рабочего переменного тока через нуль.
Согласно второму аспекту, изобретение относится к штепсельному устройству (далее также «первое штепсельное устройство») по меньшей мере с одним первым контактным элементом, который в контактной зоне контактирует со вторым (ответным) контактным элементом второго ответного штепсельного устройства в соединенном состоянии штепсельных устройств, причем штепсельное устройство выполнено для оценки свойств по меньшей мере одной токовой цепи, которая содержит первый контактный элемент, контактную зону, а из второго штепсельного устройства – только второй контактный элемент и в качестве опции дополнительные контактные элементы второго штепсельного устройства.
Устройство выполнено, тем самым, для осуществления способа по одному из описанных выше вариантов. Относящиеся к способу пояснения и модификации относятся поэтому также к штепсельному устройству и наоборот.
Согласно одному варианту, штепсельное устройство содержит предпочтительно, по меньшей мере один щуп, который расположен в первом штепсельном устройстве и в соединенном со вторым штепсельным устройством состоянии контактирует с ответным вторым контактным элементом в дополнительной контактной зоне. Щуп обычно электрически изолирован от первого контактного элемента, так что он обеспечивает отдельный электрический доступ ко второму контактному элементу.
В другом варианте штепсельное устройство содержит магнитный сердечник, который окружает первый контактный элемент и/или щуп описанного выше рода и/или контактную зону. С помощью такого магнитного сердечника можно навести напряжение в первом контактном элементе или щупе и, тем самым, в рассматриваемой токовой цепи. Предпочтительно на магнитном сердечнике для этой цели находится первичная обмотка. В качестве опции сердечник может быть огибающе-замкнутым или иметь локальный или распределенный разрыв («воздушный зазор»).
Штепсельное устройство может содержать также оценочную схему для оценки свойств указанной токовой цепи способом, согласно одному из описанных выше вариантов.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах его осуществления, изображенных на чертежах, на которых представлены:
фиг. 1 - гнезда первого штепсельного устройства (муфта) и штепсельная вилка в качестве второго штепсельного устройства с ответными гнездам контактными штырями;
фиг. 2 - схематично токовая цепь, содержащая гнездо, контактный штырь и щуп со стороны гнезда, который контактирует с контактным штырем внутри гнезда;
фиг. 3 - схематично токовая цепь, содержащая контактный штырь, гнездо и щуп со стороны штепселя в двух вариантах выполнения;
фиг. 4 - схематично токовая цепь, содержащая гнездо, контактный штырь и два щупа со стороны гнезда;
фиг. 5 - схематично токовая цепь, содержащая гнездо, контактный штырь и щуп со стороны гнезда, который контактирует с контактным штырем вне гнезда;
фиг. 6 - токовая цепь с фиг. 2 с наложенной эквивалентной схемой цепи;
фиг. 7 - эквивалентная схема цепи для непосредственного измерения сопротивления;
фиг. 8 - эквивалентная схема цепи с фиг. 7, дополненная рабочим контуром, предназначенная для измерения падения напряжения в контактной зоне в рабочих условиях;
фиг. 9 - эквивалентная схема цепи с фиг. 8, дополненная источником напряжения для создания пробоя (точечного контактирования) в контактной зоне щупа;
фиг. 10 - вид сверху на устройство из двух контактных пальцев внутри и двух контактных пальцев снаружи магнитного сердечника для генерирования индукционного напряжения;
фиг. 11 - устройство с фиг. 10 при виде сбоку;
фиг. 12 - эквивалентная схема цепи устройства с фиг. 10 и 11;
фиг. 13 - примерные кривые действительной и мнимой частей входного импеданса системы с фиг. 10 и 11 в зависимости от переходного контактного сопротивления в контактной зоне;
фиг. 14 - альтернативное расположение магнитного сердечника вокруг контактного штыря и между двумя контактными зонами;
фиг. 15 - расположение магнитного сердечника относительно контактного штыря в перспективе, причем магнитный сердечник должен охватывать контактную зону между контактным штырем и контактным пальцем гнезда (не показано);
фиг. 16 - продольный разрез компоновки, показанной на фиг. 15, с одновременным изображением гнезда;
фиг. 17 - разрез по линии А из фиг. 16;
фиг. 18 - разрез по линии В из фиг. 16;
фиг. 19 - схематично токовая цепь, содержащая контактный штырь, гнездо и прижатый щуп со стороны гнезда, для измерения кондуктивной и/или емкостной проводимости токовой цепи;
фиг. 20 - схематично токовая цепь, содержащая контактный штырь, гнездо и щуп со стороны гнезда, а также механически связанную со щупом схему обнаружения состояния соединения;
фиг. 21 - видоизменение устройства, показанного на фиг. 11, с измерительной катушкой вокруг токовой цепи.
На фиг. 1 для наглядности изображены только гнезда BU, в перспективе, из муфты, являющейся первым штепсельным устройством SV1. В данном примере каждое из пяти гнезд BU состоит из цилиндрического основания, от которого отходят четыре параллельно отстоящих контактных пальца KF, охватывающих цилиндрическую полость. Далее показана штепсельная вилка в качестве второго штепсельного устройства SV2 с ответными гнездам контактными штырями ST. При соединении штепсельной вилки SV2 с муфтой SV1 контактные штыри ST в контактной зоне вступают в электропроводящий контакт с гнездами BU.
Вследствие процессов старения, коррозии, загрязнения и т.п. в контактных зонах может возникнуть относительно высокое переходное контактное сопротивление, которое приводит к неприемлемо высокому возникновению потерь тепла. Поэтому желательно определить или контролировать электрические свойства контакта в контактных зонах, в частности переходное контактное сопротивление в контактной зоне между контактным штырем ST и соответствующим гнездом BU.
При этом необходимые для такого определения компоненты должны быть размещены, по возможности, только в одном из двух штепсельных устройств SV1, SV2, с тем чтобы контроль не зависел от вида и происхождения используемого ответного штепсельного устройства. В большинстве описанных ниже примеров требуемые компоненты размещены в муфте в качестве первого штепсельного устройства SV1, тогда как штепсельная вилка в качестве второго штепсельного устройства SV2 может быть, в принципе, любой. Однако соответствующие пояснения относятся (с соответствующими согласованиями) также к муфте и штепсельной вилке, которые поменялись ролями.
На фиг. 2 изображено схематичное частичное сечение первого контактного элемента в виде гнезда BU, в которое в качестве ответного второго контактного элемента вставлен контактный штырь ST. Гнездо BU может быть замкнутой по кругу втулкой или состоять из нескольких, отстоящих от основания контактных пальцев. Последние могут быть отделены на свободном дистальном конце (фиг. 1) или электрически соединены между собой. Между штырем ST и гнездом BU или его контактными пальцами имеется (по меньшей мере) одна контактная зона, через которую при эксплуатации течет рабочий ток. Свойства контакта в этой контактной зоне, в частности имеющееся там переходное контактное сопротивление, должны определяться, согласно изобретению, расположенными в муфте компонентами.
Описанная выше конструкция соответствует случаю с традиционными штепсельными устройствами и образует также начальную позицию на последующих фиг. 3-5, 19, 20.
В варианте на фиг. 2, исходя из этой начальной позиции, предусмотрено, что на дне гнезда BU расположен электропроводящий щуп F, острие которого контактирует с штырем ST, когда тот полностью вставлен в гнездо. При этом касание происходит с нормальным контактным усилием, а на усилия вставки и извлечения это почти не влияет. Щуп F может быть выполнен, например, из пружинной проволоки из нейзильбера или бронзы (оба материала обладают очень хорошими пружинящими свойствами, коррозионной стойкостью от хорошей до очень хорошей и необязательно требуют покрытия). Кроме того, щуп электрически изолирован от гнезда BU и выведен наружу к выводу b.
Второй вывод а выполнен к материалу гнезда BU. Между выводами а, b образуется, тем самым, токовая цепь, содержащая следующие компоненты:
- гнездо BU;
- контактный штырь ST, контактирующий с гнездом в представляющей интерес контактной зоне;
- щуп F, контактирующий с штырем ST в отдельной второй контактной зоне.
К выводам а, b может быть подключена подходящим образом выполненная оценочная схема (не показана) для определения свойств токовой цепи и, в частности, представляющей интерес контактной зоны.
На фиг. 3 изображен вариант, в котором измерение контактных свойств происходит со стороны штепселя. Для этой цели предусмотрены два вывода а, b, из которых один (b) соединен со штырем ST, а другой (а) отдельно от него – с щупом F, который во вставленном состоянии контактирует снаружи с гнездом BU.
Вставка на фиг. 3 внизу справа показывает альтернативный вариант, в котором контактный штырь ST’ имеет проходящую в осевом направлении выемку или паз. В этом пазу изолированно от штыря ST’ расположен щуп F’, который может контактировать с гнездом BU изнутри.
На фиг. 4 изображен вариант, аналогичный варианту на фиг. 2, однако дополнительно к первому щупу F1 предусмотрен второй щуп F2, который контактирует с контактным штырем ST в отдельной третьей контактной зоне и, будучи электрически отделен от гнезда и первого щупа F1, ведет к выводу с. В этом случае подходящая оценочная схема может использовать все три вывода а, b и с.
На фиг. 5 изображена конструкция, альтернативная фиг. 2, в которой щуп F прилегает не к дну гнезда BU, а контактирует со контактным штырем ST вне гнезда.
Ü
F
Ü
F
На фиг. 6 изображена эквивалентная схема образованной цепи для устройства на фиг. 2. Лежащая между выводами а, b токовая цепь проходит через основание и контактные пальцы гнезда, оттуда через представляющее интерес переходное контактное сопротивление Ü в штырь, от него через дополнительное переходное контактное сопротивление R во второй контактной зоне между штырем и щупом в щуп и заканчивается наконец в выводе b. Внутри массивного материала гнезда и контактного штыря сопротивлением можно, как правило, пренебречь по сравнению с переходными контактным сопротивлениям R, R в контактных зонах.
Ü
F
Ü
F
Ü
На фиг. 7 еще раз изображена эквивалентная схема цепи с фиг. 6, причем дополнительно между выводами а, b включен измерительный прибор. При этом речь может идти об омметре, которым измеряется сопротивление в токовой цепи, складывающееся, в основном, из двух последовательных переходных контактных сопротивлений R, R. Однако, поскольку оба сопротивления заранее неизвестны, такое измерение суммы (R + R) не позволило бы сделать выводы о представляющем интерес переходном сопротивлении R.
Ü
F1
F2
Ü
F1
Ü
F2
F1
F2
Ü
Выход из этой ситуации дает устройство из фиг. 4, в котором имеются два щупа F1, F2 и, тем самым, три (неизвестных) переходных сопротивления R, R, R. За счет трех независимых измерений общего сопротивления R1 = (R + R) между а и b, общего сопротивления R2 = (R + R) между а и с, а также общего сопротивления R3 = (R+ R) между b и с можно тогда определить представляющее интерес переходное контактное сопротивление R. Условием является то, чтобы три переходных контактных сопротивления R1, R2, R3 можно было измерить с достаточной точностью.
Ü
X
B
Ü
B
Фиг. 8 иллюстрирует другой принцип измерения, который обходится единственным щупом (см. фиг. 2, 3, 5) и проводится в рабочем состоянии штепсельного устройства. В правой части фиг. 8 показан рабочий контур, содержащий источник Q переменного напряжения, представляющее интерес переходное контактное сопротивление R и потребитель R. Протекающий в этом контуре рабочий тока I создает на переходном сопротивлении R падение U напряжения. Это падение может быть измерено вольтметром на выводах а, b.
F
B
Ü
F
F
Неизвестное переходное контактное сопротивление R между щупом и контактным штырем не мешает при таком измерении напряжения, если оно достаточно мало по сравнению с внутренним сопротивлением вольтметра. Ибо созданное в рабочем контуре падение U напряжения на переходном контактном сопротивлении R создает измерительный ток через вывод а, вольтметр, вывод b и переходное контактное сопротивление R, которое мало вследствие высокого внутреннего сопротивления в вольтметре. К тому же высокое внутреннее сопротивление по сравнению с переходным контактным сопротивлением R заботится о том, чтобы на вольтметре падало, в основном, все напряжение.
F
D
На фиг. 9 изображено расширение схемы из фиг. 8, с помощью которого можно достичь упомянутого условия, заключающегося в том, что переходное контактное сопротивление R на щупе должно быть мало по сравнению с внутренним сопротивлением вольтметра. Для этого через выключатель S к выводам a, b прикладывается пробивное напряжение U достаточной величины. Подробно может иметь место следующий примерный процесс.
D
F,fritt
Сначала в примерно на 1 с замыкается выключатель S («фаза 1»). Напряжение U около 50 В вызывает то, что имеющиеся даже на состарившихся контактах изолирующие оксиды, посторонние слои и т.д. пробиваются, в результате чего затем через контакт и добавочное сопротивление RV около 500 Ом течет ток около 100 мА (= 50 В/500 Ом). После пробоя/точечного контактирования напряжение на переходе между щупом и контактным штырем составляет порядка напряжения плавления материала контактной поверхности. Например, для никеля температура плавления составляет 1453°С, а соответствующее напряжение плавления – 0,65 В. Созданное в результате точечного контактирования переходное контактное сопротивление R между щупом и контактным штырем составляет, тем самым, порядка 1В/100 мА = 10 Ом.
F,fritt
Для контроля можно при замкнутом выключателе S произвести измерение напряжения. В остальном фаза 1 служит лишь для того, чтобы создать переходное контактное сопротивление R между щупом и штырем, которое по меньшей мере на один порядок ниже высокого внутреннего сопротивления, с которым происходит измерение напряжения.
B
К началу следующей «фазы 2» выключатель S размыкается. Теперь измерение напряжения дает искомое падения напряжения U между контактным штырем и гнездом во время эксплуатации штепсельного устройства.
B
B
B
Ü
Если, с другой стороны, рабочий ток I известен, то оценочная схема может по падению U напряжения и току I вычислить переходное контактное сопротивление R. Однако даже без знания рабочего тока падение напряжения представляет собой ценную информацию: у штепсельного устройства при падении напряжения между контактным штырем и гнездом, например, до 25 мВ можно еще говорить о стабильной работе, однако самое позднее начиная примерно с 50 мВ длительная работа может быть поставлена под сомнение (у штепсельного устройства на 125 А это соответствует переходному контактному сопротивлению между контактным штырем и гнездом 0,4 мОм; возможны другие предельные значения напряжения).
Поскольку решающим признаком является измерение падения напряжения на фазе 2, при соответственно стабильном выполнении щупа можно, при необходимости, полностью отказаться от фазы 1.
За фазой 2 может непосредственно следовать снова фаза 1. Между обеими фазами может быть также включена фаза покоя («фаза 3»).
Альтернативный процесс измерения у устройства с двумя щупами может выглядеть следующим образом (со ссылкой на фиг. 4):
Фаза 1: кратковременный ток через а и b для «подготовки» перехода между первым щупом F1 и контактным штырем ST.
Фаза 2: через вывод а (гнездо BU) и вывод b (второй щуп F2) кратковременно подается ток, составляющий порядка более позднего рабочего тока (через гнездо BU и контактный штырь ST). При этом измеряется падение напряжения между а и b (первый щуп F1).
Фаза 3: если фаза 2 показала «в порядке», то, например, через контактор подключается рабочее напряжение/рабочий ток. В противном случае подается предупреждающее сообщение.
Способ может использоваться, тем самым для того, чтобы перед подключением рабочего тока проверить свойства перехода между контактным штырем и гнездом.
Преимущество описанных способов в том, они функционируют независимо от вида контакта штыря и гнездом («Х-Contact» в соответствии с WO 2016/184673 А1, торсионная пружина, и т.д.). Кроме того, они могут осуществляться во время текущей эксплуатации, и рабочий ток не искажает значений измерений.
На фиг. 10-18 изображен другой способ, при котором используется индукционное напряжение в токовой цепи. Такой способ осуществляется, в частности, с изображенными на фиг. 1 гнездами BU, у которых на общем основании параллельно друг другу отстоят два (или более) контактных пальца KF, не контактируя на дистальном конце.
На фиг. 10 изображен схематичный вид сверху на гнездо BU с четырьмя отдельными контактными пальцами KF1, KF2, KF3, KF4, проходящими по круговому сектору соответственно около 90°. Примерные размеры (диаметр, зазор) обозначены в мм. Два контактных пальца KF1, KF3 заключены в магнитомягкий сердечник МК (например, из нанокристаллического или аморфного материала, феррита или аналогичного магнитного материала), причем на лежащий вне гнезда участок огибающе-замкнутого сердечника МК, в свою очередь, намотана многослойная первичная обмотка PSP, например из лакированной медной проволоки. Первичная обмотка PSP соединена с оценочной схемой AS, посредством которой могут создаваться подходящие характеристики тока и/или напряжения.
ind
По принципу трансформатора колебания тока создают в первичной обмотке PSP изменяющееся магнитное поле, которое концентрируется сердечником МК и направляется дальше. Как показывает вид сбоку на фиг. 11, окруженные сердечником МК контактные пальцы KF1, KF3 и внешние контактные пальцы KF2, KF4 вследствие вставленного контактного штыря ST образуют замкнутую токовую цепь вокруг сердечника МК, которую можно рассматривать как вторичную обмотку с одним витком. Поэтому, переменное магнитное поле в сердечнике МК наводит внутри токовой цепи индукционное напряжение U и соответствующие индукционные токи (см. обозначенные на фиг. 10 острия стрелок в контактных пальцах KF1, KF3 и концы стрелок в контактных пальцах K2, KF4). Эти индуцированные токи должны течь через контактные зоны между контактными пальцами и контактным штырем ST и представляют собой, тем самым, желаемый сенсор переходных контактных свойств или переходного контактного сопротивления в контактных зонах.
В описанной конструкции речь идет, в конце концов, о двух последовательно включенных параллельных схемах из соответственно двух контактных пальцев согласно эквивалентной схеме цепи, показанной на фиг. 12, причем сопротивлениями материала для простоты пренебрегли. Общее сопротивление в этом индукционном контуре «вторичной обмотки» вычисляется при
13
Ü1
Ü3
Ü1
Ü3
R = RR / (R + R)
2
Ü2
Ü4
Ü2
Ü4
R4 = RR / (R + R)
как
ges,ind
13
24
R = R + R
В отличие от схемы на фиг. 12, при остальной эксплуатации штепсельного устройства имеет место параллельная схема контактных пальцев. Ее общее сопротивление составляет тогда
ges,B
13
24
13
24
R = RR / (R + R)
В случае если все переходные контактные сопротивления имеют одинаковую величину, т.е.
Ü1
Ü2
Ü3
Ü4
Ü
R = R = R = R = R
то справедливо:
ges,ind
Ü1
ges,B
Ü
ges,B
ges,ind
R = R, а R = R/4, т.е. R = R/4
ges,ind
ges,B
В случае если четыре переходных контактных сопротивления имеют неодинаковые значения (на практике статистически распределены), то выявленное описанным здесь способом измеренное значение R может превысить значение R, однако лежит, тем самым, «на надежной стороне».
ges,ind
B13
IB
B24
B
В видоизмененной концепции оценочная схема AS на первичной обмотке PSP могла бы быть выполнена таким образом, что с ее помощью определяются не только комплексный входной импеданс Z и, тем самым, R, но и с I, кроме того, измеряется доля рабочего тока , которая течет через заключенные в магнитный сердечник МК контактные пальцы KF1, KF3 на фиг. 10 (принцип трансформатора/преобразователя тока). Если оценочной схеме, кроме того, известен тока I через другие контактные пальцы KF2, KF4 или сам рабочий ток I (например, за счет измерения), то используются следующие отношения:
B
B13
B24
I = I + I
B24
24
B13
13
IR = IR
ges,ind
13
24
R = R + R
ges,B
13
24
13
24
R = RR / (R + R)
ges,B
Два последних отношения уже использовались. Если решить эту систему уравнений по R, то это приведет к:
ges,B
ges,ind
B13
B24
B13
B24
2
R = R II / (I + I)
ges,B
ges,B
С помощью этой формулы оценочная схема AS может предоставлять информацию не только о R, но и само R.
ges,ind
ges,ind
Для определения R с помощью оценочной схемы AS на фиг. 10, 11 измеряется (комплексный) входной импеданс Z первичной обмотки PSP, который зависит, в том числе, от R.
Ü
Ü
Ü
Ü
На фиг. 13 изображен результат имитации с типичными параметрами для использованных компонентов. При этом показаны действительная часть Re(Z(R)) и мнимая часть Im(Z(R)) комплексного входного импеданса Z в зависимости от переходного контактного сопротивления R (при приведенном выше предположении, что все отдельные переходные контактные сопротивления имеют одинаковую величину). График иллюстрирует, что входной импеданс Z измерительного контура при изменениях переходного контактного сопротивления R изменяется значительно. Подключенная к измерительному контуру оценочная схема AS может поэтому с помощью входного импеданса определять искомое переходное контактное сопротивление.
При моделировании предполагалось, что магнитный сердечник МК выполнен так, что при возбуждении с 127 А достигается плотность магнитного потока 1 Тл. При еще более сильном возбуждении следует считаться с постепенным насыщением магнитного контура. Это насыщение может наступить тогда, когда при тяжелом пуске в течение нескольких секунд текут токи заметно выше номинального тока, из которых примерно половина приходится на заключенные в сердечник оба контактных пальца. Подключенная электроника будет, следовательно, в области пикового значения рабочего тока измерять искаженные значения Z, однако вблизи прохождения рабочего тока через нуль обнаруживать рациональные значения. Поэтому в качестве опции оценочная схема AS может быть выполнена так, что она проводит измерение синхронно с рабочим током (50 Гц), в частности лишь близко к прохождению рабочего тока через нуль.
Описанный способ с наведением измерительного тока может в качестве опции осуществляться также с использованием щупа. Например, щуп F на фиг. 2 может играть роль лежащих вне (или внутри) магнитного сердечника контактных пальцев. Кроме того, вместо нескольких контактных пальцев может выступить также разделенный контактный штырь.
Лежащий в основе описанных концепций принцип заключается в том, что при каждом возбуждении с помощью магнитного сердечника могут исследоваться места контактирования между гнездом и штырем, если замкнутый, ведущий через электропроводящий материал путь (кривая, линия), который проходит через образованную магнитным сердечником поверхность, может быть образован только при одновременном участии контактных элементов первого и второго штепсельных устройств.
Эти условия могут быть достигнуты, помимо того, как это уже описано, также при других обстоятельствах. (Примечание: для наглядности витки первичной обмотки, которые охватывают магнитный сердечник аналогично трансформатору, на фиг. 14-18 не показаны).
Так, на фиг. 14 показано расположение магнитного сердечника МК, который проходит внутри гнезда ВU вокруг штыря ST, причем в осевом направлении с обеих сторон рядом с сердечником МК имеются контактные зоны между штырем ST и гнездом ВU. Токовая цепь подходящего вида проходит тогда от штыря ST через первую из контактных зон штырь/гнездо в гнездо ВU (или его контактный палец), а оттуда – через вторую из контактных зон штырь/гнездо обратно в штырь ST.
Другая концепция показана на фиг. 15-18. При этом через поверхность магнитного сердечника МК эффективно проходит только контактная зона между штырем ST и гнездом ВU.
Как показывает перспективный вид на фиг. 15, прямоугольный при виде сверху магнитный сердечник МК прилегает в форме полуцилиндра к штырю ST.
В осевом разрезе на фиг. 16 эта трехмерная форма магнитного сердечника МК представляется как прямоугольник. На фиг. 16 изображено также гнездо BU, содержащее два параллельных контактных пальца KF1, KF2. В зоне проходящей на 360° внешней втулочной пружины HF контактные пальцы KF1, KF2 касаются штыря ST соответственно в первой и второй контактной зонах. Первая из этих обеих контактных зон между первым контактным пальцем KF1 и контактным штырем ST (слева на фиг. 18 в сечении по линии В) охватывается магнитным сердечником МК.
Токовая цепь, в которой генерируется требующееся индукционное напряжение, проходит от штыря ST через первую контактную зону КF1/ST, первый контактный палец KF1, дно гнезда BU и/или втулочную пружину HF во второй палец KF2, а оттуда – через вторую контактную зону КF2/ST обратно в штырь ST.
Преимущество этого варианта в том, что он применим как в гнездах со свободно стоящими контактными пальцами, так и (как показано) в гнездах с дистально соединенными контактными пальцами.
В представленных примерах не обсуждалось, были ли рассмотренные токовые цепи проводящими кондуктивно или (только) с емкостной проводимостью. В любом случае все примеры функционируют с кондуктивной проводимостью, при которой через токовую цепь может протекать длительный постоянный ток.
Однако возможно также, чтобы рассмотренная токовая цепь по меньшей мере в одном месте имела только емкостную проводимость, т.е. содержала емкость в последующей схеме. Такая токовая цепь может не проводить никакого длительного постоянного тока, а проводить только переменный ток. Однако, несмотря на это, описанные примеры функционируют без изменений.
Использование токовой цепи только с емкостной проводимостью проиллюстрировано на фиг. 19. На ней схематично изображена токовая цепь, содержащая контактный штырь ST, гнездо BU и щуп F со стороны гнезда. В отличие от устройства на фиг. 2, внутри гнезда BU предусмотрена электроизолирующая прижимная подушка DK, которая прижимает щуп F к контактному штырю ST. Таким образом должно гарантироваться достаточно плотное касание между щупом F и штырем ST. Поэтому, даже если оксидные слои и т.п. воспрепятствуют кондуктивной электропроводности от щупа F к контактному штырю ST, то между ними образуется достаточно высокая емкость, которая допускает течение пригодного для использования высокого (переменного) тока в токовой цепи. Поэтому таких мер, как, например, описанное точечное контактирование, не потребовалось бы.
F
F
Iso
Электрическая эквивалентная схема такого устройства изображена на фиг. 19 наложенной, причем C обозначает емкость, а R – омическое сопротивление между щупом F и контактным штырем ST. R обозначает изоляционное сопротивление между щупом F и гнездом BU, которое составляет обычно порядка, по меньшей мере, 5 МОм.
F
F
В качестве опции в таком варианте посредством отдельного измерения определяются, прежде всего, только отношения на переходе между щупом F и контактным штырем ST, т.е. C и R, например за счет измерения без рабочего тока и/или измерения без вставленного контактного штыря ST. Результат этого определения может быть затем включен в проведение и/или оценку последующего собственно измерения, чтобы повысить его надежность.
Другое расширение изобретения проиллюстрировано на фиг. 20. В этой концепции речь идет о независимом обнаружении, вставлен ли вообще контактный штырь ST в гнездо BU. Таким образом, можно различать случаи «контактный штырь не вставлен» и «бесконечно высокое переходное сопротивление».
Преимущественно обнаружение вставленного состояния происходит механически, чтобы быть независимым от прохождения тока. Как видно на фиг. 20, щуп F может быть, например, механически связан с выключателем схемы DS обнаружения. В результате касания вставленного контактного штыря ST щуп F движется, и это движение механически преобразуется в размыкание (или замыкание) выключателя схемы DS обнаружения. Состояние выключателя может быть, в свою очередь, считано извне.
На фиг. 21 изображено видоизменение устройства из фиг. 11, причем ниже описаны только отличия, а в остальном дана ссылка на предшествующее описание.
P
В видоизмененном устройстве через первичную обмотку PSP в магнитном сердечнике МК также индуцируется переменное магнитное поле за счет того, что к ней подключается источник U переменного напряжения (этот источник переменного напряжения является на фиг. 11 частью (не показана) оценочной схемы AS).
(Реактивные) эффекты тока, индуцированного переменным магнитным полем сердечника в представляющей интерес токовой цепи, в этом устройстве не регистрируются больше через первичную обмотку PSP. Вместо этого вокруг токовой цепи расположена дополнительная обмотка, которая в качестве измерительной катушки MS соединена с оценочной схемой AS. В измерительной катушке MS непосредственно за счет протекания тока в токовой цепи, которую она окружает, индуцируется измеряемая электрическая величина (например, напряжение).
При этом через измерительную катушку MS может проходить вся токовая цепь, когда измерительная катушка MS охватывает все контактные пальцы одного направления тока (здесь KF2 и KF4 или KF1 и KF3). В качестве альтернативы можно было регистрировать также только часть токовой цепи, например когда измерительная катушка MS расположена только вокруг единственного контактного пальца.
В заключение еще раз перечислены важнейшие аспекты изобретения, которые могут быть реализованы по отдельности или в комбинации, причем заключенные в скобки ссылочные позиции относятся к примерным вариантам фигур:
Ü
А) способ определения электрических контактных свойств (R) в контактной зоне между первым контактным элементом (BU) первого штепсельного устройства (SV1) и ответным ему вторым контактным элементом (ST) второго штепсельного устройства (SV2), причем оцениваются свойства токовой цепи, которая содержит первый контактный элемент (BU), контактную зону, а из второго штепсельного устройства (SV2) лишь следующее: второй контактный элемент (ST) и, при необходимости, дополнительные контактные элементы второго штепсельного устройства (SV2),
причем
ind
а) в токовой цепи наводится индукционное напряжение (U), таким образом, что в токовой цепи могут быть проведены измерения, которые позволяют сделать выводы о представляющих интерес свойствах контакта, и/или
б) токовая цепь содержит по меньшей мере один щуп (F, F1, F2), который расположен в первом штепсельном устройстве (SV1) и в соединенном состоянии контактирует со вторым контактным элементом (ST), и/или
в) токовая цепь содержит по меньшей мере два щупа (F, F1, F2), которые расположены в первом штепсельном устройстве (SV1) и в соединенном состоянии контактируют со вторым контактным элементом (ST), и/или
D
г) токовая цепь содержит по меньшей мере один щуп (F, F1, F2), который расположен в первом штепсельном устройстве (SV1) и в соединенном состоянии контактирует со вторым контактным элементом (ST), причем между щупом (F, F1, F2) и вторым контактным элементом (ST) прикладывается пробивное напряжение (U), и/или
B
д) оценка синхронизируется с протеканием рабочего тока (I) через контактную зону и/или
е) токовая цепь содержит, по меньшей мере один щуп (F, F1, F2), который расположен в первом штепсельном устройстве (SV1) и в соединенном состоянии контактирует со вторым контактным элементом (ST), причем в токовой цепи имеется емкость более чем примерно 10 пФ, которая обеспечивает протекание переменного тока в токовой цепи, и/или
B
B
ж) через токовую цепь измеряется падение (U) напряжения, возникающее при прохождении рабочего тока (I) через контактную зону, и/или
з) токовая цепь образует вторичную обмотку на магнитном сердечнике (МК), на котором расположена также первичная обмотка (PSP).
Б) Штепсельное устройство (SV1), по меньшей мере, с одним первым контактным элементом (BU), который в соединенном состоянии контактирует в контактной зоне с ответным вторым контактным элементом (ST) второго штепсельного устройства (SV2), причем оно имеет токовую цепь, содержащую первый контактный элемент (BU), контактную зону, а из второго штепсельного устройства (SV2) только следующее: ответный второй контактный элемент (ST) и, при необходимости, дополнительные контактные элементы второго штепсельного устройства (SV2),
причем
ind
а) оно содержит средства для наведения индукционного напряжения (U) для способа по п. А) и/или
б) оно содержит по меньшей мере один щуп (F, F1, F2), который в соединенном состоянии контактирует с ответным вторым контактным элементом (ST) второго штепсельного устройства (SV2), и/или
в) оно содержит по меньшей мере два щупа (F, F1, F2), которые в соединенном состоянии контактируют с ответным вторым контактным элементом (ST) второго штепсельного устройства (SV2), и/или
D
г) оно содержит, по меньшей мере, один щуп (F, F1, F2), который в соединенном состоянии контактирует с ответным вторым контактным элементом (ST) второго штепсельного устройства (SV2), и средства для формирования пробивного напряжения (U) и/или
д) оно содержит магнитный сердечник (МК), который окружает первый контактный элемент (BU) и/или щуп (F) и/или контактную зону, и/или
е) оно содержит оценочную схему (AS) для оценки свойств токовой цепи способом по п. А).