Methoden der Temperaturbestimmung von elektrischen Entladungen bei Öffnungs-Kontaktvorgängen in zündfähigen Gasen
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Carsten Uber
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik, Themenschwerpunkt: Sicherheitstechnische Charakterisierung von elektrischen Entladungen im Bereich niedriger Spannungen von Kontaktvorgänge in explosiven Gemischen.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3629
,
Rajiv Shekhar
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik, Themenschwerpunkt: Simulation von elektrischen Entladungen mit Zündungen im Bereich niedriger Spannungen von Kontaktvorgänge in explosiven Gemischen.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3666
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsschutz in Energietechnik, Themenschwerpunkt: Experimentelle Untersuchungen des Zündprozesses durch elektrische Entladungen geringer Energie.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.51 Analyse und Simulation im Explosionsschutz, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3666
Arbeitsgruppenleiter AG 3.62 „Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensortechnik“, Aufgabenschwerpunkte: Grundlagenuntersuchungen zur Zündgrenzwertbestimmung elektrischer Entladungen im Niederspannungsbereich für den elektrischen Explosionsschutz, sicherheitstechnische Bewertung komplexer Systeme sowie Mitarbeit in nationalen und internationalen Normungsgremien.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3620
Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau, Themenschwerpunkt: Temperaturmesstechnik, numerische Temperaturfeldberechnungen.
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Tel.: 03677 69 1487, Fax: 03677 69 1412
Direktor des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und Leiter des Fachgebiets Prozessmesstechnik, Technische Universität Ilmenau.
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Tel.: 03677 69 1398, Fax: 03677 69 1412
Zusammenfassung
Für elektrische Entladungen, die bei niedrigen Spannungen von 20–40 V und Strömen von 40–100 mA nach der Öffnung eines elektrischen Kontaktes in explosiven Atmosphären auftreten, wurden erste spektroskopische Untersuchungen hinsichtlich der dabei entstehenden Temperatur durchgeführt. Diese Metalldampf-Entladungen, die ähnlich dem „kurzen Bogen“ (short arc) sind, werden im international standardisierten Funkenprüfgerät gemäß IEC 60079-11 erzeugt, um die Eignung elektrischer Komponenten in explosionsgeschützten Bereichen zu beurteilen.
Die Temperatur ist bei diesen komplexen Zündvorgängen, die im Funkenprüfgerät auftreten, ein Schlüsselparameter. Einerseits ist die Temperatur der Kontaktmaterialien für die Beurteilung der zwingend erforderlichen Vorprozesse vor der Hauptentladung relevant, andererseits kann die Wirkung der Entladung durch die Elektronen-, Ionen und Gastemperatur charakterisiert werden. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Stand zur Temperaturmessung dieser elektrischen Entladungen, einschließlich der Herausforderungen, die dem genaueren Verständnis dieser Entladungsvorgänge und des thermochemischen Zündprozesses dienen sollen. Für Entladungen mit 30 V und 100 mA unter den genannten Rahmenbedingungen wurden Anregungstemperaturen im Bereich von 3500–5000 K gemessen und berechnet.
Abstract
Electrical discharges generated by low voltages of 20 to 40 V and currents of 40 to 100 mA and occurring between opening electrical contacts in an explosive atmosphere, were investigated by spectroscopy to determine the resulting temperature. These metal-vapor discharges, which are similar to the “short arc”, are generated in the internationally standardized spark-testing device according to IEC 60079-11, in order to assess the suitability of electrical components in explosive areas.
The temperature is a key parameter of these complex processes in the spark test apparatus. On the one hand, the temperature of the contact materials is relevant for the understanding of the necessary preliminary processes before the main discharge. On the other hand the effect of the discharge can be characterized by the electron-, ion- and gas-temperature.
This article describes the current state of the temperature measurement of these electrical discharges, including the challenges in gaining a deeper understanding of these discharge processes and the thermochemical ignition process. For discharges with 30 V and 100 mA and under the specified conditions, excitation temperatures in the range of 3500–5000 K were measured and calculated.
About the authors
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik, Themenschwerpunkt: Sicherheitstechnische Charakterisierung von elektrischen Entladungen im Bereich niedriger Spannungen von Kontaktvorgänge in explosiven Gemischen.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3629
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik, Themenschwerpunkt: Simulation von elektrischen Entladungen mit Zündungen im Bereich niedriger Spannungen von Kontaktvorgänge in explosiven Gemischen.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3666
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Explosionsschutz in Energietechnik, Themenschwerpunkt: Experimentelle Untersuchungen des Zündprozesses durch elektrische Entladungen geringer Energie.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 3.51 Analyse und Simulation im Explosionsschutz, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Tel.: 0531 592 3666
Arbeitsgruppenleiter AG 3.62 „Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensortechnik“, Aufgabenschwerpunkte: Grundlagenuntersuchungen zur Zündgrenzwertbestimmung elektrischer Entladungen im Niederspannungsbereich für den elektrischen Explosionsschutz, sicherheitstechnische Bewertung komplexer Systeme sowie Mitarbeit in nationalen und internationalen Normungsgremien.
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Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau, Themenschwerpunkt: Temperaturmesstechnik, numerische Temperaturfeldberechnungen.
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Tel.: 03677 69 1487, Fax: 03677 69 1412
Direktor des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und Leiter des Fachgebiets Prozessmesstechnik, Technische Universität Ilmenau.
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Tel.: 03677 69 1398, Fax: 03677 69 1412
Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei Thomas Uehlken, Adam Kübler, Markus Sinnigen und Jan Nothnagel für die experimentelle Arbeit und Ulrich Johannsmeyer für die sicherheitstechnischen Gespräche zu dieser Thematik. Katharina Salffner, Sven Pape und Peter Sperfeld der Arbeitsgruppe 4.11 Spektroradiometrie danke ich für die Messung der Kalibrierleuchten. Ebenfalls geht ein Dank an das Institut für Niedertemperaturplasma (INP, Greifswald), Sergey Gortschakow und Dirk Uhrland für die fachliche Unterstützung bei der Plasma-Technologie, insbesondere zur Bereitstellung der Daten für die Leitfähigkeit von Cadmium-Dampf. Für den elektrotechnischen Aspekt danke ich dem Fachgebiet Elektrische Geräte und Anlagen der TU Ilmenau Bogdan Barbu und Frank Berger sowie vom Institut Elenia der TU Braunschweig Tobias Runge, Tobias Kopp und Michael Hilbert. Außerdem danken wir der Fa. bgk infrarotservice GmbH, Herrn Hermann Kaubitzsch, für die Bereitstellung der Kameras des Herstellers FLIR.
©2017 Walter de Gruyter Berlin/Boston
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