DE102014211850A1

DE102014211850A1 - Optical sensor device for detecting diffused light and using the same

Info

Publication number: DE102014211850A1
Application number: DE102014211850.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nerreter; Axel Beier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zur Detektion von diffusem Licht mit einem Sensorkopf 13. Diffuses Licht kann beispielsweise durch Lichtbögen in Komponenten der Mittelspannungstechnik entstehen und muss zur Aktivierung von Sicherheitsmaßnahmen detektiert werden. Um die hierbei auftretende Dämpfung möglichst gering zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Sensorkopf ein optischer Baustein 20 zum Einsatz kommt, der rauhe Oberflächenanteile zum Einfangen des diffusen Lichts zur Verfügung stellt. Gleichzeitig dient der Baustein 20 dazu, um ein Referenzsignal 21 mit möglichst geringer Dämpfung über Reflexionsflächen 25 in dem Baustein umzulenken und über einen Lichtleiter 18, der auch zum Empfang des diffusen Lichtes dient, zu einer Auswertungsvorrichtung weiterzuleiten. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Sensorkopfes der beschriebenen Art in einer Komponente der Mittelspannungstechnik.The invention relates to an optical sensor device for detecting diffuse light with a sensor head 13. Diffused light can be produced, for example, by arcs in components of medium voltage technology and must be detected to activate safety measures. In order to keep the damping occurring as low as possible, it is provided according to the invention that an optical component 20 is used in the sensor head, which provides rough surface portions for capturing the diffuse light. At the same time, the module 20 is used to redirect a reference signal 21 with the lowest possible attenuation via reflection surfaces 25 in the module and to pass it on to an evaluation device via an optical waveguide 18, which also serves to receive the diffuse light. Furthermore, the invention relates to a use of a sensor head of the type described in a component of medium voltage technology.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zur Detektion von diffusem Licht mit einem Sensorkopf und eine Verwendung derselben. Dieser Sensorkopf weist einen ersten Eingang zum Empfangen mindestens eines Teils des zu detektierenden diffusen Lichts auf. Außerdem weist der Sensorkopf einen zweiten Eingang zum Empfang eines Lichtsignals auf. Dieses Lichtsignal wird als Referenzsignal detektiert, um die Funktion der Sensorvorrichtung zu überprüfen. Hierbei wird ein Referenzsignal ausgegeben. Das diffuse Licht ist das eigentlich zu detektierende Licht, welches zur Erzeugung eines Nutzsignals führt. Der Sensorkopf weist weiterhin einen Lichtleiter auf, der eine Stirnseite als optische Empfangsfläche in dem Sensorkopf zur Verfügung stellt. Die Empfangsfläche ist so ausgerichtet, dass das zu detektierende diffuse Licht und auch das Lichtsignal zumindest zum Teil auf die Empfangsfläche treffen. The invention relates to an optical sensor device for detecting diffuse light with a sensor head and a use thereof. This sensor head has a first input for receiving at least part of the diffuse light to be detected. In addition, the sensor head has a second input for receiving a light signal. This light signal is detected as a reference signal to check the operation of the sensor device. Here, a reference signal is output. The diffused light is actually the light to be detected, which leads to the generation of a useful signal. The sensor head further comprises a light guide, which provides an end face as an optical receiving surface in the sensor head. The receiving surface is oriented so that the diffuse light to be detected and also the light signal strike the receiving surface at least in part.

Sensorvorrichtungen der eingangs angegebenen Art sind bekannt. Diese werden beispielsweise verwendet, um in Komponenten der Mittelspannungstechnik das Auftreten von elektrischen Entladungen (Spannungsüberschläge) zu detektieren, wobei diese mit der Ausbildung elektrischer Lichtbögen verbunden sind. Die Lichtbögen erzeugen ein diffuses Licht, welches mittels der Sensorvorrichtung detektiert werden kann. Gemäß der US 2010/0072355 A1 und der US 2010/0072352 A1 ist eine Sensorvorrichtung der eingangs angegebenen Art beschrieben. Diese weist einen Sensorkopf auf, in dem ein Lichtleiter eine Stirnseite mit einer optischen Empfangsfläche zur Verfügung stellt. Das diffuse Licht kann über einen Eingang in den Sensorkopf gelangen. Das Lichtsignal wird über einen zweiten Lichtleiter in den Sensorkopf eingeleitet, wobei dieser ebenfalls eine Stirnseite zur Verfügung stellt, aus der das Lichtsignal ausgekoppelt werden kann. Die beiden Stirnflächen sind in dem Sensorkopf einander zugeneigt montiert, was dadurch erreicht wird, dass die optischen Achsen der Lichtleiter nicht parallel, sondern in einem Winkel zueinander verlaufen. Daher kann das Lichtsignal, welches aus dem zweiten Lichtleiter ausgekoppelt wird, in den ersten Lichtleiter eingekoppelt werden. Dabei entsteht bauartbedingt eine Dämpfung, da ein Teil des Lichtsignals von dem Sensorkopf absorbiert wird. Gleiches gilt auch für das zu detektierende diffuse Licht, welches beispielsweise aus einem Gehäuse eines Mittelspannungsschalters ausgekoppelt wurde. Sensor devices of the type described are known. These are used, for example, to detect the occurrence of electrical discharges (voltage flashovers) in components of medium-voltage technology, these being associated with the formation of electrical arcs. The arcs generate a diffused light which can be detected by means of the sensor device. According to the US 2010/0072355 A1 and the US 2010/0072352 A1 a sensor device of the type specified is described. This has a sensor head in which a light guide provides an end face with an optical receiving surface. The diffused light can enter the sensor head via an input. The light signal is introduced via a second optical fiber into the sensor head, wherein this also provides an end face, from which the light signal can be coupled out. The two end faces are mounted inclined towards one another in the sensor head, which is achieved in that the optical axes of the light guides are not parallel but at an angle to each other. Therefore, the light signal which is coupled out of the second light guide can be coupled into the first light guide. As a result of the design, attenuation arises because part of the light signal is absorbed by the sensor head. The same applies to the diffuse light to be detected, which was coupled out of a housing of a medium-voltage switch, for example.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Sensorvorrichtung der eingangs angegebenen Art derart weiterzubilden, dass Verluste bei der Übertragung des diffusen Lichts und der Übertragung des Lichtsignals im Sensorkopf minimiert werden können, und eine Verwendung der verbesserten Sensorvorrichtung anzugeben. The object of the invention is to develop an optical sensor device of the type specified in such a way that losses in the transmission of the diffused light and the transmission of the light signal in the sensor head can be minimized, and to specify a use of the improved sensor device.

Diese Aufgabe wird durch die eingangs angegebene Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Sensorkopf ein transparenter optischer Baustein vorgesehen ist. Dieser Baustein weist eine optisch glatte Eintrittsfläche für das Lichtsignal auf. Unter optisch glatt im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die Eintrittsfläche das Licht ohne eine Streuung desselben in den Baustein eintreten lässt und dass die optisch glatte Fläche dazu geeignet ist, abhängig vom Eintrittswinkel das Licht zu brechen oder zu reflektieren. Eine solche optische Fläche lässt sich beispielsweise durch Polieren derselben erzeugen. Weiterhin sind eine optisch glatte Austrittsfläche für das Lichtsignal und das diffuse Licht vorgesehen und es gibt eine optisch glatte Reflexionsfläche oder mehrere optisch glatte Reflexionsflächen, die so ausgerichtet ist oder sind, dass das Lichtsignal von der Eintrittsfläche zur Austrittsfläche umgelenkt wird (und zwar durch Reflektion desselben). Außerhalb der Eintrittsfläche, Austrittsfläche und der einen oder mehreren Reflexionsflächen ist zumindest ein Teil der Oberfläche des Bausteins optisch streuend ausgeführt. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Oberfläche dazu geeignet ist, in dem Baustein eintretendes Licht zu streuen, so dass dessen Strahlenverlauf chaotisch verläuft. Eine optisch streuende Fläche des Bausteins kann durch Einstellen einer bestimmten Oberflächenrauigkeit erzielt werden. Hierzu wird der optische Baustein einer geeigneten Oberflächenbehandlung (beispielsweise Sandstrahlen oder Schleifen) ausgesetzt. Eine streuende Oberfläche kann aber auch urformtechnisch durch die Oberflächenbeschaffenheit des Formwerkzeugs erzeugt werden. This object is achieved by the above-mentioned sensor device according to the invention in that a transparent optical component is provided in the sensor head. This module has an optically smooth entrance surface for the light signal. Optically smooth in the sense of the invention is to be understood as meaning that the entrance surface allows the light to enter the module without scattering it, and that the optically smooth surface is suitable for breaking or reflecting the light as a function of the angle of incidence. Such an optical surface can be produced, for example, by polishing it. Furthermore, an optically smooth exit surface for the light signal and the diffused light are provided, and there is an optically smooth reflection surface or a plurality of optically smooth reflection surfaces, which is or are oriented such that the light signal is deflected from the entrance surface to the exit surface (by reflection thereof ). Outside the entrance surface, exit surface and the one or more reflection surfaces, at least part of the surface of the device is optically scattering. For the purposes of the invention, this means that the surface is suitable for scattering light entering the module, so that its beam path is chaotic. An optically scattering surface of the device can be achieved by setting a certain surface roughness. For this purpose, the optical component of a suitable surface treatment (such as sandblasting or grinding) is exposed. However, a scattering surface can also be produced by the surface finish of the molding tool.

Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Bausteins der transparent sowohl für das diffuse Licht wie auch für das Lichtsignal ist (das heißt, dass das zu messende Licht sich in dem optischen Baustein ausbreiten kann) kann vorteilhaft eine Optimierung der Lichtverluste erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß durch zwei optische Prinzipien verwirklicht. Einerseits wird das Lichtsignal durch die optisch glatten Flächen total reflektiert, wodurch der Strahlengang des Lichtsignals gezielt auf die Stirnseite des ersten Lichtleiters als Empfangsfläche ausgerichtet werden kann, wodurch die Leistungsverluste vorteilhaft minimiert werden. Das diffuse zu detektierende Licht kann jedoch auf diese Weise nicht eingefangen werden, da ein bestimmter Strahlengang des zu detektierenden Ereignisses (beispielsweise die spontane Zündung eines Lichtbogens) nicht vorhergesagt werden kann. Daher wird das zu detektierende diffuse Licht durch die optisch rauen Flächen des optischen Bausteins in diesen eingeleitet, wobei der chaotische Strahlverlauf des diffusen Lichts dazu führt, dass dieses teilweise zufällig entweder direkt in die Empfangsfläche des ersten Lichtleiters eingespeist wird oder nach Reflektion an optisch glatten Flächen zufällig zur Empfangsfläche des ersten Lichtleiters umgelenkt wird. Insofern haben die optisch glatten Flächen auch für das Einfangen des diffusen Lichts eine Funktion. Der Anteil an diffusem Licht, welcher auf diesem Wege in die Empfangsfläche eingespeist werden kann, wird vorteilhaft optimiert. Messungen an Sensorvorrichtungen mit Sensorköpfen gemäß dem Stand der Technik haben gezeigt, dass die Dämpfung aufgrund der Umlenkung des Lichtsignals im Sensorkopf bei mehr als 30 dB liegt. Erste Messungen mit einem Prisma als optischen Baustein, der zu einer Umlenkung des Lichtsignals um 180° verwendet wurde, haben eine Umlenkdämpfung von 18,5 dB bei einem sonst vergleichbaren Aufbau des Sensorkopfes ergeben. Zu erwarten ist, dass weitere Optimierungsschritte bei der Herstellung, Gestaltung und Anordnung des Prismas zu einer weiteren Verbesserung der Dämpfung, schätzungsweise bis 15 dB, führen können. Die Verbesserung der Umlenkdämpfung ermöglicht es vorteilhaft auch, mehrere Sensorköpfe beispielsweise bei Mittelspannungsapplikationen in Reihe zu schalten, wie dies gemäß dem eingangs angegebenen Stand der Technik beschrieben wird. By using the device according to the invention which is transparent both for the diffuse light and for the light signal (that is to say that the light to be measured can propagate in the optical component), an optimization of the light losses can advantageously be achieved. This is realized according to the invention by two optical principles. On the one hand, the light signal is totally reflected by the optically smooth surfaces, whereby the beam path of the light signal can be targeted to the end face of the first light guide as a receiving surface, whereby the power losses are advantageously minimized. However, the diffuse light to be detected can not be captured in this way, since a certain beam path of the event to be detected (for example, the spontaneous ignition of an arc) can not be predicted. Therefore, the diffuse light to be detected is introduced into the optically rough surfaces of the optical component in the latter, wherein the chaotic beam path of the diffuse light leads to this partially randomly either is fed directly into the receiving surface of the first light guide or is deflected by reflection on optically smooth surfaces at random to the receiving surface of the first light guide. In this respect, the optically smooth surfaces also have a function for capturing the diffuse light. The proportion of diffuse light which can be fed into the receiving surface in this way is advantageously optimized. Measurements on sensor devices with sensor heads according to the prior art have shown that the attenuation due to the deflection of the light signal in the sensor head is more than 30 dB. First measurements with a prism as optical component, which was used to deflect the light signal by 180 °, have resulted in a deflecting attenuation of 18.5 dB with an otherwise comparable design of the sensor head. It is to be expected that further optimization steps in the production, design and arrangement of the prism can lead to a further improvement in the attenuation, estimated at 15 dB. The improvement of the deflecting attenuation advantageously also makes it possible to connect several sensor heads in series, for example in medium-voltage applications, as described in accordance with the prior art mentioned at the outset.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Abstrahlungsfläche durch die Stirnseite eines zweiten Lichtleiters gebildet ist, wobei der zweite Lichtleiter durch den zweiten Eingang des Sensorkopfs verläuft. Dies hat den Vorteil, dass das Lichtsignal zuverlässig durch den Eingang des Sensorkopfs hindurch in das Innere desselben geleitet werden kann und dass der zweite Lichtleiter mit seiner Abstrahlungsfläche mit einer hohen Genauigkeit vor dem optischen Baustein platziert werden kann. Auch hierdurch lässt sich die Umlenkdämpfung vorteilhaft verbessern. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a radiating surface is formed by the end face of a second optical waveguide, wherein the second optical waveguide extends through the second input of the sensor head. This has the advantage that the light signal can be reliably conducted through the input of the sensor head into the interior of the same and that the second light guide can be placed with its radiating surface with high accuracy in front of the optical component. This also allows the Umlenkdämpfung improve advantageous.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Reflexionsfläche eine Umlenkung des Lichtsignals um 180° gewährleistet. Hierdurch kann ein einfacher Aufbau des Prismas sowie des Sensorkopfs verwirklicht werden. Fertigungstoleranzen lassen sich aufgrund der geforderten Parallelität der beiden Lichtleiter einfach überprüfen. Allerdings ist es auch möglich, dass die Lichtleiter nicht in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet werden. Dies muss lediglich bei der Winkelstellung der Reflexionsflächen berücksichtigt werden, so dass die Umlenkung in einem Winkel ungleich 180° erfolgt, der von dem Winkel der beiden Lichtleiter zueinander abhängig ist (Umlenkwinkel = 180° + Winkel der Lichtleiter zueinander). According to another embodiment of the invention, it is provided that the first light guide and the second light guide are arranged parallel to one another, wherein the reflection surface ensures a deflection of the light signal by 180 °. This allows a simple construction of the prism and the sensor head can be realized. Manufacturing tolerances can be easily checked due to the required parallelism of the two light guides. However, it is also possible that the light guides are not arranged at an angle of 180 ° to each other. This must be considered only in the angular position of the reflection surfaces, so that the deflection takes place at an angle other than 180 °, which is dependent on the angle of the two light guides to each other (deflection angle = 180 ° + angle of the light guide to each other).

Bei dieser Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der Baustein die Form eines Prismas, insbesondere die Form eines Dreiecksprismas, aufweist, wobei die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche auf ein und derselben Seitenfläche des Prismas liegen. Der Strahlengang des Lichtsignals verläuft dann beim Austritt und beim Eintritt jeweils senkrecht zu dieser Seitenfläche des Prismas, wobei in dessen Inneren die Umlenkung um 180° realisiert ist. Vorteilhaft lässt sich dies mit einem gleichschenkligen Prisma verwirklichen, wobei die beiden Schenkel des Dreiecks in einem Winkel von 90° zueinander stehen. In this embodiment, it is advantageous if the module has the shape of a prism, in particular the shape of a triangular prism, wherein the entrance surface and the exit surface lie on one and the same side surface of the prism. The beam path of the light signal then runs at the exit and at the entrance in each case perpendicular to this side face of the prism, in the interior of which the deflection is realized by 180 °. Advantageously, this can be achieved with an isosceles prism, wherein the two legs of the triangle are at an angle of 90 ° to each other.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Stirnseite des ersten Lichtleiters sowohl als Empfangsfläche als auch zur Abstrahlung des Lichtsignals zur Verfügung steht. Dies bedeutet, dass nur ein Lichtleiter sowohl für die Einspeisung des Lichtsignals in den Sensorkopf als auch für die Auskopplung des Lichtsignals sowie des diffusen Lichts aus dem Sensorkopf Verwendung findet. Dies setzt voraus, dass an dem Sensorkopf abgewandten Ende des Lichtleiters, der als Sende- und Empfangsleitung verwendet wird, eine bidirektionale Sende- und Empfangseinheit Verwendung findet. Diese Einheiten gehören zum Stand der Technik und können für den jeweiligen Einsatz ausgelegt bzw. bei geeigneten Herstellern angefordert werden. Bei dieser Bauform wird erfindungsgemäß überdies die Reflexionsfläche der Empfangsfläche gegenüberliegend und parallel ausgerichtet angeordnet. Dies bedeutet, dass das Lichtsignal aus der Stirnseite des Lichtleiters austritt und senkrecht auf die Eintrittsfläche des optischen Bausteins auftrifft. Da diese optisch glatt ist, wird das Lichtsignal ungebrochen durch den optischen Baustein geleitet und von der Reflexionsfläche mit einem Reflexionswinkel von 0° reflektiert und tritt anschließend wieder aus der Eintrittsfläche des optischen Bausteins aus, welche damit gleichzeitig als Austrittsfläche dient. Das Lichtsignal kann dann über die Stirnseite des Lichtleiters in ihrer Funktion als Empfangsfläche in den Lichtleiter eingekoppelt werden. An alternative embodiment of the invention is obtained if the end face of the first light guide is available both as a receiving surface and for the emission of the light signal. This means that only one light guide is used both for the feeding of the light signal into the sensor head and for the extraction of the light signal and the diffused light from the sensor head. This requires that a bidirectional transmitting and receiving unit is used at the end remote from the sensor head of the light guide, which is used as a transmitting and receiving line. These units are state of the art and can be designed for the respective application or requested from suitable manufacturers. In this design, moreover, the reflecting surface of the receiving surface is arranged opposite and aligned parallel to the invention. This means that the light signal exits from the end face of the light guide and impinges perpendicularly on the entry surface of the optical component. Since this is optically smooth, the light signal is passed unbroken through the optical component and reflected by the reflection surface with a reflection angle of 0 ° and then exits again from the entrance surface of the optical component, which thus also serves as an exit surface. The light signal can then be coupled via the end face of the light guide in its function as a receiving surface in the light guide.

Da bei der beschriebenen Bauform nur ein Lichtleiter erforderlich ist, ist diese Lösung besonders kostengünstig. Dabei wird sowohl Montageaufwand bei dem Verlegen des Lichtleiters eingespart wie auch der eine der beiden Lichtleiter. Bei längeren Leitungswegen ist die vorgeschlagene Lösung daher wirtschaftlicher. Die bidirektionale Sende- und Empfangseinrichtung ersetzt hierbei eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung, so dass diese Maßnahme im Wesentlichen kostenneutral ist. Der Baustein hat vorteilhaft die Form eines Prismas oder eines Zylinders. Die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche liegen hierbei beispielsweise auf der Grundfläche des Bausteins und die Reflexionsfläche auf der dieser gegenüberliegenden Deckfläche (oder anders herum). Die Mantelfläche steht bei dieser Bauform vollständig zur Einkopplung des diffusen Lichts zur Verfügung und kann optisch rau ausgeführt werden. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann es auch vorteilhaft sein, wenn ein Teil der Mantelfläche optisch glatt, d. h. reflektierend, ausgebildet ist, damit das eingefangene diffuse Licht zur Austrittsfläche hin reflektiert werden kann. Since only one light guide is required in the described design, this solution is particularly cost-effective. In this case, both installation effort in laying the light guide is saved as well as the one of the two light guides. For longer cable routes, the proposed solution is therefore more economical. The bidirectional transmitting and receiving device replaces a transmitting device and a receiving device, so that this measure is essentially cost-neutral. The module advantageously has the form of a prism or a cylinder. In this case, the entry surface and the exit surface lie, for example, on the base surface of the building block and the reflection surface on the cover surface opposite thereto (or vice versa). The lateral surface is completely available in this design for coupling the diffused light and can be made optically rough. Depending on the application, it may also be advantageous if a part of the lateral surface is optically smooth, ie reflective, so that the trapped diffuse light can be reflected towards the exit surface.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reflexionsfläche durch eine Spiegelschicht gebildet ist. Dies wird erforderlich, da eine optisch glatte Fläche ohne Verspiegelung bei einem Auftreffwinkel des Lichtsignals von 90° durchlässig ist und auf diese Weise eine Reflexion nicht bewerktelligt werden könnte. Bevor die Reflexionsfläche des optischen Bausteins verspiegelt wird, muss diese jedoch optisch glatt ausgeführt werden, damit eine Reflexion des Lichtsignals mit einem Reflexionswinkel von 0° möglichst verlustfrei erfolgen kann. Auch Reflexionsflächen, die in der Mantelfläche des optischen Bausteins zur Reflexion des diffusen Lichts vorgesehen werden, können vorteilhaft verspiegelt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlen des diffusen Lichts in jedem Falle von den Reflexionswellen reflektiert werden, unabhängig davon, unter welchem Winkel diese auf die Reflexionsflächen treffen. Dies steigert die Wahrscheinlichkeit, dass Strahlen des diffusen Lichts über die Austrittsfläche des optischen Bausteins ausgekoppelt werden, wodurch die Übertragungsverluste für das diffuse Licht vorteilhaft verringert werden. According to a further embodiment of the invention it is provided that the reflection surface is formed by a mirror layer. This is necessary because an optically smooth surface without mirroring at an incident angle of the light signal of 90 ° is transparent and in this way a reflection could not be bektktigtigt. However, before the reflection surface of the optical component is mirrored, it must be made optically smooth, so that a reflection of the light signal with a reflection angle of 0 ° can be carried out as lossless as possible. Reflection surfaces which are provided in the lateral surface of the optical component for reflection of the diffuse light can also be advantageously mirrored. This has the advantage that the rays of the diffused light are in each case reflected by the reflection waves, regardless of the angle at which they strike the reflection surfaces. This increases the likelihood that rays of the diffused light are coupled out via the exit surface of the optical component, whereby the transmission losses for the diffuse light are advantageously reduced.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche als Kollimationslinsen ausgeführt sind oder ist. Hierdurch kann bewirkt werden, dass das Lichtsignal, welches eine gewisse Apertur aufweist, fokussiert werden kann. Der Fokus sollte dabei auf die Empfangsfläche des ersten Lichtleiters ausgerichtet sein. Dies kann vorteilhaft in zwei Stufen erfolgen, indem sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche mit einer Kollimationslinse ausgestattet sind. Vorteilhaft wird durch die erste Kollimationslinse das Licht im Baustein parallelisiert, was zu einer definierten Reflexion desselben an den Reflexionsflächen des Bausteins führt. Die zweite Kollimationslinse, die an der Austrittsfläche des Bausteins vorgesehen ist, bewirkt dann die Fokussierung des Lichtsignals auf die Empfangsfläche des ersten Lichtleiters. According to a particular embodiment of the invention can be provided that the entrance surface and / or the exit surface are designed as Kollimationslinsen or is. This can cause the light signal, which has a certain aperture, to be focused. The focus should be aligned with the receiving surface of the first light guide. This can advantageously be done in two stages by both the entrance surface and the exit surface are equipped with a collimating lens. Advantageously, the light is parallelized in the module by the first collimating lens, which leads to a defined reflection thereof at the reflection surfaces of the module. The second collimating lens, which is provided at the exit surface of the module, then causes the focusing of the light signal on the receiving surface of the first light guide.

Vorteilhaft kann die optische Sensorvorrichtung zur Detektion von elektrischen Lichtbögen in einer Anlage der Mittelspannungstechnik verwendet werden. Die Art der Verwendung, die Anordnung der Sensorköpfe in der Anlage der Mittelspannungstechnik und die Auswertung der erzeugten Signale kann analog zu dem eingangs angegebenen Stand der Technik erfolgen. Advantageously, the optical sensor device can be used for the detection of electric arcs in a system of medium voltage technology. The type of use, the arrangement of the sensor heads in the system of medium voltage technology and the evaluation of the signals generated can be carried out analogously to the prior art mentioned above.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals in the individual figures and will only be explained several times insofar as there are differences between the individual figures. Show it

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verwendung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer Schaltanlage der Mittelspannungstechnik, teilweise aufgeschnitten, 1 An embodiment of the inventive use of an embodiment of the sensor device according to the invention in a substation of medium voltage technology, partially cut,

2 und 3 aufgeschnitten ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung aus zwei rechtwinklig zueinander stehenden Blickwinkeln, wobei als optischer Baustein ein Prisma zum Einsatz kommt, 2 and 3 cut an embodiment of the sensor device according to the invention from two orthogonal angles of view, wherein a prism is used as an optical component,

4 die Aufsicht auf einen Baustein mit alternativer Geometrie, der bei einer Sensorvorrichtung gemäß 2 und 3 zum Einsatz kommen könnte, und 4 the supervision of a module with alternative geometry, which in a sensor device according to 2 and 3 could be used, and

5 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung im Längsschnitt, bei der ein zylinderförmiger Baustein zum Einsatz kommt. 5 another embodiment of the sensor device according to the invention in longitudinal section, in which a cylindrical block is used.

Gemäß 1 ist ein Gehäuse 11 einer Komponente der Mittelspannungstechnik, wie z. B. eines Schalters, dargestellt. Dieses ist teilweise aufgebrochen dargestellt, wobei sich erkennen lässt, dass in der Gehäusewand 12 zwei Sensorköpfe 13 einer Sensoreinrichtung 14 eingelassen sind. Diese sind über einen Lichtleiter 15 in Reihe geschaltet und mit einer Auswertungseinheit 16 verbunden. Für den Fall, dass einer der Köpfe 13 in dem Gehäuse 11 das diffuse Licht eines Lichtbogens auffängt, kann mittels der Auswertungseinrichtung eine Schutzmaßnahme ausgelöst werden. Außerdem kann die Auswertungseinheit 16 ein Lichtsignal erzeugen, welches durch den Lichtleiter 15 gesandt wird, um die Funktionstüchtigkeit der Sensorköpfe 13 in regelmäßigen Abständen zu überprüfen. According to 1 is a housing 11 a component of medium voltage technology, such. B. a switch represented. This is shown partially broken, wherein it can be seen that in the housing wall 12 two sensor heads 13 a sensor device 14 are admitted. These are over a light guide 15 connected in series and with an evaluation unit 16 connected. In the event that one of the heads 13 in the case 11 the diffuse light of an electric arc absorbs, a protective measure can be triggered by means of the evaluation device. In addition, the evaluation unit 16 generate a light signal which passes through the light guide 15 is sent to the functionality of the sensor heads 13 to check at regular intervals.

Gemäß den 2 und 3 ist der Sensorkopf 13, wie er gemäß 1 zum Einsatz kommt, näher dargestellt. Dieser weist ein Sensorgehäuse 17 auf, welches einerseits störendes Umgebungslicht von dem Sensorkopf abhält und andererseits zur Halterung eines ersten Lichtleiters 18 und eines zweiten Lichtleiters 19 dient. Außerdem ist in dem Sensorgehäuse 13 ein optischer Baustein 20 in Form eines Dreiecksprismas gehalten. In 2 ist weiterhin dargestellt, dass der zweite Lichtleiter 19 mit seiner Stirnseite eine Abstrahlungsfläche 22 zur Verfügung stellt, über die ein Lichtsignal 21 ausgekoppelt werden kann. Dieses hat eine gewisse Apertur und trifft auf eine Eintrittsfläche 23 am optischen Baustein 20, welche durch eine Kollimationslinse 24 gebildet ist. Innerhalb des Bausteins wird das Lichtsignal an Reflexionsflächen 25 reflektiert und um 180° umgelenkt, so dass dieses den optischen Baustein 20 über eine Austrittsfläche 26, die durch eine weitere Kollimationslinse 27 ausgebildet ist, in Richtung einer Empfangsfläche 28 ausgekoppelt werden kann, wobei die Empfangsfläche 28 durch die Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 gebildet wird. Die Kollimationslinse 27 bewirkt dabei, dass das Lichtsignal auf die Empfangsfläche 28 fokussiert wird, um die Lichtverluste bei der Durchleitung des Lichtsignals durch den Sensorkopf möglichst gering zu halten. According to the 2 and 3 is the sensor head 13 as he according to 1 is used, shown in more detail. This has a sensor housing 17 on, on the one hand prevents disturbing ambient light from the sensor head and on the other hand for holding a first light guide 18 and a second light guide 19 serves. In addition, in the sensor housing 13 an optical component 20 held in the form of a triangular prism. In 2 is further shown that the second light guide 19 with its front side a radiating surface 22 provides over which a light signal 21 can be disconnected. This has a certain aperture and meets an entrance surface 23 on the optical component 20 passing through a collimating lens 24 is formed. Within the module, the light signal is sent to reflection surfaces 25 reflected and deflected by 180 °, making this the optical building block 20 over an exit surface 26 passing through another collimation lens 27 is formed, in the direction of a receiving surface 28 can be decoupled, with the receiving surface 28 through the end face of the first light guide 18 is formed. The collimation lens 27 causes the light signal on the receiving surface 28 is focused to keep the light losses during the passage of the light signal through the sensor head as low as possible.

Gemäß 3 ist der Sensorkopf gemäß 2 aus einer anderen Blickrichtung zu sehen. Der Schnitt III-III der 3 ist in 2 eingezeichnet, sowie der Schnitt II-II gemäß 2 in 3. In 3 ist außerdem dargestellt, wie sich drei Einzelstrahlen des diffusen Lichts, welches beispielsweise durch die Entstehung eines Lichtbogens in dem Gehäuse gemäß 1 entsteht, durch den Baustein 20 aufgefangen werden. Die Strahlen des diffusen Lichts 29 treten durch eine Oberfläche 30 des Bausteins 20, die außerhalb der Reflexionsflächen 25 liegt, und aufgeraut ist, in den Baustein 20 ein und werden gestreut. Die drei dargestellten Lichtstrahlen treffen auf die Kollimationslinse 27 und werden durch diese auf die Empfangsfläche 28 des ersten Lichtleiters 18 fokussiert. Der Lichtleiter 18 ist mit einer geeigneten Empfangsvorrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet, die das Vorhandensein sowohl des Lichtsignals 21 gemäß 2 als auch von diffusem Licht 29 gemäß 3 detektiert. According to 3 is the sensor head according to 2 to see from another direction. The section III-III of the 3 is in 2 drawn, as well as the section II-II according to 2 in 3 , In 3 In addition, it is shown how three individual beams of diffuse light, which, for example, by the formation of an arc in the housing according to 1 is created by the building block 20 be caught. The rays of diffuse light 29 pass through a surface 30 of the building block 20 that are outside the reflective surfaces 25 lies, and is roughened, in the building block 20 and are scattered. The three beams of light strike the collimating lens 27 and through these on the receiving surface 28 of the first light guide 18 focused. The light guide 18 is equipped with a suitable receiving device (not shown) which detects the presence of both the light signal 21 according to 2 as well as of diffused light 29 according to 3 detected.

In 4 ist eine alternative Ausgestaltung des Bausteins 20 in Form eines Prismas dargestellt. Im Unterschied zu der Bauform gemäß 2 und 3 sind die Ecken des Bausteins 20 gemäß 4 abgeflacht, so dass ein größerer Anteil an diffusem Licht durch die so zur Verfügung stehende Oberfläche 30 in den Baustein 20 eingekoppelt werden kann. Zu diesem Zweck sind diese zusätzlichen Areale der Oberfläche optisch rau ausgeführt. Dies gilt auch für die Seite des Bausteins, die die Kollimationslinsen 24, 27 umgibt. Daher können Strahlen des diffusen Lichts an diesem Flächenareal gestreut werden, wobei eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass diese über die Empfangsfläche 28 gemäß 3 in den ersten Lichtleiter 18 eingekoppelt werden. In 4 is an alternative embodiment of the block 20 represented in the form of a prism. In contrast to the design according to 2 and 3 are the corners of the building block 20 according to 4 flattened, allowing a greater amount of diffused light through the surface so available 30 into the building block 20 can be coupled. For this purpose, these additional areas of the surface are made optically rough. This also applies to the side of the building block that contains the collimating lenses 24 . 27 surrounds. Therefore, rays of the diffused light can be scattered at this area of the area, with a certain probability of being spread over the receiving area 28 according to 3 in the first light guide 18 be coupled.

In 5 ist eine alternative Bauform des Sensorkopfs 13 dargestellt. Diese weist einen optischen Baustein 20 in Form eines transparenten Zylinders auf. Die Grundfläche des Zylinders ist mit einer Kollimationslinse 31 ausgestattet und die Deckfläche des Zylinders weist eine Spiegelschicht 32 auf, die eine Reflexionsfläche 33 ausbildet. Die Mantelfläche des Bausteins 20 bildet die restliche Oberfläche 30 mit optisch rauer Oberflächenbeschaffenheit aus, durch die Strahlen des diffusen Lichts 29 in den Baustein eingekoppelt und über die Kollimationslinse 31 in die Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 eingekoppelt werden können. Hierbei kann eine zusätzliche Spiegelschicht 34 eine Reflexion von Lichtstrahlen des diffusen Lichts 29 bewirken, so dass auch diese Lichtstrahlen auf die Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 fokussiert werden können. Insofern übernimmt die Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 die Funktion der Empfangsfläche 28. In 5 is an alternative design of the sensor head 13 shown. This has an optical component 20 in the form of a transparent cylinder. The base of the cylinder is with a collimating lens 31 equipped and the top surface of the cylinder has a mirror layer 32 on that a reflection surface 33 formed. The lateral surface of the building block 20 forms the remaining surface 30 with optically rough surface texture, through the rays of diffused light 29 coupled into the module and via the collimating lens 31 in the end face of the first light guide 18 can be coupled. This can be an additional mirror layer 34 a reflection of light rays of the diffused light 29 cause, so that these rays of light on the end face of the first light guide 18 can be focused. In this respect, the end face of the first light guide takes over 18 the function of the receiving surface 28 ,

Der erste Lichtleiter 18 wird bidirektional verwendet, wobei dies bedeutet, dass auch das Lichtsignal 21 durch diesen geleitet wird und über die Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 in das Gehäuse 17 des Sensorkopfs eingeleitet wird. Insofern dient diese Stirnfläche des ersten Lichtleiters 18 auch als Abstrahlungsfläche 22. Das Lichtsignal, von dem in 5 nur ein Strahl dargestellt ist, wird von der Reflexionsfläche 33 mit einem Reflexionswinkel von 0° reflektiert und daher wieder in den ersten Lichtleiter 18 eingekoppelt. Insofern stellt die Kollimationslinse auch sowohl die Eintrittsfläche 23 als auch die Austrittsfläche 26 des optischen Bausteins zur Verfügung. Der erste Lichtleiter 18 ist mit einer bidirektionalen Sende- und Empfangseinrichtung 35 ausgestattet. Diese dient somit zur Erzeugung des Lichtsignals 21 und ebenso zu der Detektion des Lichtsignals 21 bzw. zur Detektion des diffusen Lichts 29. The first light guide 18 is used bidirectionally, which means that also the light signal 21 is passed through this and over the end face of the first light guide 18 in the case 17 of the sensor head is initiated. In this respect, this end face of the first light guide is used 18 also as radiating surface 22 , The light signal from which in 5 only one ray is shown, from the reflection surface 33 reflected with a reflection angle of 0 ° and therefore back into the first light guide 18 coupled. In this respect, the collimating lens also provides both the entrance surface 23 as well as the exit surface 26 of the optical component available. The first light guide 18 is with a bidirectional transmitting and receiving device 35 fitted. This thus serves to generate the light signal 21 and also to the detection of the light signal 21 or for detecting the diffuse light 29 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2010/0072355 A1 [0002]
US 2010/0072352 A1 [0002]

Claims

Optical sensor device for detecting diffuse light with a sensor head ( 13 ), comprising - a first input for receiving at least part of the diffuse light to be detected ( 29 ), - a second input for receiving a light signal ( 21 ) and - a first light guide ( 18 ), one end face as optical receiving surface ( 28 ) in the sensor head, wherein the receiving surface ( 28 ) is aligned so that the diffuse light to be detected ( 29 ) and the light signal ( 21 ) at least in part on the receiving surface ( 28 ), characterized in that in the sensor head a transparent optical component ( 20 ), the - an optically smooth entrance surface ( 23 ) for the light signal ( 21 ), - an optically smooth exit surface ( 26 ) for the light signal ( 21 ) and the diffused light ( 29 ), - an optically smooth reflection surface ( 33 ) or several optically smooth reflection surfaces ( 25 ), which is or are oriented so that the light signal ( 21 ) from the entrance surface ( 23 ) to the exit surface ( 26 ), and - the surface ( 30 ) of the optical component outside the entrance surface ( 23 ), Exit surface ( 26 ) and reflection surface ( 33 ) is executed at least partially optically scattering.

Sensor device according to claim 1, characterized in that a radiating surface ( 22 ) through the end face of a second light guide ( 19 ), wherein the second optical fiber ( 19 ) through the second input of the sensor head ( 13 ) runs.

Sensor device according to claim 2, characterized in that the first light guide ( 18 ) and the second light guide ( 19 ) are arranged parallel to one another, wherein the reflection surfaces ( 25 ) ensure a deflection of the light signal by 180 degrees.

Sensor device according to claim 3, characterized in that the building block ( 20 ) has the shape of a prism, in particular the shape of a triangular prism, wherein the entrance surface ( 23 ) and the exit surface ( 26 ) lie on one and the same side surface of the prism.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the end face of the first light guide ( 18 ) both as a receiving surface ( 28 ) as well as for the emission of the light signal is available, wherein the reflection surface ( 33 ) of the reception area ( 22 ) is arranged opposite and aligned in parallel.

Sensor device according to claim 5, characterized in that the building block ( 20 ) has the shape of a prism or a cylinder, wherein the entrance surface ( 23 ) and the exit surface ( 26 ) on one side and the reflection surface ( 33 ) lie on the other of the ground and top surfaces.

Sensor device according to claim 6, characterized in that the reflection surface by a mirror layer ( 32 ) is formed.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the entry surface ( 23 ) and / or the exit surface ( 26 ) as collimating lenses ( 24 ) are executed or is.

Use of an optical sensor device according to one of the preceding claims for the detection of electric arcs in a system of medium voltage technology.