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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktionssicherheit von mindestens einer passiven Elektrode zum Neutralisieren von Oberflächenladungen auf Bahnmaterialien, entlang eines zwischen der mindestens einen passiven Elektrode und den Oberflächenladungen ausgebildeten Ionisierungsbereiches.
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Aus der
DE 698 30 609 T2 ist ein Verfahren und System zur Überwachung der Funktionssicherheit bei der Neutralisation von Oberflächenladungen bekannt. Das System weist dazu erste und zweite Ionisierungselektroden auf, welche mit einer positiven bzw. negativen Hochspannung versorgt werden, um positive bzw. negative Ionen zu erzeugen, welche zur geladenen Oberfläche fließen. Aus der
US 6 909 587 B2 ist eine Vorrichtung bekannt, welche elektrische Ladungen auf einem Halbleiterwafer beseitigen soll, wobei die Ladungen einer Oberfläche gegen Masse entladen werden.
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Die Verarbeitung verschiedenster Materialien, insbesondere Materialien in Bahnform wie beispielsweise Papier- oder Kunststoffbahnen erfordert das Vorliegen von Bahnbereichen, welche weitestgehend frei von statischer Elektrizität, insbesondere statischen, auf der Oberfläche der Bahnmaterialien ruhenden Ladungen ist. In vielen Fällen ist eine derartige Ladungsfreiheit generell wünschenswert, um beispielsweise ein unerwünschtes Aneinanderhaften aufeinandergeschichteter oder aufeinanderzuschichtender Bahnen dieses Materials zu verhindern. In anderen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, zunächst eine von Ladungen freie Bahnoberfläche zu schaffen, um anschließend gezielt eine ganz bestimmte Ladungsmenge aufzubringen. Ein derartiges Vorgehen ist insbesondere sinnvoll, wenn eine durch die Menge der Oberflächenladungen gezielte Adhäsionskraft der verschiedenen Bahnlagen hergestellt werden soll oder auch, wenn zur Vorbereitung eines elektrostatisch unterstützten Druckvorganges die Bahnoberflächen beispielsweise einer Papierbahn entsprechend vorbereitet werden sollen.
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Es ist bekannt, für derartige Entladungsvorgänge sogenannte aktive Entladeelektroden einzusetzen, welche auf dem Wirkprinzip einer gezielten, zur Ableitung der gesamten Oberflächenladungen in gegebener Zeit ausreichende Ionisierung der zwischen der in geringem Abstand zur Bahnoberfläche angeordneten aktiven Entladeelektrode und der Bahnoberfläche befindlichen Luftmolekülen basieren. Insbesondere, wenn derartige aktive Entladesysteme bzw. aktive Entladeelektroden in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen sollen, ist die zur ausreichenden Ionisierung erforderliche hohe Spannung, welche an diese passiven Elektroden anzulegen ist, von Nachteil, da es hierbei leicht zu einem unerwünschten Funkendurchschlag und somit zur Explosion kommen kann. Weiterhin sind die erforderlichen hohen Spannungen dieser aktiven Entladeelektroden nachteilig, wenn der Personenberührungsschutz in einem Einsatzbereich nicht wirksam gewährleistet werden kann. Dennoch kommen in der heutigen Technik vorwiegend derartige aktive Entladeelektroden zum Einsatz, da eine Überwachung des über sie abgeleiteten Ionisierungsstromes relativ einfach möglich ist. Ein derartiger über die gezielt herbeigeführte Ionisierungsstrecke fließender Strom dient hierbei als Indikator dafür, dass die Funktionsfähigkeit der aktiven Entladeelektrode gewährleistet ist. In dem Fall, dass kein Stromfluss detektiert wird, ist die zur Ableitung der Oberflächenladungen zwingend nötige Ionisierungsstrecke nicht ausgebildet, woraus sich dann schließen lässt, dass die Funktionsfähigkeit der aktiven Entladeelektrode nicht gewährleistet ist.
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Um die oben genannten Nachteile aktiver Entladesysteme bzw. aktiver Entladeelektroden zu umgehen, ist es ferner bekannt, passive Entladeelektroden einzusetzen, welche nicht auf dem Wirkprinzip einer aktiv und künstlich ausgebildeten Ionisierungsstrecke beruhen. Derartige passive Entladeelektroden sind meistens schnur- oder drahtähnliche Gebilde, zum Beispiel Schnüre mit Carbonfasern, Erdungszungen, Bürsten oder sogenannte „tinsle bars”. Diese passiven Entladeelektroden sind in geringem Abstand zur zu entladenden Materialbahnoberfläche bzw. Materialoberfläche angeordnet und an ein Bezugs- bzw. Massepotential angeschlossen. Durch ihre zumeist spitze Formgebung bündeln sich an den in Richtung der zu entladenden Oberfläche sich erstreckenden Enden der Einzelelemente die elektrischen Feldlinien, welche von den Oberflächenladungen ausgehen, so dass durch die resultierende hohe elektrische Feldstärke ein Abfließen dieser Oberflächenladungen über den geringen Zwischenraum zwischen den Elektrodenelementen und der Oberfläche auch dann gewährleistet ist, wenn dieser Zwischenraum nicht durch aktives Anlegen einer Ionisierungsspannung zusätzlich ionisiert wird.
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Derartige passive Entladeektroden haben jedoch den Nachteil, dass eine einfache Funktionsüberwachung, d. h. eine dahingehende Überwachung, dass die Elektrode Ladungen ableiten kann, nicht gewährleistet ist. Insbesondere der Abstand der einzelnen Entladespitzen der Einzelelemente einer derartigen passiven Entladeelektrode zueinander kann das Ausbilden des beschriebenen elektrischen Feldes im Betrieb beeinflussen und somit die Entladeleistung mindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsmöglichkeit der Funktionssicherheit derartiger passiver Entladeelektroden zum Neutralisieren von Oberflächenladungen anzugeben, wobei die Funktionsüberwachung unaufwendig, mit einfachen Mitteln, zuverlässig und kostengünstig sein soll.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Überwachen der Funktionssicherheit von mindestens einer passiven Elektrode zum Neutralisieren von Oberflächenladungen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Messelektrode zum Beaufschlagen des zwischen der mindestens einen passiven Elektrode und den Oberflächenladungen ausgebildeten Ionisierungsbereiches mit einer elektrischen Messfeldstärke vorgesehen ist, wobei die mindestens eine passive Elektrode über eine Strommesseinrichtung mit einem Bezugspotential verbunden ist, und wobei das Verfahren vorsieht, dass eine Messspannung an die mindestens eine Messelektrode angelegt wird, dass ein Stromfluss mittels der Strommesseinrichtung detektiert wird, dass das Detektionsergebnis mit einem Referenzwert verglichen wird, und dass die Funktionssicherheit anhand dieses Vergleiches beurteilt wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung weist eine ganze Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren zum Neutralisieren von Oberflächenladungen mittels passiver Ladeelektroden auf. Insbesondere ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, nicht nur bei aktiven Entladesystemen, sondern auch bei passiven Entladeelektroden die Funktionssicherheit zuverlässig zu überwachen. Dadurch, dass die Spannung zum Erzeugen der elektrischen Messfeldstärke entlang des Ionisierungsbereiches klein im Verhältnis zu einer Ionisierungsspannung bei vergleichbaren aktiven Entladesystemen ist, ist insbesondere der Explosionsschutz beim Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen weiterhin gewährleistet. Weiterhin ist durch die geringe Höhe dieser Messspannung ein Berührungsschutz und damit ein Personenschutz wirksam sichergestellt.
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Im Regelfall wird nach Beaufschlagung der Messelektrode mit einer entsprechenden elektrischen Spannung zum Beaufschlagen des Ionisierungsbereiches mit einer elektrischen Messfeldstärke mittels der Strommesseinrichtung detektiert, ob durch die passive Elektrode ein elektrischer Strom fließt. Ergibt das Detektionsergebnis, dass ein elektrischer Strom fließt, so ist der Nachweis erbracht, dass der Bereich zwischen der passiven Entladeelektrode und der Materialoberfläche ionisierbar ist und dass grundsätzlich Ladungen, insbesondere also auch Oberflächenladungen, über die passive Elektrode gegen das Bezugspotential, also insbesondere gegen das Massepotential, abfließen können. Da im Gegensatz zu aktiven Entladesystemen in diesem Fall eine wesentlich kleinere Messspannung zum Einsatz kommen kann, sind jedoch die Nachteile eines aktiven Entladesystems, wie fehlender Explosions- und Personenschutz, bei der erfindungsgemäßen Lösung wirksam verhindert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Detektieren des Stromflusses ein Messen der Stromstärke beinhaltet. In diesem Fall stellt der Referenzwert eine Referenzstromstärke dar, und der detektierte Stromfluss, also die gemessene Stromstärke, wird mit dieser Referenzstromstärke verglichen, um die Funktionssicherheit anhand dieses Vergleiches zu beurteilen. Durch diese Weiterbildung ist insbesondere nicht mehr lediglich eine qualitative Beurteilung der Funktionssicherheit möglich. Vielmehr kann auch quantitativ beurteilt werden, um welchen Wert die Entladeleistung des passiven Entladesystems bzw. der passiven Entladeelektrode von der gewünschten Entladeleistung abweicht und ob diese gegebenenfalls verminderte Entladeleistung noch ausreichend ist, um eine Funktionssicherheit der mindestens einen passiven Elektrode zu gewährleisten.
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Weiter kann es vorgesehen sein, eine kontinuierliche Messspannung an die mindestens eine Messelektrode anzulegen, um den Ionisierungsbereich mit der elektrischen Messfeldstärke zu beaufschlagen. Der Vorteil einer kontinuierlichen Messspannung ist, dass kontinuierlich beurteilt werden kann, ob die mindestens eine passive Entladeelektrode grundsätzlich noch Oberflächenladungen von der Materialbahn oder dem anderweitigen Material abführen kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Anzahl von Oberflächenladungen auf der Materialbahn über der Zeit schwankt. Selbst wenn überhaupt keine Oberflächenladungen zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Materialbahn vorhanden sind, ist durch die geringe Ionisierung mittels der Messspannung dennoch gewährleistet, dass stets ein minimaler Ionisierungsstrom im Ionisierungsbereich fließt und die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der passiven Entladeelektrode anzeigt. Im Gegensatz zu aktiven Entladesystemen können hierbei jedoch wesentlich kleinere Spannungen zum Einsatz kommen.
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Genauso gut kann es aber auch vorgesehen sein, statt der kontinuierlichen Messspannung eine pulsförmige Messspannung an die mindestens eine Messelektrode anzulegen. „Pulsförmig” umfasst hierbei gleichförmige Pulse genauso wie ein sporadisches Ein- bzw. Ausschalten der Messspannung. Hierdurch kann beispielsweise nur dann eine Überwachung der passiven Elektrode erfolgen, wenn dies im betrieblichen Ablauf auch nötig ist. Nicht zuletzt kann durch ein derartiges pulsförmiges Anlegen der Messspannung im betrieblichen Ablauf Energie gespart werden.
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Ferner kann es vorgesehen sein, dass die mindestens eine passive Elektrode und die mindestens eine Messelektrode als gemeinsame Elektrode ausgebildet sind. In diesem Fall übernimmt die passive Elektrode gleichzeitig die Funktion der Messelektrode, was einen besonders einfachen Aufbau ermöglicht. Zum Beaufschlagen des Ionisierungsbereiches mit der elektrischen Messfeldstärke ist dann direkt zwischen der mindestens einen passiven Elektrode und der Strommesseinrichtung eine Spannungsquelle vorgesehen. Durch den geringen Innenwiderstand der Spannungsquelle ist ein Abfließen der Oberflächenladungen durch die Strommesseinrichtung in Richtung des Bezugspotentials stets gewährleistet. Gleichzeitig ist durch die minimale, aber zur Ionisierung ausreichende Messspannung sichergestellt, dass stets ein minimaler Ionisierungsstrom fließt und dadurch die Funktionsfähigkeit der mindestens einen passiven Elektrode jederzeit überwacht werden kann.
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Genauso gut kann es aber auch vorgesehen sein, die mindestens eine passive Elektrode und die mindestens eine Messelektrode als getrennte Elektroden auszubilden. In diesem Fall ist die mindestens eine Messelektrode beabstandet von der mindestens einen passiven Elektrode entlang des Ionisierungsbereiches angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Messstrom von einer Elektrode zur gegenüberliegenden Elektrode in jedem Fall über eine ionisierte Strecke fließt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Zwischenraum zwischen den Elektroden in jedem Fall ionisierfähig ist. Hierdurch ist insbesondere ausgeschlossen, dass der mittels der Strommesseinrichtung detektierte Stromfluss beispielsweise über eine leitfähige Verschmutzung auf dem Elektrodengehäuse der mindestens einen passiven Elektrode stattfindet.
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Weiterhin kann eine zusätzliche Warneinrichtung vorgesehen sein, wobei das Verfahren dann zusätzlich vorsieht, dass, wenn die Beurteilung ergibt, dass die Funktionssicherheit nicht gegeben ist, ein Warnsignal mittels der Warneinrichtung ausgegeben wird. In einem solchen Falle ist es einfach möglich, eine nicht sichere Entladesituation zu erkennen und – gegebenenfalls automatisiert – entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Derartige Gegenmaßnahmen können beispielsweise in einem Anhalten und einer Wartung der eingesetzten Maschinen oder dergleichen bestehen.
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Zusätzlich zu dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, wobei die Vorrichtung mindestens eine passive Elektrode zum Neutralisieren von Oberflächenladungen entlang eines zwischen der mindestens einen passiven Elektrode und den Oberflächenladungen ausgebildeten Ionisierungsbereiches, mindestens eine Messelektrode zum Beaufschlagen des Ionisierungsbereiches mit einer elektrischen Messfeldstärke, eine Strommesseinrichtung, über welche die mindestens eine passive Elektrode mit einem Bezugspotential, insbesondere Massepotential verbunden ist sowie mindestens eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Messspannung an die mindestens eine Messelektrode aufweist.
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Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Funktionssicherheit der passiven Elektrode zum Neutralisieren von Oberflächenladungen wirksam und zuverlässig zu überwachen.
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Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die passive Elektrode und die Messelektrode gemeinsam ausgebildet sind;
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2 eine schematische Schnittansicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich 1, wobei jedoch die passive Elektrode und die Messelektrode getrennt ausgebildet sind.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. An einem Elektrodengehäuse 100 ist eine Vielzahl passiver Elektroden 110 angeordnet, welche sich in Richtung eines zu entladenden Bahnmaterials 140, welches Oberflächenladungen trägt, erstrecken. Die einzelnen passiven Elektroden 110 stellen in diesem Fall gleichzeitig Messelektroden 120 dar und sind an ihrem gehäuseseitigen Ende untereinander und insgesamt mit dem positiven Pol einer niederohmig ausgebildeten Spannungsquelle 135 verbunden. Der negative Pol der Spannungsquelle 135 wiederum ist mit einer Strommesseinrichtung 130 verbunden, welche ihrerseits den Kontakt mit einem Bezugspotential 132 sicherstellt. Die Strommesseinrichtung 130 beinhaltet einen Messwiderstand 131 und ist ausgelegt, einen Messwert der Stromstärke 134 zum Vergleichen und Beurteilen an eine nicht dargestellte Beurteilungseinrichtung abzugeben.
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Die mittels der Spannungsquelle 135 an die Vielzahl von Messelektroden 120 abgegebene Messspannung 136 stellt sicher, dass eine minimale Ionisierung des Ionisierungsbereiches 150 zwischen dem Bahnmaterial und den Elektroden 110 bzw. 120 stets aufrechterhalten wird. Gleichzeitig ist die Messspannung 136 der Spannungsquelle 135 so klein, dass ein Berührungsschutz der Messelektroden 120 jederzeit gewährleistet ist. Gleichzeitig ist die Messspannung 136 eigensicher, d. h. in explosionsgefährdeten Bereichen zur Zündung des Lösungsmittel-Luftgemisches nicht ausreichend hoch.
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Durch die anliegende Messspannung 136 kann demnach ein minimaler Ionisierungsstrom auch dann gezielt erzeugt werden, wenn auf der Oberfläche des Bahnmaterials 140 zu einem gewissen Betriebszeitpunkt keine Oberflächenladungen vorliegen. Hiermit ist dann eine Detektion dahingehend möglich, dass die Funktionsfähigkeit der passiven Elektroden 110 grundsätzlich noch gewährleistet ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in diesem Fall eine Messelektrode 120 getrennt von den passiven Elektroden 110 ausgebildet ist und von den passiven Elektroden 110 beabstandet angeordnet ist. Wiederum wird an die Messelektrode 120 mittels einer Spannungsquelle 135 eine Messspannung 136 angelegt. In dem Fall des zweiten Ausführungsbeispiels befindet sich jedoch der Ionisierungsbereich 150 zwischen der Messelektrode und der Vielzahl von passiven Elektroden. Hierdurch ist sichergestellt, dass eventuell auf dem Elektrodengehäuse 100 vorhandene leitfähige Verschmutzungen, welche einen Kriechweg zu dem Bezugspotential 132 bilden können, keinen Umgehungspfad für den zu detektierenden Ionisierungsstrom darstellen. Durch die beabstandete Anordnung der passiven Elektroden 110 und der Messelektrode 120 zueinander unter Einbezug des Ionisierungsbereiches 150 ist absolut sichergestellt, dass bei einem detektierten Stromfluss mittels der Strommesseinrichtung 130 in jedem Fall der Zwischenraum zwischen den Elektroden ionisiert oder zumindest ionisierfähig ist. Hierdurch ist eine noch höhere Zuverlässigkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrodengehäuse
- 110
- passive Elektrode
- 120
- Messelektrode
- 130
- Strommesseinrichtung
- 131
- Messwiderstand
- 132
- Bezugspotential
- 134
- Stromstärke
- 135
- Spannungsquelle
- 136
- Messspannung
- 140
- Bahnmaterial
- 150
- Ionisierungsbereich
