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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Funkenprüfvorrichtung und wurde im Besonderen entwickelt, jedoch nicht ausschließlich zum Bewerten der Sicherheit von Energiequellen, die in Hochrisikosituationen im Bergbau verwendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Es gibt viele Situationen, in denen explosive Atmosphären vorliegen und ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn diese Atmosphären in Kontakt mit einer Energiequelle, wie zum Beispiel einem Zündstoff, beispielsweise einem elektrischen Schaltkreis, geraten. Das Konzept der „Eigensicherheit” ist als Verfahren zum Ausrüstungsschutz in derartigen explosiven Atmosphären anerkannt. Der Schutz wird durch die Gestaltung der Energiequelle derart erreicht, dass diese keine Explosionsfunken erzeugen kann. Dies wird durch eine Begrenzung der elektrischen Energie, die durch die Quelle zur Verfügung gestellt wird, entweder immer oder wenn das Auftreten einer Störung festgestellt wird, erreicht.
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In der Vergangenheit wurden Energiequellen mit einfachen elektrischen Eigenschaften alleinig auf der Basis dieser Eigenschaften durch Verwendung von Bewertungskurven als eigensicher zertifiziert. Viele Vorrichtungen weisen jedoch kompliziertere Eigenschaften auf, die unter Verwendung einer mechanischen Vorrichtung, die als eine Funkenprüfvorrichtung (spark test apparatus, STA) bekannt ist, bewertet werden. Die STA ist eine als eine Last mit der Energiequelle verbundene Vorrichtung, die einen Funken in einer explosionsfähigen Atmosphäre simuliert. Dies wird durch die Verwendung einer repräsentativen entflammbaren Gasmischung erreicht, die einen Wolframdraht, der gegen eine sich schnell drehende Cadmiumscheibe gehalten wird, umgibt, die konfiguriert ist, zufällig einen Funken zu emittieren, der eine Explosion der entflammbaren Gasmischung auslöst. Die Beobachtung oder Abwesenheit einer tatsächlichen Explosion ist die Bewertungsgrundlage bei der Verwendung einer STA.
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Es gibt jedoch mehrere Probleme, welche die Brauchbarkeit und Zuverlässigkeit aktuell verwendeter Funkenprüfvorrichtungen (STA), einschließlich der Frage der Wiederholbarkeit, berühren. Obwohl die STA den Funken- und Explosionsbedingungen gut simuliert, tut es dies in einer zufälligen Weise. Gewöhnlich wird die STA für eine eingestellte Anzahl von Umdrehungen basierend auf der Annahme, dass ein größter anzunehmender Funke in der eingestellten Anzahl von Umdrehungen auftreten wird, betrieben. Dies bedeutet, dass es keine Garantie gibt, dass während einer bestimmten Prüfung die sich in Prüfung befindende Energiequelle dem schlimmstmöglichen Fehlerzustand ausgesetzt worden ist.
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Die STA-Prüfung, die lediglich auf Beobachtung basiert, liefert auch kein quantifizierbares Ergebnis. Falls eine Explosion während der Prüfperiode auftritt, wird die Energiequelle als fehlgeschlagen angesehen, aber es gibt keinen quantitativen Sicherheitsbefund.
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Ein weiteres Problem mit aktuellen STA-Vorrichtungen besteht darin, dass die Vorrichtung Gefahrenstoffe verwendet. Sowohl die verwendete Cadmiumscheibe zum Erzeugen des Funkens als auch die entflammbaren Gase, die die Vorrichtung umgeben, sind gefährliche Substanzen mit sich daraus ergebenden Gesundheits- und Sicherheitsproblemen.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, die aktuelle STA-Vorrichtung durch ein elektronisches Funkenprüfverfahren zu ersetzen, welches die Funktionen der STA durchführt, während es die oben erwähnten Probleme mindert. Diese alternative Prüfung gemäß der Erfindung ist ein Abweichen von der STA in zwei grundsätzlichen Weisen, nämlich der Simulation des Fehlerzustands und der Sicherheitsbewertung des geprüften Geräts.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zum Bewerten der Sicherheit einer Energiequelle bereit, welches die Schritte aufweist: Anlegen einer simulierten Funkenlast an die Energiequelle und Messen der zeitvarianten Stromantwort auf diese Last.
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Bevorzugt wird die Messung der zeitvarianten Stromantwort verwendet, um die Energie zu bestimmen, die an die Last über die Dauer des simulierten Funkens geliefert wurde.
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Bevorzugt wird die zeitvariante Stromantwort auch verwendet, um die Momentanleistung zu bestimmen.
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Vorzugsweise werden die gemessene Energie und die Momentanleistung verwendet, um zu beurteilen, ob eine Explosion aufgetreten wäre.
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In einer Ausführung der Erfindung ist die Energiequelle mit einem elektronischen Funkenprüfer verbunden und das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Durchführen einer statischen Prüfung durch den elektronischen Funkenprüfer, um die Beziehung zwischen Ausgangsstrom und Ausgangsspannung der Energiequelle zu bestimmen;
Durchführen einer dynamischen Prüfung durch den elektronischen Funkenprüfer, um zu bestimmen, wie die Energiequelle auf schnelle Lastbedingungsänderungen reagiert; und
Verwenden der statischen und dynamischen Prüfergebnisse zusammen mit vorbestimmten Werten für die Funkenlast, um den Auslöseimpuls zu berechnen, der erforderlich ist, um den energiereichsten simulierten Funken abzugeben.
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Bevorzugt wird der Auslöseimpuls, der erforderlich ist, um den energiereichsten simulierten Funken abzugeben, an ein analoges Untersystem in dem elektronischen Funkenprüfer angelegt und die sich ergebende Strom-Spannung-Antwort der Energiequelle gemessen und aufgezeichnet.
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Vorzugsweise wird die gemessene Strom/Spannung verwendet, um die zeitvariante Leistung zu berechnen, die wiederum verwendet wird, um ein quantitatives Maß der Zündsicherheit zu berechnen.
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In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Beurteilung der Sicherheit einer Energiequelle bereit, die aufweist Mittel zum elektronischen Erzeugen einer simulierten Funkenlast, die angepasst ist, um an die Energiequelle angelegt zu werden, und elektronische Mittel zum Messen der zeitvarianten Stromantwort auf diese Last.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein digitales Untersystem auf, welches angepasst ist, Steuersignale auszugeben, und ein analoges System, welches konfiguriert ist, die dynamischen Eigenschaften einer mechanischen Funkenprüfvorrichtung nachzubilden und die Antwort der Energiequelle zu messen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ungeachtet jedweder anderer Ausführungen, die in ihren Bereich fallen könnten, wird eine bevorzugte Ausführung der Erfindung nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein Diagramm ist, das die elektrischen Eigenschaften eines typischen Unterbrechungsfunkens zeigt;
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2 ist ein Konzeptdiagramm der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung, die eingerichtet ist, um die dynamischen Eigenschaften einer mechanischen Funkenprüfvorrichtung nachzubilden und ihre Antwort auf eine Energiequelle zu messen;
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3 ist ein Blockschaltbild, das den Betrieb des analogen Untersystems, welches in 2 gezeigt ist, zeigt; und
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4 ist ein Prinzipschaltbild eines Halbleiterschaltkreises, der durch das digitale Untersystem, welches in 2 gezeigt ist, gesteuert wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische STA-Vorrichtung des Standes der Technik durch eine elektronische Schaltung ersetzt, die sowohl die Auswirkung der Eigenschaften eines Funkens der Art, die zuvor durch eine mechanische Funkenprüfvorrichtung (STA) erzeugt wurde, erzeugt und misst.
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Die STA erzeugt Funken zufällig mit keiner Sicherheit bezüglich, wann eine Explosion (falls überhaupt) ausgelöst wird. Da die STA als eine Last an die sich unter prüf befindende Energiequelle angeschlossen ist, können die Funken, welche sie erzeugt, alleinig hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften untersucht werden.
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Insbesondere kann ein Funke als eine zeitvariante elektrische Last betrachtet werden. Dies bedeutet, dass die Spannung über dem Funken und der Strom, der durch den Funken während dessen Dauer fließt, diesen vollständig beschreiben. Die elektrischen Eigenschaften eines typischen Unterbrechungsfunken sind in 1 gezeigt, in der die Eigenschaften Strom 1 und Spannung 2 zusammen mit der Momentanleistung 3 über der Dauer des Funkens, die durch die Zeitspanne 4 repräsentiert wird, gezeigt sind.
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Die Definition und Beschreibung eines Funkens auf diese Weise schafft die Möglichkeit einer Simulation eines explosionsfähigen Funkens durch ein elektronisches Gerät, das konfiguriert ist, zu versuchen, den in der 1 gezeigten Spannungsverlauf an den Anschlüssen der sich in Prüfung befindlichen Energiequelle einzuprägen. Dies beseitigt die Notwendigkeit, tatsächlich einen Funken und/oder eine Explosion auszulösen. Die Umsetzung dieses erfindungsgemäßen Konzepts wird durch Bereitstellen einer zeitvarianten elektronisch steuerbaren Last erreicht.
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Sobald der echte Funken und die echte Explosion einer STA mit einer simulierten Funkenlast der oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Art ersetzt wird, ist als Nächstes ein Verfahren zum Bewerten der Sicherheit der sich in Prüfung befindlichen Energiequelle zu formulieren. Dieses erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet eine Messung der zeitvarianten Stromantwort auf eine simulierte Funkenlast. Diese Messung kann dann verwendet werden, um die Energie, die an die Last während der simulierten Funkendauer geliefert wurde, sowie die Momentanleistung zu bestimmen. Unter Verwendung der Energie und der Momentanleistung wird eine Bewertung dahin gehend vorgenommen, ob eine Explosion ausgelöst worden wäre.
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Dies wird erreicht durch Bereitstellen eines Halbleitergeräts, welches konfiguriert ist, als eine steuerbare elektronische Last zu fungieren, und eines PC-basierendes Datenerfassungs- und Wellenformerzeugungssystems, welches die Steuer- und Messfunktionen bereitstellt. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches als elektronischer Funkenprüfer (EST) bezeichnet wird, wird weiter im Folgenden beschrieben.
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Der EST, sobald er als eine Last mit einer Energiequelle verschaltet wurde, simuliert die elektrischen Eigenschaften einer STA einschließlich einer zeitvarianten Energieabgabe (Widerstand) und zeitvarianten Energiespeicherung (Kapazität/Induktivität).
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In einer STA sind diese Eigenschaften das Ergebnis eines wiederholten Herstellens und Unterbrechens eines physikalischen Kontakts zwischen einem Wolframdraht und einer Cadmiumscheibe und Funkenbildens zwischen dem Herstellen und Unterbrechen dieses physikalischen Kontakts.
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Der EST analysiert die Energiequellenantwort auf diese simulierten Lasteigenschaften und erzeugt basierend auf dieser Analyse ein Ergebnis, welches eine quantitative Bewertung der Neigung der Energiequelle einen explosionsfähigen Funken zu erzeugen, ermöglicht.
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Auf einer Konzeptebene wird dies durch ein Gerät erreicht, das aus zwei Untersystemen, wie in 2 gezeigt, besteht.
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Die Untersysteme weisen ein analoges Untersystem 5 und ein digitales Untersystem 6 auf, die durch einen Digital-analog-Wandler 7 und einen Analog-digital-Wandler 8, wie in 2 gezeigt, verbunden sind. Die Digitalsignale werden durch Linien 9 und die analogen Signale durch Linien 10 dargestellt, wobei die Pfeile in 2 die Richtung des Signalflusses anzeigen. Fette Namen und Pfeile zeigen Vektorsignale an.
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Das analoge Untersystem 5 gibt zwei Messsignale aus, nämlich Spannungs- und Strommessungen. Diese werden in digitale Signale durch den ADC 8 gewandelt und durch das digitale Untersystem 6 eingelesen.
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Das digitale Untersystem 6 wiederum gibt Steuersignale aus, die durch den Digital-analog-Wandler 7 in analoge Signale gewandelt werden und Eingaben für das analoge Untersystem 5 werden. 2 zeigt zwei Steuersignale, jedoch kann die exakte Anzahl abhängig von dem Design des analogen Untersystems variieren. Zum Beispiel ist es möglich, nur ein Steuersignal zu verwenden.
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Der Zweck des analogen Untersystems besteht darin, die dynamischen Eigenschaften einer STA nachzubilden und die Antwort des sich in Prüfung befindlichen Geräts zu messen. Der grundsätzliche Aufbau des analogen Untersystems ist in 3 gezeigt, in der die dicken Linien 11 den Leistungsfluss von dem sich in Prüfung befindlichen Geräts anzeigen und die gestrichelten Linien 12 und 13 Signaleingaben bzw. -ausgaben anzeigen.
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Die Schaltelemente für die Strom- und Spannungsmessung sind so ausgelegt, dass sie das sich in Prüfung befindliche Gerät nicht wesentlich belasten. Die Verwendung eines hochohmigen Shunt-Widerstands und eines niederohmigen Serienwiderstands für Spannungs- und Strommessungen ist bevorzugt. Andere Verfahren, wie beispielsweise magnetisches Messen (Hall Effect oder Übertrager) zur Strommessung sind auch möglich.
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Die in 4 gezeigte Halbleiterschaltung, die sich unter Steuerung des digitalen Untersystems befindet, ist das Ausführungsbeispiel der zeitvarianten elektrischen Last in der in 2 gezeigten Konzeptbeschreibung. Eine Ausführung dieser Schaltung ist in 4 gezeigt, welche ein Konzeptschaltbild mit nicht allen im Detail gezeigten Bauelementen ist. Diese bestimmte Umsetzung verwendet nur einen einzigen Steuereingang, obwohl das oben beschriebene System mehrere Eingaben bereitstellt.
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Diese Schaltung ist ein gemeinhin verwendeter mehrstufiger Verstärker. Eine integrierte Verstärkerschaltung wird als die erste Stufe verwendet, die eine Verstärkung bereitstellt, und die zweite Stufe ist bipolarer Gegentakttrennverstärker, der eine niedrige Ausgangsimpedanz bereitstellt, um die durch einen MOSFET gebildete Endstufe zu treiben.
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Während der Dauer des simulierten Funkens speichert das digitale Untersystem die gemessenen Spannungs- und Stromwerte sowie erzeugt das Steuersignal. Die primären Logikbauteile des digitalen Untersystems sind die Steuerlogik und die Ausgabelogik.
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Die Steuerlogik erzeugt ein Vektorsignal in Echtzeit, das als Eingabe an die Halbleiterschaltung verwendet wird. Dieses Signal kann abhängig sein von der Zeit, vergangenen und aktuellen Werten der gemessenen Spannung und vergangenen und aktuellen Werten des gemessenen Stroms.
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In einem alternativen Verfahren für das Echtzeitsteuersystem ist es möglich, eine Offline-Analyse der Stromversorgungseinheit (power supply unit, PSU) durchzuführen und diese zu verwenden, um mathematisch die erforderlichen Steuersignale für die Elektronik zu berechnen.
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Der Zweck der Ausgabelogik besteht darin, eine skalare Auswertung bereitzustellen, welche die Sicherheit des sich in Prüfung befindlichen Geräts anzeigt. Die Sicherheitsauswertung wird „offline” unter Verwendung der gespeicherten Werte der Spannungs- und Strommessungen berechnet.
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In einer erweiterten Version des Verfahrens zum elektronischen Funkenprüfen wird ein automatisierter mehrstufiger Prozess angewendet, der die folgenden Schritte aufweist:
- A. Die Energiequelle wird direkt an den elektronischen Funkenprüfer (EST) angeschlossen;
- B. Der EST führt eine „statische Prüfung” durch, um das Verhältnis von Ausgangsstrom zu Ausgangsspannung an der Energiequelle zu bestimmen. Dies erfolgt durch Anlegen eines langsamen rampenförmigen Auslöseimpulses (das heißt: Steuersignals) an das analoge Untersystem und durch Messen der Strom/Spannung-Antwort der Energiequelle;
- C. Der EST führt eine „dynamische Prüfung” durch, um zu bestimmen, wie die Energiequelle auf schnelle Änderungen der Lastbedingungen reagiert. Dies erfolgt durch Anlegen eines schnelleren „Stufen”-Auslöseimpulses an das analoge Untersystem und durch Messen der zeitvarianten Strom/Spannung wie zuvor;
- D. Unter Verwendung der statischen und dynamischen Prüfergebnisse und vom Anwender eingegebenen Werten für die Prüflast (ein Netzwerk von passiven Bauteilen, die zwischen den Funkenprüfer und die Energiequelle geschaltet sind) berechnet der EST den benötigten Auslöseimpuls, um den energiereichsten simulierten Funken zu erhalten;
- E. Die Energiequelle wird mit dem EST über die Prüflast verbunden; F. Der Funkenauslöseimpuls, der in Schritt D berechnet wurde, dient zum Anlegen an das analoge Untersystem und die sich ergebende Strom/Spannung-Antwort der PSU wird gemessen und aufgezeichnet; und
- G. Die gemessene Strom/Spannung wird verwendet, um die zeitvariante Leistung zu berechnen, welche wiederum verwendet wird, um eine quantitative Messung der Zündsicherheit zu berechnen.
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Auf diese Weise wird ein elektronischer Funkenprüfer (EST) bereitgestellt, um die vorher verwendete Funkenprüfvorrichtung (STA) zu ersetzen. Der Schlüsselvorteil des elektronischen Simulierens eines Funkens besteht in der Steuerung, anstatt tatsächlich einen Funken durch eine STA zu erzeugen. Anstatt eine große Anzahl von Funken über eine Prüfperiode im Vertrauen auf einen Zufallsprozess zu erzeugen, um eine Explosion zu liefern, kann eher ein größtanzunehmender explosionsfähiger Funken charakterisiert werden (in einer ähnlichen Weise, zu der, die in 1 gezeigt ist) und bei Bedarf simuliert werden.
