DE2501235C3 - Verfahren zur Feststellung einer beginnenden Erdung bei einem elektrostatischen Hochspannungssystem sowie Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung einer beginnenden Erdung bei einem elektrostatischen Hochspannungssystem, insbesondere bei einem elektrostatischen Beschichtungssystem, der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11 angegebenen Gattung sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bei solchen elektrostatischen Hochspannungssystemen muß die Funkenbildung zwischen der Hochspannungselektrode und einem geerdeten Gegenstand vermieden werden; dies kann beispielsweise mit dem Verfahren nach der US-PS 30 48 498 erfolgen, bei dem der Potentialgradient des elektrostatischen Feldes auf einen Wert begrenzt wird, bei dem auch bei sehr geringen Abständen zwischen Hochspannungselektrode und geerdetem Gegenstand, beispielsweise Abständen in der Größenordnung von weniger als 2,5 cm, diese jo Funkenbildung nicht auftritt Dieses Verfahren ist jedoch technisch sehr aufwendig.

Bei einem anderen Verfahren, wie es aus der US-PS 25 09 277 und der US-PS 26 50 329 bekannt ist, wird ein Signal aus dem elektrischen Strom erhalten, der von der π Hochspannungselektrode zur Erde fließt, um beim Auftreten eines bestimmten Stroms die Hochspannungsquelle abzuschalten. Dabei müssen ölisolierte, elektrisch betätigte Kurzschlußschalter mit Kontakten verwendet werden, die bei einer Strecke von mehreren Zentimetern durch das isolierende öl verschoben werden, um die Hochspannungselektrode zu erden.

Schließlich sind ein Verfahren und eine Einrichtung der angegebenen Gattung aus der US-PS 36 41971 bekannt. Dabei wird die Größe des von Erde zu einer 4^r> Hochspannungsquelle zurückfließenden elektrischen Stroms ermittelt und zur Erzeugung eines Signals benutzt, welche die beginnende Erdung anzeigt. Dieses Verfahren arbeitet jedoch befriedigend, da der zurückfließende Strom noch einen großen Anteil an anderen Bestandteilen, beispielsweise einen starken Bestandteil mit 60 Hz und höheren Oberwellen, enthält

Praktisch alle diese Strombestandteile sind um ein Vielfaches größer als der Strombestandteil, der die Annäherung des geerdeten Gegenstandes an die Hochspannungselektrode anzeigt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, mit dem bzw. der eine beginnende Erdung zuverlässig, rasch und störungsfrei festgestellt bo werden kann.

Bei einem Verfahren c~ abgegebenen Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 11 angegebenen Merkmale gelöst. b5

Bei einer Einrichtung der angegebenen Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in den Kennzeichen der Ansprüche 7 und 12 angegebenen Merkmale gelöst

Zweckmäßige Ausfünrungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß ein Signal, welches dem von Erde zu der Hochspannungselektrode zurückfließenden, elektrischen Strom entspricht so verarbeitet wird, daß sich schließlich ein Gleichstrombestandteil ergibt, der dem Abstand zwischen der Hochspannungselektrode und dem geerdeten Gegenstand entspricht Aus einer Änderung dieses Gleichstrombestanateils kann rasch und zuverlässig eine beginnende Erdung abgeleitet werden, wobei eine Änderung des Gleichstrombestandteils durch andere Einflüsse ausgeschieden wird. Da auf diese Weise der Abstand zwischen Hochspannungselektrode und geerdetem Gegenstand sehr exakt erfaßt v«'ird, können bei einem elektrostatischen Beschichtungssystem Funkenbildung und Durchschlag zuverlässig und mit hoher Präzision verhindert werden.

Dies gilt auch dann, wenn die zu beschichtenden Gegenstände frei schwenkbar aufgehängt werden, also der Abstand zwischen Hochspannungselektrode und geerdetem Gegenstand starken Schwankungen unterworfen ist Es muß nur dafür gesorgt werden, daß die Abtastgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um auch diese Schwankungen des Abstandes Hochspannungselektrode/geerdeter Gegenstand zu erfassen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung der wesentlichen Bauteile einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Bauteile einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.3 eine detaillierte Darstellung der wichtigen Schaltungselemente in den Blöcken nach F i g. 2,

Fig.4 ein Blockschaltbild der wesentlichen Bauteile einer weiteren Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

F i g. 5 eine Darstellung der wesentlichen Schaltungselemente der Blöcke nach F i g. 4.

In Fig. 1 ist schematisch ein elektrostatisches Beschichtungssystem dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Feststellung einer beginnenden Erdung eingesetzt werden kann. Das Beschichtupgssystem weist eine Hochspannungsquelle 10, eine Hochspannungselektrode 11, einen geerdeten Gegenstand 12 und eine Erdungseinrichtung 13 auf. In dem elektrostatischen Beschichtungssystem kann der geerdete Gegenstand 12 frei in Richtung auf die geladene Hochspannungselektrode 11 bewegt werden, wie durch den Pfeil 12a angedeutet ist. Eine Bewegung des geerdeten Gegenstandes 12 in Richtung auf die Hochspannungselektrode führt zu einem verstärkten Stromfluß im Raum zwischen der Hochspannungselektrode und dem geerdeten Gegenstand. Die Größe dieses elektrischen Stroms nimmt weiter zu, bis es auf der Strecke zwischen der Hochspannungselektrode und dem geerdeten Gegenstand zu einem Durchschlag kommt und Funken gebildet werden.

Bei einem solchen elektrostatischen Beschichtungssystem weist die Hochspannungselektrode häufig einen in einem Metallgehäuse 11a untergebrachten Druckluftmotor auf, der einen glockenförmigen, oder, wie dargestellt, scheibenförmigen Zerstäuber Wb antreibt. Der Elektromotor und die Zerstäubungselektrode sind

gegen Erde durch einen Stab 14 aus einem geeigneten dielektrischen Material, wie beispielsweise Polyamid, isoliert und werden in vertikaler Richtung zum Aufbringen von Farbe auf den geerdeten Gegenstand 12 hin- und herbewegt. Über ein Hochspannungskabel 5 15 sind der Motor und der Zerstäuber mit der Hochspannur ^squelle 10 verbunden. Die Hochspannungsleitung weist einen Metalleiter auf, der von einer starken Isolierschicht aus Polyäthylen umgeben ist. Die Hochspannungsquelle 10 weist einen Aufwärtstransfor- ι ο mator 10a auf, welcher eine Wechselspannung in der Größenordnung von 60 000 bis 100 000 V Scheitel-zuScheitel erzeugt. Die Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators ist mit einer Halbwellen-Verdopplungsschaltung mit Gleichrichtern und Filterkondensatoren verbunden, um eine Ausgangsgleichspannung zu liefern, die gleich der Spannung Spitze-zu-Spitze des Wechselstroms auf der Sekundärseite des Transformators ist.

Die Hochspannungs-Erdungseinrichtung 13 ist über einen Widerstand 106 mit etwa 10 MOhm mit dem Ausgang der Hochspannungs-Verdopplungsschaltung verbunden. Die Hochspannungs-Erdungseinrichtung weist einen normalerweise geschlossenen, einpoligen Schalter 13a auf (welcher in Fig. 1 in offener Schaltstellung dargestellt ist), durch den eine elektromagnetische Spule 136 betätigt wird. Der Schalter 13a ist in einem luftdicht verschlossenen Gehäuse 13c unter einem ölschutz untergebracht. Die Spule 136 ist in einem abgetrennten Teil des Schalters 13 untergebracht Das Gehäuse 13c weist einen Hochspannungsanschluß 13c/ und einen Erdungsanschluß 13e für die Kontakte des Schalters 13a auf. Der Hochspannungsanschluß 13c/ ist mit der Hochspannungselektrode 11 und dem Hochspannungskabel 15 verbunden. Wenn sich der Schalter in seiner normalen Schaltstellung befindet, sind die Hochspannungselektrode und das Kabel mit Erde verbunden.

Der Raum in dem Gehäuse 13c dient zur Isolation zwischen den Kontakten des Schalters 13a, wenn sie offen sind; die Außenfläche des Gehäuses liefert die Isolierung zwischen dem Hochspannungs- und dem Erdungsanschluß, wenn sie in einer ölisolierung untergebracht sind. Die Einrichtung kann dann zum Steuern von 60 000 bis 140 000 V verwendet werden.

Die Schaltkontakte selbst sind aus Metall. In ihrer normalen Schaltstellung liegen die Kontakte in dem Gehäuse 13c an- bzw. aufeinander. Die Kontakte werden mittels der elektromagnetischen Haltespule 13b getrennt, wenn diese durch Gleichstrom erregt wird. Anschlüsse 13/der Spule 136 sind an dem Schalter 13 an dem von dem Hochspannungsanschluß 13 entfernt liegenden Ende vorgesehen. Da die Schaltkontakte in dem luftdicht abgeschlossenen, von dem Gehäuse begrenzten Raum angeordnet sind, arbeitet die Einrichtung sehr schnell, wenn sie von der erregten in die normale, geschlossene Schaltstellung umgeschaltet wird; die Schaltzeit liegt in der Größenordnung von 15 msek. Der Widerstand 106 schützt die Kontakte des Schalters 13a vor der in der Hochspannungsquelle 10 erzeugten und gespeicherten Energie.

Infolgedessen wird beim Anschalten des elektrostatischen Hochspannungssystems der Spule 136 Strom zugeführt, bevor Hochspannung an das System angelegt wird. Eine übliche Hochspannungssteuerung 17 weist Tastenschalter 18 bzw. 19 zum Ein- und Ausschalten auf. Beim Anschalten der Hochspannung wird der Tastenschalter 18 gedrückt, wodurch ein Relais 20 erregt wird.

Die normalerweise offenen Kontakte 20a des Relais 20, welche parallel zu dem Tastenschalter 18 liegen, werden geschlossen, solange das Relais 20 erregt ist. Normalerweise offene Kontakte 206 des Relais 20 werden dann ebenfalls geschlossen, wodurch Wechselspannung an das Brückengleichrichternetzwerk 16 angelegt wird, das die Haltespule 136 der Erdungseinrichtung 13 erregt, wodurch die Kontakte des Schalters 13a geöffnet werden. Die normalerweise offenen Kontakte 20c des Relais 20 werden ebenfalls geschlossen, wodurch Wechselspannung an die Steuerschaltung 21 angelegt wird. Die Steuerschaltung 21 führt die Wechselspannung dann allmählich dem Hochspannungstransformator 10a der Hochspannungsquelle 10 zu, um die Einschaltschwingungen bzw. -stoße zu verhindern, die sonst beim plötzlichen Anlegen der Wechselspannung auftreten.

Eine die Erdung feststellende Einrichtung 24 weist ein Erdrückleitungsnetzwerk 25, eine Schaltung 22 zum Verarbeiten des Signals des Erdrückleitungsnetzwerks und ein Relais 23 auf.

Wenn sich der geerdete Gegenstand 12 in die Richtung 12a bewegt, wird ein Signal an dem Erdrückleitungsnetzwerk 25 erhalten; die Schaltung 22 arbeitet dann mit diesem Signal, wie später noch erläutert wird. Wenn mit Hilfe des Signals in dem Endrückleitungsnetzwerk 25 festgestellt wird, daß die Hochspannungselektrode 11 und der sich nähernde, geerdete Gegenstand 12 einen Abstand erreichen, bei welchem eine Funkenbildung beginnen kann, betätigt die Schaltung 22 ein Alarmrelais 23, welches die normalerweise geschlossenen Kontakte 23a und 236 öffnet. Wenn die Kontakte 23a des Alarmrelais 23 offen sind, unterbrechen sie die Schaltung, welche das Relais 20 im erregten Zustand hält. Durch die Entregung des Relais 20 werden seine Kontakte 22a, 226 und 22c wieder geöffnet. Beim Öffnen der Kontakte 20c wird die Energie an der Hochspannungsquelle 10 und beim öffnen der Kontakte 206 und 236 die Energie an dem Brückengleichrichter 16 und der Haltespule 136 der Erdungseinrichtung abgeschaltet. Die Kontakte des Schalters 13a schließen sich dann wieder, wodurch das Kabel 12 und die Hochspannungselektrode 11 geerdet werden.

Das Erdrückleitungsnetzwerk 25 liegt zwischen Erde und dem Erdungsanschluß 10c der Hochspannungsquelle 10. Der von der Hochspannungselektrode zu dem geerdeten Gegenstand fließende Strom wird über Erde und das Erdrückleitungsnetzwerk 25 zu der Hochspannungsquelle zurückgeleitet, und am Ausgang 25a des Netzwerkes wird dann ein Signal erhalten. Die Verarbeitung des Signals durch die Schaltung 22 wird nunmehr an Hand der F i g. 2 erläutert Das in dem Endrückleitungsnetzwerk erzeugte Signal weist eine Vielzahl Gleich- und Wechselspannungskomponenten auf, wie bei 256 in Fig.2 dargestellt ist Das Signal enthält starke Anteile mit 60 Hz einschließlich vieler höherer Oberwellen. Dieses komplizierte Signal wird mittels eines Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerkes 26 zerlegt und analysiert, um die Signalkomponente zu bestimmen, welche die Annäherung des geerdeten Gegenstandes darstellt Dieses Netzwerk 26 weist einen Gleichstromverstärker mit hoher Verstärkung auf, um das Eingangssignal 256 mit Hilfe der Übertragungsfunk

-HWo²ZS² + et WoS+ Wo²

umzuformen.

In dieser Formel sind

H eine dimensionslose Konstante,
Wo die Kreisfrequenzdarstellung der Eckfrequenz des Filters 5 der Laplace-Transformationsoperator und
α eine Konstante (/2).

Das Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk liefert beispielsweise für Gleichstromsignale eine Verstärkung ι ο von 20 dB und dämpft die Wechselstromkomponenten auf 40 dB pro Dekade, das sind 3 dB nach unten bei 10 Hz; es hat eine Verstärkung von Null bei etwa 30 Hz. Ein derartiges Netzwerk hält somit fremde Wechselstromsignale von dem Ausgang des Tiefpaßfilters fern. Infolgedessen wird entsprechend der Annäherung des geerdeten Gegenstandes 12 an die Hochspannungselektrode 11 am Ausgang 26a des Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerks 26 ein Signal erzeugt, dessen Größe zunimmt, wenn sich der Gegenstand nähert, wie bei 266 in F i g. 2 dargestellt ist.

Das zunehmende Gleichstromsignal am Ausgang 26a des Tiefpaßfunktions-Verstärker-Netzwerks 26 wird abgetastet, so daß zwei aufeinanderfolgende Signale in verschiedenen Zeitintervallen verglichen werden können. Die Abtastfrequenz wird durch einen Taktgeber 27 bestimmt, welcher eine Reihe von Steuerimpulsen mit einer mehr oder weniger rechteckigen Wellenform am Ausgang 27a erzeugt, wie bei 276 dargestellt ist. Die Dauer »t« jedes Steuerimpulses ist, wie bei 276 darstellt, st) so gewählt, daß aufeinanderfolgende Abfragewerte bzw. Impulse gebildet werden, welche schnell genug auftreten, so daß sich bei einem Vergleich dieser Signale eine feststellbare Zunahme des Signalpegels bei den sich meist sehr schnell ändernden Bedingungen ergibt.

Das Ausgangssignal des Taktgebers wird an zwei gesteuerte Abfrageschaltungen 28 und 30 angelegt. Die erste gesteuerte Abfrageschaltung 28 ist mit einer Halteschaltung 29 verbunden und wird während des ersten Abtastintervalls 11 von dem Taktgeber 27 <n gesteuert. Das Signal 266 von dem Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk 26 wird von der gesteuerten Abfrageschaltung 28 durchgelassen und in der Halteschaltung 29 zurückgehalten. Infolgedessen steigt am Ausgang der Halteschaltung 29a das Signal 296 entsprechend dem Signal 266 bis zum Ende des Steuerintervalls 11 an. Am Ende des Zeitintervalls 11 wird das Steuersignal von dem Eingang der ersten gesteuerten Abfrageschaltung entfernt und während des Zeitintervalls f 2 an die zweite gesteuerte Abfrageschaltung 30 angelegt. Das Signal 266 wird während des Zeitintervalls 12 von der gesteuerten Abfrageschaltung 30 durchgelassen und durch eine Inverterschaltung 3Ϊ umgekehrt Das am Ausgang 31a der zweiten gesteuerten Abfrageschaltung und der Inverterschaltung anliegende Signal 316 ist ein negativer Impuls, welcher die Amplitude des Signals 266 wiedergibt, das während des Intervalls 12 anliegt

Das Ausgangssignal 296 der Halteschaltung und das Signal 316 der Inverterschaltung 31 stellen die Teile des Signals 266 dar, welche während der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle 11 und 12 vorkommen bzw. anliegen. Diese Ausgangssignale werden einer Summierschaltung 32 zugeführt Die jeweilige augenblickliche Summe oder Differenz 326 dieser Signale 296 und 316 liegt am f>5 Ausgang der Summierschaltung 32 an, wird jedoch durch die Summierschaltung 32 umgekehrt Das dem Ausgangssignal der Summierschaltung entsprechende Signal 326 wird einem Pegeldetektor 33 zugeführt. Wenn der Pegel des Signals 326 einen Wert erreicht, welcher anzeigt, daß eine Funkenbildung auftreten kann, wie bei 32c angedeutet ist, dann erzeugt der Pegeldetektor 33 ein Signal 336 am Ausgang 33a. Dieses Alarmsignal kann zum Auslösen eines Alarms bzw. des Relais 23 oder zum Abschalten der Hochspannung verwendet werden.

In F i g. 3 ist die Einrichtung nach F i g. 2 im einzelnen gezeigt. Die Elemente des Erdrückleitungsnetzwerks sind in einem gestrichelten Blockschaltbild 25 dargestellt und weisen zwischen Erde und dem Erdungsanschluß 10c der Hochspannungsquelle 10 einen Festwiderstand 34 und einen veränderlichen Widerstand 35 auf. Mittels des veränderlichen Widerstandes 35 wird der Pegel des Signals eingestellt, welches am Ausgang 25a des Erdrückleitungsnetzwerks erzeugt wird. Das Erdrückleitungsnetzwerk weist eine Sicherung 36 und einen Strombegrenzungswiderstand 37 auf, welcher mit dem Eingang des Tiefpaß-Funktionsverstärkernetzwerkes auf noch zu beschreibende Weise zusammenarbeitet.

Das Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk weist eine Zenerdiode 38 auf. Diese Zenerdiode, welche mit dem Strombegrenzungswiderstand 37 und den anderen Elementen des Erdrückleitungsnetzwerkes zusammenarbeitet, verhindert, daß ein Signal an den Eingang des Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerkes angelegt wird, wenn ein vorher ausgewählter Spannungspegel von beispielsweise ± 12 V überschritten wird. Mittels eines Operationsverstärkers in dem Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk wird das Eingangssignal entsprechend der oben angeführten Übertragungsfunktion umgeformt. Unter »Operationsverstärker« wird beispielsweise ein Operationsverstärker des Typs N 5741 der Signetic Corporation verstanden. Es kann beispielsweise ein aktives Filter mit den vorbeschriebenen Kenndaten hergestellt werden, wie sie bei Operationsverstärkern verwendet werden; ihr Aufbau ist beispielsweise aus »Operational Amplifiers — Design and Application«, der Burr-Brown Research Corp. aus dem Jahre 1971 bekannt. Bei einem derartigen aktiven Filter können ein oder mehrere Operationsverstärker verwendet werden. Ein aktives Filter mit den geforderten Kenndaten und mit einem Operationsverstärker 39 ist in Fig.3 dargestellt. Durch mehrere Widerstände und Kondensatoren 40 bis 44, welche mit dem Ausgang und dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind, wird aus dem Signal am Anschluß 38a die geforderte Übertragungsfunktion am Anschluß 45 gebildet. In diesem Fall weist das Signal am Ausgang 45 des Operationsverstärkers keine nennenswerte Gleichstromkomponente auf. Das Signal am Anschluß 45 ist im wesentlichen ein Gleichstromsignal, welches zunimmt und abnimmt, wenn sich ein geerdeter Gegenstand 12 der geladenen Hochspannungselektrode 11 des elektrostatischen Systems näh'ert oder sich von dieser entfernt. Die üblichen Werte dieser Schaltungselemente, welche die vorbeschriebenen Kenndaten liefern, sind ein Widerstand 40 mit 11,3 KOhm, ein Kondensator mit 2,2 μΡ, ein Widerstand 42 mit 10,2 KOhm, ein Widerstand 43 mit 113 KOhm und ein Kondensator 44 mit 0,1 μΡ. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird mittels eines Operationsverstärkers 46 und Widerständen 47 und 48 verstärkt und liegt am Ausgang 26a des Tiefpaß-Funktionsverstärkernetzwerkes 26 an.

Das Abtasten des Signals am Ausgang 26a des Tiefpaß-Funktionsverstärkernetzwerkes 26 erfolgt mit

Hilfe des Taktgebers, welcher in dem gestrichelten Blockschaltbild 27 dargestellt ist. Der Taktgeber weist einen Transformator 50 auf, dessen Primärwicklung mit einer 60-Hz-Energiequelle verbunden ist. Die Sekundärwicklung 50b ist auf einer Seite geerdet, während die andere Seite über einen Widerstand 62 mit einem Operationsverstärker 51 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 51 ist durch zwei Dioden 53 und 54 auf den Eingang rückgekoppelt. Diese Schaltung kann über den Widerstand 43 geerdet bzw. mit — 12 V verbunden sein. Die Dioden 53 und 54 sowie der Operationsverstärker 51 bilden in der in F i g. 3 dargestellten Schaltung eine Begrenzerschaltung von 0 bis +5V. Hierbei ist die positive Halbperiode der Wechselspannung weggelassen, während die negative Halbperiode bei 5 V abgeschnitten ist; sie wird mittels des Operationsverstärkers umgekehrt und in einen Rechteckimpuls umgeformt, wodurch sich ein Impuls von 0 bis +5V von etwa 8 msek. Dauer ergibt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 51 ist über Widerstände 55 und 56 mit einem Transistor 57 verbunden, welcher durch dieses Signal bei abwechselnden Halbperioden des 60-Hz-Eingangs in die Sättigung gesteuert wird.

Wenn der Transistor 57 durch das Steuersignal des Taktgebers nicht in die Sättigung gesteuert wird, kommt ein Transistor 58 über Widerstände 59 und 60 in Sättigung, wodurch die Kollektorspannung eines Transistors 61 in der zweiten gesteuerten Abfrageschaltung, welche in dem gestrichelten Block 30 dargestellt ist, wirksam abgeleitet wird. Während dieser Halbperiode des 60-Hz-Eingangs bei dem Takt, welcher dem Zeitintervall 11 entspricht, das bei 27 b in F i g. 2 dargestellt ist, wird die Kollektorspannung an einen in dem gestrichelten Block 28 dargestellten Transistor 62 der ersten gesteuerten Abfrageschaltung angelegt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfunktionsverstärker-Netzwerkes 26 wird während dieses Zeitintervalls 11 über über einen Widerstand 63 an den Transistor 62 angelegt. Dieses Signal wird durch den Transistor 62 verstärkt integriert und durch die in dem gestrichelten Block 29 dargestellte Halteschaltung gespeichert, welche einen Widerstand 64 und einen Kondensator 66 enthält. Durch eine Diode 65, welche zwischen dem Emitter des Transistors 62 und der Halteschaltung 29 liegt, ist der Transistor 62 geschützt. Mittels eines Widerstands 64, welcher parallel zu einem Kondensator 66 geschaltet ist, können verhältnismäßig stationäre Zustände festgestellt werden, welche der beginnenden Erdung der Hochspannungselektrode entsprechen, wie nachstehend noch ausgeführt wird.

In der Halbperiode des 60-Hz-Eingangssignals, welches dem ZciiiiiiervaH f2 bei 27 b in F i g. 2 entspricht, ist der Transistor 57 gesättigt, wodurch die Kollektorspannung von dem Transistor 62 entfernt wird. Der Transistor 58 ist jedoch nicht gesättigt, und die Kollektorspannung wird an den Transistor 61 der zweiten gesteuerten Abfrageschaltung 30 angelegt Während des Zeitintervalls f 2 wird das Signal von dem Ausgang 26a des Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerkes 26 über einen Widerstand 67 an den Transistor 61 in der zweiten gesteuerten Abfrageschaltung und über eine Diode 68 an eine Inverterschaltung angelegt Das Signal wird zu der Inverterschaltung in dem gestrichelten Block 31 übertragen, welche einen Operationsverstärker 69 aufweist, der mit Widerständen 70 und 71 verbunden ist, um die Umkehr-Verstärkungsfunktion auszuführen.

Die Signale an den Ausgängen 29a und 31a der Halteschaltung bzw. der Inverterschaltung werden einer in dem gestrichelten Block 32 dargestellten Summierschaltung zugeführt. Das Ausgangssignal der "> Halteschaltung 29 wird über einen veränderlichen Widerstand 72 zu einem Operationsverstärker 73 weitergeleitet. Das Ausgangssignal der Inverterschaltung 31 wird über einen Widerstand 74 an einen Operationsverstärker 73 angelegt. Ein Rückkopplungs-

K) widerstand 75, welcher an die Verbindung des veränderlichen Widerstands 72, des Widerstands 74 und des Funktionsverstärkers 73 angeschlossen ist, summiert und bildet die Differenz des während des Intervalls 11 zurückgehaltenen Signals, welches am

i) Ausgang 29a der Halteschaltung 29 anliegt, und des Signals während des Zeitintervalls f2, welches am Ausgang 31a der inverterschaltung 31 anliegt. Die Differenz liegt am Ausgang 32a der Summierschaltung 32 an, wird jedoch durch Betätigen der Schaltung umgekehrt.

Mit einem in dem gestrichelten Block 33 dargestellten Pegeldetektor wird festgestellt, wenn die Differenz zwischen den Signalen, welche während des Zeitintervalls f 1 und während des Zeitintervalls r2 auftreten, einen vorbestimmten ausgewählten Pegel überschreitet, welcher der beginnenden Erdung des elektrostatischen Hochspannungssystems entspricht Wie in F i g. 3 dargestellt ist, weist der Pegeldetektor 33 eine Zenerdiode 76 auf, um das Eingangssignal eines

jo monostabilen Multivibrators 79 in vorbestimmten Spannungsgrenzen, beispielsweise innerhalb von ± 5 V, zu halten. Der mit einem Widerstand 77 und einem Kondensator 78 verbundene, monostabile Multivibrator 79 wird angesteuert, wenn der angelegte Pegel einen

j3 vorbestimmten Wert überschreitet

Um langsam fortschreitende oder stationäre Zustände festzustellen, welche plötzlich aufgezwungen werden und eine beginnende Erdung des elektrostatischen Hochspannungssystems darstellen, ist der Widerstand 64 parallel zu dem Kondensator 66 in der Halteschaltung 29 geschaltet. Während des Zeitintervalls 12 wird über den Widerstand 64 die gespeicherte Ladung des Kondensators 66 abgeleitet, wodurch die integrierten Signale dargestellt werden, die während der Periode 11 auftreten. Die Ladungsableitung über den Widerstand verringert während des Zeitintervalls 12 den Signalpegel am Ausgang der Halteschaltung 29a, der mit dem umgekehrten, am Ausgang 31a der Inverterschaltung anliegenden Signal zu summieren ist, und ergibt eine größere Differenz am Ausgang der Summierschaltung 32a. Wenn infolgedessen eine beginnende Erdung des elektrostatischen Hochspannungssystems durch einen sich sehr schnell bewegenden, geerdeter. Gegenstand in einer Periode plötzlich aufgezwungen wird, welche kürzer als das Abtastintervall ist (das bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung das 1/120-tel einer Sekunde ist), das folglich verhältnismäßig stationär bleibt, wird trotzdem ein großes Differenzsignal erzeugt, welches den Pegeldetektor erregt, um ein Alarmsignal zu

bo erzeugen bzw. das Relais 23 anzuschalten.

In F i g. 4 ist eine Einrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt Das hierbei verwendete System hat einen ähnlichen Aufbau wie das der F i g. 2.

Das Erdrückleitungssignal am Anschluß 25a des Erdrückleitungsnetzwerks 25 wird an der Stelle 80 in zwei Kanäle aufgeteilt In dem ersten Kanal formt ein Funktionsverstärker 81 das Signal mittels der Übertra-

gungsfunktion

-ST

I + ST

um. Durch diese Übertragungsfunktion werden die Gleichstromsignale am Ausgang 81a beseitigt und ähnlich wie bei Netzwerken eine Phasenverschiebung des Signals bewirkt. Der zweite Kanal weist ein Phasenschieber-Netzwerk 82 auf, welches das gesamte Signal am Ausgang des Erdrückleitungsnetzwerkes mit praktisch derselben Verstärkung und Phasenverschiebung wie in dem Funktionsverstärker 81 durchläuft.

Wegen des Funktionsverstärkers 81 liegt am Ausgang 81a des ersten Kanals eine verstärkte Umkehrung der in dem Signal vorhandenen Wechselstrombestandteile an. Aiii Ausgang 82ä des zweiten Kanals ist das ganze Signal mit derselben Verstärkung und Verzögerung, wie beim ersten Kanal, vorhanden. Die Signale von dem ersten und zweiten Kanal werden auf eine Summierschaltung 83 gegeben, deren Ausgangssignal 83a infolgedessen im wesentlichen ein Gleichstromsignal ist. Dieses Signal wird mittels eines Verstärkers 84 verstärkt, dessen Ausgangssignal 84a an einen Pegeldetektor 85 angelegt ist.

In F i g. 5 ist die Einrichtung nach F i g. 4 im einzelnen dargestellt. Die Elemente des Erdrückleitungsnetzwerks sind in dem gestrichelten Block 25 dargestellt und wurden bereits an Hand der F i g. 3 beschrieben. Die Elemente, welche den Funktionsverstärker in einem gestrichelten Block 81 bilden, sind so zusammengeschaltet, daß sie die Übertragungsfunktion

-.ST

ϊ+sf

bilden, wobei Funktionsverstärker und die Aufbautechnik angewendet werden, wie sie in der (oben

angeführten) Literaturstelle »Operational Amplifiers-Design and Application« beschrieben sind; hierbei ist ein Operationsverstärker 86 vorgesehen. Zenerdioden 80a und 806 sind mit dem Anschluß 80 verbunden, um zu verhindern, daß das Signal am Anschluß 80 einen vorher ausgewählten Pegel übersteigt. Mit Hilfe von Widerständen und Kondensatoren 87, 88, 89 und 91 wird zwischen dem Anschluß 80 und dem Anschluß 81a die gewünschte Übertragungsfunktion erzeugt. Dieser Funktionsverstärker dämpft die Gleichstrombestandteile des komplizierten Signals 25b und trennt seine Wechselstrombestandteile ab.

Das Signal am Anschluß 80 wird an das in dem gestrichelten Block 82 dargestellte Phasenschieber-Netzwerk angelegt, welches einen Operationsverstärker 92 sowie Widerstände 93 und 94 aufweist. In diesem Phasenschieber-Netzwerk wird das gesamte, am Anschluß 80 anliegende Signal verstärkt und erhält eine Phasenverschiebung, welche der durch den Funktionsverstärker 81 eingeführten entspricht. Die Ausgangssignale des Funktionsverstärkers 81 und des Phasenschieber-Netzwerks 82 werden mittels der in dem gestrichelten Block 83 dargestellten Summierschaltung summiert, welche einen Operationsverstärker 95 sowie Widerstände 96 und 97 aufweist. Die Widerstände 90 und 97 sollen die Temperatur stabilisieren und tragen insgesamt nicht zur Übertragungsfunktion der Schaltung bei. Am Ausgang 83a der Summierschaltung 83 liegt somit ein im wesentlichen reines Gleichstromsignal an. Die Wechselstrombestandteile des Signals sind mit Hilfe der Netzwerke 81 und 82 sowie der Summierschaltung 83 beseitigt worden. Das sich ergebende Gleichstromsignal hängt von der Annäherung eines geerdeten Gegenstandes an die Hochspannungselektrode ab.

Dieses Signal wird mittels des Verstärkers in dem gestrichelten Block 84 verstärkt und einem Pegeldetektor zugeführt, der bei einem Signalpegel betätigt wird, welcher einer beginnenden Erdung entspricht.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1
Patentansprüche:

ι. Verfahren zur Feststellung einer beginnenden Erdung bei einem elektrostatischen Hochspannungssystem, insbesondere bei einem elektrostatisehen Beschichtungssystem, aus der Größe des von Erde zu einer Hochspannungsquelle zurückfließenden elektrischen Stroms mit einer Hochspannungselektrode und einem geerdeten Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wechsel-Strombestandteile des zurückfließenden Stroms zur Gewinnung eines Gleichstromsignals gedämpft werden, daß das so erhaltene Gleichstrcmsignal mit einer bestimmten Taktfrequenz zur Erzeugung von Abtastwerten aus aufeinanderfolgenden Zeitintervallen getastet wird, daß die Pegel der Signalströme in aufeinanderfolgenden Abtastwerten verglichen werden und festgestellt wird, ob der Signalstrom mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die einer bevorstehenden Erdung entspricht, und daß ein entsprechendes Signal erzeugt wird, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit einen vorher bestimmten Wert übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von Erde zu der Hochspannungsquelle (10) zurückfließende Strom im Filternetzwerk (26) mittels der Übertragungsfunktion

+ κ WoS + Wo²)

umgeformt wird, daß das dabei entstehende Signal in in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zur Gewinnung von zwei Signalbestandteilen in einander abwechselnden Zeitintervallen abgetastet wird, wobei ein Signalbestandteil in einem Zeitintervall in einem Kanal erhalten und der andere Signalbestandteil in dem anderen Zeitintervall in dem anderen Kanal umgekehrt wird, und daß diese beiden Signalbestandteile für den Vergleich der Pegel des Signalstroms in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zusammengefaßt werden, um daraus das die beginnende Erdung anzeigende Signa! zu gewinnen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastwert eines Zeitintervalls für den Vergleich mit dem Abtastwert des jeweils folgenden Zeitintervalls gespeichert wird, und daß von dem gespeicherten Abtastwert ein Teil subtrahiert wird, der proportional zu seiner Amplitude ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wechselstrombestandteile des Signals über 10 Hz um 40 w dB pro Dekade gedämpft werden, während alle Gleichstrombestandteile um 20 dB verstärkt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Signalstroms 120mal pro Sekunde durchgeführt v-, wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervalle schneller ablaufen als die zu verhindernde Erdung. bo

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk (26) zur Erzeugung eines Signals, in dem alle elektrischen Signalbestandteile im Vergleich mit dem Gleichstrombestandteil es ausreichend gedämpft sind, während der Gleichstrom verstärkt wird, durch einen Taktgeber (27) zur Erzeugung eines Abfrageimpulses für das Signal, durch zwei gesteuerte Abfrageschaltungen (28, 30) zur Feststellung des Gleichstrompegels des Signals, wenn sie durch den Taktgeber (27) angesteuert werden, wobei eine der gesteuerten Abfrageschaltungen mit einer Halteschaltung (29) für das abgefühlte Signal während einer Halbperiode des Steuersignals verbunden und die andere gesteuerte Abfrageschaltung (30) mit einer Inverterschaltung (31) zur Umkehrung des Signals von der anderen Abfrageschaltung (30) verbunden sind, durch eine Summierschaltung (32) zur Bestimmung des Unterschiedes zwischen dem Signal von der Halteschaltung (29) und dem umgekehrten Signal von der anderen gesteuerten Abfrageschaltung (30), und durch einen Pegeldetektor (33) für die Erzeugung eines Betriebssignals, wenn der Pegel einen vorher bestimmten Wert übersteigt, der die beginnende Erdung der Hochspannungselektrode (10) anzeigt

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Tiefpaß-Funktionsverstärker-Netzwerk (26) ein aktives Filter (41 bis 44) aufweist, durch das die Eingangsspannung in ein Ausgangssignal mit Hilfe der Übertragungsfunktion

-HWa¹IS² + « H-OS + Wo²

umgeformt wird, in der H = 10, Wo/2 π - 10 Hz und α = 2 für ein Ansprechverhalten mit einer Dämpfung von 40 dB/Dekade sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (27) Steuerimpulse mit einem Zeitintervall erzeugt, das den 120ten Teil einer Sekunde beträgt, und daß die Steuerimpulse an die gesteuerten Abfrageschaltungen (28,30) angelegt werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltung (29) eine Anordnung zur Subtraktion eines Signals von dem Ausgangssignal aufweist, das proportional zur Größe des Ausgangssignals während des von dem Taktgeber (27) erzeugten Zeitintervalls ist.

11. Verfahren zur Feststellung einer beginnenden Erdung bei einem elektrostatischen Hochspannungssystem, insbesondere bei einem elektrostatischen Beschichtungssystem, aus der Größe des von Erde zu einer Hochspannungsquelle zurückfließenden elektrischen Stroms mit einer Hochspannungselektrode und einem geerdeten Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal, das dem von Erde zu der Hochspannungsquelle (10) zurückfließenden elektrischen Strom entspricht, auf zwei Kanäle aufgeteilt wird, daß das Signal in einem Kanal durch die Übertragungsfunktion -St/1 + ST umgeformt wird, daß das Signal in dem anderen Kanal eine Verstärkung und eine Phasenverschiebung erhält, die denjenigen im ersten Kanal entsprechen, und daß die beiden Signalbestandteile zur Beseitigung der Wechselstromanteile zur Gewinnung eines Gleichstromsignals zusammengefaßt werden, das die beginnende Erdung angibt.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden getrennten und unabhängigen Signalkanäle einen Funktionsverstärker (81) aufweist, durch den das Signal, das an dem zwischen Erde und der Erdrückleitung der Hochspannungsquelle (10) geschalteten Widerstand auftritt, durch die Übertragungsfunktion -STA +STzur Gewin-

nung eines Signalbestandteils umgeformt wird, und daß der andere Kanal ein Phasenschieber-Netzwerk (82) aufweist, durch den nur eine dem ersten Kanal entsprechende Verstärkung und Phasenverschiebung zur Gewinnung des anderen Signalbestandteils vorgenommen wird, und daß die Anordnung zur Zusammenfassung der beiden verschiedenen Signalbestandteile eine Summierschaltung (83) aufweist