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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung des elektrischen Widerstands
und insbesondere eine Vorrichtung zur Anzeige, ob ein leitfähiges Element
einen elektrischen Widerstand besitzt, der einem vorgegebenen Wert
entspricht oder geringer als dieser ist, oder ob das leitfähige Element durch
einen Widerstand, der einem vorgegebenen Wert entspricht oder geringer
als dieser ist, zuverlässig
mit dem Erdbezugspotential verbunden ist. Die Vorrichtung nach der
Erfindung ist besonders bei der Überprüfung der
wirksamen Erdung und Erdverbindung von leitfähigen Elementen in Umgebungen nützlich,
in denen der Aufbau von elektrostatischer Ladung unerwünscht ist.
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Die
Geschwindigkeit und der Umfang moderner Herstellungsverfahren, zusammen
mit den Veränderungen
der Beschaffenheit und der Eigenschaften von vielen Ausgangsstoffen
haben den Umfang und die Anzahl der Anwendungen erhöht, wo elektrostatische
Ladungen akkumulieren können.
In der Tat ist in jedem Unternehmen, das leicht entzündliche Flüssigkeiten,
Pulver, Gase oder Dämpfe
lagert, bearbeitet oder verarbeitet, die Aussetzung der Gefahr von
statisch verursachten Entzündungen
in explosionsgefährdeten
Umgebungen sehr wahrscheinlich.
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Es
wird angenommen, dass in Europa jeden Tag ein im Zusammenhang mit
der atmosphärischen Aufladung
stehender Vorfall einen schweren Brand oder Explosion verursacht,
während
im Vereinigten Königreich
allein die Statistik behauptet, dass sich etwa 50 dieser Vorfälle jedes
Jahr ereignen. Neben der Kosten wegen der Unterbrechung des Betriebsablauf,
die sich aus dem verlorenen Produkt ergeben, können diese Vorfälle schwere
Personenschäden und
Schäden
an der Betriebsanlage und hinsichtlich der Umwelt verursachen, sowie
die Möglichkeit
von juristischen Verfahren und der damit einhergehenden schlechten
Werbung für
das betroffene Unternehmen.
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Zur
Bekämpfung
des Aufbaus von ungewollten Entladungen von elektrostatischer Ladung
sind die Betrieblsanlage und die Betriebseinrichtung (sowohl fest
stehend als auch mobil) im Allgemeinen verbunden und geerdet (mit
der Erde verbunden), wodurch jede Ladung abgeleitet wird, bevor
ein gefährlicher
Grad erreicht werden kann.
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Eine
Maßnahme,
die üblicherweise
ergriffen wird, um eine wirksame Erdung zu erreichen, ist die Verwendung
von Erdungs- und Verbindungsklemmen, die so gestaltet sind, um es
dem Benutzer zu ermöglichen,
eine wirksame Verbindung mit tragbaren/mobilen Gegenständen der
Betriebsanlage zu erzielen, um elektrostatische Ladung sicher abzuleiten. Diese
Klemmen umfassen für
gewöhnlich
gefederte Klemmbacken, mit denen die Klemme an dem betroffenen Gegenstand
der Betriebseinrichtung befestigt werden kann, wobei die Klemme
mit einem Ende eines niederohmigen Kabels verbunden ist, dessen
anderes Ende mit der Erde verbunden ist.
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Offensichtlich
hängt ein
zufrieden stellendes Funktionieren der Erdungsklemmen und dergleichen von
einer zufrieden stellenden elektrischen Verbindung zwischen den
Klemmbacken und dem Gegenstand der Betriebseinrichtung, an der sie
angewendet wird, ab. Wenn die Klemme nicht richtig angewendet wird
oder wenn der Gegenstand der Betriebseinrichtung mit einem isolierenden
Material beschichtet ist, z.B. Farbe oder ein isolierendes Oxid,
kann eine solche Verbindung nicht erzielt werden. Die Klemme ist
dann hinsichtlich der Entladung von akkumulierenden statischen Ladungen
unwirksam und es besteht die Gefahr von Funken-Entladungen mit der damit
einhergehenden Explosionsgefahr.
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US-A-5113303
offenbart einen Erdungs-Erfassungs-Kreislauf, der einen Erdungs-Clip
einschließt.
EP-A-0534702 offenbart ein System zur Überprüfung von elektrostatischen
Entladungen.
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US-A-5686897
offenbart eine selbst testende elektronische Personal-Erdungs-Vorrichtung.
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Die
bekannten Erdungsklemmen dienen nur dazu, die Gegenstände der
Betriebseinrichtung mit einer sicheren Erde zu verbinden. Sie liefern
keine Überprüfungsfähigkeit,
um den Benutzer für
den Fall zu alarmieren, dass die Verbindung mit der Erde nicht hergestellt
ist, z.B. aufgrund einer lockeren Anwendung der Klemme an dem Gegenstand
der Betriebseinrichtung oder aufgrund des Vorhandenseins von Farbe
oder einer anderen Abdeckung. Schaltungsentwürfe, die die Qualität der Verbindung
mit der Erde überprüfen, sind
bekannt, sie sind aber im Allgemeinen in komplexen Einheiten integriert,
die nicht tragbar sind und daher nur von begrenzter Brauchbarkeit
sind. Solche Einheiten können
auch nicht hinreichend geschützt
werden, um in explosionsgefährdeten
Umgebungen untergebracht zu werden.
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Nun
wurde eine Vorrichtung ersonnen, zur verlässlichen Überprüfung des Widerstands zwischen
den Klemmbacken einer Erdungsklemme und zur Alarmierung des Benutzers
der Klemme, wenn der Widerstand über
einem akzeptablen Niveau liegen sollte, wobei diese Vorrichtung
die oben genannten Nachteile des bekannten Stands der Technik überwindet
oder abmildert.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Vorrichtung vorgesehen, zur Anzeige, ob ein leitfähiges Element einen
elektrischen Widerstand besitzt, der einem vorgegebenen Wert entspricht
oder geringer als dieser ist, oder ob das leitfähige Element durch einen Widerstand,
der einem vorgegebenen Wert entspricht oder geringer als dieser
ist, zuverlässig
mit dem Erdbezugspotential verbunden ist, wobei besagte Vorrichtung
umfasst
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Klemmvorrichtung
zum Anschluss der besagten Vorrichtung an das leitfähige Element;
wobei
besagte Klemmvorrichtung eine batteriebetriebene Überwachungseinheit
integriert, die umfasst
einen Strom-Spannungs-Wandler mit einer
Ausgangsspannung, die umgekehrt proportional zu dem Widerstand des
leitfähigen
Elements ist;
einen Komparator, der in vorgegebenen Intervallen besagte
Ausgangsspannung mit einer vorgegebenen Referenz vergleicht und
folglich bestimmt, ob der gemessene Widerstand dem vorgegebenen
Wert entspricht oder geringer als dieser ist; und
Signalvorrichtungen,
die betätigt
werden, um eine Anzeige zu liefern, ob der gemessene Widerstand dem
vorgegebenen Wert entspricht oder geringer als dieser ist,
dadurch
gekennzeichnet, dass sich der vorgegebene Wert des gemessenen Widerstands
in einem Bereich von 1–100
Ohm befindet.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist in erster Linie darin vorteilhaft, dass sie eine ununterbrochene
Anzeige des Widerstands des leitfähigen Elements liefert, z.B.
um die wirksame Verbindung des leitfähigen Elements mit der Erde
zu bestätigen. Sollte
sich der Widerstand erhöhen,
z.B weil die Verbindung mit der Erde unterbrochen ist, wird der
Benutzer durch den Wechsel des Signals, das von der Signalvorrichtung
ausgesendet wird, alarmiert. Dieser Wechsel kann darin bestehen,
dass die Signalvorrichtung so gesteuert ist, um ein akustisches
oder optisches Signal zu erzeugen, oder alternativ darin, dass das
Signal ausgeschaltet wird. Die Vorrichtung kann kompakt, unabhängig und
tragbar sein, wodurch die Handhabung sehr erleichtert wird. Die
Vorrichtung kann außerdem
zu geringeren Kosten als herkömmliche
Erdungs-Überwachungs-Systeme hergestellt
werden. Die Vorrichtung kann außerdem eine
eigensichere Bauart haben, wodurch es ihr ermöglicht wird, in explosionsgefährdeten
Umgebungen eingesetzt zu werden. Insbesondere kann die Klemme so
gestaltet werden, dass die Gefahr der Freigabe von Energie von der
Klemme (z.B. Funken-Entladung) minimiert wird. Zu diesem Zweck können alle
Bestandteile des Klemm-Rumpfes leitfähig und über Kreuz verbunden hergestellt
werden, so dass kein Teil des Klemm-Rumpfes elektrisch isoliert ist
und fähig
ist, statische Ladung zu akkumulieren. Die Anzahl der Bestandteile
(wie z.B. Kondensatoren), die fähig
sind, Energie zu speichern, kann ebenso auf einem Minimum gehalten
werden.
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Die
Klemmvorrichtung kann vom Aussehen her ähnlich einer herkömmlichen
Erdungsklemme sein. Als solche kann die Klemme ein Paar gefederter Klemmbacken
umfassen, die mit einem verfügbaren Teil
des Elements, das geerdet werden soll, verbunden sind. Die Backen
der Klemme enthalten Kontakte, die mit der Überwachungseinheit verbunden
sind.
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Die
Anwendung der Klemme mittels gefederter Klemmbacken hat den Vorteil,
dass die Klemme einfach angebracht werden kann, indem nur eine Hand
eingesetzt wird, sogar wenn der Benutzer Schutzhandschuhe oder andere
Kleidungsstücke trägt. Andere
Anwendungsformen können
jedoch dort, wo es zweckmäßig ist,
eingesetzt werden, z.B. Festklemmen durch Gewindebolzen oder Ähnliches.
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Die Überwachungseinheit
kann vollständig oder
teilweise in einer Backe der Klemme untergebracht werden.
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Der
vorgegebene Wert des gemessenen Widerstands, der als Schwelle für die Signalvorrichtung dient,
beträgt
vorzugsweise weniger als 50 Ohm, d.h. 10 Ohm oder 20 Ohm.
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Die
Signalvorrichtung ist vorzugsweise eine optische Signalvorrichtung,
es können
jedoch auch andere Ausführungsformen
von Signalvorrichtungen (z.B. akustische Signalvorrichtungen, wie
z.B. Lautsprecher, Summer, usw.) benutzt werden. Die bevorzugte
optische Signalvorrichtung ist eine Lampe, die ununterbrochen oder
mit Unterbrechungen so lange leuchtet, wie der gemessene Widerstand
einen geringeren Wert hat, als der vorgegebene Wert des gemessenen
Widerstands. Natürlich
kann die Lampe alternativ nur dann leuchten, wenn der Widerstand diesem
Wert entspricht oder höher
als dieser ist. Aus Gründen
der Kompaktheit, der Robustheit und aus Kostengründen ist die bevorzugte Ausführungsform der
Lampe eine Leuchtdiode (LED).
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Die
Batterie ist vorzugsweise von der Art, bei der es unmöglich ist,
dass die gesamte Energie gleichzeitig entladen wird. Eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
der Batterie ist eine Lithium-Mangan Batterie mit einem nichtrückstellbaren Sicherheits-Abschalt-Mechanismus.
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Dort,
was im Allgemeinen der Fall sein wird, wo die Enden der Backen der
Klemmen Kontakte haben, mit welchen die elektrische Verbindung zwischen
der Klemme und dem Gegenstand der Betriebseinrichtung, an dem sie
angewendet wird, hergestellt wird, ist es klar von Bedeutung, dass
eine gute und verlässliche
Verbindung hergestellt wird. Mit herkömmlichen Klemmen ist dies manchmal
schwierig zu erreichen, zum Beispiel wenn die Flächen, an der die Klemme angewendet
wird, eine gekrümmte oder
unregelmäßige Form
haben. Nunmehr wurde herausgefunden, dass dieses Problem durch die
Vorsehung von drei Punktkontakten auf den Klemmbacken überwunden
oder im Wesentlichen abgemildert werden kann. Einer dieser Kontakte
ist auf einer der Klemmbacken vorgesehen und die anderen beiden Kontakte
auf der anderen Klemmbacke. Wenn die Klemme geschlossen wird, liegen
die beiden Kontakte auf der einen Klemmbacke vorzugsweise zu jeder Seite
des einzelnen Kontakts auf der anderen Klemmbacke, wobei sich die
drei Kontakte vorzugsweise im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene befinden. In bevorzugterer Weise stellen die beiden Kontakte
auf einer der Klemmbacken einen elektrischen Kontakt mit dem Gegenstand
der Betriebseinrichtung her, auf das die Klemme angewendet wird, und
sind mit der Überwachungseinheit
verbunden, wobei der dritte Punktkontakt (auf der anderen Klemmbacke)
aus Isoliermaterial besteht.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter beschrieben, bloß beispielhaft,
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, bei denen
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1 eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist, die eine Erdungsklemme umfasst, die eine Vorrichtung
zur Überprüfung des
Widerstands inkorporiert;
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2 ein
Schaltplan der Vorrichtung zur Überpüfung des
Widerstands ist, die Teil der Ausführungsform der 1 ist;
und
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3 eine
schematische Darstellung einer Drei-Punktkontakt-Anordnung ist,
die Teil der Klemme der 1 ist.
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Zunächst unter
Bezugnahme auf 1 umfasst eine erste Ausführungsform
der Erfindung eine Erdungsklemme, die im Allgemeinen mit 1 bezeichnet
wird. Die Klemme 1 umfasst in der herkömmlichen Form ein Paar gefederte
Klemmbacken 2, 3 an deren Enden juxtapositionierte
mechanische Punktkontakte 4, 5 befestigt sind
(weiter unten näher
beschrieben). Ein zweiadriges Kabel 6 ist mit der Klemme 1 verbunden.
Das Kabel 6 kann die Form eines flexiblen Spiralenkabels
haben oder auf einer gefederten selbst-zurückziehenden Kabeltrommel aufgewickelt
sein.
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Die
Vorrichtung zur Überprüfung des
Widerstands (unten beschrieben) ist in der oberen Klemmbacke 2 der
Klemme 1 eingebaut. Eine Leuchtdiode (LED) 8 ist
auf der Oberseite der oberen Klemmbacke 2 montiert.
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Die
Anordung der Punktkontakte 4, 5 wird deutlicher
in 3 gezeigt. Wie man sehen kann gibt es ein Paar
von nebeneinander liegenden Kontakten 4a, 4b an
der Unterseite der oberen Klemmbacke 2, juxtapositioniert
mit einem einzelnen, zentral gelegenen Kontakt 5 auf der
unteren Klemmbacke 3. Der untere Kontakt 5 ist
aus elektrisch isoliertem Material und hat eine längliche
Form, wohingegen die oberen Kontakte 4a, 4b elektrisch
leitfähig
sind und eine konische Form haben. Der mechanische Dreipunkt-Kontakt
zwischen den oberen Kontakten und dem unteren Kontakt 4a, 4b, 5 stellt
eine stabile und zuverlässige
Anwendung der Klemme 1 sicher, auch wenn der Gegenstand
der Betriebseinrichtung, an dem die Klemme 1 angewendet
wird, eine unregelmäßige Form
hat.
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Der
Schaltplan des Widerstand-Überprüfungs-Schaltkreises
wird in 2 gezeigt. Eine 9V Lithium-Mangan
Batterie (nicht gezeigt) mit einem nichtrückstellbaren Sicherheits-Abschalt-Mechanismus
ist über
P1 und P2 verbunden und das zweiadrige Kabel 6 ist mit
PL1/1 und PL1/2 verbunden. Die Klemmen-Kontakte 4,5 sind
mit P3 und P4 verbunden und die Leuchtdiode (LED) 8 ist
mit PL2/1 und PL2/2 verbunden. Der Schaltkreis schließt zwei
integrierte Schaltkreise ein: einen Timer IC2 (Typ IC 7555) und
einen betriebsbereiten Verstärker
IC1 (Typ LMC6484). Einzelheiten von diesen und der anderen Bestandteile
des Schaltkreises werden in 2 gezeigt.
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Die
oberen Klemmen-Kontakte 4a, 4b sind mit P3 und
P4 verbunden. Im Ruhezustand befinden sich die oberen Klemmen-Kontakte 4a, 4b im
offenen Stromkreis und der Transistor TR1 ist ausgeschaltet. In
Gebrauch wird die Klemme 1 zum Beispiel an einer Trommel
mit einer leicht entzündlichen
Flüssigkeit oder
an einem Trichter in der Weise wie eine herkömmliche Erdungsklemme angewendet.
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Wenn
die Klemmen-Kontakte 4a, 4b um ein leitfähiges Material
gelegt werden, wird der Transistor TR1 eingeschaltet und liefert
den Schaltungen elektrische Spannung. Die Leistungsabgabe von IC2 (Pin
3) steigt und bleibt so für
ungefähr
eine Sekunde. Dies liefert ein Bezugssignal von 1,4V an IC1/12 und
IC1/5 über
R6, D2 & D3.
Diese Referenzspannung tritt bei IC1/13 und R4 durch ein negatives Feedback
von IC1/D auf, wobei die Ausgangsspannung beim Ausgang von IC1/D
(Pin 14) 1,4 + (0,7/(R5 + Rx)) beträgt,wobei
Rx der zu messende Widerstand ist.
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Die
vorgegebene Referenz wird durch den variablen Widerstand VR1 bestimmt
auf: 1,4(((R13 + VR1)/R14) + 1)
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Die
Leistungsabgabe des Komparators IC1/A (Pin 1) steigt, wenn Rx ≤ ((R14.R4)/(2(R13
+ VR1)))und die Leuchtdiode (LED) 8 erleuchet.
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Wenn
der Oszillator IC2 den Zustand wechselt sinkt die Leistungsabgabe
von Pin 3 und die Referenzspannung wird auf Null reduziert.
Die Leistungsabgabe von IC1/14 beträgt Null und die Leistungsabgabe
von IC1/7 wird durch das Verhältnis zwischen
R9 und R7 bestimmt. Dies bewirkt eine geringe (100mV) Leistungsabgabe
an IC1/7 und daher sinkt die Leistungsabgabe des Komparators IC1/A und
daher geht die Leuchtdiode (LED) 8 aus.
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Der
Oszillator IC2 bleibt für
kurze Zeit ausgeschaltet, bis seine Leistungsabgabe steigt und der Messzyklus
von neuem beginnt. Wenn Rx geringer als der vorgegebene Wert ist,
pulsiert die Leuchtdiode (LED) 8 folglich an und aus. Die
Frequenz des Pulsierens kann wenn nötig variiert werden. Wenn Rx höher als
der vorgegebene Wert ist, bleibt die Leuchtdiode (LED) 8 aus.
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Daher
wird die Klemme 1 (verbunden mit dem zweiadrigen Kabel 6)
an dem Gegenstand der Betriebseinrichtung angewendet, um in herkömmlicher
Weise geerdet zu werden. Zum Beispiel ist die Klemme fähig, an
einem Metallbehälter
befestigt zu werden, um vor dem Beginn eines Transfer- oder Vermischungvorgangs
ein sicheres Ableiten jeglicher elektrostatischen Ladung des Metallbehälters zu
ermöglichen.
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Vorausgesetzt,
dass die elektrische Verbindung zwichen den Kontakten 4a, 4b und
dem Gegenstand der Betriebseinrichtung gut ist und auch vorausgesetzt,
dass die Verbindung zwischen der Klemme 1 mit der Erde
(über das
Kabel 6) gut ist, blinkt die Leuchtdiode (LED) 8.
Dies bestätigt
dem Benutzer, dass der Gegenstand der Betriebseinrichtung zufrieden
stellend geerdet ist, und dass jegliche Gefahr im Zusammenhang mit
dem Aufbau von elektrostatischer Ladung minimiert wurde.
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Die
Klemme 1 wurde oben in einer so genannten Dual-Schaltkreis-Ausführungsform
beschrieben, bei der die Überprüfungseinheit
sowohl die Verbindung der Klemme 1 mit dem Gegenstand der
Betriebseinrichtung, an dem sie angewendet wird, als auch die Verbindung
der Klemme 1 mit der Erde überprüft. Dies erfordert die Benutzung
eines zweiadrigen Kabels 6. Es ist jedoch ebenso für die Klemme 1 möglich, als
eine Einfach-Schaltkreis-Ausführungsform
konfiguriert zu werden, die ein einadriges Kabel verwendet. Das
kann zum Beispiel der Fall sein, wo ein bestehendes einadriges Kabel
vorhanden ist und die Klemme 1 daran befestigt ist. In
diesem Fall wird das einadrige Kabel mit dem Rumpf der Klemme verbunden
(die sich auf dem pcb OV-Level befindet) und eine Leiterverbindung
wird zwischen PL1/1 und PL1/2 verbunden. Dann ist es nur die Qualität der Verbindung
mit dem leitfähigen
Objekt, die überprüft wird.