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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung
jeglicher winziger Fremdstoffe, die in der Gesamtmasse einer
Flüssigkeit enthalten sind, wie z.B. eines Harzes, das in
schmelzflussigem Zustand fließt, oder einer Flüssigkeit, die bei
normalen, hohen oder niedrigen Temperaturen fließt.
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Wenn winzige Fremdstoffe beispielsweise in einem Harz enthalten
sind, das verwendet wird, um eine extrudierte Verbindung (EMJ)
für ein mit einem vernetzten Polyethylen (XLPE) isoliertes
Hochspannungskabel zu bilden, können sie Schwierigkeiten in Bezug auf
die Elektrizität hervorrufen. Es ist daher notwendig, das
Vorhandensein jeglicher Fremdstoffe in dem Harz zu erkennen, das in
eine Form gegossen wird, um eine EMJ zu bilden.
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Bei bekannten Verfahren zur Feststellung von Fremdstoffen in
einem Harz wird eine vorherbestimmte Menge Harz kontinuierlich in
Proben aufgeteilt, und die Harzprobe wird zu einer Folie von 0,1
- 0,5 mm Dicke extrudiert. Die so gebildete Folie wird durch
Verfahren untersucht, bei welchen ein Laserstrahl
hindurchgeleitet oder reflektiert wird, um alle Fremdstoffe zu finden, die
größer sind als 30-40 Mikrometer. Was jedoch bei diesen Verfahren
untersucht wird, ist nur ein als Probe entnommener Teil der
Flüssigkeit und nicht die gesamte Flüssigkeitsmenge.
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Bei einem Verfahren zur Feststellung von Fremdstoffen in einem
flüssigen Arzneimittel wird ein Teil einer Flüssigkeit abgezweigt
und in eine Leitung 51 aus transparentem Glas geleitet, wie in
Fig. 4A ersichtlich. An deren Einschnürungsbereich 51a wird von
einem Laser 52 ein Laserstrahl auf einen Lichtkollektor 53
gerichtet. Wenn der Laserstrahl auf Fremdstoffe in der Flüssigkeit
trifft, zerstreuen diese den Strahl in alle Richtungen. Ein Teil
des seitlich zerstreuten Lichts wird von einem Lichtempfänger 54,
wie z.B. einem Photovervielfacher, der photoelektrische Signale
erzeugt, aufgefangen. Ihre jeweilige Größe wird mit der Größe
vorher überprüfter Bezugssignale verglichen, um die Größe und
Menge der in der Flüssigkeit schwimmenden Fremdstoffe
abzuschätzen.
Auch bei diesem Verfahren werden Proben genommen, so dass
hierbei Fremdstoffe nicht in der gesamten Flüssigkeit untersucht
werden können.
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Die Veröffentlichung "IBM Technical Disclosure, Bd. 28, Nr. 1,
Juni 1985", zeigt einen verbesserten Nachweis kontaminierender
Teilchen in Flüssigkeiten, bei dem ein Lichtstrahl entlang eines
transparenten Rohrs geleitet wird. Auf dem transparenten Rohr
sind Streifen markiert, oder es befindet sich neben einem Gitter,
so dass das durch die Teilchen zerstreute Licht mit einer
charakteristischen Frequenz moduliert wird, die von dem räumlichen
Intervall der Streifen bzw. des Gitters und der Geschwindigkeit
der Flüssigkeit abhängt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Feststellung winziger Fremdstoffe in einer Flüssigkeit mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 geschaffen.
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Es gab umfassende überlegungen bezüglich Techniken zur effektiven
Feststellung winziger Fremdstoffe in der gesamten zu
untersuchenden Flüssigkeit.
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Im vorliegenden Fall wurde eine Glasröhre mit einem
Innendurchmesser von 25 mm und einer Länge von 300 mm vorbereitet. Eine
Flüssigkeit, die im Wesentlichen die gleichen optischen
Eigenschaften (Lichtdurchlassgrad, Brechungsfaktor etc.) hat wie eine
Verbindung eines vernetzten Polyethylens (XLPE) in
schmelzflüssigem Zustand, wurde in dieser Glasröhre eingeschlossen. In diese
Flüssigkeit wurden Fremdstoffe (wie z.B. Glaskügelchen und
Metallfasern) mit einer Größe von mehreren Mikrometern bis mehreren
Millimetern gemischt. Licht wurde an der Röhre abgestrahlt, und
dessen zerstreute Lichtstrahlen wurden von einer CCD-Kamera
aufgefangen. Die Glasröhre und die CCD-Kamera wurden mit einer
Geschwindigkeit von 10 mm/sec relativ zueinander bewegt.
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Es stellte sich heraus, dass durch das Abstrahlen von Licht von
einem Ende der Glasröhre und durch Anordnen der CCD-Kamera an
einer Seite der Röhre die Anzahl und Form von Fremdstoffen genau
abgeschätzt werden konnten, indem die Lichtanteile, die zur Seite
zerstreut wurden, beobachtet wurden. Weiterhin stellte sich
heraus, dass durch Festsetzen des Winkels zwischen der optischen
Achse des ausgestrahlten Lichts und der Richtung, in die die CCD-
Kamera ausgerichtet ist, auf 90º die Fremdstoffe mit einer Rate
von 100 Prozent aufgefangen wurden. Bei einem anderen Winkel als
90º war die Erfassungsrate niedriger, beispielsweise wegen einer
totalen Reflektion oder wegen der Unfähigkeit, die zerstreuten
Lichtanteile vollständig aufzunehmen.
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Mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung können winzige
Fremdstoffe in der Gesamtflüssigkeit leicht und zuverlässig
festgestellt werden. Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren,
bei dem Proben entnommen werden, besteht hier eine hohe
Erfassungsgenauigkeit.
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Daher kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise für
Anwendungsgebiete wie die Extrusion von Kabelisolierungen und die
Herstellung von extrudierten Verbindungen oder, in einer
Produktionslinie von flüssigen Produkten wie flüssigen Medikamenten und
Nahrungsmitteln verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
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Fig. 1A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Feststellung winziger Fremdstoffe
in einer Flüssigkeit, die nicht durch die vorliegende
Erfindung abgedeckt ist;
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Fig. 1B einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 1A;
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Fig. 2 einen weiteren Schnitt;
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Fig. 3 eine Darstellung einer ersten Art der Ausstrahlung von
Licht nach der Erfindung;
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Fig. 4A eine schematische Darstellung eines bekannten
Verfahrens;
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Fig. 4B dessen Flussdiagramm;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung dessen, wie das Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung angewandt wird, um eine
EMJ für ein Hochspannungskabel zu bilden; und
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Fig. 6 ein Blockdiagramm, in dem dargestellt ist, wie das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf die
Extrusion einer Kabelisolierung angewandt wird.
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Nachfolgend wird auf Fig. 1A Bezug genommen, die nicht durch die
vorliegende Erfindung abgedeckt ist. Eine Leitung 1 für die
Zufuhr eines schmelzflüssigen Harzes mit hoher Temperatur von
einem Extruder zu einer Gussform ist in einem rechten Winkel
gebogen, so dass sie sich parallel zu dem abgestrahlten Licht
erstreckt. Ein Bereich 1a der Leitung 1 liegt als transparentes
Element 3, wie z.B. Kristallglas, vor und wird als
Beobachtungszone verwendet. Wie in Fig. 1B dargestellt, hat das transparente
Element 3 einen quadratischen Querschnitt, und ein Bereich 1a hat
einen kreisförmigen Querschnitt.
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Ein abgestrahltes Licht 2 wurde durch eine Halogenlampe o.ä.
erzeugt, durch ein geeignetes Mittel gesammelt und an dem
transparenten Element 3 in eine Richtung abgegeben, die im
Wesentlichen entlang der Achse der Leitung 1 verläuft. Eine CCD-Kamera 4
wurde im Wesentlichen rechtwinklig zu der optischen Achse (und
damit zur Achse der Leitung) installiert; ihre Fokaldistanz und
Brennweite wurden in geeigneter Weise eingestellt, um das Licht
aufzufangen, das durch die Fremdstoffe in der Flüssigkeit
seitlich zerstreut wird.
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Die Beobachtungszone wurde vollständig abgeschirmt und in einer
Box angeordnet, um zu gewährleisten, dass die CCD-Kamera 4
keinerlei Licht von außen aufnimmt. Um zu verhindern, dass das
schmelzflüssige Harz durch den Kontakt mit dem Glas abkühlt,
wurde außerdem die Temperatur in der Box durch die Anordnung
eines elektrischen Heizelements darin bei 120 - 130ºC gehalten.
Falls nötig, kann darüber hinaus die Oberfläche des Glases 3 als
Beobachtungsfläche mit einer vollständig reflexionsfesten
Beschichtung 3a versehen werden. Weiterhin kann eine Vielzahl von
CCD-Kameras 4 verwendet werden. Die Leitung kann auch eine andere
Querschnittsform als die eines Kreises haben. Sie kann
beispielsweise einen ovalen oder ähnlichen Querschnitt haben.
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Durch diese Anordnung kann ein schmelzflüssiges Harz mit kon
stanter Geschwindigkeit durch die Leitung 1 geleitet werden, ohne
dass die Möglichkeit besteht, dass es abkühlt. Das Harz wurde in
Form einer im Wesentlichen transparenten Flüssigkeit auf die CCD-
Kamera projiziert.
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Ein schmelzflüssiges Harz mit metallischen, faserigen oder
anderen Arten von Fremdstoffen mit einer Größe von mehreren
Mikrometern bis zu mehreren Millimetern wurde in die Leitung 1
extrudiert. Das abgestrahlte Licht wurde beim Auftreffen auf die
Fremdstoffe zerstreut und das zerstreute Licht durch die CCD-
Kamera beobachtet. Die Abbildungen der Fremdstoffe wurden
erfolgreich durch die CCD-Kamera aufgefangen. Von den Abbildungen der
Fremdstoffe (in den zerstreuten Lichtanteilen), die durch die
CCD-Kamera aufgefangen wurden, wurden diejenigen, die einen
vorherbestimmten Wert überstiegen, als Signale beurteilt und
durch Antriggern gespeichert. Die jeweilige Größe der
Fremdstoffe, die durch eine Bildanalyse mit einem Computer erhalten wurde,
entsprach gänzlich der jeweiligen wirklichen Größe.
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Es stellte sich jedoch außerdem heraus, dass bei der Beobachtung
mit einer einzigen CCD-Kamera 4 von einer Seite des quadratischen
transparenten Elements 3 in der oben beschriebenen Weise
Fremdstoffe,
die nahe der inneren Wandoberfläche des transparenten
Elements 3 flossen, schwierig zu erfassen waren, da auf sie ein
Schatten geworfen wurde und keine zerstreuten Lichtanteile
erzeugt wurden. Dies führt zu einer geringen Erfassungsgenauigkeit,
da nicht alle Fremdstoffe von der Kamera aufgenommen werden.
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Um dieses Problem zu lösen, wurde gemäß Fig. 2 ein transparentes
Element 3 mit hexagonalem Querschnitt verwendet, sowie drei CCD-
Kameras 4, die wie in der Figur dargestellt installiert wurden.
Die drei Seiten 3b, die den Seiten diagonal gegenüberliegen,
welche den CCD-Kameras 4 direkt gegenüberliegen, wurden
geschwärzt oder einer Lichtabsorptionsbehandlung unterzogen.
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Durch diese Anordnung war der gesamte Bereich der Leitung 1
innerhalb des kombinierten Sichtfelds der CCD-Kameras 4. Das
gesamte zerstreute Licht und die Abbildung von Fremdstoffen wurden in
einer Rate von 100% von den CCD-Kameras 4 aufgefangen. Wenn die
Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit so hoch ist, dass die CCD-
Kameras nicht mehr alle zerstreuten Lichtanteile aufnehmen kön
nen, kann an jeder CCD-Kamera ein Verschlussmechanismus
angeordnet werden, um das zerstreute Licht klarer auffangen zu können.
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Das einfallende Licht kann 1.) ein Licht sein, das eine solche
Wellenlänge besitzt, dass es in einer Flüssigkeit einen hohen
Lichtdurchlassgrad hat, 2.) ein Licht, das eine solche
Wellenlänge besitzt, dass es ein hohes Reflexionsvermögen gegen winzige
Fremdstoffe besitzt, 3.) ein sichtbares Licht mit einem breiteren
Wellenlängenband, das durch ein Lichtsammelsystem, wie z.B. eine
Linse, eingeleitet wird, 4.) ein Laserstrahl, der durch einen
Laser mit ungedämpfter Schwingung erzeugt wird, welcher in der
Lage ist, Wellenlängen mit einem hohen Lichtdurchlassgrad in
Flüssigkeiten in Schwingung zu versetzen, oder 5.) in dem Fall,
dass die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu hoch ist, um das
zerstreute Licht zuverlässig aufzufangen, kann das einfallende
Licht durch einen Hochgeschwindigkeitsverschluss in Lichtimpulse
umgewandelt werden, die mit dem Bildverarbeitungssystem
synchronisiert
werden, um zerstreute Lichtanteile klarer aufzunehmen.
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Um Licht in einer Richtung abzugeben, die im Wesentlichen
parallel zu der Leitung ist, kann das Licht durch eine koaxiale
Glasröhre gemäß Fig. 3 geleitet werden. In diesem Fall kann das
Licht aus der Richtung abgegeben werden, die der Fließrichtung
der Flüssigkeit entgegengesetzt ist.
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Das einfallende Licht kann durch die Verwendung einer optischen
Faser direkt an dem transparenten Element von einer ringförmigen
(runden) Lampe abgegeben werden. In diesem Fall ist es nicht
notwendig, die Leitung 1 in Fließrichtung oberhalb der
Beobachtungszone im rechten Winkel abzubiegen. Hierdurch werden die
Gestaltungsfreiheit und die Flexibilität in der Anwendung bei der
Konstruktion des Systems größer.
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Im Fall einer Flüssigkeit mit hoher oder niedriger Temperatur
sollte bei der Auswahl der Materialien für das Glaselement und
das Metallelement in der Beobachtungszone deren linearer
Ausdehnungskoeffizient in Betracht gezogen werden. Außerdem ist es
notwendig, an der Verbindung ein geeignetes Mittel anzuordnen,
mit dem eine Leckage verhindert werden kann.
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In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Box zur
Feststellung von Fremdstoffen, in der die Beobachtungseinheit angeordnet
ist. Ein Harz in Form von Granulat in einem Tank 11 wird einem
Extruder 12 zugeführt, in dem es erwärmt und geschmolzen wird.
Ein feiner Filter 12a ist an dessen Ausgang befestigt. Das
schmelzflüssige Harz mit hoher Temperatur, das aus dem Extruder
12 extrudiert wird, wird durch eine Leitung 13 der Box 10 zur
Erfassung von Fremdstoffen und dann einer Gussform 14 zugeführt,
welche einen Bereich enthält, an den ein Kabel 15 anzuschließen
ist. Jegliche in dem schmelzflüssigen Harz enthaltene Fremdstoffe
werden durch die Beobachtungseinheit in der Erfassungsbox 10
erfasst und aus einer Abgabeventileinheit 16 ausgestoßen.
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Wie in Fig. 6 dargestellt, werden ein Harzgranulat 21 als
Basisharz und ein Antioxidantium 22 bei 23 gewogen, bei 24 gemischt
und geschmolzen und durch einen feinen Filter 24a einer
Fluidleitung 25 zugeführt. In der Leitung 25 ist eine Beobachtungseinheit
20 nach der vorliegenden Erfindung angeordnet, die dazu dient, in
dem schmelzflüssigen Harz enthaltene Fremdstoffe zu erfassen. Das
Harz wird von der Einheit 20 über eine Körnungsmaschine 27 einem
Bereich 29 zugeführt, um das Harz mit einem Vernetzungsmittel zu
impragnleren.
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Wenn in der Beobachtungseinheit 20 Fremdstoffe entdeckt werden,
wird das Harz durch einen Abgabebereich 26 mit einem
Umschaltventil aus der Produktionslinie abgegeben. Das mit einem
Vernetzungsmittel imprägnierte Harz wird vorübergehend in einem Trich
ter 30 gespeichert und in einer vorherbestimmten Rate einem
Extruder 31 zugeführt. Dann wird das Harz durch einen Querkopf 32
extrudiert, um eine Kabelisolierung o.ä. zu erhalten.
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Da es nicht notwendig ist, die Fluidleitung unmittelbar vor der
Beobachtungseinheit im rechten Winkel zu biegen, kann bei der
Herstellung eines Kabels die Beobachtungseinheit 20 zwischen dem
Extruder 31 und dem Querkopf (oder dem Formgebungsbereich) 32
angeordnet werden. Durch diese Anordnung können Fremdstoffe
unmittelbar vor der Formgebung erfasst werden.