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Die vorliegende Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet der Hochspannungselektrodenanordnungen, die als Entladeelektroden in verschiedensten Anwendungen Verwendung finden. Im Einzelnen betrifft die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktionssicherheit von mindestens einer aktiven Ionisationsvorrichtung zum Neutralisieren von Oberflächenladungen, insbesondere von Ladungen auf Bahnmaterialien.
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Hochspannungselektroden zum Neutralisieren von Oberflächenladungen sind in einer Vielzahl von verschiedenen Ausführungen und Anordnungen bekannt. Insbesondere kommen solche Hochspannungselektroden als aktive Ionisationsvorrichtungen zum Ableiten elektrostatischer Aufladungen zum Einsatz.
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Eine Hochspannungselektrodenanordnung der hierin berücksichtigten Art ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 3 425 142 A1 bekannt und wird dort als Hochspannungselektrode bezeichnet, die mindestens zwei Einzelelektroden aufweist. Die aus diesem Stand der Technik bekannte Hochspannungselektrodenanordnung ist von einer Spannungsversorgungs- und Strommesseinrichtung räumlich getrennt angeordnet und über elektrische Leitungen verbunden.
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Die Verarbeitung verschiedenster Materialien, beispielsweise (aber nicht einschränkend) 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 aufeinander geschichteter oder aufeinander zu schichtender Bahnen dieses Materials zu verhindern.
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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 Atesionskraft 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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Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf die elektrostatische Entladung von Materialien in Bahnform beschränkt, sondern betrifft auch sogenannte "One-Piece-Flow"-Anwendungen, bei welchen insbesondere einzelne Teile oder Baugruppen, wie etwa Leiterplatten, Kunststoffteile, Gläser, etc., elektrostatisch zu entladen sind.
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Es ist bekannt, für derartige Entladungsvorgänge 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 Oberfläche angeordneten aktiven Entladeelektrode und der Oberfläche befindlichen Luftmolekülen basiert. 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 Elektroden anzulegen ist, von Nachteil, da es hierbei unter bestimmten Voraussetzungen leicht zu einem unerwünschten zündfähigen Funkendurchschlag kommen kann.
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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 Ionisationsstromes 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, so genannte passive Entladeelektroden einzusetzen, welche nicht auf dem Wirkprinzip einer aktiv und künstlich ausgebildeten Ionisierungsstrecke beruhen. Derartige passive Entladeelektroden sind meisten schnur- oder drahtähnliche Gebilde, zum Beispiel Schnüre mit Carbonfasern, Erdungszungen, Bürsten oder so genannte "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 Anliegen einer Ionisierungsspannung zusätzlich ionisiert wird.
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Derartige passive Entladeelektroden haben jedoch den Nachteil, dass eine einfache Funktionsüberwachung, d.h. eine dahingehende Überwachung, dass die Elektrode Ladungen ableiten kann, nicht gewährleistet ist.
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Weiterhin besitzen derartige passive Entladeelemente keine strombegrenzenden Bauteile, infolgedessen unter bestimmten Voraussetzungen ein zündfähiger Funke zwischen der zu entladenden Oberfläche und einer einzelnen vorstehenden Faser entstehen kann. Dies kann selbst innerhalb solch einer passiven Entladeelektrode (Entladeschnur, Erdungszunge, Bürste, "Tinsle Bars" o.ä.) passieren, da Oberflächenladungen auf einer Bahn in den seltensten Fällen homogen sind, sondern im Gegenteil eine Vielzahl an Ladungsbereichen mit unterschiedlicher Ladungshöhe und Vorzeichen aufweisen.
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Aufgrund dieser Nachteile werden in vielen Anwendungen nicht passive Entladeelektroden, sondern aktive Entladesysteme bzw. aktive Entladeelektroden zum Neutralisieren von Oberflächenladungen bevorzugt eingesetzt.
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Hinsichtlich einer konkreten konstruktiven Ausführung einer solchen Hochspannungselektrodenanordnung wird auf die Druckschrift
EP 0 384 022 B1 hingewiesen. Die Hochspannungselektrode ist bei einer derartigen Anordnung über ein Hochspannungskabel (eine Hochspannungszuführung) mit einem Hochspannungsnetzgerät verbunden.
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Bei einer solchen Anordnung kann der Bediener an der Elektrode selbst nicht erkennen, ob Hochspannung anliegt oder nicht. Daher sind in der Regel die Hochspannungsnetzgeräte mit Funktionsanzeigen ausgestattet, die den Bediener über den Betriebszustand der Hochspannungselektrode informieren. Eine solche Information ist schon aus Sicherheitsgründen, aber auch mit Blick auf reibungslose Arbeitsabläufe von Bedeutung.
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Häufig ist jedoch die Funktionsanzeige des Hochspannungsnetzgerätes vom Einsatzort der Hochspannungselektrode nicht einsehbar.
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Es ist auch möglich, dass am Netzgerät zwar eingeschaltete Hochspannung angezeigt wird, diese jedoch aufgrund einer Unterbrechung im Hochspannungskabel nicht an der Elektrode anliegt. Bei Anwendungen mit mehreren Hochspannungselektroden, die an mehreren Hochspannungsnetzgeräten betrieben werden, kann es schwierig sein, den Betriebszustand einer bestimmten Elektrode zu erkennen.
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Aus diesen Gründen hat der Bediener und Betreiber einer solchen Anlage ein Interesse an einer Betriebs- und Funktionsanzeige direkt an der Elektrode.
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Die technischen Probleme einer Betriebsanzeige an der Elektrode sind zum einen die hohe Betriebsspannung der Elektrode in Höhe von mehreren kV, zum anderen das Fehlen eines Gegenpotentials, wenn Elektroden unipolar betrieben werden und der Betriebsstrom von der Elektrode über eine Koronaentladung abfließt.
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Daher ist bis heute keine den praktischen Anforderungen genügende Betriebsanzeige für Hochspannungselektroden verfügbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine als aktive Ionisationsvorrichtung dienende Hochspannungselektrodenanordnung bereitzustellen, die eine einfach und kostengünstig auszuführende Betriebszustandserfassung umfasst, welche ihrerseits die Realisierung einer für das Bedienpersonal unter praktisch allen Einsatzbedingungen leicht wahrnehmbaren Anzeige des Betriebszustandes ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird insbesondere durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen der aktiven Ionisationsvorrichtung in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
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Demgemäß betrifft die Erfindung insbesondere eine aktive Ionisationsvorrichtung zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen, welche an mindestens eine Hochspannungsquelle anschließbar und als mindestens eine insbesondere frei im Raum stehende Elektrode, insbesondere in Gestalt einer Einzelelektrode, ausgebildet ist. Insbesondere kann die mindestens eine Elektrode ein freies Ende aufweisen, welches in eine Hauptrichtung zeigt.
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Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang insbesondere vorgesehen, dass die aktive Ionisationsvorrichtung eine Einrichtung zum optischen Angeben eines Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung und insbesondere der mindestens eine Elektrode der aktiven Ionisationsvorrichtung aufweist.
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Dabei ist die Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung ausgebildet, an die mindestens eine Elektrode ggf. angelegte Hochspannung steuerungsfrei und insbesondere ohne einer der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung zugeordneten Steuerung dem Betriebszustand der aktiven Ionisationsvorrichtung und insbesondere der mindestens eine Elektrode der aktiven Ionisationsvorrichtung optisch anzugeben.
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Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile liegen auf der Hand:
Zum einen weist die aktive Ionisationsvorrichtung selbst eine entsprechende Funktionsanzeige vorzugsweise direkt an der mindestens eine Elektrode auf. Dies liefert dem Bediener in einer leicht zu realisierenden, aber dennoch effektiven Weise eine leicht wahrnehmbare Anzeige des Betriebszustandes.
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Um die aktive Ionisationsvorrichtung trotz der Betriebszustandserfassung möglichst einfach und kostengünstig herstellen zu können, ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass die Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands ohne eine entsprechende Steuerung ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung ist vorzugsweise direkt galvanisch mit der mindestens eine Elektrode der aktiven Ionisationsvorrichtung verbunden und wird über die an der mindestens eine Elektrode angelegten Hochspannung betrieben.
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Insbesondere ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aktive Ionisationsvorrichtung keine der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung zugeordnete Steuereinrichtung zum Ansteuern der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung aufweist.
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Gemäß bevorzugten Realisierungen der aktiven Ionisationsvorrichtung ist vorgesehen, dass die aktive Ionisationsvorrichtung eine der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung zugeordnete Umrichter-Einrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, eine von der Hochspannungsquelle der mindestens einen insbesondere frei im Raum stehenden Elektrode bereitgestellte Hochspannung in eine zum Betrieb der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung notwendige Betriebsspannung umzuwandeln.
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Gemäß einer denkbaren Realisierung der zuletzt genannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen aktiven Ionisationsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Umrichter-Einrichtung eine Reihenschaltung aus mindestens einem ohmschen Widerstand und mindestens einem Leuchtmittel, insbesondere in Gestalt einer LED aufweist.
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Die Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine Leuchtdiode (LED). Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, dass ein anderes Leuchtmittel vorgesehen ist.
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In denkbaren Ausführungsvarianten der aktiven Ionisationsvorrichtung ist es denkbar, dass die Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung ausgebildet ist, abhängig von einem Betrag einer mittels der Hochspannungsquelle an der mindestens eine Elektrode angeschlossenen Hochspannung ein unterschiedliches optisches Signal auszugeben. Beispielsweise kann abhängig von einem Betrag der mittels der Hochspannungsquelle an der mindestens eine Elektrode angeschlossenen Hochspannung ein Leuchtmittel, insbesondere eine Leuchtdiode, der Einrichtung zum optischen Angeben des Betriebszustands der aktiven Ionisationsvorrichtung Licht mit unterschiedlicher Farbe imitieren.