NL8402033A

NL8402033A - Inrichting voor het bewaken van een aardingssamenstelling.

Info

Publication number: NL8402033A
Application number: NL8402033A
Authority: NL
Original assignee: Simco Co Inc
Priority date: 1983-06-27
Filing date: 1984-06-27
Publication date: 1985-01-16
Also published as: GB2142493B; GB8414009D0; JPS6021467A; BE900005A; JPH0436346B2; SE8403360D0; US4558309A; FR2549233A1; GB2142493A; DE3423095A1; SE8403360L

Description

. , -. . * Ν.0.32519 1

Inrichting voor het bewaken van een aardingssamenstelling.

Be uitvinding heeft betreekking op elektrisch geleidende aardings-kabels of aardingsbanden die bevestigd zijn aan het menselijk lichaam door middel van de armen» benen of kleding van de betreffende persoon, welke aardingskabels worden gebruikt om bedrijfspersoneel te aarden en 5 de opbouw van statistische ladingen op deze personen te voorkomen* Heer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een bewakingsstelsel waarmee verzekerd wordt dat er een continue elektrische verbinding aanwezig is tussen de betreffende personen en aarde, welk stelsel voorzien is van middelen voor het inschakelen van een akoestisch alarm of het 10 verschaffen van een visueel signaal wanneer een open schakeling of een breuk wordt gedetecteerd tussen het menselijk lichaam en de naar aarde verlopende aardingskabel. De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op het gebruik van een oscillatorschakeling voor het genereren van uitgangswisselspanningen bestemd om een alarm te actueren in combinatie 15 met een impedantienetwerk, ofwel een afgestemde schakeling van een oscillator ofwel een belastingsschakeling daarvan, waaraan het van het menselijk lichaam afgekeerde uiteinde is gekoppeld en die een weg naar aarde verschaft voor het menselijk lichaam via de weerstand of induc-tantie van een dergelijke impedantie* Het bewakingsstelsel volgens de 20 onderhavige uitvinding maakt gebruik van de lichaamscapaciteit en lichaamsweerstand als componenten van het impedantienetwerk* Door middel van naregelbare elementen in het impedantienetwerk van de schakeling kan de impedantie zodanig worden gevarieerd dat de uitgangswissel-spanning van de schakeling kan worden gereduceerd tot onder een niveau 25 waarop het alarm zal worden geactieerd indien de aarding aanwezig is, maar wanneer er een breuk optreedt dan zal de uitgangsspanning uitstijgen boven de drempelwaarde van het alarm of de respectievelijk bijbehorende ingangsschakeling daarvan en zodoende het alarm trekkeren.

Tijdens het hanteren van gevoelige elektronische onderdelen aan 30 apparatuur is het essentieel dat de elektrische spanning tussen het bedienende of behandelende personeel en de elektrische voorwerpen zo klein mogelijk wordt gehouden om een destructieve doorslag van voor spanningen gevoelige componenten te vermijden. Om een te hanteren voorwerp te beschermen tegen een eventuele elektrische energiestroming tus-35 sen de behandelende persoon en het voorwerp moet iedere maatregel worden getroffen om zowel het personeel als de elektronische componenten op aardpotentiaal te handhaven door middel van elektrisch geleidende aardingsstelsels* Via deze aardingsstelsels worden ladingen, die anders 3402033 I * r 2 zouden kunnen ontstaan door ladingoverdracht of door wrijvingskrachten of door elektrostatische krachten of als resultaat van blootstelling aan een elektrisch veld, worden afgevoerd. Deze aardingsstelsels zijn over het algemeen voorzien van elektrisch geleidende banden of kabels, 5 waarvan een uiteinde is bevestigd aan een arm, been of aan het lichaam van de gebruiker of aan geleidende delen van de kleding, terwijl het van de gebruiker afgekeerde uiteinde is gekoppeld met aarde, over het algemeen door middel van een klem of een aansluiting op een geaarde waterleiding of een geaarde elektrische kabel.

10 Een probleem dat zich in het verleden voordeed ontstond als resul taat van een niet waargenomen open schakeling of breuk tussen de drager van de aardingskabel en de geleidende weg naar aarde, meestal als gevolg van het feit dat de aansluitklem van de aardingskabel per ongeluk los kwam van zijn aardingsaansluiting, maar soms ook veroorzaakt door 15 discontinuïteit in het met het lichaam contact makende uiteinde of defecten in de aardingskabel of aardingsband zelf. Onder dergelijke omstandigheden zou het menselijk lcihaam, nu niet langer ontladen via de aardingskabel en zelf een capaciteit van bijvoorbeeld 50 tot 250 picofarad ten opzichte van aarde vertegenwoordigend, gemakkelijk kunnen 20 worden opgeladen zonder dat de betreffende persoon dit merkt, tot een potentiaal van bijvoorbeeld 25.000 volt.

Een op deze wijze geladen persoon, die er nog steeds vanuit gaat dat zijn lichaamslading via de aardingskabel wordt afgevoerd, kan tijdens een ontlading schade veroorzaken aan elektronische componenten 25 door die elektrische doorslag of zelfs een explosie veroorzaken in een explosieve omgeving door het genereren van een vonk.

De uitvinding heeft derhalve ten doel een bewakingsstelsel voor een elektrisch geleidende aardingskabel te verschaffen bestemd voor het detecteren van iedere open schakeling of breuk in de elektrische ver-30 binding tussen de drager van de aardingskabel en aarde.

Een verdere doelstelling van deze uitvinding is het verschaffen van een waarneeminrichting voor het continu bewaken van de continuïteit in de aardverbinding.

Nog een andere doelstelling van deze uitvinding is het verschaffen 35 van een bewakingsschakeling voor het koppelen van een menselijk lichaam via zijn aardingskabel met. aarde, waarin een alarmsignaal zal worden geactueerd in het geval van een breuk in de elektrische verbinding tussen de drager van de aardingskabel en zijn weg naar aarde.

Nog een andere doelstelling van deze uitvinding is het verschaffen 40 van een aardingskabel-foutdetector waarin een oscillatorschakeling 8402033 3 wordt gebruikt waarbij de lichaamscapaciteit en de lichaamsweerstand deel uitmaken van een variabel imped ant i enetwer k, waarbij de instelling van de totale impedantie het wisselspanningsuitgangsniveau zal verminderen tot op een niveau dat ligt onder het niveau dat voldoende is voor 5 het actueren van het alarm indien de aardingsverbinding aanwezig is, maar wanneer er een breuk optreedt in de aardingsverbinding vanaf het lichaam naar aarde dan zal het uitgangswisselspanningsniveau stijgen tot boven de drempelwaarde die nodig is voor het trekkeren van het ge-noemde alarm.

10 Een andere doelstelling van deze uitvinding is het verschaffen van een verbeterde inrichting van het beschreven type, welke gemakkelijk en economisch kan worden geproduceerd, robuust van konstruktie is en zeer efficiënt en effectief in bedrijf.

In overeenstemming met de onderhavige uitvinding wordt een waar-15 neemstelsel verschaft voor het detecteren van een breuk in de elektrisch doorlopende geleidende weg via welke het lichaam gekoppeld is met aarde door middel van een aardingskabel. Het bewakingsstelsel maakt gebruik van een oscillatorschakeling met bijbehorende versterkingsmiddelen waarvan het wisselspanningsuitgangssignaal bestemd is om een 20 alarm te actueren. De oscillatorschakeling is voorzien van een impedantienetwerk waarop het van het menselijk lichaam afgekeerde uiteinde van de aardingskabel wordt aangesloten, welk impedantienetwerk via een inductie of weerstand ervan een verlenging vormt van de aardingsweg vanaf het lichaam naar aarde. Het impedantienetwerk volgens de uitvinding kan 25 ofwel deel uitmaken van de afgestemde schakeling die de oscillatorfrequentie bepaalt of deel uitmaken van de belasting van de versterkte uitgang bestemd om te leiden naar de alarmschakeling. Door de aardingskabel te koppelen met het impedantienetwerk worden de lichaamscapaciteit en de lichaamsweerstand als componenten opgenomen in het impedan-30 tienerwerk en maken zodanig deel uit van de actieve schakeling dat het wisselspanningsuitgangssignaal zal worden beïnvloed door het feit of de aardingskabel het lichaam via het impedantienetwerk geleid met aarde (toestand met doorlopende aardweg) of dat er een breuk is opgetreden in de geleidende weg vanaf het lichaam (een toestand met open schakeling). 35 De diverse elementen van het impedantienetwerk zijn zodanig geselecteerd dat de uitgangswisselspanning van de bewakingsschakeling, zonder aanwezigheid van de lichaamscapaciteit en -weerstand, voldoet aan de bedrijfsvoorwaarden voor de alarmschakeling.

Tenminste een deel van de elementen van het impedantienetwerk is In-40 stelbaar zodat een aanpassing kan worden uitgevoerd bij variaties in 8402033 4 lichaamscapac.it ei t en -weerstand voor diverse individuen. De variabele elementen van de impedantie worden met de hand ingesteld in de aan-sluitfase, waarbij de uitgangswisselspanning wordt gereduceerd door een niveau onder het niveau waarop het alarm zal worden geactueerd indien 5 er een doorlopende aardingsverbinding aanwezig is, maar anderzijds een uitgangsspanning zal worden verschaft boven de drempelwaarde van het alarm en het alarm zal warden geactueerd indien er een breuk in de aardingsverbinding optreedt. Het alarm kan zowel een zichtbaar en/of hoorbaar alarm, zijn om het personeel attent te maken op de opgetreden open 10 schakeling.

De uitvinding zal in het volgende met zijn doelstellingen, details van de konstrukties en combinaties van delen meer in detail worden beschreven met verwijzing naar de bijgaande figuren waarin: figuur 1 een gedeeltelijk schematisch perspectief aanzicht geeft 15 van een aardingskabel met verbindingsbewakingseenheid in overeenstemming met de uitvinding, figuur 2 een gedeeltelijk schematisch blokschema is van een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, figuur 3 een gedeeltelijk schematisch blokschema is van een andere 20 uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, figuur 4 een schema is van een schakeling voor het realiseren van de uitvoeringsvorm van figuur 3.

Verwezen wordt nu in meer detail naar de tekeningen waarin overeenkomstige referentiecijfers verwijzen naar overeenkomstige delen. De 25 figuren tonen een bewakingseenheid A voor het detecteren van een eventuele breuk in de elektrisch doorlopende geleidende verbindingsweg tussen het personeel H, die gekoppeld moeten zijn met aarde via een aardingskabel B.

De aardingskabel B is in de stand der techniek bekend en omvat een 30 willekeurige elektrisch geleidende band of leiding, waarvan een uiteinde gekoppeld is met het menselijk lichaam via bijvoorbeeld de pols, de benen of de kleding van de betreffende persoon, terwijl het van de persoon afgekeerde uiteinde van deze aardingskabel over het algemeen verbonden is met de elektrische aarde via een aansluiting op een waterlei-35 ding of een aardleiding van een elektrische kabel. De aardingskabel B is over het algemeen voorzien van een weerstand van 1 ΜΩ om het be-drijfspersoneel te beschermen door de stroom door de kabel te begrenzen in het geval een deel van de aardingskabel per ongeluk in contact zou komen met een sterk geladen voorwerp of met een bron van hoge span-40 ning.

8402033 r 5

Het menselijk lichaam zelf vertegenwoordigt een capaciteit Cg variërend tussen ongeveer 50 en 250 picofarad met betrekking tot aarde afhankelijk van de aard van de kleding die wordt gedragen, het feit of de persoon zit of staat en/of of een of beide voeten in contact zijn 5 met de vloer. De weerstandwaarde % van het menselijk lichaam omvat de oppervlakteweerstand en de contactweerstand tussen de huid en het contactpunt aan het betreffende uiteinde van de aardingskabel B en bedraagt ongeveer 1000Ω. De equivalente schakeling voor het lichaam met betrekking tot aarde kan dus zoals getoond is in figuur 1, voor het 10 geval er geen aardingskabel aanwezig is of de aardingskabel is losgenomen van aarde of in de aardingsweg een breuk is opgetreden tussen het lichaam en aarde, worden behandeld als een condensator Cg in serie met een weerstand % en de aardingskabelweerstand, indien daarin een weerstand is opgenomen.

15 Verwezen wordt nu naar figuur 2 waarin de bewakingseenheid A is getoond in de vorm van een algemeen blokschema waarin een oscillator 10 gekoppeld is met een operationele versterker 12 waarvan het wisselspan-ningsuitgangssignaal wordt geleverd over een impedantie Z. De impedantie Z omvat bij voorkeur regelbare weerstandselementen of inductieve 20 elementen die een uitbreiding vormen van de weg naar aarde wanneer het van de mens afgekeerde uiteinde van de aardingskabel B gekoppeld is met de aansluitklem 16. Een alarm 18 is ofwel direct gekoppeld met de wis-selspanningsuitgang via de impedantie Z (ofwel indirect via een relais 20) en wordt geactiveerd wanneer de uitangswisselspanning een vooraf 25 bepaald niveau overschrijdt. Het alarm 18 kan bijvoorbeeld bestaan uit iedere geschikte elektronische, pi'ézo-elektrische of als "solid state" uitgevoerde geluidsinrichting zoals bijvoorbeeld een miniatuurzoemer uit de serie KMB vervaardigd door Star Micronics Inc., New York, N.Y., die een minimaal hoorbaar signaal van ongeveer 85 dB verschaft. Het 30 alarm 18 kan ook voorzien zijn van een visueel indicatieelement zoals een lamp of een licht emitterende diode. De oscillator 10 kan ook een conventionele geïntegreerde of getransistoriseerde frequentiegenerator zijn die in staat is om in combinatie met de versterkerschakeling 12 een voldoende wisselspanninguitgangssignaal te verschaffen om het alarm 35 20 (of het relais 18 dat op zijn beurt het alarm bedient) te actueren.

Indien het vrije einde van de aardingskabel B is aangesloten op de belasting Z via de aansluitklem 16, dan zal de menselijke vervangings-schakeling % + Rg verschijnen als een lage impedantie parallel aan de uitgang Z van de versterkerschakeling 12 en door een geschikte inr 40 stelling van de regelbare weerstandselementen of inductieve elementen 8402033 W I * 6 daarin kan de uit een capaciteit en een weerstand bestaande menselijke vervangingsschakeling ervoor zorgen dat de activeringsschakeling voor het alarm 18 niet in werking treedt. Zou echter een breuk optreden in de doorlopende aardingsweg ergens tussen het lichaam H en aarde, dan 5 zullen de capaciteit Cg en de weerstand Rg niet langer parallel staan aaan de belasting waardoor het uitgangsspanningsniveau over de belastingsimpedantie Z voldoende zal stijgen om het alarm 18 (of het bedieningsrelais 20 daarvan) te actueren.

In figuur 3 is de aardingskabel B (en daarmee het menselijk 10 lichaam H met de capaciteit Cg en de weerstand Rg) aangesloten parallel aan het frequentie bepalende element Z1 van de oscillator 10.

Het van het menselijk lichaam afgekeerde uiteinde van de aardingskabel B is gekoppeld met de aansluitklem 22 van de oscillator zodanig dat het lichaam H geaard is via de variabele spoel 24 van de impedantie Zl.

15 Door dus de menselijke vervangingsschakeling CgRg parallel te schakelen aan het frequentie bepalende element, gevormd door de kring Zl, en de schakeling kritisch af te stemmen door een juiste afregeling van de variabele spoel 24 of de variabele condensator 26, kan het uitgangssignaal van de operationele versterker zodanig worden gevarieerd dat de 20 uitgangsfrequentie ligt binnen het frequentieresponsiegebied van de alarmschakeling 18 in het geval de aardingskabel niet is aangesloten, in welk geval dus het alarm wordt geactueerd. Wanneer daarna de aardingskabel B wordt gekoppeld met de aansluitklem 22 dan moet vervolgens een afregeling van de variabele spoel 24 of van de condensator 26 wor-25 den uitgevoerd waarbij nu Cg en Rg deel uitmaken van de trillings— kring Zl totdat een voldoende vetstemming is opgetreden om het alarm 18 tot rust te brengen. Wanneer nu een breuk optreedt in de weg naar aarde die verloopt via de aardingskabel B, dan zullen de menselijke capaciteit en weerstand niet langer deel uitmaken van de trillingskring Zl en 30 zal als gevolg daarvan de uitgangswisselspanning ervoor zorgen dat het alarm opnieuw wordt geactueerd.

In figuur 4 is een voorbeeld getoond van de schakeling voor het uitvoeren van de functie die geïllustreerd is aan de hand van het blok-schema van figuur 3. De bewakingseenheid Al is voorzien van een zoge-35 naamde Wien-brugoscillator waarvan de frequentie wordt bepaald door een uit weerstanden en condensatoren bestaand netwerk waarmee een regeneratieve koppeling wordt verschaft tussen de uitgang en de ingang van een teruggekoppelde versterker 12. De versterker 12 kan een willekeurige elektronische of geïntegreerde schakeling zijn zoals bijvoorbeeld de 40 voor algemene doeleinden bestemde operationele versterker van het type 8402033 7 SN72741, verkrijgbaar bij Texas Instruments, Dallas, Texas. De oscilla-torbrugschakeling omvat de weerstanden Rl en R2 die aan elkaar gelijk zijn en die gekozen zijn op een waarde van ongeveer 1 ΜΩ om daarmee de weerstand van de aardingskabel zelf te benaderen. De weerstand R3 is 5 gekozen gelijk aan ongeveer 1000 Ω zijnde ongeveer twee keer de maximale. waarde van de variabele weerstand R4. De condensator C2 in serie met de weerstand R2 is gekozen op een waarde van ongeveer 50 picofarad en kan daarmee vergeleken worden met de 50 picofarad die aangegeven is als ondergrens voor de menselijke capaciteit Cg, Een piëzo-elektrische 10 alarmzoemer 18 is gekoppeld met de uitgang van de oscillator/versterker 12. Het van het lichaam afgekeerde uiteinde van de aardingskabel B is gekoppeld met de aansluitklem 22 zodat het lichaam Cg en Rg parallel staat aan Rl die nu de weg naar aarde vormt vanaf het uiteinde van de aardingskabel en het lichaam vormt daardoor een deel van de impedan-15 tie Zl die het frequentie bepalende netwerk van de oscillatorschakeling definieert*

In de configuratie die getoond is in figuur 4 wordt de oscxilla-torschakeling 10 zonder aangesloten aardingskabel B ongeveer zodanig afgestemd dat een uitgangswisselspanning door de versterker 12 wordt 20 opgewekt die uitstijgt boven het drempelniveau van de alarmschakeling 18. Wanneer de aardingskabel B gekoppeld is met de aansluitklem 22 dan vormt de lichaamscapaciteit Cg een shunt naar aarde. De variabele weerstand R4 wordt afgeregeld «sa een uitgangswisselspanning te verschaffen juist onder het niveau dat nodig is voor het activeren van het 25 alarm 18. Opgemerkt wordt dat de terugkoppeling van de oscillator 12 wordt bestuurd door de variabele weerstand R4 als aanpassing aan iedere eventuele extra bijdrage waarmee de menselijke capaciteit Cg de brug-capaciteit C2 overschrijdt. Zou er nu een eventuele breuk optreden in de doorgaande aardingsweg tussen het lichaam H via de impedantieweer-30 stand Rl, dan zal het uitgangssignaalniveau van de versterker 12 het drempelniveau van de alarmschakeling 18 overschrijden en activering van het alarm veroorzaken.

Het zal uit de voorgaande beschrijving duidelijk zijn dat het verbinden van de menselijke vervangingsschakeling met het impedantie-ele-35 ment van een actieve schakeling, zoals met de weerstandsbelasting of de inductieve belasting van een door een oscillator uitgestuurde versterker zoals getoond is in figuur 2, de uitgangsimpedantie voldoende kan modificeren om daarmee het versterkeruitgangssignaal te onderdrukken en zodoende een indicatie te verschaffen van de continuïteit in de verbin-40 dingsweg tussen het lichaam en aarde via de aardingskabel. Wanneer er 8402033 8

* -V

* een breuk optreedt dan wordt de shunt over de belasting weggenomen zodat het alarm kan worden geactueerd. In de uitvoeringsvorm van de figuren 3 en 4 wordt de menselijke vervangingsschakeling aangesloten over een frequentie bepalend impedantie-element van een kritisch afgestemde 5 actieve schakeling, zoals een oscillator, en wordt een weg naar aarde gedefinieerd via een spoel of een weerstand, waarbij op soortgelijke wijze het alarm tot rust wordt gebracht ofwel door wijziging van de uitgangsfrequentie ofwel door wijziging van het wisselspanningsuit-gangsniveau. Indien er een open schakeling optreedt in de verbindingslij weg tussen het lichaam en aarde dan wordt Cg in feite uit de schakeling verwijderd en zal de schakeling opnieuw kritisch worden afgestemd zodat het alarm opnieuw kan worden geactiveerd.

Alhoewel de uitvinding in detail is beschreven aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm is deze voorkeursuitvoeringsvorm slechts illu-15 stratief en wordt de uitvinding daartoe niet beperkt. Diverse modificaties en wijzigingen zijn derhalve binnen het kader van de uitvinding mogelijk.

8402031

Claims

2. Bewakingsstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het genoemde impedantienetwerk frequentie bepalende middelen bevat voor de 25 genoemde frequentie genererende middelen.
3. Bewakingsstelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de frequentie genererende middelen voorzien zijn van een oscillatorschake-ling.
4. Bewakingsstelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de 30 aardingskabel gekoppeld is met een impedantienetwerk waardoor de oscil- latorschakeling wordt verstemd wanneer er een doorgaande aardingsweg aanwezig is tussen het lichaam en aarde.
5. Bewakingsstelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de genoemdefrequentie bepalende middelen voorzien zijn van middelen voor 35 het afregelen van het bijbehorende impedantienetwerk. ******** 8402033