Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Physikalische Zündvorgänge

Bewertung der Zündwirksamkeit elektrostatischer Entladungen ohne brennbare Testgase

Einleitung

In vielen Fällen, z.B beim elektrostatischen Beschichten, müssen Hochspannungselektroden in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Ein anderes Beispiel sind Kunststoffflächen, welche durch bestimmte Maßnahmen antistatisch ausgerüstet sínd (z.B. Entladespitzen, Strukturierung der Oberfläche). Solche Konstruktionen dürfen in explosionsgeschützten nur dann verwendet werden, wenn ihre elektrostatische Wirksamkeit im Experiment nachgewiesen ist (siehe Cenelec TR 50404:2003, Abschnitt 4.4.3). Es wird eine neue Methode vorgestellt, mit der die Zündwirksamkeit von elektrostatischen Entladungen ohne brennbare Testgase bestimmt werden kann. Dabei wurden bei bisher mehr als 100 Vergleichstests (elektrostatische Handsprüheinrichtungen, Kunststoffflächen, textile Gewebe) praktisch immer übereinstimmende Ergebnisse zwischen der neuen elektrischen und der bisherigen Testmethode in brennbaren Testgasen festgestellt.

Bisherige Testmethode

Das zu prüfende Teil wird in einem Testgas, dessen Zündwirksamkeit der explosionsfähigen Atmosphäre beim Einsatz des Produkts entspricht, angeordnet. Anschließend werden Entladungen zu einer geerdeten Kugelelektrode von 25 mm Durchmesser provoziert. Die Zündprüfung gilt als bestanden, wenn innerhalb von 20 min keine Entzündung des Testgases auftritt. Diese Testmethode hat den Nachteil, dass der Prüfer mit dem Prüfobjekt ohne Hörkontakt und nur mit eingeschränkter Sicht und Beweglichkeit im Gasgemisch hantieren muss. Hierdurch können Leckagen auftreten. Trotz erheblichem experimentellem Aufwand ist das Prüfergebnis nur eine ja/nein Entscheidung, die bei einer Wiederholung des Experiments zur genau entgegen gesetzten Beurteilung führen könnte. Dies ist unbefriedigend und hat zu der Entwicklung quantitativer elektrischer Messmethoden geführt, deren Ergebnisse mit einem Grenzwert verglichen werden können.

Abb. 1:
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Neue Testmethode

Schon bei den ersten Experimenten bezüglich der Zündwirksamkeit von Hochspannungsentladungen Ende des 19. Jahrhunderts wurde festgestellt, dass die Energiedichte eines Funkens, d.h. die Energie 0,5 x C x U x U pro Funkenlänge l, seine Zündwirksamkeit beschreibt. Gemäß dem Paschengesetz ist ferner U proportional zu l. Kombiniert man beide Gleichungen, so erhält man:

Zündwirksamkeit :

wobei C die Kapazität des Entladekreises, U die Spannung am Entladekreis, Q die von der Entladung übertragene Ladung und I den Entladestrom darstellt.

Abb. 2:
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C, U und const können aus bereits veröffentlichten Mindestzündenergiemessungen entnommen werden. Man erhält dann die folgenden Grenzwerte (siehe z.B. Cenelec TR 50404, EN 13463-1) für Q für die unterschiedlichen Explosionsgruppen nach EN 50014:

I: 60 nC
IIA: 60 nC
IIB: 30 nC
IIC: 10 nC

Diese Grenzwerte ermöglichen es es, statt eines Testgasgemisches die elektrische Messung der von der Entladung übertragenen Ladung heranzuziehen. Hierbei zeigte es sich sogar, dass bei Gasen und Dämpfen der Zündgrenzwert unabhängig vom Typ der Entladungsform ist.

Messung mit dem Coulombmeter

Zur Messung wird zuerst das zu untersuchende Prüfmuster im Trockenklima (23 °C, 30 % relative Luftfeuchte) akklimatisiert. Anschließend wird das Prüfmuster nach drei verschiedenen Verfahren aufgeladen: z.B. Reiben mit einem Filztuch, Schlagen mit einem Lederhandschuh und Aufsprühen von Elektronen. Letztere Methode darf nicht angewendet werden bei ungeerdetem leitfähigem Kunststoff, bei leitfähig hinterlegtem Kunststoff und bei stark konkav geformten Prüfmustern (z.B. Innenseite von Rohren, Innenseite von Verschlusskappen). Ein entsprechendes Gerät mit einer Nadelplatte von 100 Nadeln ist handelsüblich. Die Nadelplatte wird einfach auf das Prüfmuster aufgesetzt, dann die Hochspannung von -70 kV angelegt und das Gerät nach einigen Sekunden im eingeschalteten Zustand vom Prüfmuster entfernt.

Abb. 3: Handelsübliche Nadelelektrode an einem Hochspannungsstick von -70 kV.
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Anschließend wird die Kugelelektrode des Coulombmeters der durch Reibung bzw. Hochspannung möglichst hoch aufgeladenen Fläche genähert, bis eine einzige Büschelentladung hörbar überspringt. Daraufhin wird das Coulombmeter aus dem verbleibenden elektrischen Feld gezogen, der angezeigte Wert in nC abgelesen und mit den zulässigen Grenzwerten verglichen. Diese Vorgehensweise ist notwendig, um Störungen durch in die Kugel induzierte Spannungen zu kompensieren.

Zweckmäßigerweise führt man einen Parallelversuch mit einer PTFE-Scheibe mit definierter Fläche (z.B. 100 cm²) durch, um systematische Messfehler (z.B. durch falsche Klimatisierung) zu erkennen. Dabei ist zu beachten, dass bestimmte Kunststoffmaterialien, auf welche Elektronen gesprüht werden, mit der Zeit ihre Aufladbarkeit verlieren.

Abb. 4: Aufladung mit der Nadelelektrode und anschließend Messung der übertragenen Ladung Q mit einem Coulombmeter
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Messung mit dem Oszilloskop

Das beschriebene Messverfahren mit einem Coulombmeter ist für die Beurteilung textiler Fasern nur bedingt geeignet, da hier unter Umständen Mehrfachentladungen auftreten können, welche die gemessene übertragene Ladung zu hoch erscheinen lassen. Ferner ist die Messung mit einem Coulombmeter nicht zur Beurteilung von Entladungen von einer auf Hochspannung liegenden Elektrode geeignet, da hier ebenfalls Mehrfachentladungen auftreten können.

Abb. 5: Kugelelektrode mit angeschlossenem koaxialen 0,25 Ohm Nebenschlusswiderstand, welcher an den Eingang eines Oszilloskops angeschlossen wird.
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Für diese Fälle wird das Verfahren dahingegen modifiziert, dass statt des Coulombmeters eine Kugelelektrode mit eingebautem Shunt (Widerstand um 0,25 Ohm, Grenzfrequenz größer 500 MHz) verwendet wird, welche mit einem Oszilloskop (mind. 1 Gigasample/s, mind. 300 MHz Bandbreite, 50 Ohm Eingang, mathematische Integrationsfunktion) über ein hochwertiges 50 Ohm Kabel verbunden ist. Die mathematische Funktion wird dabei so programmiert, dass das Oszilloskop das Messergebnis

(R = Shuntwiderstand in Ohm), d.h. die übertragene Ladung in nC, direkt anzeigt. Dabei lassen sich auch aus dem angezeigten Stromverlauf Rückschlüsse über die Art der Entladung ziehen.

Abb. 6: Funkenüberschlag von einer elektrostatischen Handsprüheinrichtung zur Probenelektrode.
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Abb. 7: Stromverlauf einer Funkenentladung von einer kleinen induktionsfreien Kapazität. Q = 9,8 nVs/0,25 Ohm = 39 nC.
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Abb. 8: Stromverlauf einer Büschelentladung von einer isolierenden Kunststoffoberfläche. Q = 17,7 nVs/0,25 Ohm = 71 nC.
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Abb. 9: Stromverlauf einer Entladung von einem gewickelten Kondensator. Q = 109 nVs/0,25 Ohm = 436 nC.
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Abb. 10: Stromverlauf einer Gleitstielbüschelentladung. Q = 5600 nVs/0,25 Ohm = 22400 nC. Die tatsächliche Ladung liegt u.U. höher, da weitere Entladung außerhalb der Oszilloskopanzeige vorliegen.
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Veröffentlichungen

U. von Pidoll: Testing products and processes with regard to electrostatic hazards. Proceedings IEJ/ESA Joint Symposium on Electrostatics, Tokyo 7.-10.Nov. 2004, 245-254. (Download, PDF, 765 kB)

U. von Pidoll, E. Brzostek und H.-R. Fröchtenigt: Determining the incendivity of electrostatic discharges without explosive gas mixtures. IEEE Transactions on Industry Applications, 40 (2004), 1467-1475. (Download, PDF, 1,7 MB)

U. von Pidoll: The ignition of clouds of sprays, powders and fibers by flames and electric sparks. Journal of loss prevention in the process industries 14 (2001), 103-109. (Download, PDF, 951 kB)

Kontakt

Ansprechpartner Dr. Ulrich von Pidoll
Tel.: 0531-592-3431
E-Mail:

Anschrift Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Arbeitsgruppe 3.73
Bundesallee 100
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