Vorrichtung zur Prüfung der Isolation von Lackdrähten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Prüfung der Isolation eines durchlaufenden, an mindestens einem Ende geerdeten, mit einer Lackschicht isolierten Drahtes mit Hilfe einer die Lackschicht berührenden elektrischen Prüfkontaktfläche.
Für die Prüfung der Isolation von Lackdrähten werden verschiedene Verfahren und dafür geeignete Geräte verwendet. Bei einem bekannten Gerät wird die Metallseele des Drahtes geerdet und der Draht durch einen, mit einem flüssigen elektrischen Leiter, beispielsweise Wasser oder Quecksilber, gefüllten Trog geführt. Der flüssige elektrische Leiter ist über einen hochohmigen Widerstand mit einer Elektrode eines Kondensators verbunden, dessen andere Elektrode eine bestimmte Spannung gegen Erde führt. Parallel zu dem Kondensator ist im einfachsten Falle eine Glimmentladungsröhre, oder bei komplizierteren Geräten ein elektronischer Zähler geschaltet. Der Kondensator wird, wenn die Isolation des Lackdrahtes ungenügend ist, durch den durch diese Isolation fliessenden Strom aufgeladen.
Wenn ein Drahtstück mit einer Lackisolierung, deren elektrischer Widerstand geringer als normal ist, oder ein Drahtstück mit einer defekten Isolierung, deren Löcher überhaupt keinen merklichen elektrischen Widerstand besitzen, in den flüssigen Leiter eintaucht, wird die Spannung über dem Kondensator im Verhältnis der Isolationsänderung geändert, und zwar bei schlechterer Isolation vergrössert. Beim Erreichen eines vorbestimmten Wertes wird diese Spannung die Glimmlampe zünden und damit die Spannung am Kondensator mindestens teilweise wieder ableiten. Die zeitliche Aufeinanderfolge der Zündungen der Glimmlampe liefert somit ein Mass für den Leckstrom durch die Lackschicht des Drahtes und damit für deren Isolation. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass der Draht, der durch das Bad geführt wurde, nicht weiter verwendet werden kann.
Das Verfahren kann darum nur zur stichprobeweisen Prüfung der in der Praxis geforderten Qualität der Isolation verwendet werden und schliesst nicht aus, dass lange Drähte oder ganze Lieferspulen auch Stücke mit von diesen Stichproben abweichender Isolation aufweisen.
Bei einem anderen Verfahren werden anstelle des mit einem flüssigen Leiter gefüllten Troges zwei Klemmkontakte, die aus einem leitenden, festen Körper, beispielsweise Graphit, hergestellt sind, verwendet. Auch bei diesem Verfahren ist die Metallseele des Drahtes geerdet, dagegen sind die Klemmkontakte direkt über einen Messwiderstand mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Als Mass für die Güte der Isolation wird der Spannungsabfall über dem Widerstand angesehen.
Im praktischen Betrieb wird der Isolierschicht eine bestimmte Leitfähigkeit zugestanden, und erst wenn diese einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, d. h. wenn der Spannungsabfall über dem Messwiderstand über einen vorgegebenen Wert ansteigt, wird ein Signal oder ein Zählwerk ausgelöst. Während bei dem zuerst beschriebenen Verfahren bei grösseren Drahtlängen mit schlechter Isolation aufeinanderfolgende Kondensatorentladungen erzeugt werden, wird bei dieser Gleichstrommessung nur einmal das Überschreiten des zulässigen Widerstandswertes angezeigt. Die bei dem ersten Verfahren auftretenden Stromstösse sind durch die Kapazität des Kondensators und die Kondensatorspannung begrenzt.
Demgegenüber wird beim zweiten Verfahren der Strom nur durch die Isolation des Drahtes und den Messwiderstand begrenzt, d. h., wenn die Isolation nicht sehr gut ist, kommt in den meisten Fällen es zu einem Durchschlag, der kleine und möglicherweise noch zulässige Isolationsfehler vergrössert. Das bedeutet, dass die isolierende Schicht durch das Messverfahren beschädigt werden kann. Obwohl das Verfahren für eine kontinuierliche Messung vorgesehen ist, gehen die damit erreichten Prüfgeschwindigkeiten nicht über Drahtgeschwindigkeiten von 1 m/sec hinaus, was für Maschinen zur Herstellung der Lackisolierung ausreicht, aber für den Gebrauch, beispielsweise zur Kontrolle des von einer Wickelmaschine verarbeiteten Drahtes, nicht genügend ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beheben. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkontaktfläche aus einem elektrisch leitenden, elastischen Material besteht und sich während der Berührung in der gleichen Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Draht bewegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wird die Lackschicht des Drahtes, bevor diese mit der Prüfkontaktfläche in Berührung kommt, elektrisch aufgeladen. Diese Aufladung erfolgt über mindestens eine Kontaktfläche, die sich in der gleichen Weise wie die Prüfkontaktfläche mit dem umlaufenden Draht bewegt.
Die durch die neue Vorrichtung erzielten Fortschritte sind evident. Es findet keine Relativbewegung zwischen dem durchlaufenden Draht und der gegenüber dem Draht relativ weichen Prüfkontaktfläche statt. Dadurch entsteht ein vibrationsfreier Berührungskontakt, der auf eine grosse Strecke ausgedehnt werden kann, was die Verwendung einer hochohmigen Messmethode mit grosser Zeitkonstante erlaubt. Die hochohmige Messmethode mit vibrationsfreier Pnifkontaktfläche ermöglicht dann eine zerstörungsfreie Messung unter Ausschluss überschlagender Funken.
Die weiche Prüfkontaktfläche garantiert eine schonende, abreibfreie Behandlung des zu prüfenden Drahtes und erhält diesem nicht nur seine gewöhnlich über dem Lack liegende Paraffinschutzschicht, sondern verhindert auch, dass bei fabrikationsmässiger Dauerprüfung durch fortgesetzte Ablagerung von Paraffin auf der Prüfkontaktfläche der Übergangswiderstand zwischen Prüfkontaktfläche und Drahtoberfläche in einer, die Messung verfälschenden Weise erhöht wird. Der Gleichlauf zwischen Prüfkontaktfläche und Draht erlaubt, die Kontaktzeit eines Oberflächenelementes des Drahtes in ein gewünschtes Verhältnis zur Zeitkonstante der elektrischen Einrichtung zu setzen, was weiter die Möglichkeit gibt, die Durchlaufgeschwindigkeit des zu messenden Drahtes zu erhöhen.
Gesamthaft ist es durch die neue Vorrichtung möglich, anstelle der bisherigen, nur im begrenzten Umfang anwendbaren Prüfungen, eine kontinuierliche, die gesamte Produktion oder das gesamte zu verarbeitende Material erfassende Messung einzuführen.
Die Erfindung soll nun an einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 ist eine stark vereinfachte Schaltskizze der elektrischen Anordnung zum Messen der Isolation von lackisolierten Drähten.
Fig. 2 ist eine modellmässige Darstellung der für die Messanordnung nach Fig. 1 notwendigen erfindungsgemässen Berllhrungskontakte für den zu messenden lackisolierten Draht.
In Fig. list eine Rolle 10 mit isoliertem Draht gezeigt, dessen Anfang 30 geerdet ist und der über zwei Umlenkrollen 11, 12 zu einer (nicht gezeigten) Y51ickel- maschine geführt wird. Der Draht wird zwischen den beiden Umlenkrollen 12, 13 an zwei elektrischen Kontakten 14, 15 vorbeigeführt. Der eine Kontakt 14 ist über einen Srtrombegrenzerwiderstand 16 mit einer Gleichspannungsquelle 17 von etwa 150-700 V verbunden, deren gegenüberliegender Pol geerdet ist. Der andere Kontakt 15 ist ebenfalls mit einem strombegrenzenden Widerstand 18 von 1 Megohm verbunden, der zu einem Kondensator 19 von 4000 pF führt. Die gegenüberliegende Kondensatorplatte ist mit einer Gleichspannungsquelle 20 von ebenfalls 150-700 V verbunden, deren entgegengesetzter Pol geerdet ist.
Parallel zum Kondensator 19 liegt eine Glimmentladungsdiode 21 mit möglichst konstanter Zündspannung und parallel zu dieser Diode der durch den Kondensator 22 für Gleichspannung gesperrte Eingang zu einem (nicht gezeigten) elektronischen Zähler.
Im Betrieb wird der lackisolierte Draht von der Rolle 10 über die Umlenkrollen 11 und 12 in die Wikkelmaschine gezogen. Die Metallseele des Drahtes ist, wie schon oben beschrieben, an ihrem Anfang 30 geerdet. Beim Kontakt 14 wird die Lackisolierung mit eivon der Spannungsquelle 17 über den Widerstand 16 gelieferten Spannung in Berührung gebracht, die der isolierenden Lackoberfläche eine bestimmte und konstante Ladung vermittelt. Der Kontakt 15, mit dem die Lackisolation kurz nach der Aufladung am Kontakt 14 in Berührung kommt, ist über den Widerstand 18 mit einer Platte des Kondensators 19 verbunden, dessen andere Platte an einer Gleichspannungsquelle liegt, die etwa die gleiche Spannung wie die Spannungsquelle 17 liefert.
Der Kondensator 19 ist also bei guter Isolierrung der Lackschicht praktisch spannungsfrei, weil seine beiden Platten an etwa der gleichen Spannung (gegen Erde) liegen. Ist die Isolation der Lackschicht stellenweise defekt, so wird sie entweder beim Kontakt 14 gar nicht aufgeladen, oder aber ihre Ladung wandert von der Oberfläche durch die Isolierschicht zur geerdeten Metallseele des Drahtes ab, ehe die Lackschicht mit dem Kontakt 15 in Berührung kommt. Sobald die ungeladene oder nur teilweise geladene Isolation den Kontakt 15 berührt, wird sich der Kondensator 19 über den Widerstand 18 aufladen. Dabei baut sich über dem Kondensator eine Spannungsdifferenz auf. Sobald die Spannungsdifferenz den Wert der Zündspannung der Glimmlampe 21 erreicht hat, wird diese zünden und die Spannung über dem Kondensator teilweise ausgleichen.
Der strombegrenzende Widerstand 18 ist genügend hochohmig, dass auch bei einem nichtisolierten Draht 10 die Glimmlampe 21 nach jedem Kippen des Kondensators 19 sofort wieder verlöscht. Das Wiederaufladen des Kondensators bis zur Zündspannung der Glimmlampe ist, wie oben beschrieben, von der Isolation der Lackschicht und bei fehlerhaften Stellen, wenn beispielsweise der Kontakt 15 den blanken Draht berührt, vom Wert des Widerstandes 18 abhängig. Die zeitliche Auf einanderfolge der Zündungen der Glimmlampe 21 ist also ein direktes Mass für den Widerstandswert der Lackisolation auf dem zu prüfenden Draht.
Der bei der Zündung der Glimmlampe 21 entstehende Spannungsimpuls kann in bekannter Weise über den Kondensator 22 an den Eingang eines elektronischen Zählers geleitet werden. Der Zähler kann dann entweder die Gesamtzahl der Zündungen für einen Drahtwickel bestimmter Länge, ohne Berücksichtigung ihrer zeitlichen Reihenfolge, oder aber die Zündfrequenz anzeigen und mit Vorwahlgeräten ausgestattet sein, die nach einer vorher eingestellten Anzahl von Zündungen oder nach Erreichen einer bestimmten Zündfrequenz eine Anzeigevorrichtung auslösen oder den Transport des lackisolierten Drahtes unterbrechen.
In Fig. 2 ist der Aufbau der Berührungskontakte und Umlenkrollen, deren Funktion anhand der Fig. 1 schon beschrieben wurde, dargestellt. Zuunterst auf einer über die Lackdrahtrolle angeordneten und vorzugsweise geerdeten Tragplatte 50 ist eine Bremsrolle 51 von 10 cm Durchmesser auf einer Achse 52 drehbar befestigt. Die Bremsrolle 51 hat auf ihrem Umfang einen Belag 52 aus Gummi und darin eine breite Einkerbung, in die mehrere Lagen des Drahtes 54, der nur 0,2 mm Durchmesser besitzt, nebeneinander gelegt werden können. Etwas oberhalb der Bremsrolle 51 sind die beiden ersten Kontaktrollen 60, 61 von etwa 3,5 cm Durchmesser ebenfalls auf Achsen 62 63 drehbar angeordnet.
Die Achsen 62, 63 sind durch ein hochisolierendes Material, beispielsweise PVC oder Teflon , mechanisch mit der Tragplatte 50 verbunden und zugleich elektrisch von ihr isoliert. Die beiden Achsen sind ausserdem mit einem nicht gezeigten metallischen Leiter verbunden, über den ihnen eine gewollte Spannung zugeleitet werden kann. Die ersten Kontaktrollen haben an ihrem äusseren Umfang einen Belag 64, 65 aus einem elektrisch leitenden Gummi. Der Gummibelag besitzt einen etwa 1 mm tiefen Einstich mit einem Öffnungswinkel von 90 , in dem der Draht 54 geführt wird.
Die beiden ersten Kontaktrollen sind so angeordnet, dass der etwa senkrecht nach oben geführte Draht 54 seitlich etwas versetzt wird (von links nach rechts in Fig. 2), wodurch ein Berührungskontakt mit praktisch der gesamten Oberfläche der Lackisolierung sichergestellt ist, ohne den Draht unnötig abzubremsen oder zu verformen.
Weiter oberhalb der ersten Kontaktrollen sind die zweiten Kontaktrollen 70, 71 angeordnet. Diese sind grösser als die vorher genannten und haben 7,5 cm Durchmesser. Sie sind ganz ähnlich den ersten Kontaktrollen auf Achsen 72, 73 drehbar gelagert und diese Achsen sind über (nicht gezeigte) Isolierstücke aus Teflon an der geerdeten Tragplatte 50 befestigt und elektrisch von dieser isoliert. Der äussere Umfang jeder der zweiten Kontaktrollen ist ebenso wie der der ersten Kontaktrollen mit einer Schicht 74, 75 aus elektrisch leitendem Gummi belegt, in die eine Führungskerbe für den Draht 54 eingestochen ist. Von der Tragplatte 50 getrennt und an der Wickelmaschine befestigt ist ein federnder Drahtbügel 80, an dem zwei aus Kunststoff gefertigte Umlenkrollen 81, 82 drehbar befestigt sind.
Diese Rollen sind mittels gewöhnlicher Kugellager am Drahtbügel befestigt und in ihrem Umfang sind Führungskerben für den Draht eingestochen.
Im Betrieb sind die Tragplatte 50 und der Tragbügel 80 geerdet. Die hochisolierten Achsen 62, 63 der ersten Kontaktrollen 60, 61 sind über den Schutzwiderstand 16 (Fig. 1) mit einer Spannungsquelle verbunden, und die ebenfalls hochisolierten Achsen 72, 73 der zweiten Kontaktrollen 70, 71 sind über den strombegrenzenden Widerstand 18 (Fig. 1) mit einem Kondensator verbunden.
Der von der Wickelmaschine gezogene Draht wird von der Lieferspule abgespult und senkrecht nach oben zur Bremsrolle 51 geführt, um die er in mehreren Lagen herumläuft, und die den mit unterschiedlicher-Span- nung aufgenommenen Draht mit verhältnismässig gleichmässiger Spannung weitergibt. Der Draht wird nach dem Verlassen der Bremsrolle 51 weiter nach oben geführt und durch die beiden ersten Kontaktrollen in seiner senkrechten Bahn seitlich versetzt, was eine innige Berührung zwischen dem gespannten Draht und den ihn ablenkenden Kontaktrollen bewirkt. Wie wei ter oben schon erklärt, sind diese Kontaktrollen mit einer Spannungsquelle verbunden und laden die Oberfläche des Drahtes gegenüber der geerdeten inneren Metallseele elektrisch auf.
Da der Draht verhältnismässig straff gespannt und der Gummibelag der Kontaktrollen verhältnismässig weich ist, wird der Draht von jeder Rolle etwa bis zur Hälfte seines Querschnittes umfasst, so dass der Draht beim Verlassen des ersten Kontaktrollenpaares praktisch an seiner gesamten Oberfläche elektrische Ladungen trägt. Der Draht wird dann weiter nach oben bis zur ersten Rolle 70 des zweiten Kontaktrollenpaares geführt. Der Draht umschlingt diese Rolle auf etwas mehr als dem halben Umfang und wechselt dann auf die nächste Rolle über, die ebenfalls auf etwas mehr als ihrem halben Umfang umfasst wird. Ein Draht, der mit einer Geschwindigkeit von 16 m/sec über die Rollen gezogen wird, verbleibt während etwa 10 Millisekunden mit diesen in Kontakt.
Da die Zeitkonstante des oben beschriebenen RC-Gliedes kleiner als 1 Millisekunde ist, kann eine blanke Stelle am lackierten Draht die Glimmlampe während diesen 10 Millisekunden mindestens 10 mal zünden; eine Frequenz, die nur mit Hilfe eines elektrischen Zählers aufgelöst und ausgewertet werden kann. Nach dem Verlassen der zweiten Rolle des zweiten Kontaktrollenpaares läuft der Draht wieder nach oben und über die Umlenkrollen 81, 82 zur Drahtwickelmaschine. Diese Umlenkrollen sind federnd befestigt, um kurzzeitige Ungleichmässigkeiten des Einzuges der Wickelmaschine nach Möglichkeit auszugleichen.
Der Belag der Kontaktrollen mit einem leitenden Gummi verhindert, dass Lackisolierung des Drahtes während des raschen Umlaufens beschädigt wird. Die meisten lackisolierten Drähte tragen ausser dem Lack noch eine Schutzschicht aus Paraffin, die ebenfalls durch den relativ weichen Gummibelag erhalten bleibt.
Das Aufreiben des Paraffins vom Draht auf die Rolle, z. B. beim Rutschen des Drahtes, würde bei den grossen durchlaufenden Drahtmengen rasch zu einem Paraffinbelag der Rolle führen, was den Übergangswi- derstand von Rolle zu Drahtoberfläche verändert und damit auch die Messgenauigkeit der ganzen Anlage.
Die Erfindung wurde an einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das besonders für die Verwendung vor einer Wickelmaschine geeignet ist. Bei der Verwendung der Vorrichtung nach einer Isoliermaschine können vorteilhafterweise die Bremsvorrichtung am Eingang und der Federbügel am Ausgang weggelassen werden.
Das Belegen der Bremsvorrichtung und der Kon taktrollen mit Gummi ist vorteilhaft, aber nicht notwendig.