CN101685137B - 用于监控开断过程的方法和设备,以及继电器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控开关元件(3)的开断过程的设备(10)，该开关元件用于接通用于用电设备(4)的电流(I)，该设备包括：检测装置(5)，用于检测用电设备(4)的至少一个单独的耗电值；比较装置(6)，用于将该至少一个耗电值与基准值进行比较，预测装置(7)，用于根据比较结果来预测最大开关周期数。

Description

用于监控开断过程的方法和设备，以及继电器组件

技术领域

本发明涉及一种用于监控开关元件的开断过程的方法，该开关元件用于接通用于用电设备的电流。

本发明同样涉及一种用于监控开关元件的开断过程的设备，该开关元件用于接通用于用电设备的电流。

本发明还涉及一种继电器组件，具有用于监控开断过程的设备。

背景技术

继电器组件，优选用于在存储器可编程的控制装置中使用，借助于开关元件，优选设计成金属的触点，但也特别是在半导体技术中设计的开关元件，该继电器组件可以接通连接在继电器组件的开关输出端上的用电设备。连接的用电设备例如可以是信号灯、电动机、传送带、电镀槽或高压设备。在接通用电设备的情况下，特别是在用电设备具有高的电力需求量、特别是高的接通瞬时电流需求量的情况下，在开断过程中对开关元件或者说金属的开关触点强烈地加载负载。这种负载导致了对开关元件的逐渐增多的磨损。如果开关元件设计为金属的触点对，则随着时间的推移，例如由于表面烧灼或由于腐蚀会使触点的外层损坏。这意味着，如果超出最大开关周期数，就会导致故障或者说导致触点的损坏。从使用者的角度 来看，例如在自动化技术中，继电器组件的损坏意味着电气设备的维修时间和停工时间，这对例如商品的生产产生了不利的影响。

在根据现有技术的继电器组件中已知的是，预先设定限定的最大开关周期数，其中生产商通常利用该可预先设定的最大开关周期数来确保继电器组件的无缺陷的功能。但是，这种可预先设定的最大开关周期数是一个估值。完全可能会出现开关元件在达到最大开关周期数之前就已经被磨损，或也可能会出现开关元件可以在大大超出所给定的最大开关周期数的情况下无故障地运转。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种方法，该方法能够给出关于开关元件的可能的最大开关周期数(Schaltspielanzahl)的改进了的说明。

该目的通过开头所述的方法由此来实现，即测定用电设备的至少一个单独的耗电值，将该耗电值与基准值进行比较，并且根据比较结果来给出对最大开关周期数的预测。在此其优点在于，所连接上的负载的单独的耗电值被考虑在内，因此例如可以在连接上电动机的情况下由此出发，即该电动机例如在软启动的情况下与在重荷启动的情况下相比提供不同的单独的耗电值。根据这种不同的运转状态，开关元件也被加载不同的负载。此外，例如机械的触点的使用寿命取决于要接通的电压、例如交流电压或直流电压，电压水平，要接入的负载、如欧姆负载、感性负载或容性负载，接通瞬时电流以及断路电流。因此，开关元件的触点磨损取决于许多参数且这些参数对于开关元件的使用寿命起决定性的作用。通过将所测得的耗电值与在限定的电流比率和电压比率的情况下所获取的基准值进行比较，可以更准确地确定出关于开关元件的可能的磨损的诊断。

当测定电流的随时间变化的过程曲线时是有利。根据用电设备的电流的特性过程曲线，可以做出关于其电气特性、例如优先的感性负载或优先的容性负载的第一说明。

此外，在此测定在用电设备上的电压的随时间变化的过程曲线是有利的。对于电流和电压的随时间变化的过程曲线的认识可以进一步提升关于该用电设备的说明的准确性。

在此，当对电流的和/或电压的随时间变化的过程曲线逐段地进行分析，并且给出关于开关元件的可能的损耗的说明时，是特别有利的。

当测定并存储用电设备的特性参数时，该方法进一步得到优化。根据该方法来存储特性参数符合于“示教功能”，因此该方法适合于在实施期间识别被改变的前提条件并且匹配于该前提条件。

在本发明的另一个设计方案中，对达到可预先设定的第一数值或最大开关周期数进行监控，并且在超出两个数值之一的情况下发出警告。因为根据在其中应用了该方法的开关装置的使用情况，可以接入不同的负载，因此对于最大开关周期数的预测取决于使用情况不断地发生变化。如果例如以对于开关元件来说的高负载来执行最后100个开断过程，则对于最大开关周期数的诊断接近于“最坏情况”界限。如果相反地在几乎很小的负载的情况下来执行最后100个开断过程，则因此最大开关周期数朝着“最好情况”的数值的方向移动。

为了避免开关元件被破坏或为了避免不安全的电路连接，有利地在超出两个数值中之一的情况下阻止重新接通。

在一个优选的设计方案中，使用磁阻传感器对电流进行无接触测量。

此外，为了测量电压，优选地使用微电子机械系统进行测量。在该方法中应用了一种MEMS电压表。

开头所述的设备同样也由此实现了开头所述的目的，即该设备具有：检测装置，用于检测用电设备的至少一个单独的耗电值；比较装置，用于将至少一个耗电值与基准值进行比较；以及预测装置，用于根据比较结果来预测最大开关周期数。特别是在必须确保功能安全性的安全开关装置中，例如根据IEC 61508标准的装置中，这种设备可以很有效地加以利用。迄今为止，例如继电器组件的使用者在安全技术中必须按照B10值工作。对于有磨损的仪器来说，B10值对应于开关周期。利用该设备现在可以实现不是静态地估计最大开关周期数，而是能够对于给出的使用条件作出适当的反应。例如该设备也可以将反馈信号发给上一级的管理系统并且引起预先的警告以更换开关元件。

一种继电器组件也实现了开头所述的目的，该继电器组件具有用于监控开关元件的开断过程的设备，该开关元件用于接通用于用电设备的电流。

附图说明

参照附图对其它优点和特征加以说明。附图所示为：

图1是具有用于监控开断过程的装置的继电器组件的一个实施例，

图2是示意性的图示以用于说明微电子机械系统、MEMS电压表的工作原理，

图3是另一个示意性的图示以用于进一步说明微电子机械系统，以及

图4是微电子机械系统的一个实施例。

具体实施方式

根据图1示出了继电器组件1，其中继电器组件1具有用于监控开关元件3的开断过程的设备10，该开关元件用于接通用于用电设备4的电流I。用电设备4通过接线端子连接到继电器组件1上。电源30处于用电设备4的电路中，其中该电路通过开关元件3的闭合而闭合且电源30可以驱动电流I通过用电设备4。电源30可以设计为交流电源或直流电源。

开关元件3借助于继电器线圈1a通过作用连接来操纵。通过将开断电压U1施加到第一继电器线圈输入端和第二继电器线圈输入端上以接通开关元件3来激发继电器线圈1a。继电器线圈1a和开关元件3构成了继电器2。

用于监控开关元件3的开断过程的设备10具有检测装置5，用于测定用电设备4的至少一个单独的耗电值。在此，检测装置5设计为磁阻传感器11和微电子机械系统12。微电子机械系统12在下文中也称为MEMS(微电子机械系统)电压表。

磁阻传感器11和微电子机械系统12在此这样设置在引导电流I的导体上，使得该磁阻传感器和微电子机械系统能够无接触地测 定用电设备4的耗电值。传感器11设计用于检测电流I，并且微电子机械系统12设计用于检测电压U。

为了能够根据比较结果来预测最大开关周期数N，设备10还具有比较装置6、预测装置7和存储装置8。比较装置6这样与传感器11和微电子机械系统12连接，从而使传感器11为比较装置6提供第一输入端参数21并且MEMS电压表12为该比较装置提供第二输入端参数22。比较装置6设计用于测定用电设备4的单独的耗电值以及将该耗电值与基准值进行比较，其中基准值通过用于基准值的、与存储装置8连接的输入端24提供给比较装置6。

存储装置8中的基准值可以在继电器组件1开始运行之前就已经存储在存储装置8中，但同样可能的是，基准值通过用于比较装置6的基准值的输出端提供给存储装置8使用。这里，在继电器组件1运行期间，用电设备4的特性参数借助于传感器11和MEMS电压表12，通过检测装置5来测定并且存储到存储装置8中。因此，利用设备10实现了一种学习功能或“示教功能”。

预测装置7通过与检测装置5的连接优选地读入在开断过程期间电流I和电压U的当前的独特的随时间变化的过程曲线，且在对于可能的最大开关周期数N进行预测时，该预测装置涉及到存储在存储装置8里的基准值或者说基准电压-和电流的过程曲线。绝对计数器n设计用于连续地对每个开断过程进行计数。开关周期的可预先设定的第一数值n1存储在另一个存储装置里。设备10可以这样设置，从而使在达到可预先设定的第一数值n1或最大开关周期数N的情况下能够发出警告。也可考虑这样来设置设备10，即在超出两个数值N、n1之一的情况下阻止开关元件3重复接通。

图2示出了示意性的图示以用于说明微电子机械系统、MEMS电压表的工作原理。

示出了垂直于电导体EL的延伸方向的横截面，该电导体由进线和回线构成。在电导体EL中流动着电流I，该电流的电流方向以通常的方式和方法表明。基于在电导体EL中流动的电流I，围绕着电导体EL形成了磁场B。

为了现在能够借助于微电子机械系统测定对于穿过电导体EL流动的电流I的测量参数或者说对该电流I进行定量的测量，设置有测量线圈L，该线圈在所示出的实施例中具有两个线匝且以简单的形式来设计。测量线圈L安装在载体T上，该载体借助于出于简明的原因未示出的微机械的或者说微电子机械的振荡器来这样地运动，从而引起了通过测量线圈L的磁流的周期性的变化。在所述的实施例中，在此发生了微电子机械的振荡器的振荡以及因此也发生了与载体T连接的测量线圈L在由双箭头所表明的运动方向D上的、也就是说垂直于电导体EL的延伸走向的振荡。基于通过测量线圈L的运动在电导体EL的磁场B中所引起的通过测量线圈L的磁流的变化，在测量线圈L中感应了电压，该电压与穿过电导体EL流动的电流I是成比例的且因此显示出对于该电流的测量参数。

应注意的是，不同于根据图1的图示，测量线圈L当然也可能在单独的电导体的磁场中、也就是说不在进线和回线之间运动。从根据图1的图示出发，这可能例如显示为，不考虑图示中电导体EL的左侧部分且使载体T带着测量线圈L向右移动，从而使测量线圈L围绕着随后仅具有一个导体的电导体EL的中心振荡。在这种情况下也产生了通过测量线圈L的磁流的变化，从而借助于这种布置也可以检测对于穿过电导体EL流动的电流I的测量参数。然而，在图1中所示的实施例具有这样的优点，即基于测量线圈L在电导 体EL的进线和回线之间运动，在测量线圈L中所感应的电压具有更大的振幅。对此的原因是，即借助于测量线圈L在进线和回线之间的运动，引起了通过测量线圈L的磁流的特别强烈的变化。

为了获得尽可能大的感应电压或者说为了能够在必要情况下增大在测量线圈L与电导体EL之间的绝缘距离，还可以增加线匝数或者说增大测量线圈L的面积，和/或尽可能大地选择由微电子机械的振荡器所引起的运动的振幅。

在图2中所示的布置在其尺寸方面例如可能这样来设计，即在电导体EL的宽度为2mm时，测量线圈L与电导体EL的表面之间的距离为0.5mm。相应地，测量线圈L在图2的图示中可以具有数量级为1mm的水平的扩张，并且由微电子机械的振荡器所引起的周期性的运动的振幅可以例如为0.5mm。然而特别要提示的是，所述数值仅是示例性的，并且取决于各自的需求以及各自的应用目的，也可以考虑具有与这里可能明显不同的数值的排列组合。

图3示出了另一个示意性的图示以用于进一步说明微电子机械系统。在此示出了基本上与图2相对应的布置的透视图，其中为了更好地加以阐明，略去了测量线圈L的载体。可以看出，即测量线圈L在以设计成U形的电导体EL的腿的形式的进线和回线之间运动，其中再次由相应的箭头表明运动方向D。在电流I穿过电导体EL流动并且由该电流I引起了磁场时在运动方向D上产生的磁场B的分量表示为Hx而作为位置x在运动方向D上的函数在简图G中绘出。可以看出，磁场Hx在运动方向D上发生变化，从而当测量线圈L在运动方向D上运动时，通过测量线圈L的磁流发生变化。由此，在测量线圈L中感应了电压，该电压显示了对于穿过电导体EL流动的电流I的测量参数。

为了获得所感应的电压的尽可能大的信号振幅，微电子机械的振荡器的振荡频率优选地在几千赫的范围中至兆赫范围中选择。在此要注意的是，微电子机械的振荡器的振荡频率优选地这样选择，即电流I的频谱成分在微电子机械的振荡器的工作频率的范围中可以被忽略。优选地，为此设置具有小的带宽的带通滤波且微电子机械的振荡器的工作频率与在具有有效振幅的电流I的频谱中出现的最大频率相比明显更大地选择，也就是说例如大出10至100因数。这意味着，即如果要检测的不是直流电、而是频率为例如1kHz的交流电，为此优选地应用微电子机械的振荡器，该振荡器的工作频率处于至少10kHz的范围中。

图4示出了微电子机械系统作为测量仪表的一个实施例。示出了微电子机械系统MEMS，该系统包括：电枢A、测量线圈L、两个第一电极ETD1以及一个第二电极ETD2。此外，除了在图3所示的布置中的微电子机械系统MEMS之外还示出了U形的电导体EL。在此一般性要提示的是，即电导体EL基本上也可以是原本的测量装置的组成部分。因此在这种情况下，将要测量的电流引入电导体EL中，该电导体在这种情况下在测量装置中通常与微电子机械系统MEMS之间距离固定地设置。然而此外可选地，电导体EL也可以是任意其它部件的组成部分，因此在这种情况下，原本的测量装置不包括电导体EL。

在图4所示的微电子机械系统MEMS中，由电枢A以及第一电极ETD1和第二电极ETD2构成了微电子机械的振荡器。在此，振荡器的能够振荡的部分由第二电极ETD2提供且挂在电枢A上。分别有一个气隙SP位于第二电极ETD2与各个第一电极ETD1之间，该气隙的宽度通常处于微米范围中。通过周期性地将相应电势施加到电极ETD1、ETD2上，基于有效的静电力引起了第二电极 ETD2的机械的振动，其中图4中的运动方向通过所示的双箭头表明。相应于图示，在所示出的示例中又具有两个线匝的测量线圈L固定在第二电极ETD2上，从而借助于微电子机械的振荡器使测量线圈L这样运动，即基于测量线圈L在电导体EL的由电流I所引起的磁场中的运动引起了通过测量线圈L的磁流的周期性的变化。由此如前面已说明过地，在测量线圈L中感应了电压，该电压可以由相应的装置检测且可以根据在电导体EL中流动的电流I来测定。

应指出的是，在根据本发明的微电子机械系统的范畴内，当然也可以应用微电子机械的振荡器，该振荡器根据另一种静电学原理工作。此外预先要指出的是，当然也可以应用具有仅仅一个线匝又或具有两个以上线匝的测量线圈。

优选地，在图4中所示的微电子机械系统可以额外地具有电容式的电压计以用于检测电导体EL的电压。用于电容式的电压测量的相应的微电子机械系统例如由前面已经提到过的WO2005/121819A1公开。在此优选地，使电压计连接到微电子机械的振荡器上，从而使由该振荡器所引起的运动不仅引起了通过测量线圈的磁流的变化，而且也还引起了在电压测量的范畴中所必需的电容变化。有利地，由此以特别简单、紧凑和成本低廉的方式和方法提供了用于测量功率的微电子机械系统、也就是说瓦特计。

相应于前述的实施例，根据本发明的微电子机械系统以及根据本发明的方法特别地具有以下优点，即能够以比较简单的方式和方法来实现电流分开的以及可应用于多方面的对于穿过电导体流动的电流的测量参数的检测。特别地通过使在这里要测量的、穿过电导体流动的电流本身并不需要穿过微电子机械系统流动的这种方式，使得微电子机械系统以及此外该方法、特别地也在其在电流强度较高的情况下的实用性方面，以有利的方式是特别有效率的。

所有的描述通过施加外部磁场而导致材料的电阻发生变化的效应都称为磁阻效应。特别地，各向异性磁阻效应(AMR效应)、“巨大的”磁阻效应(GMR效应)、庞磁电阻(CMR)效应、隧道磁电阻(TMR)效应以及平面霍耳效应都属于该磁阻效应。

Claims (24)

1.一种用于监控开关元件(3)的开断过程的方法，所述开关元件用于接通用于用电设备(4)的电流(I)，其中

-检测所述用电设备(4)的至少一个单独的耗电值，

-将所述耗电值与基准值进行比较，并且

-根据比较结果来给出对最大开关周期数(N)的预测。

2.根据权利要求1所述的方法，其中测定所述电流(I)的随时间变化的过程曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中测定在所述用电设备上的电压(U)的随时间变化的过程曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其中对所述电流(I)的和/或所述电压(U)的所述随时间变化的过程曲线逐段地进行分析，并且给出关于所述开关元件(3)的损耗的说明。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中测定并存储所述用电设备(4)的特性参数。

6.根据权利要求4所述的方法，其中测定并存储所述用电设备(4)的特性参数。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中对达到能预先设定的第一数值(n1)或所述最大开关周期数(N)进行监控，并且在超出两个所述数值中的一个的情况下发出警告。

8.根据权利要求6所述的方法，其中对达到能预先设定的第一数值(n1)或所述最大开关周期数(N)进行监控，并且在超出两个所述数值中的一个的情况下发出警告。

9.根据权利要求7所述的方法，其中在超出两个所述数值(N、n1)中的一个的情况下阻止反复接通。

10.根据权利要求8所述的方法，其中在超出两个所述数值(N、n1)中的一个的情况下阻止反复接通。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用磁阻传感器(11)对所述电流(I)进行无接触测量。

12.根据权利要求10所述的方法，其中使用磁阻传感器(11)对所述电流(I)进行无接触测量。

13.根据权利要求3所述的方法，其中利用微电子机械系统(12)来无接触测量所述电压(U)。

14.根据权利要求12所述的方法，其中利用微电子机械系统(12)来无接触测量所述电压(U)。

15.一种用于监控开关元件(3)的开断过程的设备(10)，所述开关元件用于接通用于用电设备(4)的电流(I)，所述设备包括：

-检测装置(5)，用于检测所述用电设备(4)的至少一个单独的耗电值，

-比较装置(6)，用于将所述至少一个耗电值与基准值进行比较，

-预测装置(7)，用于根据比较结果来预测最大开关周期数。

16.根据权利要求15所述的设备(10)，其中所述检测装置(5)

设计用于测定所述电流(I)的随时间变化的过程曲线。

17.根据权利要求15或16所述的设备(10)，其中所述检测装置(5)设计用于测定在所述用电设备上的电压(U)的随时间变化的过程曲线。

18.根据权利要求15或16所述的设备(10)，具有用于存储所述用电设备(4)的特性参数的存储装置(8)。

19.根据权利要求17所述的设备(10)，具有用于存储所述用电设备(4)的特性参数的存储装置(8)。

20.根据权利要求17所述的设备(10)，具有用于测量所述电压的磁阻传感器(11)。

21.根据权利要求19所述的设备(10)，具有用于测量所述电压的磁阻传感器(11)。

22.根据权利要求17所述的设备(10)，具有用于测量所述电压(U)的微电子机械系统(12)。

23.根据权利要求21所述的设备(10)，具有用于测量所述电压(U)的微电子机械系统(12)。

24.一种继电器组件(1)，具有根据权利要求15至23中任一项所述的、用于监控开关元件的开断过程的设备，所述开关元件用于接通用于用电设备(4)的电流(I)。