CN105424213A - 识别热保护系统内的故障状态的方法及实施方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明题为“识别热保护系统内的故障状态的方法及实施方法的设备”。本发明涉及一种用于借助温度感应器识别热保护系统内的故障状态的方法，包括以下步骤：a)识别温度感应器的测量信号S(t)的随着时间的变化；b)借助低通滤波器(40)过滤温度感应器的测量信号；c)算出测量信号S(t)的易变性并且调整低通滤波器(40)以适配测量信号S(t)的易变性；d)算出温度感应器的测量信号S(t)的滑动平均值<u>X_G</u>；e)将测量信号S(t)与其滑动平均值<u>X_G</u>进行对比，借助对比的结果，来识别故障状态。

Description

识别热保护系统内的故障状态的方法及实施方法的设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助温度感应器识别热保护系统内的故障状态的方法，以及一种用于实施这种方法的设备。

背景技术

这样一种热保护系统例如是一种用于电机热保护的系统，包括热敏电阻作为温度感应器。在这样一种电机热保护系统中需要识别的故障状态例如包括在通向所述热敏电阻的引线上的断线。

热敏电阻类型的温度感应器的电阻就在其响应温度以上急剧升高。其中，响应温度是这样选定的，使得其等于一个高到不可容许的程度的电机温度，需要对其加以监测并且做出响应。在现有技术中已知，要识别温度感应器的电阻测量值，并且在当识别到测量值等于高到不可容许的程度的电机温度时，那么就触发相应的响应。这种相应的响应可以是发送报警信息和/或电机的切断或扼流。在现有技术中，为电阻测量值定义了阈值，在其以下为标称的电机状态，并且在其以上则出现所不期望的电机状态。

但如果电阻测量值处在所述阈值以上，这可能还有第二个原因。当然还可能是在传感器引线中出现断线或者是在连接传感器线缆时连接位置有误，那么，这将可能假装形成了相应高的传感器电阻。

在热保护系统运行时，当所记录的电阻测量值处在所述阈值以上时，人们就想在正常的工作状态、也就是说传感器运行正常并且显示所不容许的电机状态的工作状态与传感器的故障状态、也就是说出现了断线或传感器误差并且不再能够可靠地监测电机状态的状态之间加以区分。

仅仅基于识别电阻测量值来进行断线识别，已不再非常可靠。因为断线也将引起高电阻测量值。这一电阻测量值也处在表示所不期望的电机运行的阈值以上，至少处在与热敏电阻在响应温度以上的电阻测量值相同的数量级上。那么，在识别到较高的、超过所述阈值的电阻测量值的情况下，已不再能够区分出，这是起源于断线，还是由于热敏电阻已经超过其响应温度。因此，将不再能够可靠地在断线与电机过热之间加以区分。那么，就将可能导致故障报警的频繁出现，这是所不期望的。

另一个问题在于，具有热敏电阻温度感应器的电机热保护经常被用在电磁干扰影响较大的恶劣环境下，也称作恶劣的EMV技术条件，即电磁兼容性EMV。电磁的干扰影响可能假装形成了高电阻测量值，并且由此导致故障触发。甚至还可能通过电磁的干扰而错误地导致表明是断线，这就可能导致不必要且成本高昂的维护服务投入。

换句话说，如果与温度相关的、例如热敏电阻的电阻值超出了识别范围，就认为是断线。连接正确的热敏电阻的电阻在响应温度以上非常急剧地升高，从而不能够可靠地在断线与过热温度范围内的正常系统之间加以区分。此外，测量值在EMV负载下还可能临时受到这样大的影响，以致错误地认为是断线。

发明内容

因此，本发明的根本目的是，提供一种健壮的用于识别热保护系统内的故障状态的方法，该方法极少受到电磁干扰作用的影响并且容许在识别到高电阻测量值时可靠地在断线与温度感应器的正常状态之间加以区分。

本发明的另一个目的是，提供一种用于实施由此得到改进的方法的设备。

上述目的在所述方法方面是通过具有根据权利要求1所述特征的方法得以实现的。

上述目的在所述设备方面是通过具有根据权利要求9所述特征的设备得以实现的。

因此，根据本发明，所述用于识别热保护系统内的故障状态的方法包括以下步骤：

a)识别温度感应器的测量信号的随着时间的变化；

b)借助低通滤波器过滤所述温度感应器的测量信号；

c)算出所述测量信号的易变性并且使所述低通滤波器适配到所述测量信号的易变性；

d)算出所述温度感应器的测量信号的滑动平均值；

e)将所述测量信号与其滑动平均值进行对比，借助这种对比的结果，来识别故障状态。

所述根据本发明的方法是一种动态的识别方法。它是利用了这种认识，即：在断线的情况下，电阻值的升高、即电阻测量值的测量信号改变的随着时间的变化率要比在温度感应器的正常工作状态下超过温度感应器的响应温度时进行得更快。因此，可通过将温度感应器的测量信号与温度感应器的测量信号的滑动平均值进行对比，就能够可靠地在断线与正常显示所不期望的电机温度过高的电机状态之间作出区分。

根据本发明另外所设置的低通滤波器就能够避免来自所述温度感应器的使用环境的电磁干扰的影响。所述根据本发明的方法过滤了测量值中的EMV影响，对电阻值的突然升高、而不是绝对值进行估计。

测量信号的易变性在这里是指测量信号的波动强度。在强电磁干扰的环境下，测量信号的波动强度相应地高，要比在电磁干扰低的环境下的更高。例如可通过算出在测量间隔或距离间隔内的最高测量值与最低测量值之间的差，来算出所述易变性。这也被称作MIN/MAX测定。受强EMV干扰的环境下的加噪信号将具有高干扰尖峰，这就导致算出的易变性高。根据本发明，所述低通滤波器是与测量信号的易变性相适配的，涉及带宽和反应时间等。为此，所述低通滤波器优选被设计为数字滤波器。为了维持低材料成本，为此优选在分析电子器件内使用非常简单的微处理器。调整所述低通滤波器与所述测量信号的易变性相适配，就容许，借助简单且成本不高的微处理器，但能够达到良好的滤波效果，因为过滤算法不需要持续地、而是仅在所述测量信号的易变性高的情况下实现最高的过滤效果，这相应地节约了大量计算时间。在所述测量信号的易变性在时间上较低的情况下，过滤算法可相应地更加简单，由此运行的计算时间也更少。

因此，过滤带宽和反应时间要与EMV负载相适配。

错误识别断线在客户方就通常导致维护服务的投入，而在由于过热温度的触发中所述设备则可通过远程重置被复位。通过所述根据本发明的方法，可用性得到了提高，并且客户方的维护成本也得以降低。

根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，对所述温度感应器的测量信号进行采样，其中，要根据所述测量信号的易变性，来调整在具有可预先给定的采样时间的采样间隔内采样的数量n。采样优选借助ADC采样电路(ADC表示模拟数字转换)来进行。每个采样间隔具有可预先给定的采样时间，在采样间隔内进行可预先给定数量的采样。与具有低易变性的测量信号相比，具有高易变性的测量信号根据本发明是以每个采样间隔更高数量的采样来进行采样的。

因此，根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，求得易变性V，作为在采样间隔内的采样值的MIN/MAX测定的结果，并且，所述采样值的数量n在易变性更高的情况下被提高并且在易变性更低的情况下被降低。

根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，在每个采样间隔内生成与在这一采样间隔内采样的数量n相关的离散平均值。在每个采样间隔内的离散平均值的生成是低通滤波器的一种简单的、甚至借助简单的处理器就可用极少的计算时间来执行的算法。其中，根据本发明，所述低通滤波器与所述测量信号的易变性的适配是通过调整每个采样间隔的采样数量来进行的。

所述根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，基于连续的离散平均值的数量生成所述滑动平均值，并且，生成在最后所识别的离散平均值与所述滑动平均值之间的差，并且，当这个差超过可预先给定的阈值时，即对所述热保护系统内的故障状态加以识别和显示。

所述根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，所述故障状态是在通向所述温度感应器的引线上的断线。

所述根据本发明的方法的一种有利扩展的特征在于，所述温度感应器的类型是热敏电阻。

一种用于实施所述根据本发明的方法的设备包括以下功能组件：

-A/D转换和采样装置，其在输入侧被加载有所述温度感应器的测量信号；

-低通滤波器；

-易变性估计装置，用于使得所述低通滤波器与所述测量信号的易变性相适配；

-平均值生成装置，用于生成所述测量信号的滑动平均值；

-对比和估计装置，用于将所述测量信号与其滑动平均值相对比以及用于借助对比结果识别故障状态。

在根据本发明的设备的一种有利扩展中，所述低通滤波器被设置为用于生成在每个采样间隔内与该采样间隔内采样的数量n相关的离散平均值，并且，所述易变性估计装置被设置为用于采样间隔内的采样值的MIN/MAX测定，用于在易变性V较高的情况下提高所述采样值的数量n以及在易变性较低的情况下减小所述采样值的数量n，并且，所述平均值生成装置被设计为用于由连续的离散平均值的数量生成滑动平均值，并且，所述对比和估计装置被设计为用于算出最后所识别的离散平均值与所述滑动平均值之间的差，当所述差超过可预先给定的阈值时，即识别出所述热保护系统内的故障状态。

因此，根据本发明所设置的用于避免电磁干扰影响的低通滤波器在此是通过一种采样滤波器来实现的。

通过构成采样值的平均值，就可以简单的方式来降低由逆整流器或其他电磁干扰源带来的影响。为此，可采用滑动平均值，或者是采用识别采样值的固定数量结合接下来的平均值生成。

为了算出指标来表示外部环境的干扰作用对于所述温度感应器的测量信号的影响，对所谓的易变性加以识别。易变性给出了与主要的干扰影响相关的说明。在易变性较大的情况下，就要通过更多个测量值来生成平均值，干扰影响更小，数量可被降低并且能够更快地对触发作出反应。

作为热敏电阻-传感器的示例性的、典型的动态值约为250Ω/s。这就容许充分的过采样，即便是在设备内所要求的触发时间为100ms的情况下。

所述传感器信号的测量值的平均值要通过更长的时间段来进行观察，要确定传感器信号内的跳跃并且将其识别作为断线的指标。

作为低通滤波器，在所述根据本发明的方法中，离散的平均值生成是通过在一个采样周期T＝10ms内约10ADC-采样的数据包来实施的。

在一种成本有利的用于实施上述根据本发明的方法的设备中，采用了一种简单的且相应地价廉物美的微控器，其仅具有极低的计算性能。因此，所述根据本发明的方法就是这样被执行的，从而只需要极少且简单的计算操作。

为了借助简单、便宜的微控器来简单地识别易变性，通过简单地计算每个数据包的最小值和最大值来算出易变性。

为了识别上述跳跃，由所述平均值生成另一个滑动平均值，并且在有极大偏差的情况下，由此识别出断线。其典型的指标值是1kOhm/100ms的变化率。

故障的类型，即其是否是温度过热、短路或者断线，是在本地进行标示的。

接着，其还可通过根据本发明的设备的现场总线连接而被继续传输给电机控制装置或者是上级的过程数据识别和控制系统。

附图说明

下面借助一种实施例结合附图示进一步阐述本发明。

其中：

图1为热敏电阻的特有的特性曲线；

图2为具根据本发明的设备的方块图的示意性功能图；

图3示意性且示范性地示出了一种信号变化曲线以便阐明根据本发明的方法。

具体实施方式

图1示出了热敏电阻作为热阻器、具有正温度系数、在此即所谓的A类感应器在含有陶瓷材料的实施条件下的温度-电阻特性。这些构件通常被用于电机的温度监测。其使用条件可大约达到直至200℃。其特性曲线在有限的范围内围绕其额定响应温度T_N以每℃直至30％的幅度上升。一种典型的A类传感器可例如在其额定响应温度T_N的条件下具有1350Ω的电阻值，并且在该额定响应温度以下5℃的温度条件下具有小于550Ω的电阻值。在这样一种温度感应器的随着时间的上升动态方面，典型的值在250Ω/s的数量级上。

现观察图3。在这里示意性且示范性地示出了一种A类温度感应器的时间变化曲线，如其在一种典型的应用情境下用于电机监测时所可能出现的那样。还示例性且示范性地标出了测量信号的阈值L。如果测量信号S(t)超过了所述阈值，那么，就认为电机过热并且由所述热保护系统给出相应的警告和/或触发电机保护。

所述信号S(t)非常容易有噪声。所述信号S(t)在连续的采样间隔中以间隔长度T被采样，在本实施例中，T例如为10ms。这里在附图中示出了八个这样连续的间隔，以标记I₀至I₇来标示。在每个间隔中，生成所述信号S(t)的平均值，是通过数量可预先给定的采样、在本实施例中例如为每一间隔10次采样来进行的。每个间隔内的所述信号S(t)的平均值通过连续的点来表示，并且用Ｘ _i 至X _i+7 来标出。

采样的数量可与所述测量信号S(t)在每个间隔内的易变性相适配。例如为间隔I₂表明，测量信号S(t)的易变性是通过每个采样间隔的Max/Min测定来确定的。如果测量信号S(t)变化的易变性更小、即更平滑，通过其生成间隔内的平均值的采样的数量n就将也可能被调节至比10更小的值。对于易变性更高的信号而言，通过其生成间隔内的平均值的采样的数量n又将可能被调节至比10更大的值。

由连续间隔的平均值生成滑动平均值。该滑动平均值是通过平滑曲线X _G 来表明的。

在间隔I₀和I₅之间，信号变化曲线S(t)略微上升，所述滑动平均值同样如此。电机的温度缓慢升高，这是通过在每个采样间隔内的测量值和滑动平均值的缓慢上升看出来的。但测量信号S(t)仍然处于阈值L以下。

在间隔I₆内，测量信号S(t)快速上升，超过了阈值L。这样快速的上升对于电机过热而言并不典型，也就是说，电阻测量值的这种快速上升是由于断线或者是其他传感器故障。但仅仅借助传感器信号S(t)，所述热保护系统就只会看出超过了阈值L并且认为是电机过热。但电机根本没有过热，而是存在断线或其他传感器故障，因此，所述热保护系统就将不必要地触发电机保护。

为了对此加以避免，在所述根据本发明的方法中，将这个间隔的分别在上一个间隔内所生成的平均值与由此前的间隔的平均值所生成的滑动平均值进行对比。在间隔I₀至I₅中，每个间隔-平均值Ｘ _i 至X _i+7 与每个滑动平均值之间的差很低。在间隔I₆中，这个D非常高，因为滑动平均值在其升高上是滞后于间隔-平均值的升高的。

因此，借助每个间隔-平均值与此前间隔中的滑动平均值之间的差，就可将由断线所引起的非常快速的电阻升高区别于由于正常的电机变热所引起的缓慢的电阻升高，由此识别出断线。通过每个间隔中的平均值生成，一定程度上就实现了测量信号S(t)的低通过滤，因此，即便受在测量信号S(t)受极大干扰且非常波动的情况下，也不会受误导地通过由干扰所决定的临时的信号峰值而错误地识别出断线。

现观察图2。其示意性且示范性地以框图的形式示出了一种根据本发明的用于实施上述根据本发明的方法的设备100。所述设备包括Ａ/D转换和采样装置(ADC采样)10，其在输入侧被加载所述温度感应器的测量信号S(t)。ADC采样装置10在输出侧通过信号技术与低通滤波器40相连接。低通滤波器40被设置为用于关于每个采样间隔内的采样的数量n生成在这个采样间隔内的离散平均值X _i 。

易变性估计装置90识别并且借助其易变性识别部分20来估计测量信号S(t)的易变性。其通过其适配装置30引起低通滤波器40与测量信号S(t)的易变性相适配。其中，易变性估计装置90在与其易变性识别部分20连同其所述适配装置30的共同作用下，被设置为用于一个采样间隔内的采样值的MIN/MAX测定，并且用于在易变性高的情况下提高采样值的数量n以及用于在易变性低的情况下减小采样值的数量n。

在平均值生成装置50中，由连续、离散的平均值X _i 、X _i+1 、X _i+i 的数量生成测量信号S(t)的滑动平均值。

对比和估计装置80在其对比部分60内将测量信号与其滑动平均值进行对比并且在其估计部分70内借助对比的结果识别故障状态。其中，所述对比和估计装置被设计为用于算出最后所识别的离散平均值X _i+i 与滑动平均值X _G 之间的差D，并且用于在当差D超过可预先给定的阈值L时识别所述热保护系统内的故障状态。

所述设备100被实施为具有微处理器的电子电路。其中，各个功能块被实施为要么是硬件电路，要么是固件，要么是所述微处理器在软件上的运行程序的组成部分。

Claims (9)

1.一种用于借助温度感应器来识别热保护系统内的故障状态的方法，包括以下步骤：

a)识别所述温度感应器的测量信号S(t)的随着时间的变化；

b)借助低通滤波器(40)过滤所述温度感应器的测量信号；

c)算出所述测量信号S(t)的易变性并且使所述低通滤波器(40)适配到所述测量信号S(t)的易变性；

d)算出所述温度感应器的测量信号S(t)的滑动平均值X _G ；

e)将所述测量信号S(t)与其滑动平均值X _G 进行对比，并且根据对比的结果，来识别故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述温度感应器的测量信号S(t)进行采样，其中，在具有可预先给定的采样时间(T)的采样间隔内采样的数量n要根据所述测量信号S(t)的易变性来进行适配。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，求得所述易变性V，作为采样间隔内的采样值的MIN/MAX测定的结果，并且，所述采样值的数量n在易变性V高的情况下被提高并且在易变性低的情况下被降低。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在每个采样间隔中，关于在这个采样间隔中采样的数量n生成离散的平均值X _i 。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由连续的离散平均值(X _i ，X _i+1 ，...X _i+j )的数量生成所述滑动平均值(X _G )，并且，生成最后所识别的离散平均值(X _i+j )与所述滑动平均值(X _G )之间的差(D)，并且，当这个差(D)超过可预先给定的阈值(L)时，识别并显示所述热保护系统内的故障状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述故障状态是在通向所述温度感应器的引线上的断线。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述温度感应器的类型是热敏电阻。

8.一种用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的设备(100)，所述设备包括以下功能组件：

-A/D转换和采样装置(10)，其在输入侧被加载有所述温度感应器的测量信号S(t)；

-低通滤波器(40)；

-易变性估计装置(90)，用于使得所述低通滤波器与所述测量信号的易变性相适配；

-平均值生成装置(50)，用于生成所述测量信号S(t)的滑动平均值；

-对比和估计装置(80)，用于将所述测量信号S(t)与其滑动平均值(X _G )相对比以及用于借助对比结果识别故障状态。

9.根据权利要求8所述的设备(100)，其特征在于，

-所述低通滤波器(40)被设置为用于生成在每个采样间隔内与该采样间隔内采样的数量n相关的离散平均值X _i ；以及，

-所述易变性估计装置(90)被设置为用于采样间隔内的采样值的MIN/MAX测定，并且用于在易变性V较高的情况下提高所述采样值的数量n以及用于在易变性较低的情况下减小所述采样值的数量n；以及，

-所述平均值生成装置(50)被设计为用于由连续的离散平均值X _i ，X _i+1 ，X _i+j 的数量生成滑动平均值；以及，

-所述对比和估计装置(80)被设计为用于算出最后所识别的离散平均值X _i+j 与所述滑动平均值X _G 之间的差D，并且用于当所述差D超过可预先给定的阈值L时，识别出所述热保护系统内的故障状态。