CN112867871A - 用于螺线管阀的诊断方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于诊断螺线管阀的故障的诊断方法，包括：a)检测由可移动磁心的接合生成的螺线管电流的第一电流峰值(IPEAK)；b)验证螺线管电流的波形在第一电流峰值之后并且在达到对应于该螺线管内的可移动磁心的冲程的末端的最小电流值(IVALLEY)之前是否具有拐点和/或其他相对最小点(m)和最大点(M)。

Description

用于螺线管阀的诊断方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于螺线管阀的诊断设备。
背景技术
如图1的示例中所示，螺线管阀1或电磁阀典型地包括电磁体10和阀体12，其中，形成有一个或更多个孔。
电磁体10包括螺线管102，由铁磁材料制成的可移动磁心104位于螺线管102中并且能够在螺线管102中滑动。当螺线管通电或停用时，通过由螺线管阀拦截的流体(例如，压缩空气)的孔的流量，被可移动磁心104的移动阻挡或允许。
当螺线管102被供电时，可移动磁心104直接打开常闭(NC)阀的孔或关闭常开(NO)阀的孔。当螺线管被停用时，弹簧106使磁心返回到自身的原始位置。
阀在从0巴到最大压力额定值的压力范围内运行。打开阀所需的力与孔的截面和流体的压力成比例。
在用于工业自动化的气动学领域中，气动组件的性能越来越高并且性能必须随时间得到保证。在一些应用中，一旦性能下降，气动组件就需要更换。
具体地，越来越需要监测螺线管阀的行为以检测可能的故障或其性能的显著降低。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种诊断设备来满足这种需要，该诊断设备能够监测螺线管阀的性能以检测例如，由于故障或由于磨损引起的退化与其预期值的偏差。
本发明的另一个目的是提出一种适合于在螺线管阀上直接实施的诊断设备，该诊断设备在可能时还作为有待应用于现有螺线管阀的附件。
通过根据权利要求1的诊断方法、根据权利要求6的诊断设备以及根据权利要求13的螺线管阀，来实现本发明的这些目的和优点以及其他目的和优点。从属权利要求描述了本发明的优选实施例。
附图说明
根据本发明的设备和诊断方法的其他特征和优点仍然可以参考附图从以下通过指示性和非限制性示例的方式对优选实施例的描述中得出，其中：
-图1是根据现有技术的螺线管阀的截面视图；
-图2是装备有根据本发明的诊断设备的螺线管阀的截面视图；
-图3是表示螺线管电流的典型波形的曲线图；
-图4和图4a表示在可移动磁心与螺线管之间存在摩擦力的情况下，螺线管电流的波形的两个曲线图；
-图5是一个实施例中的诊断算法的流程图；
-图6是螺线管电流的波形的峰值电流的检测电路的电路图。
具体实施方式
图2示出了装备有根据本发明的诊断设备的螺线管阀1。
螺线管阀1包括电磁体10和阀体12，其中，形成有入口孔14、出口孔16和排出通道18。
入口孔14形成阀座20以与密封阀元件22相关联，该密封阀元件22可在阀座20的关闭位置和打开位置之间移动。
电磁体10包括缠绕在线圈108上的螺线管102和由固定柱塞110形成的磁路，该磁路具有例如部分地穿入线圈108的轴向套筒的部分以及也部分地穿入套筒中的可移动磁心104。
阀元件22可以被构造为可移动磁心104的一体部分或者被构造为单独的元件。在一些实施例中，密封阀元件22具有圆柱形底部，该圆柱形底部具有面向可移动磁心的梳齿。
如果阀元件被制成单独的元件—如在图2中的示例中—放置在自身圆柱形底部下方的弹簧22’，则弹簧22’具有随着可移动磁心104的位置改变而将阀元件推向可移动磁心104的任务。
螺线管102具有连接至电源和控制电路板120的一对电端子，电源和控制电路板120在与电磁体10成一体的保护壳体122中。进而，电源和控制电路板120设置有适于连接至电源连接器的电源端子124。
根据本发明的一个方面，诊断设备包括在电源和控制电路板120上实施的电气诊断电路30。
在上述类型的直流阀中，用恒定电源电压(例如，24V、12V或5V)供电，一旦螺线管102被通电，螺线管中的电流就增加，从而引起磁场的扩展，直到磁场变得足够升高以移动可移动磁心104。随着磁心的磁质量逐渐移动到磁场的内部，可移动磁心104的移动增加了磁场的集中。
在与生成磁场的电流相同的方向上变化的磁场在螺线管线圈中感应出相反符号的电压。由于磁场随着可移动磁心移动到冲程末端位置而迅速膨胀，因此这种磁场致使流经该螺线管的绕组的电流短暂减小。在可移动磁心已达到其冲程末端之后，电流再次开始增加，直到电流达到自身最大水平。螺线管电流IS的典型波形在图3中示出。
只要没有电源电压施加于螺线管，螺线管电流就为零。
当螺线管被供电时，螺线管电流IS首先增加，直到在时间T1处达到峰值IPEAK，如上所述，该峰值对应于可移动磁心的接合，即，可移动磁心的冲程的开始朝向固定柱塞。然后，螺线管电流减小直到其在时刻T2处达到最小值IVALLEY，该最小值IVALLEY对应于可移动磁心抵靠固定柱塞的邻接。此时，螺线管电流再次开始增加，直到电流达到自身最大值。
螺线管阀的螺线管的简化方程可以表示如下：
Figure BDA0002953655230000031
其中，V是施加到螺线管的电压，R是螺线管的电阻，Φ表示随着电流和可移动的机械部件(可移动磁心和固定磁心、或柱塞)的位置(x)的磁通量的变化。
方程的第一项与电阻的变化相关，并且第二项表示感应电压。
螺线管电感取决于可移动部件的位置，因为螺线管的磁阻取决于电磁部件的位置并且因此取决于磁场本身的重新闭合。
根据以下公式，线圈中的通量Φ取决于经过线圈的电流和铁质部件的距离：
Figure BDA0002953655230000041
Φ＝Li，上述关系变为：
Figure BDA0002953655230000042
第三加数表示由铁质部件的移动感应的反电动势。
这种关系清楚地表明，螺线管阀的磁通量以及由此吸引力取决于螺线管的电阻R和电感L的值。
此外，已知的是，螺线管的电阻R由以下关系给出：
R＝ρ*1/S
其中，ρ是材料的平均电阻率，l是电线的长度，S是截面。
ρ和S可以被假定为常数，而长度l经受热膨胀，因此这可以表示：
Figure BDA0002953655230000043
其中，T0是在20°时的温度，σ是材料依赖性的热系数。
现在返回至螺线管电流的波形，可以观察到这种波形基本上与温度无关。
另一方面，已经发现螺线管电流的波形，并且特别是螺线管激励与暂时下降之前的峰值电流IPEAK之间的时间间隔T1，取决于入口孔中流体的压力和/或螺线管阀的磨损，这例如反映在密封阀元件的变形、弹簧力的损失、摩擦力中。
在一个实施例中，通过使用电流采样电路以预定时间间隔对波形进行采样，来获得螺线管电流值。
在一个有利的实施例中，诊断电路30被实施在已经设置在螺线管阀上的同一电源和控制电路板120中，该诊断电路必须在体积方面并且因此在电子组件的大小和数量方面被优化。例如，诊断电路30包括微控制器32，该微控制器32的计算能力和存储器被选择成使得它们可以安装在电源和控制电路板120上而不影响电源和控制电路板120的尺寸。
因此，通过将传统的电源和控制电路板简单地替换为具有与前者相同尺寸的电源、控制和诊断电路板，甚至现有的螺线管阀也可以装备有诊断设备。
为此目的，在一个实施例中，微控制器32将由采样电路接收的采样电流的每个值与采样电流的先前值进行比较，并且仅在比较的结果揭示达到峰值电流或达到最小电流时将采样值存储在存储器中。
为了检测时刻T1，在一个实施例中，诊断设备包括模拟峰值检测电路40，如图6所示。在该电路中，由分流电阻器RSHUNT(反相输入)检测到的螺线管电流和被施加由RC网络(非反相输入)给出的延迟的螺线管电流被馈送到具有比较器功能的运算放大器42的输入端子。以此方式，该电路能够检测螺线管电流达到峰值IPEAK的时刻T1。
从随着时间的螺线管电流波形的分析中注意到，螺线管阀的一些明显的故障或失效之前，在电流波形的下降区段中，在峰值(IPEAK)与绝对最小值(IVALLEY)之间出现拐点或甚至相对最小点和最大点。因为螺线管电流波形的曲线的这个区段对应于可移动磁心的移动相位，所以这个曲线区段的斜率的这种变化可能是由于螺线管阀的退化，特别是由于可移动磁心与螺线管之间的摩擦力。
根据本发明的一个方面，因此诊断方法基于电流波形曲线在电流峰值(时刻T1)与最小电流值(时刻T2)之间的这个区段的斜率的观察。
如所述并且参见图4和图4a，斜率变化具体是指拐点F(图4)或另一相对最小点(m)和最大点(M)(图4a)的出现，如在附图中圈出的波形部分中。
图5中的流程图示出了用于该实施例的诊断协议的示例。
参见图5中的流程图，借助于峰值电流检测电路(例如，借助于比较器电路)来检测电流峰值IPEAK(步骤400)。
在这类检测(例如通过发送峰值检测中断)之后，该诊断电路(例如借助于接收该中断的微控制器并且借助于该分流器上的电压采样电路)对在螺线管中循环的电流进行采样，并且具体地采用其随时间的变化率K1’(di/dt)(步骤402)。
在一个实施例中，将这种梯度K1’的值与预定值K1进行比较。
如果螺线管中的电流的梯度是负的，这意味着可移动磁心以与梯度本身的值K1’成动态比例地继续其移动。
连续地计算电流随时间的导数(di/dt)，在与出现波形峰值的时间范围连续的时间范围内采样电流。
在一个实施例中，在电流的导数(di/dt)的零值或正值(步骤404)的情况下，对应于这个值(步骤406)的时间值Ta例如由微控制器存储。
继续计算电流随时间的导数(di/dt)，以便确立梯度是否保持负(步骤408)。
在一个实施例中，在这个观察阶段中，这种导数的平均值可以存储在参数K2’中并且与第二参考值K2进行比较。
如果梯度K2’始终保持为正，这意味着波形在先前检测到的时刻Ta处的点是绝对最小点，即，点IVALLEY，因此时刻Ta与时刻T2重合(步骤410)。
在一个实施例中，在电流导数(di/dt)的第二零值或正值(步骤412)的情况下，对应于此值的时间值Tb(步骤414)例如由微控制器存储。
注意的是，时刻Ta、Tb以及梯度K1’和K2’的值针对每个螺线管激活被初始化为零。
在检测到当前峰值之后，同时存在两个非零值Ta和Tb和/或相对于该预定值K1、K2，同时存在检测到的梯度K1’、K2’的绝对值的较低值中的至少一个较低值，指示在该可移动磁心的移动过程中由于摩擦力已经发生了位移动力学的中断。
关于梯度K1’和K2’，具体地，负的但绝对值低于预定值K1、K2的值指示曲线的下降区段的斜率由于可移动磁心的冲程中存在摩擦力而低于预定斜率。
因此，诊断电路生成警报信号(步骤416)。
如上所述，在一个实施例中，诊断设备在螺线管阀的电源和控制电路板120上实施并且适合于使用基于单个诊断电缆125的通信协议与外部控制单元(诸如PLC)通信，除了两个电源电缆124之外，该单个诊断电缆125成为螺线管阀的第三电缆。由此，可以向外部控制单元发送与螺线管阀的退化相关的警报信号。
应注意，根据需要和可用技术，上述诊断电缆可由无线通信系统代替。
另一方面，如果诊断设备没有连接到外部控制单元，则可以给出异常操作状态的可视指示，例如通过以特定频率闪烁LED。
在一个实施例中，将螺线管电流的波形的导数的值K1’、K2’与在螺线管阀从工厂释放期间或释放之后或者在其寿命周期开始时在螺线管阀的测试阶段中计算的导数的对应值K1、K2进行比较，以便检测由螺线管阀的磨损引起的任何显著变化，如上所述。
在变型实施例中，将检测到的波形的导数与在螺线管阀的先前激励中计算的导数的值(或与相对于某一数目的先前激励的平均值)进行比较。
对于根据本发明的螺线管阀诊断设备方法的实施例，为了满足偶然的需要，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以用一些在功能上等同的元件进行修改、适配以及替换。描述为属于可能的实施例的每个特征可以独立于所描述的其他实施例来实现。

Claims (14)

1.一种用于诊断螺线管阀中的故障的诊断方法，其中，所述螺线管阀包括电磁体(10)和阀体(12)，其中，一个或更多个孔(14、16、18)设置成用于加压流体的通道，其中，所述电磁体(10)包括螺线管(102)和磁路，所述螺线管(102)能够由螺线管电流供电，所述磁路包括可移动磁心(104)，所述可移动磁心(104)被放置在所述螺线管中并且能够在所述螺线管中滑动，所述方法包括以下步骤：
a)检测由所述可移动磁心的接合生成的所述螺线管电流的第一电流峰值(IPEAK)；
b)验证所述螺线管电流的波形在所述第一电流峰值之后，并且在达到对应于所述螺线管内的所述可移动磁心的冲程的末端的最小电流值(IVALLEY)之前，是否具有拐点和/或其他相对最小点(m)和最大点(M)。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，如果检测到所述拐点和/或所述其他相对最大点(M)和最小点(m)的存在，则生成警报信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过计算所述电流随时间的导数(di/dt)并且验证所述导数是否在所述波形的所述峰值被验证的时刻之后且在所述螺线管电流达到稳态值之前的时间间隔中的两个时刻(Ta，Tb)中假定为零值或正值，来检测所述拐点和/或所述其他相对最大点(M)和最小点(m)的存在。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
在紧接在前的时间间隔中以及在紧接在所述拐点或相对最小点之后的时间间隔中计算所述电流随时间的导数的平均值；
将所述平均值与对应的预定值进行比较；
如果所述平均值中的至少一个平均值的绝对值小于所述对应的预定值，则生成警报信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于模拟峰值检测电路(40)来检测第一电流峰值，所述模拟峰值检测电路将瞬时螺线管电流的值与施加有预定延迟的所述螺线管电流的值进行比较，或者借助于所述螺线管电流的波形的数字采样电路来检测第一电流峰值。
6.一种用于诊断螺线管阀中的故障的诊断方法，其中，所述螺线管阀包括电磁体(10)和阀体(12)，其中，一个或更多个孔(14、16、18)设置成用于加压流体的通道，其中，所述电磁体(10)包括螺线管(102)和磁路，所述螺线管(102)能够由螺线管电流供电，所述磁路包括可移动磁心(104)，所述可移动磁心(104)被放置在所述螺线管中并且能够在所述螺线管中滑动，诊断设备包括电子诊断电路，所述电子诊断电路具有被配置成实施根据前述权利要求中任一项所述的诊断方法的微控制器。
7.根据前述权利要求所述的设备，其中，诊断电路在适合于安装在所述螺线管阀上的电源和控制电路板上实施。
8.根据权利要求6或7所述的设备，包括通信装置，所述通信装置适于在所述电子诊断电路的所述微控制器与外部控制单元之间实施通信。
9.根据前述权利要求所述的设备，其中，所述通信装置适于将状态信号传输至所述外部控制单元，所述状态信号能够假定表示所述螺线管阀的操作状态的至少两个逻辑电平。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的设备，其中，所述电子诊断电路包括电流采样电路，所述电流采样电路适合于以预定时间间隔对所述波形进行采样。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的设备，其中，所述电子诊断电路包括模拟峰值检测电路(40)，所述模拟峰值检测电路(40)包括具有比较器功能的运算放大器(42)，通过分流电阻器(RSHUNT)检测到的所述螺线管电流被输送至所述运算放大器(42)的反相输入端子，并且所述螺线管电流被报告至所述运算放大器(42)的非反相输入端子，由RC网络给出的延迟被施加至所述螺线管电流。
12.一种螺线管阀，所述螺线管阀包括电磁体(10)和阀体(12)，其中，一个或更多个孔(14、16、18)设置成用于加压流体的通道，其中，所述电磁体(10)包括螺线管(102)和磁路，所述螺线管(102)能够由螺线管电流供电，所述磁路包括可移动磁心(104)，所述可移动磁心(104)被放置在所述螺线管中并且能够在所述螺线管中滑动，所述螺线管阀还包括根据权利要求6-11中任一项所述的诊断设备。
13.根据前述权利要求所述的螺线管阀，包括电源和控制电路板(120)，所述诊断设备在所述电源和控制电路板(120)上实施。
14.根据前述权利要求所述的螺线管阀，其中，所述电源和控制电路板设置有电连接器，所述电连接器具有一对电源端子和可连接至外部控制单元的电诊断端子。
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