CN113939888A - 预测初级继电器故障的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测初级继电器(100)的故障的方法(200)，该初级继电器具有用于切换负载电路(103)的负载触点(102)的开关(101)和用于致动(105)开关(101)的激励线圈(104)，方法(200)包括以下步骤：激励(201)激励线圈(104)以接通(105)负载触点(102)；当接通(105)负载触点(102)时，检测(202)负载触点(102)处的触点电压(107)的时间特性；从触点电压(107)的时间特性中提取(203)特性特征；以及在初级继电器(100)的操作期间监测(204)特性特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测初级继电器故障的方法和一种监测初级继电器的装置。
背景技术
初级继电器的可靠性根据DIN EN 61810-2-1使用实验室测试进行评估。关键数字是10％的测试继电器发生故障时的开关周期数(“B10值”)。这些测试通常针对三个标准负载(交流和直流)进行。由于不知道操作员在哪个负载下使用继电器，因此假定最小的特定“B10值”。根据要求，客户通常会直接收到特定的“B10值”。借助此“B10值”，无法预测特定继电器或特定应用的故障。继电器的操作员可以根据开关周期数确定自己的方向，并提前更换所有继电器。这意味着不必要地浪费许多开关周期，且早期故障继续发生。
发明内容
本发明的目的是更好地预测初级继电器的故障。特别地，本发明的目的是创建一种技术，利用该技术可以及时检测初级继电器的故障，从而操作员可以启动必要的措施，例如更换相关的继电器。
该目的通过具有根据独立权利要求的特征的目的来实现。本发明的有利实施方式为从属权利要求、说明书及附图的技术方案。
本发明基于在接通负载触点时记录触点电压降并监测该信号曲线中的特性特征的想法。触点电压噪声或触点电压噪声的噪声长度已被证明对于这样的特性特征是有利的。
如本申请中所述，继电器或初级继电器是电磁操作的远程操作开关，由电流操作并且通常具有两个开关位置。继电器通过控制电路激活，并可以切换其他电路。
根据第一方面，上述目的通过一种用于预测初级继电器故障的方法来实现，该初级继电器具有用于切换负载电路的负载触点的开关和用于致动该开关的激励线圈，该方法包括以下步骤：激励激励线圈以接通负载触点；检测负载触点接通时负载触点的触点电压的时间特性；从触点电压的时间特性中提取特性特征；和监测特性特征。
这具有可以更好地预测初级继电器故障的技术优势。负载触点处的触点电压是预测初级继电器故障的良好指标。
借助特性特征，可以在初级继电器的操作期间监测初级继电器。噪声长度可能突然急剧增加，也就是说其出现在例如大于1000到10000个开关周期的时间段内，从而可以预期即将发生故障。因此，在整个操作过程中应检查触点电压。然而，每N个开关周期(SSp)的周期测量或N个开关周期的平均值对检测而言是足够的。预测故障在这里可以用二进制来理解，即噪声导致故障；无噪声不会导致与噪声相关的故障。
因此，该方法为中继操作员提供了合适的技术，利用该技术可以及时识别初级继电器的故障，以便及时启动必要的措施，例如更换相关的继电器。
开关周期是电气开关的开关状态回到起始位置的完全改变：从关位置到开再到关，或从开到关再到开。
故障是指开关触点由于触点磨损而不能可靠连接或断开。
在该方法的有利实施例中，特性特征包括在初级继电器的接通过程期间负载触点处的触点电压噪声。
负载触点处的触点电压噪声是推断故障即将发生的合适参考量。预测故障在这里可以用二进制来理解，即噪声意味着故障；无噪声意味着没有与噪声相关的故障。
在该方法的有利实施例中，提取触点电压噪声包括确定检测到的触点电压特性与预定参考曲线的偏差。
这具有可以简单有效地确定触点电压噪声特性的技术优势。触点电压噪声的幅度相对于参考曲线的幅度的偏差，或者有效地评估噪声的二次或以其他方式加权的偏差在这里可以用作例如偏差。
在该方法的有利实施例中，参考曲线表示新制造的初级继电器的负载触点处的触点电压的时间特性。
这样做的技术优势是，参考值与全新继电器的原始电压曲线相关(当该继电器接通时)，并且可以有效地确定与该原始曲线的偏差。
在该方法的有利实施例中，参考曲线示出从初始电压到结束电压的单调下降电压特性。
这具有技术优势，参考曲线表示从负载电路“断开”到负载电路“接通”的理想切换过程，即全新继电器的切换过程。该参考曲线对应于在拐角处变平的阶跃函数，变平是由于非理想开关元件的开关容量和电感。
在该方法的一个有利实施例中，该方法还包括：在初级继电器的操作期间监测触点电压噪声的幅度。
这具有技术优势，即可以针对可能的即将发生的故障有效地监测继电器。通过触点电压噪声的幅度，可以对即将发生的继电器故障做出适当的说明。
在该方法的一个有利实施例中，该方法还包括：在初级继电器的操作期间监测跨负载触点的触点电压噪声的噪声长度。
这具有技术优势，即可以针对可能的即将发生的故障有效地监测继电器。通过触点电压噪声的噪声长度或持续时间，可以对继电器即将发生的故障做出适当的说明。
在该方法的一个有利实施例中，该方法还包括：监测一段时间内，跨负载触点的触点电压噪声对应于初级继电器的开关周期的数目的变化。
这具有技术优势，即可以针对可能的即将发生的故障有效地监测继电器。通过监测触点电压噪声随时间的变化，可以对继电器可能发生的故障做出适当的说明。
在该方法的有利实施例中，该方法还包括：基于在预定数目的开关周期上平均的噪声长度来确定对初级继电器的故障的预测。
这具有技术优势，即不必检查每个开关周期以检测即将发生的故障。相反，每N个开关周期的周期测量或N个开关周期的平均就足够了。这减少了该方法的计算工作量和监测工作量。
在该方法的一个有利实施例中，该方法还包括：当超过平均噪声长度的预定极限值时输出警告。
这具有技术优势，即可以以简单的方式给出继电器即将发生故障的可靠指示器，并且警告通知，例如警报信号，将继电器操作者的注意力吸引到继电器应该被取代的事实上。
根据第二方面，上述目的通过一种用于监测初级继电器的装置来解决，该装置具有用于切换负载电路的负载触点的开关和用于致动该开关的激励线圈，该装置包括：控制器，适于激励激励线圈以接通负载触点；检测装置，用于检测控制器在接通负载触点时负载触点处的触点电压的时间特性；从触点电压的时间特性中提取特征的评价装置；以及监测装置，用于监测初级继电器在开关周期数目上的特性特征。
这具有技术优势，即可以使用这种装置有效地监测初级继电器，并且可以更好地预测初级继电器的故障。如上所述，负载触点处的触点电压是初级继电器即将发生故障的良好指标。
借助该特性特征，监测装置可以在初级继电器运行过程中对初级继电器进行监测。噪声长度可能突然急剧增加，也就是说其发生在例如大于1000到10000个开关周期的时间段内，从而可以预期即将发生故障。因此，在整个操作过程中应检查触点电压。然而，每N个开关周期(SSp)的周期测量或N个开关周期的平均值对于检测而言是足够的。预测故障在这里可以用二进制来理解，即噪声导致故障；无噪声不会导致与噪声相关的故障。
因此，监测装置为继电器操作员提供合适的技术，利用该技术可以及时识别初级继电器的故障，以便及时启动必要的措施，例如更换相关继电器。
在该装置的有利实施例中，特性特征包括在初级继电器的接通过程期间负载触点处的触点电压噪声。
负载触点处的触点电压噪声是一个合适的参考变量，用于推断继电器可能即将发生故障。预测故障在这里可以用二进制来理解，即噪声意味着故障；无噪声意味着没有与噪声相关的故障。
在该装置的有利实施例中，检测装置适于在由控制器激励激励线圈之后的大约20ms至50ms的信号持续时间内记录负载触点处的触点电压的时间特性。
这具有技术优势，即检测装置可以以合适的方式记录负载触点处从断开的继电器触点到闭合的继电器触点的电压跃迁，从而可以记录并评估发生变化过程的相关时间。根据继电器类型，这是一个大约20到50毫秒的信号持续时间。当然，也可以记录更长的时间。
在该装置的有利实施例中，评估装置适于确定在初级继电器操作期间触点电压噪声的噪声长度；并且监测装置适于基于在预定数目的开关周期上平均的噪声长度来确定对初级继电器的故障的预测。
这具有技术优势，它可以快速识别，如果噪声长度突然急剧增加，则表明即将发生故障。
附图说明
以下，参考附图，描述其他例示实施方式。附图中：
图1是具有转换触点的初级继电器100的电路图。
图2是根据实施例的用于预测初级继电器100的故障的方法200的示意图。
图3是在初级继电器100的使用寿命的开始301和结束302时初级继电器100的负载触点处的触点噪声300的示例性时间特性图。
图4是在初级继电器100的使用寿命期间触点噪声长度400的示例性特性图。
图5是根据实施例的用于监测初级继电器100的装置500的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过说明的方式示出了可以在其中实践本发明的特定实施例。不言而喻，也可以使用其他实施例并且可以在不偏离本发明的概念的情况下进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为限制意义。此外，不言而喻，除非另外特别说明，否则本文描述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合。
参考附图描述了这些方面和实施例，其中相同的附图标记通常指代相同的元件。
本文描述了装置并描述了方法。不言而喻，装置的基本特性也适用于该方法，反之亦然。因此，为简洁起见，无需对此类属性进行重复描述。
图1示出了具有转换触点或负载触点102的初级继电器100的电路图表示。初级继电器100包括用于切换负载电路103的负载触点102的开关101和用于接通105开关101的激励线圈104。例如，可以通过向线圈104的两个触点106施加电压来激励或激活激励线圈104。然后产生磁场，通过该磁场在开关101上施加力，使得负载触点102被切换并且因此负载电路103被接通。例如，可以通过锚(未示出)施加力。如果线圈104的两个触点106的电压被切断或去激活，则开关101返回其起始位置(如图1所示)并且负载触点102被切断，负载电路103也是如此。当接通时，负载触点102处的触点电压107降低，即它从开路电压变为朝向零的短路电压。触点电压107的准确跃迁是本申请的主题并且在以下部分中更详细地描述。
例如，初级继电器100可以设计为机械继电器。机械继电器大多是利用电磁铁的原理工作的。激励线圈中的电流通过铁磁芯和一个可移动安装至铁磁芯的铁磁电枢产生磁通量。在空气间隙处对电枢施加力，使其切换一个或多个触点。一旦线圈不再受激，电枢就会通过弹簧力返回其原始位置。
图2示出了根据实施例的用于预测初级继电器100的故障的方法200的示意图。初级继电器是例如图1中描述的初级继电器100。即，它包括用于切换负载电路103的负载触点102的开关101和用于接通105开关101的激励线圈104。
方法200包括以下步骤：激励201激励线圈104以接通105负载触点102；当接通105负载触点102时，检测202负载触点102处的触点电压107的时间特性；从触点电压107的时间特性中提取203特性特征；以及监测204初级继电器100随开关周期数目的特性特征。
特性特征可以包括例如在初级继电器100的接通105过程期间负载触点102处的触点电压噪声，例如触点电压噪声300，如图3所示。
在一个实施例中，提取触点电压噪声可以包括确定记录的触点电压特性302与预定参考曲线301的偏差，例如如图3所示。参考曲线301可以指示新制造的初级继电器100的负载电路103处的触点电压107的时间进程。例如，参考曲线301可以表示从负载电路103的初始电压U1或开路电压到负载电路103的结束电压U0或短路电压的单调下降电压特性。
在一个实施例中，方法200可以包括监测初级继电器100随开关周期数目的的触点电压噪声的幅度。
在一个实施例中，方法200可以包括在初级继电器100的操作期间监测跨负载触点102的触点电压噪声的噪声长度或噪声持续时间，例如，如图4所示的噪声长度400。
在一个实施例中，方法200可以包括在初级继电器100的操作期间监测跨负载触点102的触点电压噪声随时间的变化。如果触点电压噪声发生变化，即变得更强，则可以预期即将发生故障。监测这种变化是能够预测准确故障概率的合适措施。
在一个实施例中，方法200可以包括以下步骤：确定操作期间触点电压噪声的噪声长度(例如参见对应的图4)；以及基于在预定数目的开关周期上平均的噪声长度来确定初级继电器100的故障预测。如果在开关周期上平均噪声长度，即如果对每个开关周期记录的噪声长度进行平均，则可以记录噪声的变化并且可以进行故障预测。
在一个实施例中，预定数目的开关周期可以包括预定数目的连续接通105过程。或者，可以使用每第n个开关周期，例如n＝2,3,4,5,10,20,30,40,50,100,200,300,400,500,1000,2000,5000,10000，等等。
在一个实施例中，方法200可以包括当超过平均噪声长度的预定极限值时输出警告。例如，可以显示警报信号，例如红色LED表示即将发生故障，或绿色LED表示非关键状态。
下面描述用于预测初级继电器100的故障的方法200的另一示例性实施例。在该示例性实施例中，预测故障是基于“触点电压噪声”，即在接通过程期间负载触点102处的电压噪声。
为了识别该特征，在闭合过程中初级继电器100的跨负载触点102的触点电压降被记录，例如对应于线圈104已经接通之后的20到50毫秒的信号持续时间，其取决于继电器类型。
使用新的(继电器)触点，从高触点电压(触点断开)到接近0V的低触点电压(触点闭合)的跃迁很快，即没有噪声。当触点用完时，这种跃迁会发生变化：电压进行几次跳跃，即信号在保持接近0V的电压之前是有噪声的，如图3中更详细地显示。
噪声长度(即从线圈104接通后第一次触点电压变化的时刻到它最终保持接近0V时的持续时间)是指示即将发生故障的特性。图4显示了继电器使用寿命期间直至发生故障的噪声长度的典型特征。由于曲线的急剧上升，这是可以预测的。
为了根据此特性预测故障，必须为每个第n个开关周期(例如n＝100)确定噪声长度。确定方法与应用无关。已经证明将几个连续接通过程的电压信号平均然后确定噪声长度是可行的。
如果(平均)噪声长度超过先前在实验室测试中确定的极限值，则这是即将发生故障的信号。
除了限制值外，不需要保存任何值。
图3示出了在初级继电器100的寿命开始301和结束302时在初级继电器100的负载触点处的触点噪声300的示例性时间进程。曲线301表示新继电器的负载触点处的触点电压的电压跃迁，即继电器100寿命开始时的记录。曲线302代表较旧或老化的继电器的负载触点处的触点电压的电压跃迁，即继电器100的寿命开始时的记录。如前所述，寿命表示继电器已执行的开关周期或开关操作的次数。
曲线301近似为具有斜边的阶跃函数并且表示在负载电路的负载触点处从开路电压U1到短路电压U0的跃迁。这里负载触点仍然是平坦的，并且没有出现由于几个开关周期的磨损引起的任何裂纹或断裂，因此这里的电压从开路电压U1快速变化到短路电压U0。曲线301单调下降。从U1到U0的跃迁在这里大约需要一到两毫秒。
在曲线302的情况下，由于叠加在电压跃迁上的强噪声，阶梯的过程几乎不再被识别。从U1到U0的跃迁是不连续的，并伴随着大量的复位或噪声发生，这表明继电器的老化过程。即使在接通继电器约10毫秒后，仍有两次几乎达到输出电压U1的复位。
图4示出了在初级继电器100的使用寿命期间触点噪声长度400的示例性曲线。使用寿命以开关周期数(SSp)表示。在每种情况下测量负载触点102上的触点电压从U1传递到U0需要多长时间，以及相对于开关周期数绘制的相应值。例如，可以测量触点电压在触点电压的端值U0附近接近预定极限值需要多长时间。
从一定数目的开关周期开始(每种类型的继电器都可能不同)，噪声长度可能会突然增加，因此继电器很快就会发生故障。在图4中的初级继电器的情况下，这发生在大约100,000个开关周期的值处。达到此值，噪声长度低于0.001；此后，噪声长度从大约130,000次开关周期开始增加并迅速上升，因此预计继电器即将发生故障。例如，如果触点噪声的持续时间超过例如0.001的第一限制，则可以给出警告。例如，如果触点噪声的持续时间超过例如0.006的第二限制，则可以显示第二警告或警报。当然，可以设置指示更多状态的更多限制。
图5示出了根据实施例的用于监测初级继电器100的装置500的示意图。初级继电器是例如图1中描述的初级继电器100。即，它包括用于切换负载电路103的负载触点102的开关101和用于致动105开关101的激励线圈104。
装置500包括控制器501，其适于激励505激励线圈104以便接通105负载触点102。或者，控制器501可以检测线圈104的激励(例如当激励由外部装置执行时)。
装置500包括检测装置502，用于在控制器501接通105负载触点102时检测506负载触点102处的触点电压107的时间特性。
装置500包括评估装置503，用于从触点电压107的时间特性中提取507特性特征510，例如如以上针对根据图2的方法200所述。
装置500还包括用于在初级继电器100的操作期间监测508特性特征510的监测装置504。
特性特征510可以包括在初级继电器100的接通105过程期间负载触点102处的触点电压噪声，例如如图3所示的触点电压噪声300。
在装置500的一个实施例中，检测装置502可以被设计成在激励线圈104被控制器501激励510之后的大约20ms到50ms的信号持续时间内记录506负载触点102处的触点电压107的时间特性。
在装置500的一个示例性实施例中，评估装置503可以被设计为在操作期间确定触点电压噪声的噪声长度(例如，根据图4中的图示)。监测装置504可以被设计为基于在预定数目的开关周期上平均的噪声长度来确定初级继电器100的故障预测。
例如，检测装置502可以被实现为其中记录了各个触点电压特性的存储器。评估装置503和监测装置504可以被实施为处理器或控制器，例如与处理器或芯片上的控制器501一起实施。或者，该控制可以与评估装置503和监测装置504分开实施。例如，控制器501可以是电子控制器，其中安装有继电器，并且检测装置502、评估装置503和监测装置504耦合到控制器501，以监测继电器或预测继电器故障。
控制器501可以通过通信方式连接到检测装置502、评估装置503和监测装置504，以控制这些装置。可以在实验室测试期间使用监测装置500，以便对某些继电器类型的故障概率做出说明。或者，监测装置500也可用于现场，记录继电器工作时负载触点处的触点电压特性，以便现场监测继电器。在即将发生故障的情况下，可以向服务人员发送警告，以便启动交换。
Claims (15)
1.一种预测初级继电器(100)故障的方法，所述初级继电器(100)具有用于切换负载电路(103)的负载触点(102)的开关(101)，以及用于致动(105)所述开关(101)的激励线圈(104)，其特征在于，所述方法(200)包括以下步骤：
激励(201)所述激励线圈(104)以接通(105)所述负载触点(102)；
当接通(105)所述负载触点(102)时，检测(202)所述负载触点(102)处的触点电压(107)的时间特性；
从所述触点电压(107)的所述时间特性中提取(203)特性特征；和
在所述初级继电器(100)的操作期间监测(204)所述特性特征。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，
所述特性特征包括在所述初级继电器(100)的所述接通(105)过程期间所述负载触点(102)处的触点电压噪声(300)。
3.根据权利要求2所述的方法(200)，其特征在于，
提取所述触点电压噪声(300)包括确定检测到的所述触点电压特性(302)与预定的参考曲线(301)的偏差。
4.根据权利要求3所述的方法(200)，其特征在于，
所述参考曲线(301)表示新制造的初级继电器(100)的所述负载触点(103)处的所述触点电压(107)的所述时间特性。
5.根据权利要求3或4所述的方法(200)，其特征在于，
所述参考曲线(301)表示从初始电压(U1)到结束电压(U0)的单调下降电压特性。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法(200)，其特征在于，包括：
在所述初级继电器(100)的操作期间监测所述触点电压噪声(300)的幅度。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法(200)，其特征在于，包括：
在所述初级继电器(100)的操作期间监测跨所述负载触点(102)的所述触点电压噪声(300)的噪声长度(400)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法(200)，其特征在于，包括：
监测一段时间内，跨所述负载触点(102)的所述触点电压噪声(300)对应于所述初级继电器(100)的开关周期数目的变化。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法(200)，其特征在于，包括：
基于在预定数目的开关周期上的平均噪声长度来确定对所述初级继电器(100)的故障的预测。
10.根据权利要求9所述的方法(200)，其特征在于，包括：
当超过所述平均噪声长度的预定限值时输出警告。
11.一种监测初级继电器(100)的装置(500)，所述初级继电器(100)具有用于切换负载电路(103)的负载触点(102)的开关(101)，以及用于致动(105)开关(101)的激励线圈(104)，其特征在于，所述装置(500)包括：
控制器(501)，用于激励(505)所述激励线圈(104)以接通(105)所述负载触点(102)；
检测装置(502)，用于在所述控制器(501)接通(105)所述负载触点(102)时检测(506)所述负载触点(102)处的触点电压(107)的时间特性；
评估装置(503)，用于从所述触点电压(107)的所述时间特性中提取(507)特性特征(510)；和
监测装置(504)，用于在所述初级继电器(100)的操作期间监测(508)所述特性特征(510)。
12.根据权利要求11所述的装置(500)，其特征在于，
所述特性特征(510)包括在所述初级继电器(100)的所述接通(105)过程期间所述负载触点(102)处的触点电压噪声(300)。
13.根据权利要求12所述的装置(500)，其特征在于，
所述检测装置(502)适于记录(506)在所述控制器(501)激励(510)所述激励线圈(104)后的约20ms到50ms的信号持续时间内所述负载触点(102)处的所述触点电压(107)的所述时间特性。
14.根据权利要求12或13所述的装置(500)，其特征在于，
所述评估装置(503)适于在所述初级继电器(100)的操作期间确定所述触点电压噪声(300)的噪声长度(400)。
15.根据权利要求12至14任一项所述的装置(500)，其特征在于，
所述监测装置(504)适于基于所述触点电压噪声(300)在预定数目的开关周期上的平均噪声长度来确定对所述初级继电器(100)的故障的预测。
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