CN117388680A - 开关监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关监测装置，用于对继电器的继电器开关触点的开关操作进行监测，该开关监测装置具有以下特征：控制终端，该控制终端用于向所述继电器开关触点施加对该继电器开关触点进行开关操作的控制信号；用于生成激励信号的控制器；以及具有信号输入端和信号输出端的阻抗电路，其中，所述控制器用于将所述激励信号施加至所述信号输入端，该阻抗电路用于将所述激励信号转换成开关监测信号，并通过所述信号输出端输出该开关监测信号，以供施加至所述继电器开关触点，所述控制器还用于检测所述阻抗电路中存在的信号的变化，并且在该信号存在变化时，检测所述继电器开关触点的开关操作。
Description
本申请是申请号为201980035597.4，申请日为2019年5月27日，发明名称为“开关监测装置”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种监测继电器开关触点的开关操作的开关监测装置。
背景技术
在电气自动化中，每一个执行器均可由继电器通断。其中，可能需要对继电器开关触点的实际开关操作进行检测。在此类检测中，往往通过以其他辅助触点通断继电器的方式获得反馈。或者，也可通过实施强制触点控制来防止继电器的错误开关操作。当继电器开关触点例如尤其因焊接的按钮具有瑕疵而发生故障时，可通过强制触点控制，防止其他继电器开关触点的开关操作和/或焊接按钮与其他按钮的连接。强制触点控制和/或借助辅助触点的反馈具有可增继电器制造中的生产成本的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更加有效的开关监测装置，该开关监测装置提供与继电器开关触点的开关状态相关的信息，尤其为基于继电器控制的开关状态。
该目的由独立权利要求的技术特征实现。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。
本发明基于如下认知：上述目的可由一种用于通过信号发生器和连于该信号发生器下游的发送器向继电器开关触点施加开关监测信号，尤其高频辅助能量形式的开关监测信号的开关监测装置实现。所述开关监测信号由所述信号发生器生成，并由所述发送器连入所述继电器的负载电路。该负载电路的阻抗变化，尤其因所述继电器开关触点的开关操作发生的阻抗变化通过所述发送器反馈至所述信号发生器，并且导致所述信号发生器和发送器之间发生可用于检测所述继电器开关触点的开关操作的信号变化。
根据第一方面，本发明涉及一种对继电器的继电器开关触点的开关操作进行监测的开关监测装置。该开关监测装置具有用于生成激励信号的控制器以及用于向所述继电器开关触点施加对该继电器开关触点进行开关操作的控制信号的控制终端。
所述开关监测装置还包括具有信号输入端和信号输出端的阻抗电路，其中，所述控制器用于将所述激励信号施加至所述信号输入端。所述阻抗电路用于将所述激励信号转换成开关监测信号，并通过所述信号输出端输出该开关监测信号，以供施加至所述继电器开关触点。
所述控制器还用于检测所述阻抗电路中存在的信号的变化，并在当该信号存在变化时，检测所述继电器开关触点的开关操作。
在一种实施方式中，所述信号包括所述激励信号和/或开关监测信号。
在一种实施方式中，所述控制器可用于检测存在于所述阻抗电路内的所述激励信号的变化，并在当存在该激励信号的变化时，检测所述继电器开关触点的开关操作。所述控制器可尤其用于检测所述激励信号的变化，而非监测所述开关监测信号的变化。在所述阻抗电路之外，所述控制器可具有用于监测所述开关监测信号的变化的另一信号监测电路。该信号监测电路可用于通过电容式或电感式耦合检测所述开关监测信号的变化。
通过以所述开关监测装置监测所述继电器开关触点，可在当所述控制信号施加至所述继电器时，生成与所述继电器开关触点在该继电器开关触点不导电的第一开关状态与该继电器开关触点导电的第二开关状态之间的转换相关的开关信息。如此，可以确保所述继电器在所述控制信号的控制下通断，并且确保所述继电器开关触点和/或所述继电器的磁体系统相应地没有故障。如此，当所述控制信号施加至所述继电器且所述继电器开关触点无法通断时，可以确定该继电器发生故障。此外，即使当所述开关信号衰落时，仍能对所述继电器的开关操作进行检测。
所述开关监测装置所实现的优点在于，在功能安全方面，尤其根据IEC 61508标准的功能安全方面，能够明晰地检测所述继电器开关触点的开关状态。如此，可以实现更大的诊断覆盖范围。
在一种实施方式中，所述继电器用于发送第一频率范围内的信号以及所述开关监测信号处于第二频率范围内，其中，所述第二频率范围的频率高于所述第一频率范围的频率，所述阻抗电路在所述第一频率范围内的阻抗高于其在所述第二频率范围内的阻抗。
所述阻抗电路可形成针对所述开关监测信号和/或所述激励信号的阻抗低于针对其他频率的电信号的阻抗的频率滤波器，尤其带通滤波器。如此，可以防止和/或衰减来自具有相应功率发射功能的电压源和/或其他信号源的电信号的接入。举例而言，所述第一频率范围可包括0Hz～100Hz的频率，和/或所述第二频率范围可包括10kHz以上的频率，尤其100kHz～500kHz频率范围内的频率。通过使所述第一频率范围内的阻抗更高，可以尤其减小输出侧的电流。相应地，通过在所述第一频率范围内将所述信号输入端耦合至所述信号输出端，可以减小输入侧的电流。
所述阻抗电路可尤其具有由2×2阻抗矩阵形成的双端口。所述信号输出端针对较低频率，如10Hz～100Hz频率范围内的频率，尤其50Hz频率的阻抗可高于其针对较高频率，如100kHz～1MHz频率范围内的频率，尤其500kHz频率的阻抗。例如，所述阻抗可在50Hz频率下为13MΩ，而在500kHz下为3kΩ。如此，所述第一频率范围和第二频率范围之间可实现三至四个数量级的频率依赖性阻抗差。
在一种实施方式中，所述控制器用于生成处于所述第二频率范围内的所述激励信号。如此，所实现的优点在于，由于所述第二频率范围内的阻抗较低，因此所述阻抗电路能够将所述激励信号有效地转换成所述开关监测信号。
在一种实施方式中，所述控制器包括用于监测所述激励信号的变化的测量电路。该测量电路可尤其用于检测所述激励信号的幅度变化，如电压幅度变化和/或电流幅度变化。
所述测量电路还可用于检测所述激励信号的频率的频率偏差。此外，该测量电路可具有模数转换器和/或测量信号放大器，以对测量信号，尤其所述激励信号的电流和/或电压变化进行进一步处理。
在一种实施方式中，所述控制器包括用于生成所述激励信号的信号发生器。该信号发生器可尤其用于生成周期性电压信号形式的所述激励信号。该激励信号可例如具有矩形、锯齿或正弦信号波形。该激励信号的频率可由所述信号发生器设为预设值。此外，所述信号发生器可用于生成具有固定频率值的所述激励信号。
在一种实施方式中，所述测量电路具有连于所述信号发生器和阻抗电路之间的电流传感器，其中，该电流传感器用于检测所述信号发生器和阻抗电路之间的电流，并将其作为电流测量值提供给所述控制器，所述控制器用于根据所述电流测量值，检测所述信号发生器和阻抗电路之间的电流的变化。
所述电流传感器可由能够以测量电压的形式测量所述信号发生器和阻抗电路之间的电流的电阻器，尤其欧姆电阻器形成。所述控制器还可包括用于检测所述测量电压的电压测量装置。
此外，所述控制器可包括电压传感器，该电压传感器用于检测所述激励信号的电压幅度的变化，以检测所述继电器开关触点的开关操作。
在一种实施方式中，所述阻抗电路用于将所述继电器开关触点与所述信号发生器和/或控制器电气隔离。所述继电器开关触点可具有施加于其上的电能。其中，通过所述阻抗电路的电气隔离作用，可以防止所述电能接入所述控制器和/或信号发生器。该电能可尤其大于所述信号发生器施加在所述阻抗电路上的电能。
在一种实施方式中，所述阻抗电路包括具有初级侧线圈和次级侧线圈的变压器，其中，所述次级侧线圈与所述继电器开关触点并联连接，所述初级侧线圈连至所述信号发生器。
所述变压器可尤其用于将所述激励信号转换成所述开关监测信号，其中，根据所述初级侧线圈与次级侧线圈绕组的比，所述开关监测信号的电流幅度和/或电压幅度与所述激励信号的电流幅度和/或电压幅度成比例。所述初级侧线圈和次级侧线圈可以以电磁方式耦合，以使得所述变压器产生的所述开关监测信号变化能够施加至所述激励信号的输入侧。
当所述继电器开关触点处于所述第一开关状态时，所述开关监测信号不具有低阻抗连接，从而使所述次级侧线圈内流过的电流的电流强度可低于所述第二开关状态下的电流强度。
与所述继电器开关触点并联设置的所述电容器可与所述次级侧线圈形成具有预设共振频率的振荡电路。该振荡电路与所述继电器开关触点在所述第二开关状态下的衰减作用可小于其与所述继电器开关触点在所述第一开关状态下的衰减作用。如此，当该振荡电路由所述信号发生器激励时，该振荡电路在所述继电器开关触点处于所述第二开关状态下的振荡幅度可大于该振荡电路在所述继电器开关触点处于所述第一开关状态下的振荡幅度。所述控制器可用于以设于所述信号发生器和信号输入端之间的电阻器检测这一振荡幅度的变化。
在一种实施方式中，所述变压器的初级侧线圈上可设置另一电磁线圈，该电磁线圈用于在所述开关监测信号因所述继电器开关触点的开关操作而发生变化时，检测所述激励信号的变化。所述控制器可用于通过对所述另一电磁线圈的感应信号进行评估而检测所述继电器开关触点的开关操作。所述另一电磁线圈可在所述变压器的铁磁芯上设于所述初级侧线圈之旁。在一种实施方式中，所述另一电磁线圈可至少部分包围所述初级侧线圈，而且尤其可绕于该初级侧线圈之上。
在一种实施方式中，所述阻抗电路具有与所述次级侧线圈串联设置的电容器，其中，该电容器用于形成施加至所述继电器开关触点的交流电压信号的电抗。
所述阻抗电路可尤其以周期性开关监测信号作用于所述继电器开关触点上。在所述第一开关状态下，所述信号输出端的阻抗可由所述电容器测定。在所述第二开关状态下，所述信号输出端的阻抗可小于所述继电器开关触点处于所述第一开关状态下时所述信号输出端的阻抗。流过所述阻抗电路的信号输出端的电流在该信号输出端具有较低阻抗时的电流强度可大于所述信号输出端具有较高阻抗时的电流强度。所述阻抗电路可用于将电流强度的相应变化耦合至所述信号输入端，以使得流经该信号输入端的电流的电流强度随所述输出侧阻抗的减小而增大。
此外，当所述继电器开关触点发生开关操作时，所述开关监测信号的电压幅度可发生变化，其中，当该开关监测信号的电压幅度发生变化时，所述激励信号的电流和/或电压幅度也可发生变化。
所述电容器还可形成由电压源生成且施加至所述继电器开关触点上的交流电压信号的电抗。此外，所述电容器可用于减小所述信号输出端的功率损耗以及/或者可在所述继电器开关触点处于所述第一开关状态下时流过所述信号输出端的漏电流。
所述电容器可用于以无损方式承受可能会发生瞬变的230V交流电压和/或直流电压。
在一种实施方式中，所述电容器可由形式为印刷电路板上导体迹线的平板电容器形成。该电容器的特性可由所述电路板的材料和/或该电路板的厚度决定，以使得两个导体迹线段和/或两个导体表面之间的距离能够实现明确的介电强度。所述电路板材料可尤其为FR4，该FR4由玻璃纤维织物，尤其二/四环氧基质形成。
在一种实施方式中，所述信号输入端为具有第一输入连接点和第二输入连接点的双极输入端，所述信号输出端为具有第一输出连接点和第二输出连接点的双极输出端，所述第一输出连接点和第一输入连接点之间设置第一电容器，所述第二输出连接点和第二输入连接点之间设置第二电容器，以将所述开关监测信号以电容方式耦合至所述继电器开关触点。
在一种实施方式中，所述阻抗电路具有连于所述第一电容器下游的电感，其中，该电感与所述第一电容器在所述第一输出连接点和第一输入连接点之间形成振荡系统。
在一种实施方式中，所述开关监测装置包括第一去耦电容器，第二去耦电容器以及信号监测电路。所述第一去耦电容器可连至所述第一输出连接点，所述第二去耦电容器可连至所述第二输出连接点，各去耦电容器与所述信号监测电路相连，并用于将所述开关监测信号转换成测试信号，并且将该测试信号提供给所述信号监测电路，和/或所述信号监测电路用于检测该测试信号的变化，以及在所述测试信号存在变化时检测所述继电器开关触点的开关操作。
此外，所述第一去耦电容器、第二去耦电容器和/或信号监测电路可集成在所述控制器内。在一种实施方式中，所述阻抗电路可包括所述各去耦电容器。
在一种实施方式中，所述控制器可连至所述控制终端，并用于生成对所述继电器开关触点进行开关操作的控制信号，和/或将所述控制信号施加至所述控制终端。
所述电感可尤其为电磁线圈，该电磁线圈具有与上游电容器的电容匹配的电感，该匹配方式使得所述电磁线圈和电容器在共振频率下具有最小的总阻抗。所述信号发生器可例如用于生成具有所述共振频率的所述激励信号。
在一种实施方式中，所述阻抗电路具有连于所述第二输出连接点下游的另一电感，该另一电感与所述第二电容器在所述第二输出连接点和第二输入连接点之间形成另一振荡系统。
在一种实施方式中，所述阻抗电路用于向所述继电器开关触点施加频率尤其处于10kHz～1MHz范围内的高频辅助能量形式的所述开关监测信号。所述信号发生器所生成的激励信号优选具有100kHz～500kHz的频率，且可尤其为方波时钟信号。所述激励信号的频率可由所述控制器固定和/或预先设定。所述阻抗电路可用于将具有耦合频率的所述激励信号转换成具有该耦合频率的所述开关监测信号。
在一种实施方式中，所述控制器包括开关控制器，该开关控制器用于生成对所述继电器开关触点进行开关操作的所述控制信号，并向所述继电器的磁体系统施加控制信号，以实现所述继电器开关触点的开关。
所述控制器还可用于向所述信号发生器供应电能。所述继电器的启动可与所述信号发生器对所述激励信号的生成相关联，以例如使得所述激励信号可在所述继电器被启动的同时生成，并且所述开关监测信号可施加至所述继电器开关触点。
在一种实施方式中，所述控制器用于向所述信号发生器施加所述控制信号，所述信号发生器用于以所述开关信号生成所述激励信号。如此，所实现的优点在于，用于控制所述继电器的同一电信号还可馈入所述信号发生器。如此，可使得所述信号发生器和/或所述控制器免于使用不同的电源。
在一种实施方式中，所述控制器可用于尤其以分流电阻器检测所述开关信号的电流强度和/或流经所述磁体系统的继电器线圈的电流的电流强度。
所述继电器开关触点的典型接通延时为1ms～50ms，如此，通过以所述启动信号同时启动所述继电器和信号发生器，所述开关监测信号在所述继电器开关触点根据所述启动信号在所述第一开关状态和第二开关状态之间切换之前施加至该继电器开关触点。如此，从所述信号发生器经所述阻抗电路至所述继电器开关触点的信号链路的信号传播时间可短于所述继电器的接通延时。
此外，所述信号发生器可用于在所述控制信号衰落一个尤其大于所述继电器典型断开延时的时间间隔后，继续生成所述激励信号，以检测所述继电器开关触点从所述第二开关状态至所述第一开关状态的切换。
所述开关监测装置可用于将施加至所述控制器的用于控制所述继电器的继电器控制信号施加至所述信号发生器、所述阻抗电路和/或所述继电器的磁体系统，以向相应的部件供电。如此，由于所述信号发生器、阻抗电路和/或控制器可直接由所述继电器控制信号供电，因此无需另外设置电源和/或供电装置。
在一种实施方式中，所述信号发生器用于生成周期性时钟信号形式的所述激励信号，所述控制器用于在当所述信号输出端的阻抗发生变化时，根据所述激励信号的恒定周期，检测该激励信号的生成时间与该激励信号发生变化的时间之间的时间间隔，以检测所述继电器开关触点的开关延时。
所述控制器可尤其用于检测所述激励信号的若干个周期和/或时钟周期，并根据该激励信号的固定频率，检测该激励信号的生成时间与所述继电器开关触点的开关操作发生时间之间的时间间隔。当所述继电器开关触点发生开关操作时，所述输出侧的阻抗可发生变化，而且该变化将导致所述激励信号也发生变化。该激励信号的变化可由所述控制器以传感器检测，以确定所述继电器开关触点的开关操作，以及所述继电器启动时间与所述继电器开关触点开关操作之间的时间间隔的结束。
所述控制器还可用于在所述继电器开关触点发生开关操作前控制所述信号发生器。相应地，所述开关监测信号可在所述继电器开关触点的接通过程和/或该继电器开关触点的断开过程当中施加至该继电器开关触点。所述开关监测信号可优选在所述继电器开关触点处于所述第一开关状态或第二开关状态下时切断。所述开关监测信号可尤其仅在所述继电器开关触点在所述第一开关状态和第二开关状态之间切换的开关时间段内存在。
在一种实施方式中，所述控制器具有控制输出端，所述控制器用于在所述控制输出端提供状态信号，该状态信号在所述继电器开关触点接通后为“已启动”状态信号，以及在所述继电器开关触点断开后为“非启动”状态信号。
如此，所实现的优点在于，可将多个开关监测装置的状态信号汇集于同一中心点，从而以非中心的方式，尤其远离所述多个继电器当中相应的继电器的安装地点的方式，对多个继电器进行开关操作。
所述控制输出端还可以为错误指示触点和/或所述继电器开关触点的镜像。此外，该控制输出端可包括用于发送与所述继电器及该继电器的开关状态相关的信息的模拟和/或数字接口。
在一种实施方式中，所述开关监测装置包括第一衰减元件，所述信号输出端具有设于所述第一衰减元件上游的第一输出连接点，以衰减由所述阻抗电路和/或与所述继电器开关触点连接的电气负载和/或电压源施加至所述继电器开关触点的高频信号。
如此，所实现的优点在于，可以在电磁兼容性方面改善所述开关监测装置的性能。所述各衰减元件可尤其用于衰减所述开关监测信号的信号幅度，以减少所述开关监测信号在所述开关监测装置和/或继电器附近的电磁辐射。
在一种实施方式中，所述开关监测装置包括第二衰减元件，所述信号输出端具有设于所述第二衰减元件上游的第二输出连接点，以衰减由所述阻抗电路施加至所述继电器开关触点和/或与该继电器开关触点连接的电气负载和/或电压源的高频信号。
在一种实施方式中，所述第一衰减元件和/或第二衰减元件中的每一者均具有电感，而且各电感形成所述开关监测信号的最小所需阻抗，以防止该开关监测信号经所述电气负载和/或电压源旁绕。
如此，所实现的优点在于，即使在低阻抗电流源和/或低阻抗电气负载的情形中，也能可靠地检测所述继电器开关触点在所述第一开关状态和第二开关状态之间的切换。如果通过所述电流源和电气负载的电流路径的阻抗例如低于与所述继电器开关触点并联的电容器的阻抗时，所述开关监测信号可流经所述电流源和/或电气负载，从而使得所述继电器开关触点的开关操作不会具有记录在所述信号输出端的阻抗，或者仅能对此类阻抗施加较小的影响。
为了最大程度减小电流流经所述电感时导致的功率损耗，所述各电感优选设置为具有较低的电阻。在一种实施方式中，所述各电感设置为具有总负载电流，其流经所述继电器开关触点并且由电压源的功率及施加至所述继电器开关触点的负载阻抗决定。所述各电感可共同设置于线圈芯体，尤其磁芯上，并且尤其形成电流补偿的扼流圈。此外，为了形成所述开关监测信号的最大可能的推挽阻抗，所述各电感可彼此嵌套，而且绕组方向彼此相反。
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所示为一种实施方式中的开关监测装置；
图2所示为一种实施方式中的开关监测装置；
图3所示为一种实施方式中的开关监测装置；
图4所示为一种实施方式中继电器由所述开关监测装置启动时的信号波形；
图5所示为一种实施方式中继电器由所述开关监测装置接通时的事件序列；
图6所示为一种实施方式中继电器由所述开关监测装置断开时的事件序列；
图7为对继电器的继电器开关触点的开关操作进行监测的开关监测装置的示意图。
附图标记列表
100 开关监测装置
101 继电器开关触点
103 继电器
105控制器
107阻抗电路
109信号输入端
111信号输出端
113信号发生器
115 测量电路
117 变压器
119-1 初级侧线圈
119-2 次级侧线圈
121 电流传感器
123 电容器
125 磁体系统
127 控制输出端
129 电气负载
131 电源
133 控制输入端
201-1 第一输入端口
201-2 第二输入端口
203-1 第一输出端口
203-2 第二输出端口
205-1 第一电容器
205-2 第二电容器
207 电感
301-1 第一衰减元件
301-2 第二衰减元件
303-1 电感
303-2 电感
400 波形
401 线圈电压
403 线圈电流
405 激励信号
407 开关监测信号
409 状态信号
t1 时间点
t2 时间点
t3 时间点
t4 时间点
t5 时间点
t6 时间点
t7 时间点
t8 时间点
t9 时间点
t10 时间点
Δ1 时间间隔
Δ2 时间间隔
500 事件序列
501 开始接通
503 控制继电器
505 时钟打开
507 继电器完成接通
509 电流变化
511打开运行时间确定单元
513反馈“已启动”
515接通结束
600事件序列
601 开始断开
603 关闭继电器
605 时钟打开
607 继电器完成断开
609 电流变化
611 关闭运行时间确定单元
613反馈“非启动”
615断开结束
701 耦合电容器
703 耦合电容器
705信号监测电路
具体实施方式
图1为对继电器103的继电器开关触点101的开关操作进行监测的开关监测装置100的示意图。开关监测装置100具有控制器105，该控制器用于产生开关继电器开关触点101的控制信号以及激励信号。
开关监测装置100还包括具有信号输入端109和信号输出端111的阻抗电路107。控制器105用于向信号输入端109施加所述激励信号。阻抗电路107用于将所述激励信号转换为开关监测信号，并在信号输出端111输出该开关监测信号，以供施加至继电器开关触点101。
另外，控制器105用于检测阻抗电路107存在的信号变化，尤其所述激励信号和/或开关监测信号的变化，并在存在此等信号变化时，确定继电器开关触点101的开关操作。
继电器103用于发送第一频率范围内的信号以及所述开关监测信号处于第二频率范围内，所述第二频率范围内的频率高于所述第一频率范围内的频率。此外，阻抗电路107在所述第一频率范围内的阻抗高于其在所述第二频率范围内的阻抗。
控制器105还包括用于生成所述第二频率范围内的所述激励信号的信号发生器113。阻抗电路107用于将继电器开关触点101与信号发生器113和/或控制器105电气隔离。
控制器105还包括用于监测所述激励信号的变化的测量电路115。测量电路115具有连于信号发生器113和阻抗电路107之间的电流传感器121。电流传感器121用于检测信号发生器113和阻抗电路107之间的电流，并将其作为电流测量值提供给控制器105。此外，控制器105用于根据所述电流测量值，检测信号发生器113和阻抗电路107之间的电流变化。
阻抗电路107包括具有初级侧线圈119-1和次级侧线圈119-2的变压器117，其中，次级侧线圈119-2与继电器开关触点101并联，初级侧线圈119-1连至信号发生器113。此外，阻抗电路107包括与次级侧线圈119-2串联设置的电容器123。电容器123用于形成针对施加至继电器开关触点101的交流电压信号的电抗。
此外，阻抗电路107用于向继电器开关触点101施加频率尤其处于10kHz～1MHz范围内的高频辅助能量形式的所述开关监测信号。
此外，控制器105包括开关控制器，该开关控制器用于生成对继电器开关触点101进行开关操作的所述控制信号，并通过将该控制信号施加至继电器103的磁体系统125而实现继电器开关触点101的通断。
在一种实施方式中，控制器105用于将所述控制信号施加至信号发生器113，信号发生器113用于以该开关信号生成所述激励信号。
此外，信号发生器113用于生成周期性时钟信号形式的所述激励信号，控制器105用于在当信号输出端111的阻抗发生变化时，根据所述激励信号的恒定周期，检测该激励信号的生成时间与该激励信号发生变化的时间之间的时间间隔，以检测继电器开关触点101的开关延时。
控制器105还包括控制输出端127，而且控制器105用于向控制输出端127提供状态信号，该状态信号在继电器开关触点101接通后为“已启动”，而且在继电器开关触点101断开后为“非启动”。
控制器105还包括控制输入端133，通过该控制输入端，控制器105能够获得电能供应。控制器105可尤其用于接收3V～24V范围内的直流电压形式的电能。
图2为一种实施方式中对继电器103的继电器开关触点101的开关操作进行监测的开关监测装置100的示意图。信号输入端109为具有第一输入连接点201-1和第二输入连接点201-2的双极输入端，信号输出端111为具有第一输出连接点203-1和第二输出连接点203-2的双极输出端。此外，第一输出连接点203-1和第一输入连接点201-1之间设置第一电容器205-1，第二输出连接点203-2和第二输入连接点201-2之间设置第二电容器205-2，以将所述开关监测信号耦合至继电器开关触点101。
此外，阻抗电路107包括连于第一电容器205-1下游的电感207，其中，电感207与第一电容器205-1在第一输出连接点203-1和第一输入连接点201-1之间形成振荡系统。
图3为根据图1所示实施方式对继电器103的继电器开关触点101的开关操作进行监测的开关监测装置100的示意图。
开关监测装置100还包括第一衰减元件301-1和第二衰减元件301-2。信号输出端111具有第一输出连接点203-1和第二输出连接点203-2，其中，第一衰减元件301-1连于第一输出连接点203-1下游，第二衰减元件301-2连于第二输出连接点203-2下游，以吸收由与继电器开关触点101连接的阻抗电路107和/或电气负载129和/或电压源131施加在继电器开关触点101上的高频信号。
第一衰减元件301-1和第二衰减元件301-2中的每一者均具有电感303-1，303-2，该电感形成所述开关监测信号的最小所需阻抗，以防止该开关监测信号经电气负载129和/或电压源131旁绕。
图4为当继电器由上述开关监测装置启动时的信号波形400的示意图。在第一时间点t1，继电器控制信号施加至所述继电器的磁体系统的电磁继电器线圈。相应地，线圈电压401施加至所述电磁继电器线圈。当线圈电压401施加至所述电磁继电器线圈时，该电磁继电器线圈内的线圈电流403增大。
此外，自时间点t1开始，所述开关监测装置的信号发生器生成尤其仅具有正的信号幅度的方波信号形式的激励信号405。在所述阻抗电路的作用下，激励信号405转换为开关监测信号407，而且该开关监测信号施加至所述继电器开关触点。从时间点t2开始，开关监测信号407具有激励信号405的信号波形。
在时间点t2之前，所述继电器开关触点处于第一开关状态，并相应地不导电或具有高电阻。所述阻抗电路的双极信号输出端可检测到的总电阻可由电气负载和/或电压源构成的外部线路测定。此外，在一种实施方式中，所述衰减元件尤其为电感形式，可以为所述总电阻的贡献因素。根据所述总电阻，所述电流传感器可检测所述信号发生器和阻抗电路之间的电流。
自时间点t2，所述继电器开关触点从所述第一开关状态切换至第二开关状态，其中，t2和t3之间的时间间隔决定所述继电器开关触点的回跳时间。当所述继电器开关触点切换时，开关监测信号407以该继电器开关触点上的电压的形式断开。相应地，由于与所述继电器开关触点并联设置的电容器的阻抗小于该非导电的继电器开关触点的阻抗，因此所述阻抗电路信号输出端的总电阻也发生变化。该总电阻的变化可导致所述信号输入端或信号发生器的初级侧信号发生变化，而该变化例如为可由所述电流传感器检测的电流幅度变化。
所述控制器用于通过检测时间点t2的电流变化来检测所述继电器开关触点在时间点t2的开关操作。该控制器还可用于在时间点t5通过断开所述信号发生器而相应切断激励信号405。作为替代方案，该控制器也可用于持续生成激励信号405，以在所述继电器开关触点上持续施加开关监测信号407。激励信号405可尤其在时间点t5和时间点t7之间的时间间隔Δ2内生成。
在一种实施方式中，所述控制器用于周期性地控制所述信号发生器，以以一定周期反复生成激励信号405，并检测所述继电器开关触点的开关状态。相应地，该控制器可用于通过以激励信号405幅度的绝对幅度值和/或有效幅度值来检测所述继电器开关触点是处于所述第一开关状态，还是处于所述第二开关状态。相应地，通过以所述开关监测装置对所述继电器开关触点进行周期性检查，可例如确保所述继电器开关触点处于导电状态。
当所述继电器开关触点切换至所述第二开关状态时，所述控制器通过在所述控制输出端生成状态信号409来生成所述继电器开关触点开关操作的反馈。
在时间点t7，通过断开所述继电器控制信号，可实现将所述继电器开关触点从所述第二开关状态切换至所述第一开关状态，从而断开所述继电器。自时间点t7，可通过接通所述信号发生器来生成激励信号405，并相应将开关监测信号407施加至所述继电器开关触点。所述信号发生器可在时间点t10关闭。
自时间点t8开始，所述继电器开关触点开始打开，从而经该继电器开关触点断开电连接。自时间点t9开始，所述开关触点完全断开，不再导电。自时间点t9开始，所述继电器开关触点的打开触点之间的电弧可熄灭。
对于每一个开关操作，所述继电器开关触点发生回跳的t2～t3时间间隔以及该继电器开关触点生成电弧的t8～t9时间间隔均可有所不同。所述信号发生器在所述各时间间隔之外保持接通，以能够检测各时间间隔的时间偏差和/或所述继电器开关触点的整个导通或断开过程。
所述控制器还可用于根据激励信号405的信号曲线和开关监测信号407的信号曲线，确定回跳次数和/或回跳时间。此外，该控制器可用于将所确定的回跳时间和/或所确定的回跳次数与相应限值相比较。
所述控制器还可用于检测线圈电流403，并根据所述开关信号施加至所述电磁继电器线圈时线圈电流403的时间幅度曲线，确定电枢碰撞时间点t6。电枢碰撞时间点t6可定义为所述磁体系统将所述继电器的电枢偏转至最大程度且该继电器的磁轭与所述电枢之间的工作气隙已相应地被完全克服的时间点。此外，在电枢碰撞时间点t6，所述继电器开关触点的按钮之间的机械接触可对应于最大可能压力。所述控制器可用于确定所述继电器开关触点开始导电的时间点t2以及电枢碰撞时间点t6。
此外，所述控制器还可用于确定时间点t2和时间点t6之间的时间间隔Δ1。根据激励信号405、开关监测信号407以及/或者线圈电流403在时间间隔Δ1内的信号曲线，所述控制器可用于确定典型继电器参数。此外，该控制器可用于连续或以周期间隔确定所述典型继电器参数，以根据这些继电器参数的时间曲线，确定所述继电器的磨损状况、故障概率以及/或者维护或更换时间。所述控制器还可用于检测继电器的开关周期。
此外，所述控制器可用于在时间点t4将状态信号409切换至“已启动”，以相应增大状态信号409的信号幅度。此外，该控制器可用于在时间点t8将状态信号409切换至“非启动”，以相应减小状态信号409的信号幅度。
图5所示为所述开关监测装置在一种实施方式中实施的继电器接通事件序列500。在事件序列500中，首先进行接通501，其特征在于，所述控制器的控制输入端存在继电器控制信号。随后，所述控制器以所述启动信号作用于所述继电器的磁体系统上，以启动继电器503。之后，所述信号发生器打开，以生成时钟信号，这一事件表示为“时钟打开”505。在所述继电器的接通延时过后，所述继电器开关触点闭合，从而使继电器完成接通507。
在所述继电器开关触点闭合时，流经该继电器开关触点的电流发生变化，流经所述阻抗电路信号输出端的电流相应发生变化，以使得所述输入侧产生电流变化509。通过打开渡越时间确定单元511，所述控制器可确定并记录所述继电器开关触点的接通时间。
随后，所述控制器通过将所述控制输出端的状态信号409切换为“已启动”而将反馈切换至“已启动”状态513。如此，即完成所述继电器的接通，事件序列500结束515。
图6所示为所述开关监测装置在一种实施方式中实施的继电器断开事件序列600。在事件序列600中，首先进行断开601，其特征在于，所述控制器的控制输入端不再存在继电器控制信号。相应地，所述控制信号不施加至所述继电器的磁体系统。随后，所述信号发生器打开，以生成时钟信号，这一事件表示为“时钟打开”605。在所述继电器的断开延时过后，所述继电器开关触点断开，从而使继电器完成断开507。
在所述继电器开关触点断开时，流经该继电器开关触点的电流发生变化，以及流经所述阻抗电路信号输出端的电流相应发生变化，以使得所述输入侧产生电流变化609。通过关闭运行时间确定单元611，所述控制器可检测断开时间，以根据所述接通时间和断开时间之差，确定所述继电器的运行时间。
随后，所述控制器通过将所述控制输出端的状态信号409切换为“非启动”而将反馈切换至“非启动”状态613。如此，即完成所述继电器的断开，事件序列600结束615。
图7为对继电器103的继电器开关触点101的开关操作进行监测的开关监测装置100的示意图。开关监测装置100还包括两个耦合电容器701，703以及信号监测电路705。电容器701，703在输入侧连接至信号输出端111，并在输出侧连接至信号监测电路705。此外，耦合电容器701，703用于将施加至所述继电器开关触点的信号，尤其所述开关监测信号以电容方式耦合至信号监测电路705。
如此，所实现的优点在于，阻抗电路107能够将所述开关监测信号以电感方式耦合至继电器开关触点101，而且该开关监测信号的变化可由耦合电容器701，703以电容方式检测，并提供给信号监测电路705。信号监测电路705可用于检测所述开关监测信号的变化，并提供所述状态信号。此外，耦合电容器701，703和/或信号监测电路705可以为控制器105的一部分，并且/或者集成于其内。
Claims (15)
1.一种开关监测装置(100)，用于对继电器(103)的继电器开关触点(101)的开关操作进行监测，其特征在于，所述开关监测装置(100)具有以下特征：
控制终端(102)，所述控制终端用于将对所述继电器开关触点(101)进行开关操作的控制信号施加至所述继电器开关触点(101)；
用于生成激励信号的控制器(105)；以及
具有信号输入端(109)和信号输出端(111)的阻抗电路(107)，其中，所述控制器(105)用于将所述激励信号施加至所述信号输入端(109)，其中，所述阻抗电路(107)用于将所述激励信号转换成开关监测信号，并且在所述信号输出端(111)处输出所述开关监测信号，以供施加至所述继电器开关触点(101)，其中，所述控制器(105)还用于检测所述阻抗电路(107)中存在的信号的变化，并且在所述信号存在所述变化时，检测所述继电器开关触点(101)的开关操作，
其中，所述信号输入端(109)为具有第一输入连接点(201-1)和第二输入连接点(201-2)的双极输入端，所述信号输出端(111)为具有第一输出连接点(203-1)和第二输出连接点(203-2)的双极输出端，其中，在所述第一输出连接点(203-1)和所述第一输入连接点(201-1)之间设置有第一电容器(205-1)，在所述第二输出连接点(203-2)和所述第二输入连接点(201-2)之间设置有第二电容器(205-2)，以将所述开关监测信号以电容方式耦合至所述继电器开关触点(101)。
2.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述阻抗电路(107)具有连接在所述第一电容器(205-1)的下游的电感(207)，其中，所述电感(207)与所述第一电容器(205-1)在所述第一输出连接点(203-1)和所述第一输入连接点(201-1)之间形成振荡系统。
3.根据权利要求1或2所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述阻抗电路(107)具有连接在所述第二输出连接点(203-2)的下游的另一电感，所述另一电感与所述第二电容器(205-2)在所述第二输出连接点(203-2)和所述第二输入连接点(201-2)之间形成另一振荡系统。
4.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述信号包括所述激励信号和/或所述开关监测信号。
5.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述继电器(103)用于发送第一频率范围内的信号，并且所述开关监测信号处于第二频率范围，其中，所述第二频率范围的频率高于所述第一频率范围的频率，所述阻抗电路(107)在所述第一频率范围内的阻抗高于在所述第二频率范围内的阻抗。
6.根据权利要求5所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)用于生成处于所述第二频率范围内的所述激励信号。
7.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)包括用于监测所述激励信号的所述变化的测量电路(115)。
8.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)包括用于生成所述激励信号的信号发生器(113)。
9.根据权利要求7或8所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述测量电路(115)具有连接于所述信号发生器(113)和所述阻抗电路(107)之间的电流传感器(121)，其中，所述电流传感器(121)用于检测所述信号发生器(113)和所述阻抗电路(107)之间的电流，并且将所述电流作为电流测量值提供给所述控制器(105)，其中，所述控制器(105)用于根据所述电流测量值，检测所述信号发生器(113)和所述阻抗电路(107)之间的所述电流的变化。
10.根据权利要求8所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述阻抗电路(107)用于将所述继电器开关触点(101)与所述信号发生器(113)和/或所述控制器(105)电气隔离。
11.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)连接至所述控制终端(102)，并且用于生成对所述继电器开关触点(101)进行开关操作的控制信号，和/或将所述控制信号施加至所述控制终端(102)。
12.根据权利要求11所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)包括开关控制器，所述开关控制器用于生成对所述继电器开关触点(101)进行开关操作的所述控制信号，并且用于向所述继电器(103)的磁体系统(125)施加所述控制信号，以实现所述继电器开关触点(101)的开关。
13.根据权利要求11或12所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)用于向所述信号发生器(113)施加所述控制信号，其中，所述信号发生器(113)用于以所述开关信号生成所述激励信号。
14.根据权利要求11或12所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述信号发生器(113)用于生成周期性时钟信号形式的所述激励信号，其中，所述控制器(105)用于在所述信号输出端(111)的阻抗发生变化时，根据所述激励信号的恒定周期，检测所述激励信号的生成时间与所述激励信号发生变化的时间之间的时间间隔，以检测所述继电器开关触点(101)的开关延时。
15.根据权利要求1所述的开关监测装置(100)，其特征在于，所述控制器(105)具有控制输出端(127)，其中，所述控制器(105)用于在所述控制输出端(127)提供状态信号，所述状态信号在所述继电器开关触点(101)接通后为“已启动”，以及在所述继电器开关触点(101)断开后为“非启动”。
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