DE102010011394A1

DE102010011394A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des mechanischen Zustandes einer elektromechanischen Relaisanordnung

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Publication number: DE102010011394A1
Application number: DE201010011394
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Rapp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung (R), umfassend einen Magnetkreis mit wenigstens einer auf einem Kern angeordneten Erregerspule (L) und einem bewegbaren Anker, ein von dem Anker betätigbares bewegliches Kontaktelement (K1), das durch Bestromung der Erregerspule (L) aus einem ersten Kontaktzustand mit einem ersten Kontaktelement (K2) in einen zweiten Kontaktzustand mit einem zweiten Kontaktelement (K3) überführt wird und durch Entstromung der Erregerspule (L) in den ersten Kontaktzustand zurückgeführt wird, und ein in Reihe zur Erregerspule (L) geschaltetes Freilaufelement (Z) zur Bildung eines Freilaufkreises. Erfindungsgemäß wird die während der Entstromung durch einen Freilaufstrom an der Erregerspule (L) erzeugte Spulenspannung (USp) ausgewertet, indem- über eine Schaltungsanordnung (R1, C1; R3, C2) ein Messsignal (UMess) ausgekoppelt wird, und ein das Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelementes anzeigender Spannungsimpuls (P1) des Messsignals (UMess) bewertet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung es erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Verfahren zur Schaltzustandsüberwachung einer bistabilen Relaisanordnung ist aus der DE 10 2006 054 877 A1 bekannt, bei dem durch Bestromen einer Erregerspule der Relaisanordnung ein elektrischer Kontakt zwischen einem beweglichen Kontaktelement und einem ersten Kontaktelement oder einem zweiten Kontaktelement hergestellt wird. Ein wechselspannungsförmiges Testsignal wird über einen Kondensator als galvanische Trennung auf das erste oder zweite Kontaktelement gegeben. Liegt bspw. dieses Testsignal an dem zweiten Kontaktelement an und wird bei Bestromung das bewegliche Kontaktelement mit diesem zweiten Kontaktelement elektrisch verbunden, wird das Testsignal über das bewegliche Kontaktelement und über einen als galvanische Trennung wirkenden zweiten Kondensator und einem den Gleichspannungsanteil herausfilternden Tiefpassfilter als Messsignal einer Signalauswerteeinheit zugeführt, die ein High-Signal detektiert. Falls jedoch der bewegliche Kontakt mit dem anderen Kontaktelement elektrisch verbunden ist, gelangt das Testsignal nicht zur Signalauswerteeinheit, so dass dort ein Low-Signal detektiert wird. Damit kann mittels des Testsignals der Schaltzustand dieser Relaisanordnung überwacht werden, d. h. ob das bewegliche Kontaktelement mit dem ersten oder dem zweiten Kontaktelement elektrisch verbunden ist.
Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist jedoch, dass die zu überwachende Relaisanordnung ein zusätzliches zweites Kontaktelement aufzuweisen hat und des Weiteren zwei Koppelkondensatoren zur Sicherung der galvanischen Trennung erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem bekannten Verfahren verbessertes Überwachungs- bzw. Bewertungsverfahren hinsichtlich des Schaltzustandes einer Relaisanordnung anzugeben, das insbesondere ohne bauliche Modifikation der zu überwachende Relaisanordnung, wie bspw. zusätzliche Kontaktelemente auskommt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einem Verfahren zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung, die

– einen Magnetkreis mit wenigstens einer auf einem Kern angeordneten Erregerspule und einem bewegbaren Anker,
– ein von dem Anker betätigbares bewegliches Kontaktelement, das durch Bestromung der Erregerspule aus einem ersten Kontaktzustand mit einem ersten Kontaktelement in einen zweiten Kontaktzustand mit einem zweiten Kontaktelement überführt wird und durch Entstromung der Erregerspule in den ersten Kontaktzustand zurückgeführt wird, und
– ein in Reihe zur Erregerspule geschaltetes Freilaufelement zur Bildung eines Freilaufkreises umfasst, wird erfindungsgemäß
– die während der Entstromung durch einen Freilaufstrom an der Erregerspule erzeugte Spulenspannung ausgewertet, indem
– über eine Schaltungsanordnung ein Messsignal ausgekoppelt wird, und
– ein das Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelements anzeigender Spannungsimpuls des Messsignals bewertet wird.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren zeigt eine überrachende Lösung auf, wonach ein in der Regel zum Schalten von Relaisanordnungen vorgesehener Freilaufkreis dazu benutzt wird, aus dem Freilaufstrom während der Entstromung der Erregerspule, also nach dem Abschalten der zur Bestromung der Erregerspule führenden Spannung, ein Messsignal aus dem entsprechenden Freilaufstrom während der Flugphase des Ankers und des beweglichen Kontaktelements zu erzeugen und hieraus einen Spannungsimpuls zu detektieren, der ein Maß für den Überhub des beweglichen Kontaktelementes darstellt und somit auch ein Maß für den mechanischen Kontaktzustand des beweglichen Kontaktelements mit dem zweiten Kontaktelement ist.
Vorzugsweise ist die Höhe und/oder die Spannungszeitfläche dieses Spannungsimpulses ein Maß für den Überhub des beweglichen Kontaktelementes. So zeigt bspw. ein fehlender Überhub an, dass das bewegliche Kontaktelement keinen oder einen nicht ausreichenden mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kontaktelement hatte, also der Kontaktzustand des beweglichen Kontaktelements mit dem zweiten Kontaktelement mechanisch nicht in Ordnung ist.
Obwohl theoretisch die Erregerspule während der Flugphase nicht bestromt und somit der Magnetkreis entmagnetisiert ist und folglich auch keine Wechselwirkung zwischen der Bewegung des Ankers bzw. der beweglichen Kontaktelemente stattfinden sollte, wurde dennoch eine Rückwirkung dieser Bewegung auf den Magnetkreis aufgrund eines Restmagnetismus der Erregerspule durch Auswertung dieses gemäß der Erfindung erzeugten Messsignals festgestellt. Die Bewegung des Ankers und des beweglichen Kontaktelements in dem Magnetfeld des Restmagnetismus der Erregerspule bewirkt eine Änderung der Induktivität, induziert also einen das Maß des Überhubs darstellenden Spannungsimpuls als Spannungssignal, das mit dem Messsignal detektiert und ausgewertet wird.
So wurde eine Proportionalität zwischen den Spannungswerten des Spannungsimpulses bzw. deren Spannungszeitflächen und dem Maß des Überhubes des beweglichen Kontaktelements festgestellt.
Damit ist eine einfache mechanische Überwachung des Schaltkontaktes möglich, und zwar lediglich durch eine Auswertung der von dem Freilaufstrom an der Erregerspule erzeugten Spulenspannung, ohne Eingriff oder Zugriff auf die Schaltkontakte.
Vorzugsweise wird bei einer Weiterbildung der Erfindung bei analoger Realisierung des Verfahrens eine Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals verwendet, die aus einer Widerstands-Kondensator-Kombination aufgebaut ist. Wird dagegen das erfindungsgemäßes Verfahren mittels eines integrierten Schaltkreises realisiert, wird die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals als aktives Filter oder als Analog-Digital-Wandler (ADC) mit digitaler Auswertung verwendet.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird neben der Detektion des das Maß des Überhubs anzeigenden Spannungsimpulses ein weiterer Spannungsimpuls detektiert, der zeitlich vor dem eigentlich auszuwertenden Spannungsimpuls liegt. Dabei weist in charakteristischer Weise der zeitlich nach dem weiteren Spannungsimpuls auftretende und für den Überhub maßgebliche Spannungsimpuls nur einen geringen Spannungswert bzw. nur einen geringen Wert von dessen Spannungszeitfläche auf, so dass hierdurch ein Fehlen des Überhubs des beweglichen Kontaktelements angezeigt wird. Der weitere Spannungsimpuls kann zusätzlich zur Auswertung herangezogen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Widerstands-Kondensator-Kombination als Hochpass-Filterschaltung auszubilden, wodurch eine einfache Auskopplung des zu detektierenden Spannungsimpulses als Wechselspannungssignal ermöglicht wird. Dieses ausgekoppelte Messsignal kann dann in einer dem Fachmann bekannten Weise mittels einer Messschaltung oder eines Messgerätes ausgewertet werden, wobei neben einer analogen auch eine digitale Auswertung möglich ist.
Alternativ kann als Auskopplungsschaltung gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der am Widerstand der Widerstands-Kondensator-Kombination erzeugte Spannungsabfall einem analogen Verstärker zur Erzeugung eines Messsignals zugeführt werden, dessen Ausgangssignal dann in gleicher Weise mittels einer Messschaltung oder eines Messgerätes ausgewertete wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die Bestromung und Entstromung der Erregerspule mittels eines steuerbaren elektronischen Schalters erfolgt, der von einem Rechtecksignal angesteuert wird. Ein solcher elektronischer Schalter, bspw. ein Transistor kann auch als Treiberstufe ausgebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, als Freilaufelement für den Freilaufkreis eine Zenerdiode zu verwenden, die in Reihe zur Erregerspule und parallel zu dem elektronischen Schalter geschaltet ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 vorgeschlagen.
Eine solche Vorrichtung zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung, die

– eine auf einem Kern angeordnete Erregerspule mit einem bewegbaren Anker zur Bildung eines Magnetkreises,
– ein von dem Anker betätigbares bewegliches Kontaktelement, das durch Bestromung der Erregerspule aus einem ersten Kontaktzustand mit einem ersten Kontaktelement in einen zweiten Kontaktzustand mit einem zweiten Kontaktelement überführt wird und durch Entstromung der Erregerspule in den ersten Kontaktzustand zurückgeführt wird, und
– ein in Reihe zur Erregerspule geschaltetes Freilaufelement zur Bildung eines Freilaufkreises umfasst, ist erfindungsgemäß
– eine Schaltungsanordnung zur Auskopplung eines Messsignals vorgesehen, die mit der während der Entstromung durch einen Freilaufstrom an der Erregerspule erzeugten Spulenspannung beaufschlagt wird, und
– eine Messschaltung vorgesehen, mit der das Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelements anzeigender Spannungsimpuls bewertet wird.

Vorzugsweise ist als Auskopplungsschaltung eine Widerstands-Kondensator-Kombination vorgesehen, als Hochpass-Filterschaltung ausgebildet werden kann. Alternativ kann auch ein analoger Verstärker eingesetzt werden, dem der Spannungsabfall des Widerstandes der Widerstands-Kondensator-Kombination zugeführt wird.
Alternativ kann anstelle einer Widerstands-Kondensator-Kombination als Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals auch ein aktives Filter oder ein Analog-Digital-Wandler mit digitaler Auswertung verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Bestromung und Entstromung der Erregerspule ein elektronischer Schalter, bspw. ein Transistor vorgesehen, dem das Freilaufelement, vorzugsweise eine Zener-Diode parallelgeschaltet ist. Der elektronische Schalter kann als Treiberstufe ausgebildet sein.
Vorzugsweise besteht der Freilaufkreis aus der Reihenschaltung der Erregerspule und dem Freilaufelement, vorzugsweise eine Zenerdiode, wobei diese Reihenschaltung von einem Kondensator überbrückt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer Schaltung mit Relais zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Verläufe der in der Schaltung nach 1 auftretenden Messspannung, Spulenspannung und Kontaktsignale mit einem bestimmte Eigenschaften aufweisenden Relais,
3 ein detailliertes Schaltbild einer Auskopplungsschaltung gemäß 1,
4 ein weiteres detailliertes Schaltbild einer Auskopplungsschaltung gemäß 1,
5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Verläufe der in der Schaltung nach 1 auftretenden Messspannung, der Spulenspannung und der Kontaktspannung mit einem bestimmte Eigenschaften aufweisenden Relais, und
6 eine schematische Darstellung der Erzeugung der Kontaktsignale der Schaltkontakte des Relais in 1.
Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der die Funktion eines Relais R hinsichtlich des korrekten mechanischen Schließens eines Arbeitskontaktes entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird.
Ein solches elektromechanische Relais R umfasst einen Magnetkreis mit wenigstens einer auf einem Kern (in der Regel mit einem Joch verbunden) angeordneten Erregerspule L und einem bewegbaren Anker, der direkt oder indirekt ein bewegliches, als Federkontakt ausgebildetes Kontaktelement K1 eines Kontaktsatzes bei erregter Erregerspule betätigt. Dieser Kontaktsatz besteht neben dem bewegbaren Kontaktelement K1 aus einem feststehenden ersten Kontaktelement K2, hier ein Ruhe- oder Öffnerkontakt und einem feststehenden zweiten Kontaktelement K3, hier ein Arbeits- oder Schließerkontakt, wobei sich das bewegbare Kontaktelement K1 zwischen den beiden feststehenden Kontaktelementen K2 und K3, in der Regel unter einer Vorspannung anliegend an dem zweiten Kontaktelement K2 befindet.
Ein Schaltvorgang wird durch Bestromung bzw. Erregung der Erregerspule L ausgelöst, so dass der Anker angezogen wird und dadurch das bewegbare Kontaktelement K1 aus seinem ersten Kontaktzustand mit dem ersten Kontaktelement K2, also dem Ruhekontakt in einen zweiten Kontaktzustand bewegt wird, so dass ein mechanischer und elektrischer Kontakt mit dem zweiten Kontaktelement K3, also dem Arbeitskontakt des Relais R hergestellt wird.
Zum Schalten des Relais R liegt gemäß 1 in Reihe zur Erregerspule L ein pnp-Transistor T als elektronischer Schalter, dessen Basiselektrode mit einem rechteckförmigen Steuersignal U_St angesteuert wird. Die Reihenschaltung aus der Erregerspule L und dem Transistor T liegt an einer Betriebsspannungsquelle U_Bat, bspw. einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wo solche High-Side-Schaltungen eingesetzt werden.
Mit dem L-Pegel des Steuersignals U_St wird der Transistor T leitend, so dass dadurch die Erregerspule L bestromt wird. Mit dem H-Pegel des Steuersignals U_St wird der Transistor T in seinen sperrenden Zustand gesteuert, wodurch die Entstromung der Erregerspule L eingeleitet wird. Nach dem Abschalten des Relais R fließt der Strom in der Spule weiter und erzeugt in Verbindung mit dem Freilaufkreis eine Spannung. Die Spulenenergie wird über den Freilaufkreis mit einer Diode oder Zenerdiode abgebaut.
Hierzu ist gemäß 1 eine Zenerdiode in Sperrrichtung in Reihe zur Erregerspule L und parallel zum Transistor T geschaltet, wobei der Freilaufkreis durch einen Kondensator C komplettiert wird, der diese Reihenschaltung aus Erregerspule L und Zenerdiode Z zur Bedämpfung der Erregerspule L überbrückt. Der nach dem Abschalten der Bestromung, also nach dem Öffnen des Transistors T von der Erregerspule L als Stromquelle erzeugte Freilaufstrom fließt zunächst durch den Kondensator C und anschließend zurück über die Zenerdiode Z zur Erregerspule L. Die dadurch an dem ohmschen Widerstand der Erregerspule L erzeugte Spulenspannung U_Sp wird zur Auswertung einer Auskopplungsschaltung AS zugeführt, deren Funktion weiter unten beschrieben wird. Der Verlauf dieser Spulenspannung U_Sp ist in dem Spannungs-Zeit-Diagramm nach 2 dargestellt, wonach zum Zeitpunkt t₁ die Bestromung beendet ist, also der Transistor T in seinen sperrenden Zustand übergeht und damit eine hohe Abschaltspannungspitze erzeugen würde, die aber über den Freilaufkreis abgebaut wird.
Der Verlauf der Spulenspannung U_Sp wird durch den Verlauf des von der Erregerspule L erzeugten Freilaufstromes beeinflusst, wobei der Wert als auch dessen Kurvenverlauf von der durch den Freilaufkreis bewirkten Bedämpfung, insbesondere von dem Spannungswert der Zenerdiode Z abhängt. Eine weitere Einflussgröße ist natürlich die Stärke des Restmagnetismus der Erregerspule. Weiterhin hat auch die Bewegung des Ankers einen Einfluss auf die Spulenspannung U_Sp, wobei diese Bewegung vor allem von den Federkräften der Kontaktelemente abhängt, insbesondere von dem beweglichen Kontaktelement. Auch verursacht das Abbrennen des Kontaktmaterials am Arbeitskontakt K3 ein Abnehmen der Federkräfte und damit auch eine Änderung der zu beschleunigenden Massen in dem System der Relaisanordnung R. Schließlich ist der Verlauf der Spulenspannung U_Sp auch von den geometrischen Gegebenheiten der Relaisanordnung abhängig.
Für die korrekte Funktion eines Relais, insbesondere für das richtige mechanische Schließen des Arbeitskontaktes ist der vorhandene Überhub des Relais verantwortlich. Der Überhub ist der Anteil des Schaltweges des beweglichen Kontaktelements K1 zwischen dem ersten Kontakt mit dem Arbeitskontakt K3 und dem vollständigen Durchziehen des Ankers mit dem Aufsetzen auf den Kern, wodurch sich insgesamt die Federrückstellkraft erhöht.
Nur wenn der Überhub richtig eingestellt ist bzw. sich der Überhub nicht über die Lebensdauer unzulässig verändert oder bspw. durch Umwelteinflüsse negativ beeinflusst wird, kann ein dauerhaftes und zuverlässiges Schließen des Arbeitskontaktes K3 gewährleistet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den mechanischen Zustand einer solchen Relaisanordnung R zu bewerten, also den Schaltzustand des geschlossenen Arbeitskontaktes K3 zu diagnostizieren. Die Diagnose erfolgt beim Öffnen des Arbeitskontaktes K3.
Hierzu wird gemäß 1 aus der Spulenspannung U_Sp ein Messsignal U_Mess aus dem entsprechenden Freilaufstrom während der Flugphase des Ankers und des beweglichen Kontaktelements K1 mittels der Auskopplungsschaltung AS ausgekoppelt und einer Messschaltung MS zugeführt, um einen in dem Messsignal enthaltenen Spannungsimpuls zu detektieren, der ein Maß für den Überhub des beweglichen Kontaktelementes darstellt und somit auch ein Maß für den mechanischen Kontaktzustand des beweglichen Kontaktelements K1 mit dem zweiten Kontaktelement K3 ist.
Zur Auskopplung des Messsignals U_Mess wird eine Widerstands-Kondensator-Kombination verwendet, wie die Schaltungsbeispiele einer Auskopplungsschaltung AS gemäß den 3 und 4 zeigen.
3 zeigt ein aus einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C₁ aufgebauten Hochpass-Filter. Der Widerstand R₁ wird durch eine Reihenschaltung aus einer Diode D₁ und einem weiteren Widerstand R₂ überbrückt, wobei an dem weiteren Widerstand R₂ das Messsignal U_Mess abgegriffen wird.
Die alternative Auskopplungsschaltung AS nach 4 besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R₃ und einem mit Masse verbundenen Kondensator C₂. Der an diesem Widerstand R₃ erzeugte Spannungsabfall wird einem analogen Verstärker K zu geführt, an dessen Ausgang das Messsignal U_Mess abgegriffen wird.
Das Spannungs-Zeit-Diagramm gemäß 2 zeigt neben dem Verlauf der Spulenspannung U_Sp den Verlauf der Messspannung U_Mess und eine die Schaltphasen des beweglichen Kontaktelements K1 anzeigendes Kontaktsignal U_K. Dieses Kontaktsignal U_K nimmt gemäß 6 einen Spannungspegel U₁/2 an, wenn der Öffner- oder Ruhekontakt K2 geschlossen ist, also das bewegliche Kontaktelement K1 mit dem feststehenden ersten Kontaktelement K2 verbunden ist. Der Spannungspegel steigt dagegen auf U₁, wenn das bewegliche Kontaktelement K1 mit dem feststehenden zweiten Kontaktelement K3 verbunden ist, also der Arbeitskontakt K3 geschlossen ist. Während der Flugphase des beweglichen Kontaktelements K1, also während sich dieses Kontaktelement K1 zwischen diesen beiden Kontaktzuständen bewegt, liegt der Spannungspegel des Kontaktsignals U_K auf null.
Mit Bezug auf 2 wurde bereits erwähnt, dass zum Zeitpunkt t₁ der Transistor T sperrt und damit das Relais R abgeschaltet wird. Das bedeutet, dass die Bestromung der Erregerspule beendet ist und die Entstromung beginnt, folglich ein Freilaufstrom durch den beschriebenen Freilaufkreis fließt. Das mit der Auskopplungsschaltung AS ausgekoppelte Messsignal U_Mess zeigt gemäß 2 einen Spannungsimpuls P₁, der nach dem Zeitpunkt t₂ erzeugt wird, also nachdem die Flugphase des beweglichen Kontaktelements K1 begonnen hat, wie der Verlauf des Kontaktsignals U_K gemäß 2 anzeigt. Während der Flugphase ist ein Prellen des beweglichen Kontaktelements K1 daran festzustellen, dass das Kontaktsignal U_K mehrmals zwischen dem Wert null und dem Wert U₁/2 wechselt.
Die Höhe U_P1 des Spannungsimpulses P₁, die mit der Messschaltung MS gemessen wird, steht in direktem Zusammenhang mit dem Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelements K₁, das bspw. einen Überhub h₁ von 0,5 mm aufweist. Es hat sich gezeigt, dass ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Maß h₁ des Überhubs und der Höhe U_P1 des Spannungsimpulses P₁ besteht, d. h. mit kleiner werdendem Überhub h₁ nimmt auch die Höhe U_P1 des Spannungsimpulses P₁ ab. Dieser Zusammenhang besteht auch hinsichtlich der Spannungszeitfläche dieses Spannungsimpulses P₁ und kann zusätzlich oder alternativ anstelle der Höhe U_P1 des Spannungsimpulses P₁ mittels einer geeigneten Messschaltung MS gemessen werden. Somit kann anhand des Wertes U_P1 des Spannungsimpulses P₁ oder des Wertes der Spannungszeitfläche des Spannungsimpulses P₁ der Überhub und damit der Schaltzustand des geschlossenen Arbeitskontakts K3 überwacht und bewertet werden. Liegen die genannten Werte über einem vorgegebenen Referenzwert, ist der Schaltzustand des geschlossenen Arbeitskontakts K3 mechanisch in Ordnung.
Die Höhe und die Form dieses Spannungsimpulses P₁ bestimmen auch die oben aufgeführten Einflussgrößen, die die Spulenspannung U_Sp beeinflussen. Auch bspw. Umwelteinflüsse, wie die Bewegung der Kontaktelemente, insbesondere des beweglichen Kontaktelements K1 einschränkende frei umherfliegende Fremdkörper.
So stellt sich bei fehlendem Überhub ein Spannungsimpuls U_P1 mit minimaler Höhe U_P1 ein, wie dies das Spannungs-Zeit-Diagramm gemäß 5 zeigt, das mit einem Relais R aufgenommen wurde, das keinen Überhub, also einen Wert h₁ = 0 aufweist. Dieses Diagramm nach 5 zeigt entsprechend demjenigen nach 2 den Verlauf der Spulenspannung U_Sp, den Verlauf des Kontaktsignals U_K und den Verlauf der Messspannung U_Mess. Zum Zeitpunkt t₁ beginnt die Entstromung der Erregerspule L, wobei erst zu einem sehr späten nachfolgenden Zeitpunkt t₂ das bewegliche Kontaktelement K1 abfällt und dessen Flugphase beginnt, angezeigt durch den Wechsel des Spannungspegels des Kontaktsignals U_K von U₁ auf den Wert null bzw. wechselnd zwischen dem Wert null und U₁/2. Der Spanungswert U_P1 des Spannungssignals 21 hat sich im Vergleich zu demjenigen nach Diagramm gemäß 2 wesentlich verkleinert und damit auch dessen Spannungszeitfläche.
Werden bei einer Relaisanordnung R die Bewegungsmöglichkeiten des beweglichen Kontaktelements K1 über den fehlenden Überhub hinaus weiter so eingeschränkt, dass schließlich der Arbeitskontakt K3 nicht mehr geschlossen wird, verändert sich der Spannungsimpuls P₁ hinsichtlich dessen Höhe und Spannungszeitfläche nur unwesentlich, so dass hieraus ein Referenzwert abgeleitet werden kann, dessen Überschreiten durch den Spannungswert oder den Wert der Spannungszeitfläche des Spannungsimpulses P₁ einen Schaltzustand des beweglichen Kontaktelements K1 anzeigt, der mechanisch in Ordnung ist.
Somit zeigt bspw. der Wert U_P1 des Spannungsimpulses P₁ nach Diagramm gemäß 2, dass die zugehörige Relaisanordnung in Ordnung ist, also der Arbeitskontakt K3 richtig schließt.
Falls eine Bewegung des Ankers des Relais R überhaupt nicht mehr möglich ist, geht der Spannungsimpuls P₁ gegen die Nulllinie, also geht dessen Spannungswert und dessen Spannungszeitfläche gegen den Wert Null.
Wie der Verlauf der Messsignals U_Mess in dem Diagramm nach 5 zeigt, wird zusätzlich zu dem Spannungsimpuls P₁ ein weiterer Spannungsimpuls 22 erzeugt, der jedoch vor dem Zeitpunkt t₂ des Beginns der Flugphase des beweglichen Kontaktelements K1 liegt. Auch dieser zweite Spannungsimpuls P₂ wird immer erzeugt, wenn kein Überhub vorhanden ist oder darüber hinaus der Bewegungsweg des beweglichen Kontaktelements K1 weiter beschränkt wird, bis der Arbeitskontakt K3 nicht mehr geschlossen werden kann.
Damit kann auch dieser zweite Spannungsimpuls P₂ in die Bewertung des Kontaktzustandes des beweglichen Kontaktelements K1 mit einbezogen werden. Bei einer solchen Bewertung ist jedoch zu beachten, dass der Spannungsimpuls P₁, der zeitlich nach dem Spannungsimpuls P₂ auftritt, das für die Auswertung relevante Signal darstellt.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt eine analoge Schaltungsanordnung mit diskreten elektronischen Bauelementen. Bei einer Realisierung mittels eines integrierten Schaltkreises (IC) kann die Auskoppelschaltung als aktives Filter oder als Analog-Digital-Wandler (ADC) realisiert werden.
Bezugszeichenliste

AS

Auskopplungsschaltung

C

Kondensator

C₁

Kondensator der Auskopplungsschaltung AS

C₂

Kondensator der Auskopplungsschaltung AS

D₁

Diode der Auskopplungsschaltung AS

K

analoger Verstärker

K1

bewegliches Kontaktelement

K2

feststehendes Kontaktelement, Ruhe- oder Öffnerkontakt

K3

feststehendes Kontaktelement, Arbeits- oder Schließerkontakt

L

Erregerspule der Relaisanordnung R

MS

Messschaltung

P₁

erster Spannungsimpuls des Messsignals U_Mess

P₂

zweiter Spannungsimpuls des Messsignals U_Mess

R

Relaisanordnung

R₁

Widerstand der Auskopplungsschaltung AS

R₂

Widerstand der Auskopplungsschaltung AS

R₃

Widerstand der Auskopplungsschaltung AS

T

elektronischer Schalter, Transistor

t₁

Abschaltzeitpunkt der Relaisanordnung

t₂

Zeitpunkt des Beginns der Flugzeit des beweglichen Kontaktelements K1

U₁

Kontaktspannung des Kontaktsignals U_K

U_B

Betriebsspannung

U_K

Kontaktsignal

U_Mess

Messsignal

U_P1

Spannungswert des ersten Spannungsimpulses P₁

U_P2

Spannungswert des zweiten Spannungsimpulses P₂

U_Sp

Spulenspannung

U_St

Steuersignal für Transistor T

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006054877 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung (R), umfassend – einen Magnetkreis mit wenigstens einer auf einem Kern angeordneten Erregerspule (L) und einem bewegbaren Anker, – ein von dem Anker betätigbares bewegliches Kontaktelement (K1), das durch Bestromung der Erregerspule (L) aus einem ersten Kontaktzustand mit einem ersten Kontaktelement (K2) in einen zweiten Kontaktzustand mit einem zweiten Kontaktelement (K3) überführt wird und durch Entstromung der Erregerspule (L) in den ersten Kontaktzustand zurückgeführt wird, und – ein in Reihe zur Erregerspule (L) geschaltetes Freilaufelement (Z) zur Bildung eines Freilaufkreises, dadurch gekennzeichnet, dass – die während der Entstromung durch einen Freilaufstrom an der Erregerspule (L) erzeugte Spulenspannung (U) ausgewertet wird, indem – über eine Schaltungsanordnung (R₁, C₁; R₃, C₂) ein Messsignal (U_Mess) ausgekoppelt wird, und – ein das Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelementes anzeigender Spannungsimpuls (P₁) des Messsignals (U_Mess) bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) als Widerstands-Kondensator-Kombination (R₁, C₁; R₃, C₂) als aktives Filter ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) als aktives Filter ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) als Analog-Digital-Wandler (ADC) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Größe (U_P1) des Spannungswertes und/oder der Größe der Spannungszeitfläche des Spannungsimpulses (P₁) der mechanische Zustand des beweglichen Kontaktelements (K1) hinsichtlich dessen Überhubs bewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Detektion von zwei aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen (P₁, P₂) des Messsignals (U_Mess) ein Fehlen des Überhubs des beweglichen Kontaktelements (K1) angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands-Kondensator-Kombination (R₁, C₁) als Hochpass-Filterchaltung ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall an dem Widerstand (R₃) der Widerstands-Kondensator-Kombination (R₃, C₂) einem (K) zur Erzeugung eines Messsignals (U_Mess) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung und Entstromung der Erregerspule (L) mittels eines steuerbaren elektronischen Schalters (T) erfolgt, der von einem Rechtecksignal angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Freilaufelement (Z) eine Zenerdiode verwendet wird.
Vorrichtung zur Bewertung des mechanischen Zustands einer elektromechanischen Relaisanordnung (R), umfassend – eine auf einem Kern angeordnete Erregerspule (L) mit einem bewegbaren Anker zur Bildung eines Magnetkreises, – ein von dem Anker betätigbares bewegliches Kontaktelement (K1), das durch Bestromung der Erregerspule (L) aus einem ersten Kontaktzustand mit einem ersten Kontaktelement (K2) in einen zweiten Kontaktzustand mit einem zweiten Kontaktelement (K3) überführt wird und durch Entstromung der Erregerspule (L) in den ersten Kontaktzustand zurückgeführt wird, und – ein in Reihe zur Erregerspule (L) geschaltetes Freilaufelement (Z) zur Bildung eines Freilaufkreises, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Schaltungsanordnung zur Auskopplung eines Messsignals (U_Mess) vorgesehen ist, die mit der während der Entstromung durch einen Freilaufstrom an der Erregerspule (L) erzeugten Spulenspannung (U) beaufschlagt wird, und – eine Messschaltung (MS) vorgesehen ist, mit der das Maß des Überhubs des beweglichen Kontaktelements (K1) anzeigender Spannungsimpuls (P₁) bewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstands-Kondensator-Kombination (R₁, C₁) als Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) vorgesehen ist.
Vorichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) als aktives Filter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Auskopplung des Messsignals (U_Mess) als Analog-Digital-Wandler (ADC) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands-Kondensator-Kombination (R₁, C₁) als Hochpass-Filterschaltung ausgebildet ist
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein analoger Verstärker (K) vorgesehen ist, dem der Spannungsabfall des Widerstandes (R₃) der Widerstands-Kondensator-Kombination (R₃, C₂) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestromung und Entstromung der Erregerspule (L) ein elektronischer Schalter (T) vorgesehen ist, dem das Freilaufelement (Z), vorzugsweise eine Zener-Diode parallelgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufkreis einen Kondensator (C) umfasst, der die Reihenschaltung aus Erregerspule (L) und Freilaufelement (Z) überbrückt.