DE102012005936B4

DE102012005936B4 - Magnetventil mit einer Zustandsüberwachungseinheit sowie Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102012005936B4
Application number: DE102012005936.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kahl; Jochen Schenkel
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN103363185B; CN103363185A; DE102012005936A1; US9134107B2; US20130249537A1

Abstract

Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils (2) mit einem Kern, der entlang einer Axialrichtung bezüglich einer Doppelspule verschiebbar ist, wobei in einem stationären Schaltzustand des Magnetventils ein erster Teil der Doppelspule als Haltespule (4) und ein zweiter Teil der Doppelspule als Messspule (6) verwendet wird, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) Anlegen einer sich sprunghaft ändernden Lesespannung an die Messspule (6), wobei die Lesespannung eine Veränderung der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms bewirkt,b) Erfassen eines ersten Messwerts für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem ersten Zeitpunkt (t1) während eines durch die angelegte Lesespannung bedingten Ein- oder Ausschaltvorgangs des durch die Messspule (6) fließenden Stroms,c) Erfassen eines zweiten Messwertes für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem zweiten und späteren Zeitpunkt (t2) während eines stationären Zustands des durch die Messspule (6) fließenden Stroms,d) Vergleichen des ersten und zweiten Messwerts mit vorgegebenen Referenzwerten, um eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule (6) zu ermitteln.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils sowie ein Magnetventil mit einer Zustandsüberwachungseinheit.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ventile mit einem Magnetantrieb, im Folgenden als Magnetventile bezeichnet, verwenden einen entlang einer Axialrichtung bewegbaren Kern, der durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Magnetfeld einer oder mehrerer Spule(n) zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage verschiebbar ist. Die Steuerung des Durchflusses erfolgt bei einem Magnetventil über den Hub des bezüglich der Spule oder Spulen bewegten Kerns, dabei hängt der Durchfluss unmittelbar mit der Position des Kerns bzw. dem Kernhub zusammen. Verändert sich der Kernhub nicht oder reduziert sich sogar, obwohl eine entsprechende Spannung angelegt ist, so ist von einer Fehlfunktion des Magnetventils auszugehen, welche beispielsweise durch einen blockierten Kern bedingt sein kann. Im Rahmen der Zustandsüberwachung (Condition-Monitoring) ist es erwünscht, solche Fehlerzustände zu erkennen.
Die Position des Kerns eines Magnetventils könnte durch Einsatz eines zusätzlichen Sensors, welcher jedoch in das Magnetventil integriert werden müsste, erfasst werden. Dieser Sensor könnte einen entsprechenden Messwert für die Zustandsüberwachung liefern. Ein zusätzlicher Sensor bedeutet jedoch Mehrkosten und einen ggf. höheren Konstruktionsaufwand für das Magnetventil.
Alternative Ansätze nutzen die Eigenschaften der Spule oder der Spulen eines Magnetventils aus, und detektieren beispielsweise einen Stromeinbruch direkt nach dem Anzugvorgang des Magnetventils. Zwar kommt eine solche Lösung ohne zusätzliche Sensoren aus, ein Nachteil besteht jedoch darin, dass stets eine Kernbewegung stattfinden muss, um entsprechende Messwerte für die Zustandsüberwachung zu gewinnen. Im laufenden Betrieb eines Magnetventils sind Kernbewegungen jedoch auf geplante Schaltvorgänge begrenzt. Folglich wäre die Zustandsüberwachung im laufenden Betrieb auf einzelne Zeitpunkte, nämlich die Schaltvorgänge, begrenzt. Eine kontinuierliche und von den Schaltvorgängen unabhängige Zustandsüberwachung kann also nicht realisiert werden.
Aus der DE 10 2007 052 022 A1 ist ein elektromagnetischer Ventilantrieb bekannt, bei dem der Anker mit Hilfe einer ersten Magnetspule bewegt und mit Hilfe einer weiteren Spule in einer Endposition gehalten wird. Die in der Endstellung ungenutzte erste Magnetspule wird als Messspule verwendet. Ein an diese Spule angelegter Messstrom ist so gering gewählt, dass keine nennenswerte Kraft auf den Anker ausgeübt wird.
Die DE 37 15 591 C2 zeigt ein Magnetventil, welches keine separate Messspule umfasst. Um die Position eines Ankers zu bestimmen, wird der Haltestrom kurzzeitig ab- und wieder eingeschaltet, wobei der Stromverlauf während dieser Zeiträume betrachtet und von diesem auf die Position des Ankers geschlossen wird. Die Zeitspanne, während der der Haltestrom abgeschaltet wird, ist so kurz gewählt, dass sich die Schaltstellung des Magnetventils nicht ändert.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils sowie ein verbessertes Magnetventil mit einer Zustandsüberwachungseinheit anzugeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils angegeben, wobei das Magnetventil einen entlang einer Axialrichtung bezüglich einer Doppelspule bewegbaren Kern aufweist. In einem stationären Zustand des Magnetventils, bei dem keine Änderung des Durchflusses und entsprechend keine Bewegung des Kerns stattfindet, wird ein erster Teil der Doppelspule als Haltespule und ein zweiter Teil der Doppelspule als Messspule verwendet. In diesem stationären Zustand wird an die Messspule eine Lesespannung angelegt, welche eine Veränderung der Größe der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms bewirkt. Eine solche Veränderung kann sowohl in einer Zunahme als auch in einer Abnahme der Stromstärke bestehen. Die Lesespannung verändert die an der Messspule anliegende Klemmspannung sprunghaft, wobei wiederum sowohl eine Erhöhung als auch einer sprunghafte Verringerung der anliegenden Spannung bewirkt werden kann. Die Größe und/oder das Vorzeichen der an die Messspule angelegten Lesespannung wird bevorzugt so gewählt, dass ein bedingt durch die Lesespannung in der Messspule fließender Strom, d.h. dessen Stromstärke, so gering ist, dass eine von der Haltespule auf den Kern ausgeübte Haltekraft nicht unter einen vorgegebenen Wert vermindert wird. Vorteilhaft wird so die volle Funktionsfähigkeit des Magnetventils auch während des an der Messspule ablaufenden Messvorgangs aufrechterhalten.
Anschließend, d.h. nachdem die Lesespannung an die Messspule angelegt wurde, wird zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Messwert für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms erfasst. Dieser erste Messwert wird während eines durch die angelegte Lesespannung bedingten Ein- bzw. Ausschaltvorgangs des durch die Messspule fließenden Stroms erfasst. Mit anderen Worten liegt der erste Zeitpunkt innerhalb eines Zeitintervalls, welches durch die zeitliche Ausdehnung des An- oder Abschaltvorgangs des Stroms in der Messspule bestimmt ist.
Ein zweiter Messwert für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms wird zu einem zweiten und späteren Zeitpunkt erfasst. Diese zweite Messung der Stromstärke erfolgt während eines stationären Zustands des durch die Messspule fließenden Stroms. Bezüglich des vorstehend erwähnten Zeitintervalls, welches durch die zeitliche Ausdehnung des An- oder Abschaltvorgangs definiert ist, liegt der zweite Zeitpunkt also außerhalb des betreffenden Zeitintervalls.
Der erste und der zweite Messwert werden mit Referenzwerten, welche beispielsweise zuvor aus theoretischen Modellen oder Simulationen berechnet oder mit Hilfe von Eichmessungen bestimmt worden sind, verglichen. Aus diesem Vergleich wird eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule ermittelt.
Ein Vergleich der Messwerte mit entsprechenden Referenzwerten schließt im Kontext dieser Beschreibung einen Vergleich mathematischer Verknüpfungen der Messwerte mit entsprechenden mathematischen Verknüpfungen der Referenzwerte ein. Beispielsweise kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform, der Quotient aus dem ersten und zweiten Messwert gebildet werden, welcher anschließend mit einem Referenzquotient verglichen wird, der aus einem ersten und einem zweiten Referenzwert gebildet wurde.
Gemäß einer Ausführungsform kann in dem Fall, dass die auf diese Weise ermittelte Position des Kerns außerhalb eines Toleranzbereiches liegt, ein Warnsignal ausgegeben werden. Bevorzugt wird ein solcher Toleranzbereich in Bezug auf die Endlagen des Kerns, welche beispielsweise mit einem voll geöffneten (maximaler Durchfluss) oder einem vollständig geschlossenen (kein Durchfluss) Ventil korrespondieren, definiert. Mit anderen Worten wird also eine Fehlfunktion des Magnetventils angezeigt, wenn sich das Ventil, abgesehen von akzeptierten Toleranzen, nicht mehr vollständig öffnen oder schließen lässt und der Durchfluss nicht mehr den vorgesehenen maximalen bzw. minimalen Wert annimmt.
Wird eine Spannung an eine Spule angelegt, welche eine sprunghafte Änderung der Klemmspannung hervorruft, so geht ein durch die Spule fließender Strom nicht unmittelbar in einen stationären Zustand über. Der Wert für die Stromstärke des durch die Spule fließenden Stroms nähert sich in einem exponentiellen Verlauf an einen stationären Wert an. Dieser exponentielle Verlauf der Stromstärke wird durch die Zeitkonstante tau=L/R charakterisiert, wobei L die Induktivität der Spule und R ihr ohmscher Widerstand ist. Die Induktivität der Spule eines Magnetventils ist unter anderem von der Position des Kerns abhängig, sodass umgekehrt aus dem Wert für tau auf die Position des Kerns geschlossen werden kann. Mit anderen Worten ist also die Zeitkonstante tau der Spule abhängig von der Kernposition.
Bleiben bis auf die Position des Kerns die äußeren Bedingungen konstant, so kann anhand eines einzigen Wertes für die Stromstärke zu einem bestimmten Zeitpunkt, da der zeitliche Verlauf der Stromstärke durch die exponentielle Funktion vollständig beschrieben ist, auf den Wert von tau geschlossen werden. In diesem idealisierten Fall könnten also anhand eines einzigen Messwertpaares, bestehend aus dem Zeitpunkt der Messwertaufnahme, gemessen ab dem Moment in dem die Lesespannung an die Messspule angelegt wird, und der gemessenen Stromstärke des momentanen Stroms durch die Messspule, auf die Position des Kerns bezüglich der Messspule geschlossen werden.
Durch äußere Einflussfaktoren, insbesondere durch Temperaturänderungen oder -schwankungen an der Spule verändert sich jedoch der Widerstand der Spule, welcher ebenfalls in die Zeitkonstante tau einfließt. Wird unter diesen Bedingungen, so wie oben beschrieben, aus einem einzigen Messwertpaar auf die Position des Kerns geschlossen, so können Messfehler bei der Bestimmung der Zeitkonstante tau auftreten, wodurch auf eine nicht korrekte Position des Kerns geschlossen würde.
Aus diesem Grund werden bei dem Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung zwei Messwerte für die Größe der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stroms bestimmt. Ein erster Messwert wird während des Ein- bzw. Abschaltvorgangs aufgenommen, ein zweiter Messwert wird während des stationären Zustands aufgenommen. Der im stationären Zustand durch die Messspule fließende Strom ist unter anderem von dem wiederum temperaturabhängigen ohmschen Widerstand der Messspule abhängig, so dass mit dem vorgesehenen Verfahren zur Zustandsüberwachung des Magnetventils insbesondere temperaturabhängige Effekte berücksichtigt bzw. kompensiert werden können. Dies ist besonders vorteilhaft, da selbst im regulären Betrieb eines Magnetventils eine bauartbedingte Erwärmung des Ventils nicht ausgeschlossen werden kann.
Der An- oder Abschaltvorgang des durch die Messspule fließenden Stroms beginnt in dem Moment in dem die Lesespannung an die Messspule angelegt wird und endet, wenn die Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms einen stationären Zustand erreicht hat. Somit ist der An- oder Abschaltvorgang durch ein Zeitintervall beschrieben, welches mit Anlegen der Lesespannung beginnt. Das Ende dieses Zeitintervalls soll in dem Moment erreicht sein, zu dem die tatsächliche Stromstärke von einer angenommenen Stromstärke im stationären Zustand nur noch geringfügig abweicht. Gemäß einer Ausführungsform soll das Ende des An- oder Abschaltvorgangs erreicht sein, wenn die Stromstärke 99,3 % ihres Endwertes erreicht hat. Bei einem exponentiellen Verlauf der Stromstärke ist dieser Wert nach einer Zeit von t=5*tau_max erreicht.
Da sich der Wert für die Zeitkonstante tau abhängig von der zunächst nicht bekannten Position des Kerns ändert, wird zur Sicherheit das genannte Zeitintervall anhand des Fünffachen eines maximalen Wertes tau_max für die Zeitkonstante definiert. Die Zeitkonstante nimmt ihren maximalen Wert an, wenn der Kern in maximaler Wechselwirkung mit der Messspule steht und beispielsweise vollständig in diese eingetaucht ist.
Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein erster Messwert für die Stromstärke innerhalb des 5*tau_max-Bereiches und ein zweiter Messwert außerhalb des 5*tau_max-Bereiches aufgenommen. Anhand von diesen beiden Messwerten kann auch bei sich veränderndem Widerstand der Messspule, d.h. auch bei schwankender Temperatur des Magnetventils, sicher und eindeutig auf die Position des Kerns geschlossen und somit einer mögliche Fehlfunktion des Ventils detektiert werden. Selbstverständlich ist das beschriebene Verfahren nicht auf einen durch 5*tau_max definierten Bereich beschränkt. Es kann ebenso eine Definition anhand eines Vielfachen von tau_max, beispielsweise 3*tau_max oder auch 6*tau_max vorgenommen werden.
Um außerdem den weiteren Einflussfaktor einer schwankenden Versorgungsspannung, welche auch einen Einfluss auf den durch die Messspule fließenden Strom hat, auszuschließen, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform neben den Werten für die Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms auch ein Wert für die an die Messspule angelegte Lesespannung bestimmt werden. Mit Hilfe der auf diese Weise ermittelten drei Messwerte ist eine eindeutige Positionsbestimmung des Kerns möglich, wobei äußere Einflüsse wie z. B. Temperaturschwankungen oder Änderungen der Versorgungsspannung kompensiert werden können. Eine Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung erübrigt sich zwar unter der Voraussetzung, dass die Versorgungsspannung exakt der Magnetspulennennspannung entspricht; die vorgesehene Spannungskompensation erhöht jedoch die Zuverlässigkeit des Verfahrens zur Zustandsüberwachung des Magnetventils.
Eine Zuordnung zwischen den ermittelten Messwerten und der Position des Kerns kann mit Hilfe von im Voraus bestimmten Referenzkurven oder Werten sowie anhand theoretischer Berechnungen oder Modelle erfolgen. Vorzugsweise wird ein solcher Vergleich mittels einer Steuereinrichtung, beispielsweise mit Hilfe eines programmierbaren Mikrocontrollers durchgeführt. Für Kernpositionen, welche außerhalb vorgegebener Toleranzbereiche liegen, muss von einer Fehlfunktion des Magnetventils ausgegangen werden. Als Reaktion kann beispielsweise ein Warnsignal ausgegeben werden.
Bevorzugt erfolgt die Erfassung des ersten und zweiten Messwertes für die Größe der Stromstärke und ggf. auch die Erfassung des dritten Messwertes der Größe der Lesespannung zu fest vorbestimmten ersten bis dritten Zeitpunkten. Vorteilhaft sind bei einem solchen Verfahren lediglich drei Messungen notwendig, welche außerdem zu fest vorbestimmten Zeitpunkten erfolgen. Dies verringert den messtechnischen Aufwand erheblich, insbesondere da keine kontinuierliche Erfassung der Stromstärke erfolgen muss, was eine entsprechend hohe Abtastrate voraussetzen würde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Erfassung der an der Messspule anliegenden Lesespannung zu einem dritten Zeitpunkt, der zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt liegt, zu dem jeweils eine Größe der Stromstärke erfasst wird. Grundsätzlich kann die Messung der Größe der Lesespannung, ab dem Moment in dem diese an die Messspule angelegt wird, zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Ein im Zeitfenster zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt liegender dritter Zeitpunkt ist jedoch vorteilhaft, da anderenfalls dieses Zeitfenster ungenutzt verstreichen würde.
Bevorzugt handelt es sich bei der an die Messspule angelegten Lesespannung um eine sich stufenförmig verändernde Spannung, beispielsweise um eine Rechteckspannung. Weiterhin bevorzugt wird eine Periodendauer der Rechteckspannung so gewählt, dass eine Halbschwingung der Rechteckspannung größer ist als die Dauer des durch die Spannungsänderung verursachten An- oder Abschaltvorgang des Stroms in der Messspule. Mit anderen Worten ist also eine Halbschwingung der Rechteckspannung größer als 5*tau_max. Gemäß weiterer Ausführungsformen kann anstelle eines Zeitintervalls von 5*tau_max der An- oder Abschaltvorgangs des Stroms in der Messspule auch nach einem Vielfachen von tau_max z. B. bereits nach 2*tau_max, 3*tau_max oder auch 6*tau_max oder 7*tau_max als abgeschlossen betrachtet werden. Auch in diesem Zusammenhang wird auf den maximal auftretenden Wert von tau nämlich tau_max abgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Magnetventil angegeben, welches einen Kern aufweist, der entlang einer Axialrichtung bezüglich einer Doppelspule verschiebbar ist. Das Magnetventil umfasst außerdem eine Zustandsüberwachungseinheit, welche dazu eingerichtet ist in einem stationären Zustand des Magnetventils einen ersten Teil der Doppelspule als Haltespule und einen zweiten Teil der Doppelspule als Messspule zu verwenden bzw. einzusetzen. Außerdem ist die Zustandsüberwachungseinheit dazu eingerichtet eine Lesespannung an die Messspule anzulegen, welche eine Veränderung der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms bewirkt. Bevorzugt ist die Zustandsüberwachungseinheit dazu ausgelegt, die bereits erwähnte Rechteckspannung als Lesespannung an die Messspule anzulegen.
Die Zustandsüberwachungseinheit ist bevorzugt dazu ausgelegt, die Größe einer solchen Lesespannung so zu wählen, dass bedingt durch diese Spannung in der Messspule lediglich ein so geringer Strom fließt, dass eine von der Haltespule auf den Kern ausgeübte Haltekraft nicht unter einen vorgegebenen Wert vermindert wird.
Die Zustandsüberwachungseinheit ist außerdem dazu ausgelegt eine Größe der Stromstärke eines durch die Messspule fließenden Stroms zu einem ersten Zeitpunkt zu erfassen. Zu diesem Zweck kann ein Shunt-Widerstand, welcher mit der Messspule in Reihe gekoppelt ist, vorgesehen sein. Die Stromstärke des durch die Spule fließenden Stroms wird in diesem Fall anhand des an dem Shunt-Widerstand auftretenden Spannungsabfalls bevorzugt mit Hilfe eines Verstärkers abgetastet. Die Erfassung dieses ersten Messwertes erfolgt während des Ein- oder Ausschaltvorgangs des durch die Messspule fließenden Stroms. Bevorzugt ist die Zustandsüberwachungseinheit also dazu ausgelegt, eine erste Messung der Stromstärke innerhalb des bereits erwähnten Zeitintervalls durchzuführen, welches durch ein Vielfaches von tau_max, z. B. durch 5*tau_max definiert ist.
Ein zweiter Messwert für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms wird von der Zustandsüberwachungseinheit zu einem zweiten Zeitpunkt erfasst. Während dieses zweiten und späteren Zeitpunkts befindet sich der durch die Messspule fließende Strom in einem stationären Zustand.
Optional kann ein dritter Messwert von der Zustandsüberwachungseinheit erfasst werden. Dieser dritte Messwert gibt eine Größe der an die Messspule angelegten Lesespannung an.
Der auf diese Weise erfasste ersten bis dritte Messwert wird jeweils mit vorgegebenen Referenzwerten für diese Größen verglichen, um auf eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule zu schließen. Die Zustandsüberwachungseinheit umfasst zu diesem Zwecke bevorzugt einen programmierbaren Mikrocontroller, in welchem beispielsweise mit Hilfe von Referenzmessungen bestimmte Referenzkurven oder -werte hinterlegt sind. Aus einem Vergleich mit diesen Referenzwerten kann auf eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule geschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung der Referenzwerte stellt eine modellbasierte Berechnung dar, welche ebenfalls mit Hilfe des Mikrocontrollers erfolgen kann. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, schließt ein Vergleich zwischen Messwerten und Referenzwerten auch den Vergleich zwischen einer mathematischen Verknüpfung der Messwerte und einer gleichen mathematischen Verknüpfung der Referenzwerte ein. So kann beispielsweise aus dem ersten und zweiten Messwert für die Größe der Stromstärke zunächst ein Quotient gebildet werden, welcher mit einem Referenzquotient, der aus den Referenzstromstärken gebildet ist, verglichen wird. Anschließend kann ein Vergleich der als dritten Messwert erfassten Lesespannung mit einem entsprechenden Referenzwert erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zustandsüberwachungseinheit außerdem dazu ausgelegt, ein Warnsignal auszugeben, falls die ermittelte Position des Kerns außerhalb eines weiterhin bevorzugt in Bezug auf eine Endlage des Kerns vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. Zu diesem Zweck kann ein von der Zustandsüberwachungseinheit umfasster Mikrocontroller beispielsweise einen Binärausgang aufweisen oder ansteuern, wobei an diesem Ausgang ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben wird. Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Leuchtdiode (LED) an einen entsprechenden Ausgang des Mikrocontrollers gekoppelt sein. Bevorzugt kann diese LED in das Gehäuse des Magnetventils integriert sein. Wir eine Fehlfunktion festgestellt, kann die LED aktiviert werden.
Die Doppelspule des Magnetventils wird im Normalbetrieb zur Verschiebung des Kerns entlang der Axialrichtung zwischen den Endlagen verwendet. Zur Durchführung der Zustandsüberwachung wird einer der beiden Teile der Doppelspule als Messspule umgewidmet, wobei der andere Teil der Doppelspule nach wie vor als Haltespule fungiert. So kann eine Zustandsüberwachung in einem Magnetventil mit Doppelspule realisiert werden, ohne dass ein Schaltvorgang notwendig ist, und ohne dass Veränderungen an der Konstruktion des Magnetventils vorgenommen werden müssen.
Die Zustandsüberwachungseinheit kann außerdem dazu eingerichtet sein, die Stromstärke des ersten und des zweiten durch die Spule fließenden Strom und ggf. auch die an der Messspule anliegende Lesespannung zu einem fest vorbestimmten ersten bis dritten Zeitpunkt zu erfassen. Vorteilhaft muss ein von der Zustandsüberwachungseinheit umfasster Mikrocontroller also nicht in der Lage sein, Messwerte mit hoher Datenrate bzw. Abtastrate aufzunehmen. Folglich kann ein entsprechend einfacher und kostengünstiger Mikrocontroller zum Einsatz kommen.
Zur Erzeugung der sprunghaften Spannungsänderung an der Messspule kann die Zustandsüberwachungseinheit außerdem dazu ausgelegt sein, eine Rechteckspannung an die Messspule anzulegen. Zu diesem Zweck kann ein entsprechender Spannungsgenerator in die Zustandsüberwachungseinheit integriert werden.
Bereits im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren erwähnt Vorteile treffen in gleicher oder ähnlicher Weise auch auf das Magnetventil gemäß Aspekten der Erfindung zu, und sollen daher nicht wiederholt werden.
Figurenliste
Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt:

1 und 2 verschiedene zeitabhängige Verläufe der Stromstärke eines durch eine Spule eines Magnetventils fließenden Stroms während eines Einschaltvorgangs,
3 zeigt ein Magnetventil gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Schnittansicht,
4 ein vereinfachtes Schaltbild eines Magnetventils mit einer Zustandsüberwachungseinheit, gemäß einem Ausführungsbeispiel und
5 und 6 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine schematische und vereinfachte Darstellung der zeitabhängigen Stromstärke I eines durch eine Messspule eines Magnetventils fließenden Stroms. Zu einem Zeitpunkt t=0 ändert sich die an der Spule anliegende Klemmspannung sprunghaft, beispielsweise von U=0 auf U=U1>0. Beispielsweise kann eine zwischen U=0 und U=U1 alternierende Rechteckspannung an die Spule angelegt werden. Eine erste Kurve A zeigt den Verlauf der Stromstärke I in Abhängigkeit von der Zeit t für eine Spule, bei der sich der Kern an einer ersten Position befindet. Eine zweite zeitabhängige Kurve B zeigt den Verlauf der Stromstärke I in dieser Spule, wobei sich der Kern an einer zweiten Position befindet, die von der ersten Position verschieden ist.
Grundsätzlich folgt die Stromstärke I(t) in der Spule bei Anlegen der Spannung U1 der bekannten Gleichung: $I (t) = \frac{U1}{R} (1 - e^{- \frac{t}{tau}}),$
wobei R der ohmsche Widerstand der Spule ist und $t a u = \frac{L}{R}$
gilt. L ist die Induktivität der Spule, welche von der Position des Kerns abhängt. Dies schlägt sich im unterschiedlichen Verlauf der beiden Kurven A und B nieder.
Der qualitative Verlauf der beiden Kurven A und B ist durch die genannte Formel für I(t) beschrieben. Die Stromstärke I(t) nähert sich asymptotisch einem stationären Zustand, in dem die Größe der Stromstärke in der Messspule I_stat1 beträgt.
In 1 tritt der stationäre Zustand ab dem Zeitpunkt tc ein. Zu diesem Zeitpunkt tc hat die Stromstärke I(t) mehr als 99,3 % ihres Endwertes I_stat1 erreicht, so dass der Einschaltvorgang als abgeschlossen angesehen werden kann. Dieser Wert der Stromstärke I(t) ist nach einer Zeit t erreicht, welche dem Fünffachen der maximalen Zeitkonstante tau_max der Spule entspricht (tc=5*tau_max). Dies kann anhand der genannten Formel für I(t) nachvollzogen werden. Selbstverständlich können alternative Definitionen des stationären Zustands gefunden werden. So wäre es z. B. möglich, den stationären Zustand bereits nach Verstreichen einer Zeit von 3*tau_max oder auch erst nach Verstreichen von 7*tau_max anzunehmen.
Da der Wert für tau von der Position des Kerns abhängig und somit zunächst nicht bekannt ist, wird für die Definition des stationären Zustandes der maximal auftretende Wert für tau, welcher als tau_max bezeichnet wird, herangezogen. Handelt es sich bei der Messspule beispielsweise um eine Tauchspule in deren Innenraum sich der Kern bewegt, so tritt der maximale Wert für tau dann auf, wenn der Kern vollständig in die Spule eingetaucht ist. Der maximale Wert tau_max kann beispielsweise anhand einer Messung oder auch durch theoretische Berechnung ermittelt werden.
Unter der Annahme, dass die äußeren Randbedingungen abgesehen von der Position des Kerns konstant sind, kann der aktuelle Wert für tau und somit die Position des Kern anhand eines einzelnen Messwertes für die zum Zeitpunkt t1 anliegende Stromstärke I(t1) bestimmt werden.
Unterliegt das Magnetventil jedoch äußeren Einflüssen, durch die sich beispielsweise die Temperatur der Messspule ändert, so stellt sich die Situation verändert dar.
2 zeigt einen solchen Fall. Die Kurven A und B sind bereits aus 1 bekannt. Die dritte Kurve C zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Stromstärke des durch die Messspule fließenden Stroms, wobei sich der Kern an der gleichen Position wie bei Kurve A befindet. Im Vergleich zu den Kurven A und B ist bei der Messung C die Temperatur der Messspule jedoch erhöht. Aus diesem Grund nähert sich die Kurve C asymptotisch dem im Vergleich geringeren maximalen Wert I_stat2 für die Stromstärke an. Wird in einem solchen Fall lediglich eine einzige Messung zum Zeitpunkt t=t1 durchgeführt, so können die Kurven B und C nicht voneinander unterschieden werden, da sie zum Zeitpunkt t1 den gleichen Wert aufweisen. Die Position des Kerns bezüglich der Messspule wäre nicht eindeutig bestimmbar.
Um eine Positionsbestimmung des Kerns zu ermöglichen, mit anderen Worten also die Kurven A bis C eindeutig voneinander unterscheiden zu können, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine zweite Messung der Stromstärke I(t2) des durch die Messspule fließenden Stroms zum Zeitpunkt t2 vorgenommen. Im Gegensatz zum Zeitpunkt t1 der ersten Messung liegt der zweite Zeitpunkt t2 nicht innerhalb des durch tc=5tau_max definierten Intervalls. Der zweite Messwert wird zu einem zweiten Zeitpunkt t2 aufgenommen, zu dem der Einschaltvorgang als abgeschlossen angesehen werden kann. Zum Zeitpunkt t2 unterscheiden sich die Kurven B und C deutlich. Während sich die Kurve B asymptotisch dem Wert I_stat1 nähert, nähert sich die Kurve C asymptotisch dem Wert I_stat2. Durch die Messung zweier Stromstärken I(t1), I(t2) kann die Position des Kerns bezüglich der Messspule auch bei veränderlicher Temperatur eindeutig bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Vergleich der Messwerte mit zuvor gemessenen oder errechneten Referenzkurven bzw. Werten erfolgen.
3 zeigt ein Magnetventil 2 in einer vereinfachten Schnittansicht. Das Magnetventil 2 umfasst einen Hubankerantrieb, welcher aus einem Magnetjoch und zwei Magnetspulen besteht. Eine Haltespule 4 und eine Messspule 6 sind Teile einer Doppelspule. Sie umgeben einen Jochbolzen 3 bzw. einen Jochstopfen 5 und einen Kernbolzen 11, welche über Jochschenkel 7 miteinander verbunden sind. Das aus dem Jochbolzen 3, dem Jochstopfen 5, dem Kernbolzen 11 und den Jochschenkeln 7 gebildete Magnetjoch führt einen magnetischen Fluss Φ, welcher durch Pfeile 9 angedeutet ist. Das Magnetjoch ist lediglich durch einen Spalt der Höhe h zwischen dem Jochstopfen 5 und dem Kernbolzen 11 unterbrochen. Der Kernbolzen 11 ist axial beweglich geführt und ragt durch eine Öffnung des Jochschenkels 7, in die eine Polhülse 13 eingesetzt ist. Das freie Ende des Kernbolzens 11 trägt einen Dichtkörper 15, der mit einem Dichtsitz 17 zusammenwirkt. Eine Druckfeder 19, welche sich einerseits an dem Kernbolzen 11 und andererseits an einer Schulter abstützt, beaufschlagt den Kernbolzen 11 bzw. den Dichtkörper 15 in Richtung des Dichtsitzes 17.
Durch Wechselwirkung der Magnetfelder der Spulen 4, 6 mit dem Magnetjoch kann der Kernbolzen 11 entsprechend einem Hub zwischen einer ersten und einer zweiten Position, vorzugsweise zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage, bewegt und der Schaltvorgang des Ventils 2 ausgelöst werden.
4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des Magnetventils 2. Gezeigt sind die Haltespule 4 und die Messspule 6. Durch Wechselwirkung der Magnetfelder dieser Spulen 4, 6 mit einem in 4 nicht dargestellten Magnetjoch kann der Schaltvorgang des Ventils 2 ausgelöst werden.
Zur Zustandsüberwachung des Magnetventils 2 wird eine Zustandsüberwachungseinheit 8 eingesetzt, bei welcher es sich bevorzugt um einen Mikrocontroller handelt. Um die Position des Kerns bezüglich der Messspule 6 zu bestimmen, wird an die Messspule 6 eine Lesespannung angelegt, durch welche die an der Messspule 6 anliegende Klemmspannung sprunghaft verändert wird. Bevorzugt geschieht dies, indem ein Rechtecksignal an einen Schalter 10 angelegt wird. Diese Steuerung des Schalters 10 führt dazu, dass eine Lesespannung in die Messspule 6 angelegt wird, bei der es sich wiederum um eine Rechteckspannung handelt. Zu diesem Zweck ist die Messspule 6 auf einer Seite mit der Versorgungsspannung VIN und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Schalter 10 verbunden. Der Schalter 10 ist wiederum über einen Shunt-Widerstand 12 mit Masse gekoppelt. Zu einem ersten Zeitpunkt t1, welcher zeitlich vor tc=5tau_max liegt, wird eine erste Stromstärke I(t1) des durch die Messspule 6 fließenden Stroms als erster Messwert bestimmt. Diese Strommessung erfolgt bevorzugt durch Messung des Spannungsabfalls über dem Shunt-Widerstand 12, wobei ein geeigneter Verstärker 14 eingesetzt werden kann.
Zu diesem Zweck ist ein erster Eingang des Verstärkers 14 an den Shunt-Widerstand 12 und ein zweiter Eingang mit Masse gekoppelt. An seinem Ausgang stellt der Verstärker 14 ein Signal zur Verfügung, welches von der Zustandsüberwachungseinheit 8 ausgewertet werden kann. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2, wobei t2>tc gilt, wird eine zweite Stromstärke I(t2) des durch die Messspule 6 fließenden Stroms als zweiter Messwert bestimmt. Zusätzlich kann die Zustandsüberwachungseinheit 8 dazu eingerichtet sein, die Eingangsspannung VIN, welche die Größe der an die Messspule 6 angelegten Lesespannung definiert, als dritten Messwert zu erfassen. Dies erfolgt bevorzugt über einen aus den Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler.
In der Zustandsüberwachungseinheit 8 werden die ermittelten drei Messwerte mit entsprechenden Referenzwerten für diese Größen verglichen, sodass auf eine Position des Kerns bezüglich der Messspule 6 geschlossen werden kann. Selbstverständlich kann auch eine mathematische Verknüpfung der Messwerte mit einer erstsprechenden mathematischen Verknüpfung der Referenzwerte verglichen werden. Beispielsweise kann an Quotient aus dem ersten und zweiten Messwert für den durch die Messspule 6 fließenden Strom mit einem Quotient der entsprechenden Referenzwerte verglichen werden. Liegt die Position des Kerns außerhalb vorgegebener Toleranzwerte, kann ein Warnsignal am Ausgang OUT ausgegeben. Dieses Signal kann ein binäres Signal sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine als Warnhinweis dienende Leuchtdiode (LED) 16, welche über einen Widerstand zwischen Masse und einen Ausgang der Zustandsüberwachungseinheit 8 gekoppelt ist, aktiviert werden. Diese LED 16 kann bevorzugt in ein Gehäuse des Magnetventils 2 integriert sein, sodass eine Fehlfunktion für einen Benutzer unmittelbar ablesbar ist. Beispielsweise kann die LED 16 durch dauerhaftes Leuchten den fehlerfreien Betrieb des Magnetventils 2 anzeigen, wohingegen durch ein Blinken der LED auf eine Fehlfunktion hingewiesen werden kann.
Ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das in den 5 und 6 gezeigte Flussdiagramm beispielhaft erläutert.
Nach dem Start 101 der Zustandsüberwachung werden zunächst entsprechende Bauteile des Magnetventils 2, insbesondere die auf der Zustandsüberwachungseinheit 8 laufende Software initialisiert 102. Zu Beginn 103 eines ersten Messzyklus wird die Lesespannung an die Messspule 6 angelegt 104, indem beispielsweise eine Flanke der Rechteckspannung den Schalter 10 schließt. Gleichzeitig mit Beginn des Messzyklus 103 wird ein Timer gestartet, sodass in Schritt 105 abgefragt werden kann, ob bereits der Zeitpunkt t1 zur Durchführung einer ersten Messung der Stromstärke I(t1) erreicht ist. Der vorbestimmte Zeitpunkt t1 kann beispielsweise durch vorangehende Untersuchungen und Messungen ermittelt werden und anschließend als fester Wert in der Software der Zustandsüberwachungseinheit 8 hinterlegt werden.
Ist der Zeitpunkt t=t1 erreicht, so wird eine erste Größe der Stromstärke in Schritt 106 erfasst. Anschließend erfolgt die Messung der Größe der Lesespannung in Schritt 107. Sobald der Zeitpunkt t2 erreicht ist (wobei t2>tc=5tau_max gilt), ist der in Schritt 108 durchgeführte Vergleich positiv und es folgt eine zweite Messung der Stromstärke I(t2) in Schritt 109. In diesem Schritt 109 wird die Stromstärke des im stationären Zustand durch die Messspule 6 fließenden Stroms gemessen.
Die Zustandsüberwachung des Magnetventils 2 erfolgt in regelmäßigen Intervallen T, wobei der Wert T so gewählt ist, dass T/2 größer ist als 5*tau_max. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Zeitpunkt t2 der zweiten Messung (Schritt 109) oberhalb von 5*tau_max liegt und die Stromstärke des im quasistationären Zustand fließenden Stroms erfasst wird. Der Wert für T wird beispielsweise durch die Frequenz der von der Zustandsüberwachungseinheit 8 abgegebenen Rechteckspannung vorgegeben. Im Schritt 110 erfolgt ein Vergleich der aktuellen Zeit t mit T/2. Eine Abschaltung der an der Messspule 6 anliegenden Lesespannung, beispielsweise durch Öffnen des Schalters 10, erfolgt sobald der Zeitpunkt T/2 verstrichen ist (Schritt 111).
In einem nächsten, in 6 gezeigten Schritt 112 erfolgt eine Auswertung der Messwerte, d. h. eine Auswertung der zum Zeitpunkt t1 und t2 gemessenen Stromstärke I(t1), I(t2) sowie eine Auswertung der an der Messspule 6 anliegenden Lesespannung. In einem Vergleichsschritt 113 werden die Messwerte mit entsprechenden in der Zustandsüberwachungseinheit 8 hinterlegten Referenzwerten verglichen. Sollte dieser Vergleich negativ ausfallen, mit anderen Worten festgestellt werden, dass sich der Kern außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches befindet, folgt das Verfahren dem Ast 114 und am Ausgang OUT wird ein Fehlersignal im Schritt 115 bereitgestellt. Alternativ kann in Schritt 115 die Leuchtiode 16 aktiviert werden. Fällt in dem Vergleichsschritt 113 der Vergleich positiv aus, d. h. der Kern befindet sich innerhalb der vorgegebenen Toleranzbereiche, so werden im darauffolgenden Schritt 116 ggf. zuvor angezeigte Fehler zurückgesetzt. Der Messzyklus endet sobald die Laufzeit t das vorgegebene Intervall T des Messzyklus erreicht hat, was in Vergleichsschritt 117 festgestellt wird. Nach Feststellung der Beendigung des Messzyklus in Schritt 118, wird dieser, wie durch den Ast 119 dargestellt, erneut in Schritt 103 initialisiert.

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils (2) mit einem Kern, der entlang einer Axialrichtung bezüglich einer Doppelspule verschiebbar ist, wobei in einem stationären Schaltzustand des Magnetventils ein erster Teil der Doppelspule als Haltespule (4) und ein zweiter Teil der Doppelspule als Messspule (6) verwendet wird, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Anlegen einer sich sprunghaft ändernden Lesespannung an die Messspule (6), wobei die Lesespannung eine Veränderung der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms bewirkt, b) Erfassen eines ersten Messwerts für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem ersten Zeitpunkt (t1) während eines durch die angelegte Lesespannung bedingten Ein- oder Ausschaltvorgangs des durch die Messspule (6) fließenden Stroms, c) Erfassen eines zweiten Messwertes für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem zweiten und späteren Zeitpunkt (t2) während eines stationären Zustands des durch die Messspule (6) fließenden Stroms, d) Vergleichen des ersten und zweiten Messwerts mit vorgegebenen Referenzwerten, um eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule (6) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als dritter Messwert die Größe der an die Messspule (6) angelegten Lesespannung erfasst wird, und bei dem während des zur Bestimmung der Position des Kerns durchgeführten Vergleichsschritt zusätzlich dieser dritte Messwert mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird, um eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule (6) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Größe und/oder ein Vorzeichen der Lesespannung so gewählt sind bzw. ist, dass ein durch die Lesespannung in der Messspule (6) erzeugter Strom eine von der Haltespule (4) auf den Kern ausgeübte Haltekraft nicht unter einen vorgegebenen Wert vermindert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Warnsignal ausgegeben wird, falls die ermittelte Position des Kerns außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, insbesondere eines in Bezug auf eine Endlage des Kerns definierten Toleranzbereichs, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Übergang zwischen dem Ein- oder Ausschaltvorgang und dem stationären Zustand des durch die Messspule (6) fließenden Stroms durch ein Vielfaches, bevorzugt durch das Fünffache, einer maximalen Zeitkonstante (tau_max) der Messspule (6), bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassung des ersten und zweiten Messwertes und ggf. auch die Erfassung des dritten Messwertes zu einem fest vorgegebenen ersten und zweiten und ggf. dritten Zeitpunkt (t1, t2, t3) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lesespannung eine Rechteckspannung ist, deren Periodendauer (T) so gewählt ist, dass eine Halbschwingung der Rechteckspannung zeitlich betrachtet länger als der Ein- oder Ausschaltvorgang des durch die Messspule (6) fließenden Stroms ist.
Magnetventil (2) mit einem Kern, der entlang einer Axialrichtung bezüglich einer Doppelspule verschiebbar ist, und mit einer Zustandsüberwachungseinheit (8), welche dazu eingerichtet ist: a) in einem stationären Schaltzustand des Magnetventils (2) einen ersten Teil der Doppelspule als Haltespule (4) und einen zweiten Teil der Doppelspule als Messspule (6) einzusetzen, b) eine sich sprunghaft ändernde Lesespannung an die Messspule (6) anzulegen, wobei die Lesespannung eine Veränderung der Größe des durch die Messspule (6) fließenden Stroms bewirkt, c) einen ersten Messwert für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem ersten Zeitpunkt (t1) während des Ein- oder Ausschaltvorgangs des durch die Messspule fließenden Stroms zu erfassen, d) einen zweiten Messwert für die Größe der Stromstärke des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu einem zweiten und späteren Zeitpunkt (t2) während eines stationären Zustands des durch die Messspule (6) fließenden Stroms zu erfassen, e) den ersten und zweiten Messwert mit vorgegebenen Referenzwerten zu vergleichen, um eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule (6) zu ermitteln.
Magnetventil (2) nach Anspruch 8, bei dem die Zustandsüberwachungseinheit (8) dazu eingerichtet ist eine Größe der an die Messspule (6) angelegten Lesespannung als dritten Messwert zu erfassen, und zusätzlich den dritten Messwert mit einem vorgegebenen Referenzwert zu vergleichen, um eine Position des Kerns in Bezug auf die Messspule (6) zu bestimmen.
Magnetventil (2) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zustandsüberwachungseinheit (8) dazu eingerichtet ist, den ersten und zweiten Messwert und ggf. den dritten Messwert zu einem fest vorgegebenen ersten und zweiten und ggf. dritten Zeitpunkt (t1, t2, t3) zu erfassen.
Magnetventil (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Zustandsüberwachungseinheit (8) dazu eingerichtet ist, eine Rechteckspannung als Lesespannung an die Messspule (6) anzulegen, deren Periodendauer (T) so gewählt ist, dass eine Halbschwingung der Rechteckspannung zeitlich betrachtet länger als der Ein- oder Ausschaltvorgang des durch die Messspule (6) fließenden Stroms ist.