DE102016120655A1

DE102016120655A1 - Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102016120655A1
Application number: DE102016120655.5A
Authority: DE
Inventors: Kruno Pranjic; Boris Belosowskij
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2036-10-29
Also published as: DE102016120655B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils, bei welchem ein Elektromagnet (2) einen Stößel (8) von einer Ausgangsposition in eine Stellposition verlagert, wobei der Stößel (8) von der Federkraft wenigstens einer Rückstellfeder (10, 11, 12) in die Ausgangsposition zurück gedrückt wird, wobei die durch Rückstellung des Stößels (8) in dem Elektromagneten (2) induzierte Spannung (Um) als Funktion (F1) der Zeit (t) nach dem Ausschalten des Spulenstroms (I) von einer Messeinheit (14) erfasst und von eine Auswerteinheit (15) mit Referenzwerten verglichen wird oder wobei eine jeweils aus der Funktion (F1) der gemessenen induzierten Spannung (Um) mathematisch abgeleiteten Funktion (F3) mit Referenzwerten verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Magnetventile werden vielfach im Zusammenhang mit hydraulischen Systemen verwendet, insbesondere in Kombination mit Ventilpatronen. Es handelt sich bei Ventilpatronen um sehr kompakte Bauelemente mit einer Vielzahl von mechanischen Komponenten, insbesondere beweglichen Stößeln, Kolben, Ventilen etc., die in der richtigen Reihenfolge zu bewegen sind.
Im unbelasteten Zustand soll ein solches Ventil eine definierte Ausgangsposition einnehmen. Daher sind in der Regel Rückstellmechanismen vorgesehen. Bei den Rückstellkräften kann es sich um Federkräfte handeln oder auch um hydraulische Kräfte. Die jeweilige Schaltstellung des Ventils kann über externe Sensoren, die an unterschiedlichen Stellen im Hydraulikkreis angebracht sind, überprüft werden. Auch visuelle Überprüfungen sind möglich, beispielsweise indem ein Stößel ein- oder ausgefahren wird. Schwieriger ist die Ventilüberwachung, wenn die Versorgungsspannung ausgeschaltet wird. Wenn der Strom ausfällt, soll das Ventil in seine Ausgangsstellung zurückgestellt werden. Mit welcher Güte, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit dies erfolgt, lässt sich nur mittelbar über Messungen im Hydraulikkreis feststellen. Diese Messungen erfordern zusätzliche Sensoren oder Vorrichtungen. Möchte man sich ein Bild über den internen Zustand einer Ventilpatrone machen, die über einen Elektromagneten angesteuert wird, ist in der Regel eine Demontage des Magnetventils erforderlich.
Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils aufzuzeigen, welches ohne Demontage des Magnetventils Rückschlüsse auf die Rückstellfähigkeiten in eine Ausgangsposition zulässt.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zustandsüberwachung bezieht sich auf Magnetventile, die einen Elektromagneten und einen Stößel besitzen, der von dem Elektromagneten von einer Ausgangsposition in eine Stellposition verlagert wird. Der Stößel wirkt dabei gegen die Federkraft wenigstens einer Rückstellfeder. Wenigstens eine Rückstellfeder drückt den Stößel in die Ausgangsposition zurück. Die Rückstellbewegung des Stößels induziert in dem Elektromagneten eine Spannung, die als Funktion der Zeit nach dem Ausschalten des Spulenstroms von einer Messeinheit erfasst wird. Die Messwerte werden einer Auswerteeinheit zugeführt und mit Referenzwerten verglichen. Der Vergleich kann unmittelbar auf Basis der gemessenen Werte erfolgen oder alternativ auf Basis mathematisch umgewandelter Werte, insbesondere im Hinblick auf eine mathematisch abgeleitete Funktion, über welche der Gradient des Spulenstroms über der Zeit ausgedrückt wird. Die Referenzwerte, mit welchen der Gradient verglichen wird, bilden in diesem Fall ebenfalls eine Gradientenfunktion.
Die Erfindung nutzt die Möglichkeit, den Verlauf der beim Abschalten induzierten Spannung auszuwerten, um Rückschlüsse auf den mechanischen Zustand des Magnetventils ziehen zu können. Dadurch können zusätzliche Sensoren oder Vorrichtungen eingespart werden, die beispielsweise mittelbar im Hydraulikkreis des Magnetventils angeordnet sein müssten, um dessen Schaltzustand zu detektieren. Selbstverständlich ist keine Demontage des Magnetventils erforderlich, um dessen Zustand zu verifizieren, insbesondere was den Zustand der wenigstens einen Rückstellfeder angeht. Es genügt eine elektrische Messeinheit und eine Auswerteeinheit, die auch nachträglich einfach anschließbar sind.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass ein plötzliches Abschalten eines Spulenstromes eines Elektromagneten nicht möglich ist. In der Realität entsteht durch die Unterbrechung der Stromzufuhr eine Spannungsspitze in umgekehrter Polarität, deren Höhen nur von der parasitären Kapazität der Spule und anderen spannungsbegrenzenden Effekten abhängt. Bevorzugt ist daher eine parallel geschaltete Schutzdiode vorgesehen, die beim Abschalten des Spulenstroms das Weiterfließen des Stroms ermöglicht und die der Spule gespeicherte magnetische Energie in Wärmeenergie umwandelt. Eine Diode besitzt einen gewissen Arbeitsbereich. Genau dieser Arbeitsbereich wird beim Ausschalten der Elektromagnete elektronisch erfasst und vorzugsweise der Gradient der gemessenen Spannung ermittelt. Aus diesem Gradienten-Diagramm der Spannung lässt sich die mechanische Bewegung des Stößels ablesen, wobei der Elektromagnet des Magnetventils als Sensor zur Zustandsüberwachung des Magnetventils genutzt wird. Die Messzeit ist dabei größer als die Zeit, die erforderlich ist, um den Stößel in die Ausgangsposition zu verlagern, um alle möglichen Einflüsse der Rückstellkräfte erfassen zu können. Hat der Stößel seine Ausgangsposition erreicht, ist eine Weiterführung der Messung nicht mehr notwendig.
Bei der Messung wird maßgeblich auf Vorzeichenwechsel des Gradienten geachtet, wobei die Anzahl der Vorzeichenwechsel geprüft wird. Zusätzlich wird der Zeitpunkt der Vorzeichenwechsel geprüft. Beides sind Anzeichen dafür, ob eine Rückstellfeder, die eine bestimmte Rückstellkraft auf den Stößel ausübt, ob sie überhaupt wirkt oder zum richtigen Zeitpunkt wirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

1 ein Magnetventil im Querschnitt;
2 den Verlauf von Strom und Spannung beim An- und Ausschalten eines Solenoids eines Magnetventils;
3 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Diagramm der Spannung und des Gradienten der Spannung über der Zeit mit einem Ventil im Normalbetrieb;
5 ein Diagramm der Spannung und des Gradienten der Spannung bei fehlender Antwort einer Feder und
6 ein Diagramm der Spannung und des Gradienten bei verzögerter Antwort einer Rückstellfeder.

1 zeigt ein Magnetventil 1. Das Magnetventil 1 umfasst einen Elektromagneten 2 mit einem Kern 3 sowie mit mehreren beweglichen Stößeln 4, 5, 6, 7, 8. Die Stößel 4 bis 7 befinden sich in einer Ventilpatrone 9. Sie sind in Reihe intereinander geschaltet. Auf die Stößel 4 bis 8 wirken Rückstellfedern 10, 11, 12, um die Stößel 4 bis 8 in einer Ausgangsstellung zu halten. Bei Abschaltung des Stroms, der den Elektromagneten versorgt, schieben die Rückstellfedern 10 bis 12 die Stößel 4 bis 8 in die Ausgangsposition, d. h. in der Bildebene der 5 nach rechts. Das ist der Anfangszustand, in welchem das Magnetventil 1 unbestromt ist. Durch die Federkräfte, die von den einzelnen Rückstellfedern 10, 11, 12 auf die einzelnen Stößel 4 bis 8 ausübt werden, überträgt sich der Einfluss der einzelnen Rückstellfedern 10 bis 12 auf den zentralen Stößel 5 innerhalb des Kerns 3. Die Rückstellbewegung des zentralen Stößels 5 innerhalb des Kerns 3 bewirkt die Induktion einer Spannung in dem Elektromagneten 2, die sich mit der durch das Abschalten induzierten Spannung überlagert.
2 zeigt die grundsätzlichen Zusammenhänge. In der oberen Hälfte des Diagramms ist die Spannung beim Ein- und Ausschalten eines Elektromagneten dargestellt. Darunter ist der Stromverlauf I dargestellt. Nachfolgend wird nur der Fall betrachtet, wenn der Strom I ausgeschaltet wird. Zum Zeitpunkt t21 des Ausschaltens des Stroms I wird eine Spannung Um mit umgekehrten Vorzeichen induziert, die üblicherweise ohne den Einfluss einer Feder abgebaut wird. Die Kurve folgt theoretisch einer Exponentialfunktion. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Exponentialfunktion allerdings durch die Rückstellwirkung einer Federkraft überlagert, die auf einen Stößel wirkt, so dass sich ein bogenförmiger Verlauf mit einem lokalen Maximum bei t22 ergibt. Zum Zeitpunkt t23 liegt der Stößel des Magnetventils in seiner Ausgangslage an. Die induzierte Spannung ist abgebaut. Die Rückstellfeder hat keine weitere Wirkung auf den gemessenen Spannungsverlauf.
3 zeigt einen Blockschaltplan zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Rm steht für den magnetischen Widerstand der Spule des Elektromagneten. Über diesen Widerstand wird die durch den Elektromagneten 2 fließende Spannung Um gemessen. Parallel zum magnetischen Widerstand Rm sind eine Diode D und ein ohmscher Widerstand R geschaltet, um die induzierte Spannung beim Ein- und Anschalten der Spule zu begrenzen. Der Elektromagnet wird über eine Steuerung 13 angesteuert. Zusätzlich ist eine Messvorrichtung 14 und eine Auswerteeinheit 15 dargestellt, die wiederum mit der Messvorrichtung 14 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 15 dient dazu, die von der Messvorrichtung 14 gemessenen Spannungen auszuwerten und insbesondere mathematisch abzuleiten, um einen Gradienten der induzierten Spannung über der Zeit zu ermitteln und mit Referenzwerten zu vergleichen. In nicht näher dargestellter Weise können Mittel zur Visualisierung der Messergebnisse oder der ausgewerteten Ergebnisse vorgesehen sein (Bildschirm, Drucker etc.).
4 zeigt den Spannungsverlauf während der Abschaltphase des Elektromagneten, aufgetragen über der Zeit. Die Funktion F1 ist die von der Messvorrichtung 14 erfasste Spannung über der Messzeit t. Der Messzeitraum Tm beginnt bei t0. Die Kurve F1 zeigt, dass die Spannung Um das Vorzeichen wechselt. Würde der Stößel ohne Rückstellkraft sein, würde sich die Spannung gemäß der Kurve F2 langsam abbauen. Die Rückstellbewegung des Stößels wird jedoch von mehreren Federkräften mehrerer in Reihe geschalteter Rückstellfedern überlagert. Ab dem Zeitpunkt t1 fängt der Stößel an, sich unter der Wirkung der Federkraft zu bewegen. Ab dem Zeitpunkt t2 verliert eine erste Feder ihre Wirkung und die Federkraft der zweiten Rückstellfeder greift ein. In gleicher Weise wird die Rückstellbewegung fortgesetzt bis zum Zeitpunkt t3. Dort verliert auch die zweite Rückstellfeder ihre Wirkung und die dritte Rückstellfeder greift in den Rückstellablauf ein.
In der unteren Hälfte des Diagramms ist achsensynchron der Gradient der gemessenen Spannung Um dargestellt. Der Gradient wurde auf einen Maximal- und einen Minimalwert begrenzt. Es ist zu erkennen, dass beim Zeitpunkt t1 ein Vorzeichenwechsel des Gradienten auftritt. Dieser Vorzeichenwechsel wird nach einem Messzeitraum T21 erwartet. Bei einem normal funktionierenden Magnetventil müsste dann nach einem weiteren Messintervall T22 ein weiterer Vorzeichenwechsel des Gradienten von dem positiven in den negativen Bereich auftreten. Genauso verhält es sich zum Zeitpunkt t3 nach einem weiteren Messzeitraum T23. Schließlich soll der Stößel nach Ablauf eines weiteren Messzeitraums T24 seine Endposition erreicht haben. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messung noch ein wenig fortgesetzt.
Aus dem Verlauf des Gradienten können Referenzwerte bzw. eine Referenzfunktion für ein funktionierendes Magnetventil bestimmt werden. Diese Referenzfunktion wird als Funktion F3 bezeichnet und leitet sich unmittelbar aus der gemessenen Funktion F1 der Spannung über den Elektromagneten ab.
Diese Referenzfunktion F3 kann dem Betreiber des Magnetventils zur Verfügung gestellt werden, so dass die Möglichkeit besteht, spätere Messungen mit der Referenzfunktion F3 zu vergleichen.
5 zeigt beispielsweise eine Kurve eines Magnetventils, die qualitativ mit der Kurve F1 übereinstimmt, allerdings fehlte zum Zeitpunkt t2 eine Antwort einer Feder. In der unteren Kurve der Gradienten fehlt mithin ein Vorzeichenwechsel zu diesem Zeitpunkt. Hieraus kann man schließen, dass die Feder, die zum Zeitpunkt t2 eine Antwort geben müsste, komplett versagt hat und damit keine Rückstellkraft ausübt und somit keine Auswirkung auf die Spule hat.
Das Ausführungsbeispiel der 6 zeigt wiederum die Kurve F1 der Feder, die mit der Kurve F1 der 4 qualitativ übereinstimmt. Es fehlt auch nicht an einem Vorzeichenwechsel des Gradienten. Jedoch kommt der Vorzeichenwechsel, d. h. die Antwort der Feder, die zum Zeitpunkt t2 erwartet wurde, zu einem verzögerten Zeitpunkt. Daraus lässt sich ableiten, dass die Feder zwar ihren Beitrag leistet, allerdings die vorangegangene Feder auf einen zusätzlichen Widerstand gestoßen ist, z. B. durch Reibung oder dass eine der Federn ihre Spannkraft verloren hat. Hier liegt ebenso ein mechanisches Problem des Magnetventils vor, genau wie bei demjenigen, dessen Messdiagramm in 5 dargestellt ist. Aufgrund dieser Erkenntnisse können die defekten mechanischen Komponente gezielt überprüft und bei Bedarf ausgetauscht werden.
Bezugszeichenliste

1 -: Magnetventil
2 -: Elektromagnet
3 -: Kern
4 -: Stößel
5 -: Stößel
6 -: Stößel
7 -: Stößel
8 -: Stößel
9 -: Ventilpatrone
10 -: Rückstellfeder
11 -: Rückstellfeder
12 -: Rückstellfeder
13 -: Steuerung
14 -: Messeinheit
15 -: Auswerteeinheit
D -: Diode
R -: ohmscher Widerstand
Rm -: magnetischer Widerstand
F1 -: Spannungsverlauf
F2 -: Spannungsverlauf
F3 -: Gradient von F1
Um -: Spannung

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Magnetventils, bei welchem ein Elektromagnet (2) einen Stößel (8) von einer Ausgangsposition in eine Stellposition verlagert, wobei der Stößel (8) von der Federkraft wenigstens einer Rückstellfeder (10, 11, 12) in die Ausgangsposition zurück gedrückt wird, wobei die durch Rückstellung des Stößels (8) in dem Elektromagneten (2) induzierte Spannung (Um) als Funktion (F1) der Zeit (t) nach dem Ausschalten des Spulenstroms (I) von einer Messeinheit (14) erfasst und von eine Auswerteinheit (15) mit Referenzwerten verglichen wird oder wobei eine jeweils aus der Funktion (F1) der gemessenen induzierten Spannung (Um) mathematisch abgeleiteten Funktion (F3) mit Referenzwerten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient (F3) der induzierten Spannung (Um) über der Zeit (t) ermittelt und mit Referenzwerten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Gradienten (F3) auf einen Maximal- und Minimalwert begrenzt ist.
Verfahren Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass je Rückstellfeder (10, 11, 12) zwei Vorzeichenwechsel des Gradienten (F3) auftreten, wobei die Anzahl der Vorzeichenwechsel geprüft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je Rückstellfeder (10, 11, 12) zwei Vorzeichenwechsel des Gradienten (F3) auftreten, wobei der Zeitpunkt der Vorzeichenwechsel überprüft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzeit (Tm) größer ist als die Zeit (T2), die erforderlich ist, um den Stößel (8) in die Ausgangsposition zu verlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Elektromagneten (2) eine Diode (D) geschaltet ist, welche durch Selbstinduktion beim Anschalten der Spannung entstehenden Spannungsspitzen begrenzt.