DE102020134425A1

DE102020134425A1 - Verfahren zur Diagnose eines Ventils, Diagnosemodul sowie Ventil

Info

Publication number: DE102020134425A1
Application number: DE102020134425.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Klaiber; Holger Schwab; Florian Fischer
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US20220196184A1; CN114645968A

Abstract

Ein Verfahren zur Diagnose eines Ventils (10) ist beschrieben, das einen elektrodynamischen Aktor (24) hat, der eine Spule (26), eine bewegliche Magnetanordnung (30) zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein bewegliches Stellglied (28) umfasst, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung (30) gekoppelt ist. Es wird zumindest eine elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors (24) gemessen. Die elektrische Größe wird in Bezug zu einer Bezugsgröße ausgewertet, um wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors (24) zugeordnet ist. Zudem sind ein Diagnosemodul (40) und ein Ventil (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Ventils mit einem elektrodynamischen Aktor. Ferner betrifft die Erfindung ein Diagnosemodul für ein Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor sowie ein Ventil.
In der Fluidtechnik werden typischerweise Ventile eingesetzt, die einen elektromagnetischen Aktor aufweisen. Bei den bekannten elektromagnetischen Aktoren wird ein Anker aus einem magnetischen Material mittels eines durch eine Spule erzeugten Magnetfelds bewegt, wodurch die Stellung des Ventils verändert wird. Insbesondere bei einer Miniaturisierung der Ventile sind die Möglichkeiten, einerseits raumsparend zu konstruieren und andererseits genügend Magnetkraft zur Verfügung zu stellen, begrenzt. Dies liegt daran, dass bei einer kleinen Spule die erreichbare Magnetfeldstärke stark abnimmt, beziehungsweise der maximal mögliche Strom entsprechend eingeschränkt ist.
Im Gegensatz zu den bekannten elektromagnetischen Aktoren hängt die Magnetfeldstärke bei elektrodynamischen Aktoren vom Volumen der im Aktor eingesetzten Permanentmagnete der Magnetanordnung ab. Eine Reduzierung des Volumens der Permanentmagnete der Magnetanordnung wirkt sich vergleichsweise weniger stark auf die zur Verfügung stehenden Magnetfeldstärke aus als die Reduzierung der Spulengröße bei einem elektromagnetischen Aktor. Daher lassen sich mit elektrodynamischen Aktoren, auch bei kleinen Raumgrößen bzw. Miniaturisierungen der Ventile entsprechend hohe Magnetkräfte erzeugen. Ein derartiger elektrodynamischer Aktor ist beispielsweise aus der DE 10 2013 110 029 C5 bekannt.
Die elektrodynamischen Aktoren werden üblicherweise bei Ventilen eingesetzt, die wenig Bauraum zur Verfügung stellen. Insofern ist es bei diesen Ventilen auch nicht möglich, eine Sensorik vorzusehen, über die der Zustand des Ventils überwacht oder entsprechende Diagnosefunktionen des Ventils durchgeführt werden können. Insbesondere lassen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zur Hubbestimmung bei Ventilen mit elektrodynamischem Aktor nicht verwenden, da der elektrodynamische Aktor einen verhältnismäßig kleinen Hub aufweist, was mit den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren nicht zuverlässig erfasst werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Diagnose bei einem Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor in einfacher und kostengünstiger Weise zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Ventils mit einem elektrodynamischen Aktor, der eine, insbesondere ortsfeste, Spule, eine, insbesondere relativ zur Spule, bewegliche Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein, insbesondere relativ zur Spule, bewegliches Stellglied umfasst, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung gekoppelt ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Messen zumindest einer elektrischen Größe des elektrodynamischen Aktors, und
- Auswerten der elektrischen Größe in Bezug zu einer Bezugsgröße, um wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors zugeordnet ist.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Diagnosefunktion für das Ventil dadurch bereitzustellen, dass auf die zumindest eine elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors abgestellt wird, also den Strom und/oder die Spannung, der bzw. die beim Betrieb des elektrodynamischen Aktors verwendet wird. Der durch den elektrodynamischen Aktor, insbesondere die Spule, fließende Strom bzw. die am elektrodynamischen Aktor, insbesondere an der Spule, anliegende Spannung wird demnach gemessen und in Bezug zu einer Bezugsgröße gesetzt.
Bei der Bezugsgröße handelt es sich beispielsweise um die Zeit, sodass die elektrische Größe über die Zeit gemessen wird, um einen entsprechenden zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe über einen (durchgehenden bzw. zusammenhängenden) Messzeitraum zu erfassen. Dieser zeitliche Verlauf wird dann ausgewertet, um hierüber eine Diagnose des Ventils zu ermitteln, beispielsweise einen Zustand des Ventils zu bestimmen. Auch kann die elektrische Größe an einem einzelnen diskreten Messzeitpunkt oder an mehreren diskreten Messzeitpunkten gemessen werden. Hierdurch lässt sich die Datenmenge entsprechend reduzieren.
Beispielsweise wird die elektrische Größe in einem Zeitraster gemessen, sodass die elektrische Größe an den mehreren diskreten Messzeitpunkten gemessen wird. Das Zeitraster kann vorgegeben sein. Ebenso kann das Zeitraster manuell einstellbar bzw. auswählbar sein.
Bei dem einzelnen diskreten Messzeitpunkt kann es sich um einen signifikanten Punkt auf einer Kurve handeln, die durch die elektrische Größe und die Bezugsgröße gebildet ist, beispielsweise einem Maximum, einem Minimum oder einem Scheitelpunkt der Kurve.
Erfindungsgemäß kann somit eine direkte Auswertung des Zeitverhaltens der elektrischen Größe vorgesehen sein, wodurch die wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße des Ventils ermittelt wird, die durch die Bewegung des elektrodynamischen Aktors beeinflusst ist.
Auch kann die gemessene elektrische Größe in Bezug zu einer anderen Messgröße ausgewertet werden, die die Bezugsgröße darstellt. Insbesondere kann die gemessene elektrische Größe über die andere Messgröße ausgewertet werden oder umgekehrt, also die andere Messgröße über die gemessene elektrische Größe.
Die andere Messgröße kann ebenfalls gemessen sein. Es kann sich bei der anderen Messgröße um eine elektromagnetische Größe handeln.
Beispielsweise handelt es sich bei der anderen elektrischen Größe um den verketteten Fluss, also der gesamte magnetische Fluss der Spule, der sich bei der Integration der magnetischen Flussdichte über die Fläche ergibt, die durch die Spule samt ihren Zuleitungen gebildet wird.
Grundsätzlich kann die Induktion von der Geschwindigkeit der Bewegung der sich bewegenden Magnetanordnung sowie der magnetischen Flussdichte abhängen. Die Spule stellt dabei einen elektrischen Leiter dar, der bei Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Magnetfeld der Magnetanordnung wechselwirkt, welche sich dann bewegt, insbesondere senkrecht zur Magnetfeldrichtung. Mit anderen Worten kann durch die Auswertung der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße, beispielsweise des zeitlichen Verlaufs, die wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße ermittelt werden, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors zugeordnet ist.
Die Spule kann ortsfest sein, sodass sich die Magnetanordnung relativ zur Spule bewegen kann. Ebenso kann sich das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung gekoppelte Stellglied dann relativ zur ortsfesten Spule bewegen, wenn die Spule bestromt ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass sowohl die Magnetanordnung als auch die Spule beweglich sind, insbesondere relativ zueinander. Mit anderen Worten ist weder die Spule noch die Magnetanordnung ortsfest, sodass sich beide Komponenten des elektrodynamischen Aktors bewegen können, wenn die Spule bestromt ist.
In jedem Fall ist die Magnetanordnung beweglich.
Es ist demnach nicht notwendig, dass externe Sensoren, beispielsweise Wegsensoren, verwendet werden müssen, mit denen die Bewegung des Aktors erfasst wird, wie dies bei elektromagnetischen Aktoren typischerweise der Fall ist, welche auch als reluktanzbasierte Aktoren bezeichnet werden. Auch ist es erfindungsgemäß nicht notwendig, dass ein speziell moduliertes Signal verwendet und ausgewertet wird, um hierüber eine Diagnose des Ventils vorzunehmen. Vielmehr lässt sich erfindungsgemäß eine dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors zugeordnete Ventilgröße über das entsprechende Verhalten der messbaren elektrischen Größe in Bezug auf die Bezugsgröße ermitteln.
Über die Auswertung des Verhaltens, insbesondere des zeitlichen Verlaufs, der wenigstens einen elektrischen Größe lässt sich die wenigstens eine Ventilgröße ableiten, die für Diagnosen relevante Informationen enthält. Dagegen lässt sich mit den Sensoren, die bei den elektromagnetischen Aktoren verwendet werden, oftmals nur feststellen, ob eine für die Schaltung vorgesehene Spannung anliegt, nicht aber ob der Magnetanker sich auch tatsächlich bewegt hat. Sollte sich der Magnetanker nicht bewegen, weil dieser beispielsweise verkantet oder festgefahren ist bzw. das Ventil aufgrund von Ablagerungen verstopft ist, schaltet das Ventil mit dem elektromagnetischen Aktor nicht. Bisher wurde dies nicht direkt über das Ventil, sondern über eine zusätzliche Sensorik festgestellt, beispielsweise einem zusätzlichen Durchflusssensor.
Derartige Zustände bzw. Diagnosen lassen sich erfindungsgemäß direkt im Ventil über die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe des elektrodynamischen Aktors ermitteln.
Die entsprechende Auswertung erfolgt demnach basierend auf der Messung des Verhaltens der beim Schalten des Ventils auftretenden elektrischen Größe (Strom und/oder Spannung), die entsprechend gemessen wird, in Bezug auf die Bezugsgröße, insbesondere der Zeit oder einer anderen Messgröße wie einer elektromagnetischen Größe.
Ein Aspekt sieht vor, dass die elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors mittels eines Diagnosemoduls gemessen wird, das elektrisch in einen Stromkreis der Spule des elektrodynamischen Aktors eingefügt ist. Das Diagnosemodul kann demnach den Strom und/oder die Spannung messen, der durch den bzw. die am elektrodynamischen Aktor fließen bzw. anliegen, da das Diagnosemodul im Stromkreis eingebunden ist.
Bei der wenigstens einen Ventilgröße kann es sich um einen zurückgelegten Weg der Magnetanordnung, die Dauer der Bewegung der Magnetanordnung, ein Geschwindigkeitsprofil der Magnetanordnung und/oder ein Beschleunigungsprofil der Magnetanordnung handeln. Insofern lassen sich basierend auf dem Verhalten, insbesondere dem zeitlichen Verlauf, der zumindest einen elektrischen Größe entsprechende Bewegungsparameter des elektrodynamischen Aktors ermitteln, da diese einen Einfluss auf die Induktion haben, was entsprechend elektrisch gemessen wird. Im Gegensatz hierzu sind bei den Reluktanzaktoren keine Rückschlüsse auf den zurückgelegten Weg bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Reluktanzaktors möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird beim Auswerten der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße, insbesondere des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, eine Referenz herangezogen, wobei ein Vergleich vorgenommen wird, insbesondere wobei eine Differenz zwischen der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße f und der Referenz gebildet wird. Bei der Referenz kann es sich um einen zeitlichen Referenzverlauf der elektrischen Größe handeln. Insofern kann der zeitliche Verlauf mit dem zeitlichen Referenzverlauf verglichen werden. Folglich kann eine Differenz zwischen dem zeitlichen Verlauf und dem zeitlichen Referenzverlauf gebildet werden. Der zeitliche Referenzverlauf dient demnach dazu, entsprechende Abweichungen bei dem Betrieb des Ventils festzustellen, insbesondere des elektrodynamischen Aktors. Hierdurch kann die Ventilgröße entsprechend eindeutig bestimmt werden, sofern der zeitliche Verlauf eine charakteristische Abweichung vom Referenzverlauf aufweist. Alternativ kann als Referenz auch eine Kurve herangezogen werden, die das Verhalten der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße darstellt. Über die entsprechende Differenz, die bei einem Vergleich ermittelt werden kann, lassen sich so ebenfalls Abweichungen bei dem Betrieb des Ventils feststellen.
Bei der Differenzbildung, insbesondere des Referenzverlaufs und des gemessenen Verlaufs, kann der Einfluss der Induktion festgestellt werden, wodurch entsprechend auf das Bewegungsprofil geschlossen werden kann. Hierzu ist der Referenzverlauf bzw. die Referenz derart gewählt, dass keine Induktion vorliegt, also keine Bewegung der Magnetanordnung. Mit anderen Worten entspricht der Referenzverlauf bzw. die Referenz einer blockierten bzw. festgefahren Magnetanordnung.
Sollte demnach keine Differenz, insbesondere zwischen dem gemessenen Verlauf und dem Referenzverlauf, vorliegen, würde dies auf eine festgefahrene bzw. blockierte Magnetanordnung hinweisen.
Insbesondere schließen die elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße, beispielsweise der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe, und die Referenz, beispielsweise der zeitliche Referenzverlauf, zusammen eine Fläche ein, deren Flächeninhalt und/oder Form bestimmt bzw. analysiert wird. Der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe, beispielsweise die Stromkurve (über die Zeit), stellt ein Maß für die Geschwindigkeit des elektrodynamischen Aktors dar, insbesondere der beweglichen Magnetanordnung, sodass die Integration über den zeitlichen Verlauf dem zurückgelegten Weg der Magnetanordnung entspricht. Mit anderen Worten stellt der Flächeninhalt somit den zurückgelegten Weg der Magnetanordnung dar. Um die Beschleunigung der Magnetanordnung zu ermitteln, muss der gemessene zeitliche Verlauf der elektrischen Größe entsprechend nach der Zeit abgeleitet werden. Hierüber lässt sich demnach die induktionsabhängige Ventilgröße bestimmen, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors zugeordnet ist, insbesondere der Magnetanordnung.
Die Form des Verhaltens der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße, beispielsweise des zeitlichen Verlaufs, kann grundsätzlich, also unabhängig von der Referenz, insbesondere vom zeitlichen Referenzverlauf, ausgewertet werden, um die wenigstens eine Ventilgröße zu bestimmen. Aufgrund der Form lässt sich beispielsweise auf eine Schaltdauer des elektrodynamischen Aktors schließen, also die Dauer der Bewegung der Magnetanordnung. Auch kann das Geschwindigkeitsprofil der Magnetanordnung direkt aus der Form des zeitlichen Verlaufs ermittelt werden.
Ferner kann die Referenz, insbesondere der zeitliche Referenzverlauf, eine zuvor gemessene elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße, beispielsweise ein zuvor gemessener zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe, eine während des Verfahrens berechnete elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße, insbesondere ein während des Verfahrens berechneter zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe, oder eine näherungsweise geschätzte elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße sein, insbesondere ein näherungsweise geschätzter zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe. Der zuvor gemessene zeitliche Verlauf entspricht einem vorab aufgenommenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, beispielsweise einem vorab aufgenommenen Stromverlauf, der unter im Wesentlichen ähnlichen Umgebungsparametern aufgenommen worden ist, sodass ein Einfluss der Umgebungsparameter vernachlässigbar ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass beim Messen der elektrischen Größe eine entsprechende Berechnung vorgenommen wird, mit der der Referenzverlauf ermittelt wird, welcher mit dem gemessenen zeitlichen Verlauf in Bezug gestellt wird. Hierbei kann ausgehend von den ermittelten Messdaten eine entsprechende Näherung durchgeführt werden, sodass es sich beim zeitlichen Referenzverlauf um einen näherungsweise geschätzten Verlauf handelt.
Bei der als Referenzverlauf verwendeten Näherung kann ein rechteckiger Verlauf angenommen werden, sodass der Referenzverlauf einem Rechteck entspricht.
In analoger Weise kann die Referenz zuvor ermittelt worden sein, indem die elektrische Größe gemessen und in Bezug zur Bezugsgröße gesetzt worden ist. Ebenso können bzw. kann die elektrische Größe und/oder die Bezugsgröße während des Verfahrens berechnet bzw. abgeschätzt werden.
Grundsätzlich kann der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe zunächst mathematisch ausgewertet werden, um so die wenigstens eine Ventilgröße bei der Auswertung zu ermitteln. Beispielsweise wird zunächst ein mittlerer Endwert der gemessenen elektrischen Größe bestimmt, welcher dann von den jeweiligen gemessenen Werten der elektrischen Größe abgezogen wird, um einen modifizierten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe zu erhalten. Beim mittleren Endwert handelt es sich um einen Wert der gemessenen elektrischen Größe, der sich über eine vordefinierte Zeit nicht mehr oder nur in einem bestimmten Intervall verändert, sodass er als konstant über die vordefinierte Zeit angenommen wird. Beim mittleren Endwert wird also ein Ende des Schaltvorgangs bzw. der Bewegung des elektrodynamischen Aktors angenommen. Anschließend können die Werte des modifizierten zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe durch den mittleren Endwert geteilt werden, wodurch die so erhaltenen Werte unabhängig von einem Widerstand sind.
Abschließend kann eine Fläche unterhalb der entsprechenden Kurve bestimmt werden, wobei das Integral sowohl zeitunabhängig als auch unabhängig vom Widerstand ist.
Die entsprechend ermittelte Fläche kann noch mit einem Schwellenwert verglichen werden, um festzustellen, ob das Ventil auch tatsächlich geschalten hat oder nicht. Es lässt sich also der Zustand des Ventils entsprechend ermitteln.
Auch kann die elektrische Größe über einen Messzeitraum oder mehrere diskrete Messzeitpunkte gemessen werden, wobei die gemessenen Werte aufsummiert werden. Ein entsprechender Summenwert wird somit fortlaufend berechnet und in einem Speicher zwischengespeichert, insbesondere in einem Ringpuffer. Die im Ringpuffer gespeicherten Daten können verwendet werden, um den mittleren Endwert abzuschätzen, beispielsweise als gleitendes Mittel. Hierdurch kann der mittlere Endwert noch bei der Messung der elektrischen Größe ermittelt werden, insbesondere abgeschätzt werden.
Anschließend kann eine Berechnung der Fläche unterhalb der entsprechenden Kurve wie zuvor beschrieben erfolgen, wobei die ermittelte Fläche wiederum mit dem Schwellenwert verglichen wird, um die Stellung des Ventils zu ermitteln.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die ermittelte Ventilgröße ausgewertet wird, um wenigstens einen Ventilparameter des Ventils zu bestimmen. Bei dem Ventilparameter kann es sich um eine Spulentemperatur, eine Ventiltemperatur, Druckverhältnis im Ventil, einen Zustand eines vom elektrodynamischen Aktor betätigten Ventilelements, die Art des Ventilelements, eine Lebensdauervorhersage des Ventilelements, eine Einpresstiefe des Ventilelements in einen zugeordneten Ventilsitz und/oder eine korrekte Einbaulage des Ventilelements handeln. Beim Ventilelement kann es sich um eine Membran handeln. Auch kann so ermittelt werden, ob externe Störungen wie Druckschläge oder Kavitation vorliegen bzw. ob eine Reibung im Antriebssystem vorliegt. Die zuvor ermittelte Ventilgröße wird demnach weiter ausgewertet, um zumindest eine Diagnosefunktion des Ventils bereitstellen zu können. Hierbei können zusätzliche Parameter verwendet werden, beispielsweise der Ventiltyp, um unter anderem festzustellen, ob ein Mediendruck die Membran bzw. das Ventilelement des Ventils auf den Ventilsitz drückt oder diese vom Ventilsitz abhebt. Mit anderen Worten hat der Ventiltyp einen Einfluss darauf, ob der Mediendruck das Abheben der Membran bzw. des Ventilelements vom Ventilsitz unterstützt oder hemmt. Auch können Umgebungsparameter berücksichtigt werden, beispielsweise eine Umgebungstemperatur.
Die Lebensdauervorhersage der Membran bzw. des Ventilelements kann durch einen Vergleich mit dem Referenzverlauf erfolgen, da Abweichungen vom Referenzverlauf Aufschluss über den Zustand der Membran bzw. des Ventilelements ermöglichen, worüber eine Lebensdauerprognose möglich ist.
Über Messungen beim Ausschalten des Ventils kann grundsätzlich die Einpresstiefe der Membran bzw. Ventilelements in den Ventilsitz bestimmt werden. Hierüber kann dann auf den Verschleiß an dieser Stelle geschlossen werden, sodass unter Umständen der Beginn des sogenannten „Durchstanzens“ der Membran bzw. des Ventilelements detektiert werden kann.
Es kann eine künstliche Intelligenz, insbesondere ein Maschinenlernmodell, bei der Auswertung verwendet werden, um den wenigstens einen Ventilparameter des Ventils zu bestimmen. Grundsätzlich kann es sich bei der künstlichen Intelligenz um einen Algorithmus handeln, der von einem Prozessor bzw. einer Steuer- und/oder Auswerteeinheit ausgeführt wird, um den wenigstens einen Ventilparameter zu bestimmen.
Insbesondere ist ein Maschinenlernmodul vorgesehen, welches ein trainiertes bzw. angelerntes Maschinenlernmodell aufweist, das die zuvor ermittelte Ventilgröße als Eingangsparameter erhält bzw. mit der zuvor ermittelten Ventilgröße gespeist wird, um den wenigstens einen Ventilparameter zu bestimmen.
Zudem wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Diagnosemodul für ein Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor, der eine, insbesondere ortsfeste, Spule, eine, insbesondere zur Spule, bewegliche Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein, insbesondere relativ zur Spule, bewegliches Stellglied umfasst, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung gekoppelt ist. Das Diagnosemodul ist eingerichtet ein Verfahren der zuvor genannten Art auszuführen.
Bei dem Diagnosemodul kann es sich um eine Nachrüstbaugruppe handeln, in die mit dem entsprechenden Ventil nachträglich gekoppelt wird, um die Diagnosefunktion(en) bereitzustellen. Das Diagnosemodul kann in den Stromkreis der Spule elektrisch eingebunden werden, um die wenigstens eine elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors zu erfassen.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil, das ein Ventilelement, beispielsweise eine Membran, einen mit dem Ventilelement gekoppelten elektrodynamischen Aktor und ein Diagnosemodul der zuvor genannten Art aufweist. Der elektrodynamische Aktor kann eine, insbesondere ortsfeste, Spule, eine, insbesondere relativ zur Spule, bewegliche Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein, insbesondere relativ zur Spule, bewegliches Stellglied umfassen, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung gekoppelt ist.
Bei dem Ventil handelt es sich um ein Mikroventil. Das Mikroventil hat einen entsprechend kompakten Aufbau.
Grundsätzlich kann das Ventil zunächst ohne Diagnosemodul ausgebildet sein, wobei das Diagnosemodul als optionale Nachrüstbaugruppe nachträglich eingebunden wird. Die Diagnose mittels des Diagnosemoduls funktioniert bei allen Ventilarten mit einem elektrodynamischen Aktor.
Mit dem Verfahren und dem Diagnosemodul ist somit eine Erweiterung geschaffen, um bei einem Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor entsprechende Diagnosefunktionen zu ermöglichen.
Grundsätzlich lassen sich die oben genannten Merkmale und die zugehörigen Vorteile sowohl auf das Verfahren, das Diagnosemodul sowie das Ventil entsprechend anwenden.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils mit einem erfindungsgemäßen Diagnosemodul,
- 2 ein Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf einer gemessenen elektrischen Größe und einen zeitlichen Referenzverlauf darstellt,
- 3 ein Diagramm, das zwei unterschiedliche zeitliche Verläufe einer gemessenen elektrischen Größe bei unterschiedlichen Bewegungsprofilen des elektrodynamischen Aktors zeigt,
- 4 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer gemessenen elektrischen Größe sowie einen zeitlichen Referenzverlauf bei einem Ventil gemäß einer Ausführungsform zeigt,
- 5 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer gemessenen elektrischen Größe sowie einen zeitlichen Referenzverlauf bei einem Ventil gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt,
- 6 ein Diagramm, das die zeitlichen Verläufe einer gemessenen elektrischen Größe für drei unterschiedliche Membranmaterialien zeigt,
- 7 ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsvariante darstellt,
- 8 ein Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf einer gemäß dem Verfahren nach 7 gemessenen elektrischen Größe zeigt,
- 9 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf gemäß 8 sowie einen modifizierten zeitlichen Verlauf zeigt, der auf dem zeitlichen Verlauf gemäß 8 basiert,
- 10 ein Diagramm, das einen normierten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe zeigt, der auf dem modifizierten zeitlichen Verlauf nach 9 basiert,
- 11 ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsvariante darstellt,
- 12 ein weiteres Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer gemessenen elektrischen Größe sowie einen zeitlichen Referenzverlauf bei einem Ventil gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt,
- 13 eine Übersicht, die die gemessenen elektrischen Größen Spannung und Strom über die Zeit für eine andere Ausführungsform eines Ventils zeigt, und
- 14 ein Diagramm, das die gemessene elektrische Größe, deren zeitlicher Verlauf in 13 gezeigt ist, in Bezug zur Bezugsgröße des verketteten Flusses zeigt.

In 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das ein Gehäuse 12 aufweist, welches beispielsweise aus mehreren Gehäuseteilen 14, 16, 18 zusammengesetzt ist.
An dem Gehäuse 12, insbesondere dem ersten Gehäuseteil 14, sind drei Fluidanschlüsse 20, 21, 22 ausgebildet, über die ein Fluid durch das Ventil 10 strömen kann, das vom Ventil 10 entsprechend prozessiert wird.
Zur Steuerung des zu prozessierenden Fluids ist ein elektrodynamischer Aktor 24 vorgesehen, der eine in der gezeigten Ausführungsform ortsfeste Spule 26 sowie ein zur Spule 26 bewegliches Stellglied 28 umfasst. Zudem weist der elektrodynamische Aktor 24 eine bewegliche Magnetanordnung 30 auf, welche mit dem Stellglied 28 gekoppelt ist. Insofern bewegen sich das Stellglied 28 und die Magnetanordnung 30 gemeinsam relativ zur Spule 26.
Es können aber auch die Spule 26 und die Magnetanordnung 30 beide beweglich sein. Nachfolgend wird jedoch auf die gezeigte Ausführungsform weiter eingegangen, in die Spule 26 ortsfest ist und die Magnetanordnung 30 entsprechend relativ zur Spule 26 beweglich ist.
Die bewegliche Magnetanordnung 30 erzeugt ein Magnetfeld, das mit einem Magnetfeld der ortsfesten Spule 26 wechselwirkt, sodass sich die Magnetanordnung 30 aufgrund des von der Spule 26 erzeugten Magnetfelds bewegt, sofern die Spule 26 bestromt ist, also mit einem Strom beaufschlagt wird. Die Bewegung der Spule 26 wird auf das bewegliche Stellglied 28 übertragen, um ein mit dem Stellglied 28 gekoppeltes Ventilelement 32, beispielsweise eine Membran, zu verstellen, wodurch der Fluidfluss über die Fluidanschlüsse 20, 21, 22 eingestellt werden kann.
Das Ventilelement 32 wirkt hierzu mit wenigstens einem Ventilsitz 34 des Ventils 10 zusammen, welcher im Gehäuse 12 ausgebildet ist. Es können auch zwei Ventilsitze 34 vorgesehen sein, die den unterschiedlichen Endstellungen des Ventilelements 32 zugeordnet sind.
In der gezeigten Ausführungsform des Ventils 10 ist das Ventilelement 32 im zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet.
Der zweite Gehäuseteil 16 nimmt zusammen mit dem dritten Gehäuseteil 18 den elektrodynamischen Aktor 24 auf, sodass diese beiden Gehäuseteil 16, 18 zusammen das Aktorgehäuse ausbilden.
Darüber hinaus umfasst das Ventil 10 elektrische Anschlüsse 36, 38 über die der elektrodynamische Aktor 24 mit einer Spannung versorgt wird, um die entsprechende Bewegung des Stellglieds 28 bzw. dem damit verbundenen Ventilelement 32 zu initiieren, indem ein Strom durch die Spule 26 fließt, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das mit demjenigen der Magnetanordnung 30 wechselwirkt. Die Anschlüsse 36, 38 sind an einem Stecker oder Steckdose 39 vorgesehen, der bzw. die am Gehäuse 12 vorgesehen ist, nämlich am dritten Gehäuseteil 18.
Das Ventil 10 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform ein Diagnosemodul 40 auf, das in einen Stromkreis 42 der Spule 26 bzw. des elektrodynamischen Aktors 24 eingebunden ist, wie dies schematisch gezeigt ist.
Die Einbindung in den Stromkreis 42 kann über den Stecker bzw. die Steckdose 39 erfolgen oder über eine separate Schnittstelle, die eine Einbindung des Diagnosemoduls 40 in den Stromkreis 42 der Spule 26 bzw. des elektrodynamischen Aktors 24 ermöglicht.
Das Diagnosemodul 40 ist grundsätzlich ausgebildet, eine elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors 24 zu messen. Bei der elektrischen Größe kann es sich um einen Strom und/oder eine Spannung handeln, sodass der zeitliche Verlauf der entsprechenden elektrischen Größe über einen durchgehenden Messzeitraum gemessen werden kann, um den zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe zu erfassen, beispielsweise einen Stromverlauf oder eine Stromkurve. Auch kann die elektrische Größe an mehreren diskreten Messzeitpunkten gemessen werden, um die Datenmenge entsprechend zu reduzieren. Dennoch kann hierüber ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe ermittelt werden. Ebenso ist es möglich, dass die elektrische Größe nur an einem diskreten Messzeitpunkt gemessen wird, der beispielsweise signifikant ist.
Generell handelt es sich beim zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe um die elektrische in Bezug zu einer Bezugsgröße, nämlich der Zeit als Bezugsgröße. Der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe stellt demnach eine Kurve dar, nämlich der elektrischen Größe über die Zeit.
Zum Messen der elektrischen Größe weist das Diagnosemodul 40 ein Messmodul 44 auf, welches die entsprechende elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors 24 misst.
Die gemessene elektrische Größe kann vom Messmodul 44 an ein Rechenmodul 46 des Diagnosemoduls 40 übertragen werden, das eine entsprechende Berechnung basierend auf der gemessenen elektrischen Größe vornimmt, um so eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe durchzuführen.
Das Rechenmodul 46 kann Teil einer übergeordneten Steuer- und/oder Auswerteeinheit 48 sein, insbesondere des gesamten Ventils 10, sofern das Diagnosemodul 40 im Ventil 10 integriert ist.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Diagnosemodul 40 jedoch separat ausgebildet, da es sich um eine Nachrüstbaugruppe handelt, die in den bestehenden Stromkreis 42 nachträglich eingebunden wurde, um das Ventil 10 um die entsprechende Diagnosefunktionalität zu erweitern.
Zudem umfasst das Diagnosemodul 40 in der gezeigten Ausführungsform ein Ausgabemodul 50, über das die gemessene elektrische Größe und/oder eine darauf basierend ermittelte Größe ausgegeben werden kann, sodass diese einem Nutzer des Ventils 10 dargestellt werden können. Beim Ausgabemodul 50 kann es sich um eine Anzeige handeln.
Grundsätzlich dient das Diagnosemodul 40 also dazu, einen Zustand des Ventils 10 bzw. des elektrodynamischen Aktors 24 zu erfassen und auszuwerten, um so eine Diagnosefunktion zu ermitteln. Wie bereits erläutert, stellt das Diagnosemodul 40 hierzu auf eine entsprechend gemessene elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors 24 ab, beispielsweise den Strom.
In 2 ist ein Diagramm gezeigt, das die vom Diagnosemodul 40 erfassten elektrischen Größen über einen Messzeitraum zeigt, wobei der entsprechende zeitliche Verlauf der elektrischen Größen dargestellt ist.
Bei den gemessenen elektrischen Größen handelt es sich um die am elektrodynamischen Aktor 24 anliegende Spannung U sowie den durch den elektrodynamischen Aktor 24, insbesondere die Spule 26, fließenden Strom I. Die Spannung U ist gestrichelt dargestellt, wohingegen der Strom I als durchgezogene Linie in dem Diagramm dargestellt ist.
Darüber hinaus ist in 2 ein zeitlicher Referenzverlauf R gezeigt, welcher ebenfalls gestrichelt dargestellt ist. Der zeitliche Referenzverlauf R stellt eine Referenz für den Stromverlauf dar, der bei einer blockierten bzw. festgefahrenen Magnetanordnung 30 auftreten würde, also bei keiner Bewegung der Magnetanordnung 30.
Aus 2 wird deutlich, dass der zeitliche Verlauf des Stroms I vom zeitlichen Referenzverlauf R in einem Zeitraum abweicht, der zwischen t0 und t1 liegt, welcher einem Auswertezeitraum entspricht.
Der Stromverlauf, also der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe des Stroms I, bricht demnach zum Zeitpunkt t0 gegenüber dem Referenzverlauf R ein, wobei der Stromverlauf zum Zeitpunkt t1 seinen Endwert erreicht, der demjenigen des zeitlichen Referenzverlaufs R entspricht.
Der Einbruch des gemessenen Stromverlaufs I geht mit einer Bewegung des elektrodynamischen Aktors 24 einher, wie ebenfalls aus 2 gezeigt ist, indem zusätzlich der Weg s der Magnetanordnung 30 über die Zeit dargestellt ist.
Insofern entspricht der gemessene Strom zum Zeitpunkt t1 wieder dem Stromwert des Referenzverlaufs R, da die Bewegung der Magnetanordnung 30 zu diesem Zeitpunkt beendet ist.
Grundsätzlich ist die Form des Einbruchs, also die Abweichung des gemessenen zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe (Stromverlauf) von dem zeitlichen Referenzverlauf R, von der Geschwindigkeit der Magnetanordnung 30 abhängig, sodass beim Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Stroms I über den Auswertezeitraum wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße des Ventils 10 ermittelt werden kann, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors 24 zugeordnet ist.
Wie vorstehend erläutert, kann es sich bei der induktionsabhängigen Ventilgröße um den zurückgelegten Weg s der Magnetanordnung 30 handeln. Auch kann es sich hierbei um die Dauer der Bewegung der Magnetanordnung 30, ein Geschwindigkeitsprofil der Magnetanordnung 30 und/oder ein Beschleunigungsprofil der Magnetanordnung 30 handeln. Hierzu wird die Form des Stromverlaufs bei der Auswertung entsprechend analysiert, um auf die Bewegungsdauer, das Geschwindigkeitsprofil bzw. das Beschleunigungsprofil der Magnetanordnung 30 zu schließen.
Bei dem Referenzverlauf R, mit dem der gemessene zeitliche Verlauf der elektrischen Größe I verglichen wird, kann es sich um einen zuvor gemessenen zeitlichen Verlauf, beispielsweise bei einer blockierten Magnetanordnung 30, oder einen während des Verfahrens berechneten Verlauf handeln.
Auch kann als Näherung ein entsprechend näherungsweise geschätzter Verlauf verwendet werden, wie dies in 2 auch gezeigt ist, indem ein rechteckiger Verlauf bzw. ein entsprechendes Rechteck näherungsweise angenommen wird, der bzw. das eine kreuzschraffiert dargestellte Fläche F als Fehler aufweist.
Unabhängig von der Art des Referenzverlaufs, also wie dieser zustande gekommen ist, lässt sich über die Differenz zwischen den zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, also dem Stromverlauf I, und dem zeitlichen Referenzverlauf R ermitteln, wie und ob sich die Magnetanordnung 30 des elektrodynamischen Aktors 24 bei der Betätigung des elektrodynamischen Aktors 24 bewegt hat. Mit anderen Worten kann das Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors 24 ermittelt werden.
Hierzu kann die zwischen dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe I und dem Referenzverlauf R eingeschlossene Fläche A berücksichtigt werden, wobei der Flächeninhalt bestimmt und/oder die Form der eingeschlossenen Fläche analysiert wird, wie vorstehend schon erläutert wurde, um so auf die Ventilgröße zu schließen.
Dies kann entsprechend im Diagnosemodul 40 erfolgen, insbesondere in dem integrierten Rechenmoduls 46.
Grundsätzlich erzeugt die Spule 26 ein Magnetfeld, wenn die Spule 26 bestromt ist, das mit dem Magnetfeld der beweglichen Magnetanordnung 30 wechselwirkt, wodurch eine entsprechende elektromagnetische Kraft auf die bewegliche Magnetanordnung 30 ausgeübt wird, die die Magnetanordnung 30 in Bewegung versetzt. Die Bewegung der Magnetanordnung 30 wird aufgrund der Koppelung mit dem Stellglied 28 auf dieses übertragen, wodurch sich die Position des Ventilelements 32 verändert, das mit dem Stellglied 28 wiederum gekoppelt ist.
Da die Geschwindigkeit der Bewegung der Magnetanordnung 30 sowie die magnetische Flussdichte einen Einfluss auf die Induktion haben, kann dies entsprechend vom Diagnosemodul 40 erfasst werden, wobei das Diagnosemodul 40 den zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe des elektrodynamischen Aktors 24 auswertet, beispielsweise den Stromverlauf.
Die gemessene Stromkurve, also der zeitliche Verlauf der als Strom vorgesehenen elektrischen Größe, kann dann von einer Stromkurve ohne Bewegung, also bei einer blockierten Magnetanordnung 30, abgezogen werden, wobei letztere dem Referenzverlauf R entspricht. Hierdurch bleibt lediglich der durch die Induktion verursachte Anteil übrig.
Dieser durch die Induktion verursachte Anteil hat den Flächeninhalt der Fläche A, wie aus 2 gezeigt ist, wobei die Größe der Fläche A sowie die Form der Fläche A analysiert werden können, um hierüber die induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors 24 zugeordnet ist, insbesondere der Magnetanordnung 30.
Der Flächeninhalt der Fläche A entspricht dabei dem zurückgelegten Weg s der Magnetanordnung 30, worüber wiederum auf einen Ventilhub des Ventils 10 mit dem elektrodynamischen Aktor 24 geschlossen werden kann.
Hierzu muss eine entsprechende Normierung stattfinden, um den Weg s der Magnetanordnung 30 dem Hubweg des Ventils 10 zuzuordnen. Dies kann über eine entsprechende Normierung erfolgen. Für die Zuordnung des Wegs s der Magnetanordnung 30 zum Hubweg des Ventils 10, wird die gemessene elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors 24 auf das Ventil 10 normiert.
Hierfür kann der jeweils ermittelte Endwert zur Normierung verwendet werden oder es kann bei jedem Ventil 10 der maximale Hubweg in Bezug auf die (maximale) Fläche A hinterlegt sein. Dabei wird der maximale Hubweg beispielsweise als Strecke, also in „mm“, oder als Öffnungsgrad angegebenen, also in „%“. Es kann auch ein Grenz- bzw. Schwellenwert definiert werden, ab dem das Ventil 10 als „offen“ gilt. Neben der Normierung auf den maximalen Hubweg des Ventils 10 geht auch die Geometrie des gesamten Ventilantriebs ein.
In 3 ist gezeigt, dass der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe, also die Stromkurve, auch unabhängig vom Referenzverlauf R ausgewertet werden kann, um hierüber auf eine entsprechende Ventilgröße zu schließen.
Insbesondere ist in 3 ein Diagramm gezeigt, das zwei zeitliche Verläufe I', I" der als Strom vorgesehenen elektrischen Größe für ein vollständig geöffnetes Ventil 10 (100 %) und ein halb geöffnetes Ventil 10 (50 %) zeigt, wobei auf den Hubweg des Ventils 10 abgestellt wird.
Aus 3 wird deutlich, dass sich die beiden zeitlichen Verläufe der gemessenen elektrischen Größe voneinander unterscheiden, wodurch entsprechend auf den Öffnungsgrad des Ventils 10 geschlossen werden kann.
Insofern lässt sich über das entsprechende Profil, also die Geschwindigkeit und die Zeit, auf das zum jeweiligen Zeitpunkt vorherrschende Kräftegleichgewicht beim Ventil 10 schließen.
Wie vorstehend erläutert, kann als Referenzverlauf näherungsweise ein Rechteck angenommen werden, um so eine Fläche zu bestimmen, die den induktionsbedingten Anteil angibt. Hierdurch kann der Weg s der Magnetanordnung 30 ermittelt werden, worüber auf den Hubweg geschlossen werden kann, wie vorstehend bereits beschrieben wurde.
In den 4 und 5 sind zwei weitere Diagramme für entsprechende zeitliche Verläufe der als Strom vorgesehenen elektrischen Größe gezeigt, also der Stromkurven I, die sich voneinander unterscheiden. Ebenfalls sind in beiden Diagrammen die Spannung U, der Weg s der Magnetanordnung 30, der zeitliche Referenzverlauf R sowie die Fläche A gezeigt.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Ventil 10, dessen Ventilsitz 34 von unten angeströmt wird, was auch als „Untersitz angeströmt“ bezeichnet wird. Hierbei wird auf das Ventilelement 32, insbesondere die Membran, ein Mediendruck ausgeübt, weshalb der Druck des Mediums beim Öffnen des Ventils 10 die Öffnungsbewegung unterstützt, wie aus der Form des zeitlichen Verlaufs der gemessenen elektrischen Größe hervorgeht.
Dagegen ist in 5 gezeigt, dass das Ventilelement 32, insbesondere die Membran, von oben angeströmt wird, was auch als „Übersitz angeströmt“ bezeichnet wird, wodurch sich das Ventilelement 32 schwerer öffnen lässt, da sie gegen den Druck des Mediums beim Öffnen bewegt werden muss, wodurch sich die Schaltzeit entsprechend verlängert.
Dies geht anschaulich aus einem Vergleich der in den 4 und 5 gezeigten zeitlichen Verläufe hervor, insbesondere deren Formen, die entsprechend vom Diagnosemodul 40 ausgewertet werden.
In 4 ist der „Einbruch“ im Stromverlauf I zu Beginn der Bewegung deutlich zu erkennen, insbesondere stärker als in beim Stromverlauf I in 5. Dagegen bewegt sich die Magnetanordnung 30 im Beispiel nach 5 deutlich langsamer, wodurch sich die Schaltzeit verlängert, da das Ventilelement 32 gegen den Mediendruck arbeiten muss.
Die Flächeninhalte der vom jeweiligen Stromverlauf I und dem Referenzverlauf R eingeschlossenen Flächen A sind gleich groß, da das Ventil 10 bzw. der elektrodynamische Aktor 24 vollständig bewegt wird. Jedoch unterscheiden sich die Flächen A in ihrer Form, wie aus den 4 und 5 deutlich wird.
Die unterschiedliche Form ergibt sich aus unterschiedlichen Stromverläufen I. Der Stromverlauf wird unter anderem durch Druck, Strömungsrichtung, Temperatur (Medium, Umgebung, Ventil) und Viskosität des Mediums und Membranmaterial bzw. Zustand des Ventilelements 32 bzw. der Membran beeinflusst. Insofern lassen sich diese Größen als Ventilgrößen aus dem Stromverlauf I ableiten bzw. bei der Auswertung ermitteln.
In 6 sind drei unterschiedliche zeitliche Stromverläufe I', I", I''' gezeigt, die für drei unterschiedliche Materialien des als Membran ausgebildeten Ventilelements 32 gemessen worden sind, nämlich für ein Fluorkautschuk (FKM), ein Perfluorkautschuk (FFKM) sowie ein Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk (EPDM). Die unterschiedlichen Materialien der Membran 32 lassen sich aufgrund der Stromverläufe I', I", I''' eindeutig voneinander unterscheiden. Insofern ist es auch möglich, über die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, beispielsweise des Stromverlaufs, auf die Art des Ventilelements 32 zu schließen, insbesondere den Materialtyp. Hierbei kann dann auch festgestellt werden, ob das richtige Ventilelement 32 beim entsprechenden Ventil 10 verbaut worden ist.
In 7 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das das Verfahren zur Diagnose des Ventils 10 gemäß einer ersten Ausführungsvariante verdeutlicht.
Zunächst wird die elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors 24 über einen Messzeitraum vom Diagnosemodul 40 gemessen, insbesondere dem Messmodul 44, um einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe zu erfassen. Die Werte der elektrischen Größe können entsprechend über einen Analog-DigitalWandler (ADC) in einem digitalen Format gespeichert werden.
Die gemessenen Werte der elektrischen Größe werden gespeichert, wodurch die Stromkurve vorliegt, also der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe. Der Messzeitraum kann 200 Millisekunden betragen, wobei dieser so gewählt ist, dass der Schaltvorgang des Ventils 10 am Ende des Messzeitraums auch abgeschlossen ist. Je nach Umgebungsparameter, beispielsweise bei niedriger Temperatur oder bei hohem Druck des Mediums, kann der Messzeitraum entsprechend angepasst bzw. eingestellt werden.
In 8 ist der zweite Schritt des Verfahrens nach 7 detailliert gezeigt, bei dem der gemessene zeitliche Verlauf der elektrischen Größe vom Diagnosemodul 40, insbesondere dem Rechenmodul 46 verarbeitet wird, um einen mittleren Endwert I_f zu bestimmen.
Dies kann dann der Fall sein, wenn sich der gemessene Wert der elektrischen Größe über einen vordefinierten Zeitraum nicht oder nur unwesentlich verändert, beispielsweise um weniger als einen bestimmten Prozentwert, insbesondere 5 %. Sofern diese Bedingung eintritt, wird ein Zeitpunkt sowie ein zugehöriger Endwert der elektrischen Größe festgelegt.
In 9 ist der dritte Schritt des Verfahrens nach 7 detailliert gezeigt, wonach der zuvor ermittelte mittlere Endwert I_f von den Werten der gemessenen elektrischen Größe jeweils abgezogen wird, sodass ein modifizierter zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe erzeugt wird, der in 9 zusätzlich in gestrichelter Form dargestellt ist.
Der modifizierte zeitliche Verlauf der elektrischen Größe wird im Rechenmodul 46 des Diagnosemoduls 40 weiterverarbeitet, indem die entsprechende Stromkurve durch den zuvor bestimmten mittleren Endwert I geteilt wird, sodass ein normierter zeitlicher Verlauf der elektrischen Größe vorliegt, wie anschaulich aus 10 hervorgeht. Die so erhaltenen Werte sind unabhängig von einem Widerstand im Messaufbau.
Anschließend kann die Fläche unterhalb der normierten Kurve bestimmt werden, indem diese entsprechend integriert wird. Das dabei erhaltene Integral ist sowohl zeitunabhängig als auch unabhängig vom Widerstand.
Hierdurch kann die entsprechende induktionsabhängige Ventilgröße bestimmt werden, nämlich der Weg der Magnetanordnung 30 oder der Hubweg des Ventils 10.
Sofern die berechnete Fläche größer als ein vordefinierter Schwellenwert ist, kann festgestellt werden, ob das Ventil 10 geschalten hat oder nicht. Dies entspricht dem Ventilparameter des Ventils 10, der basierend auf der zuvor ermittelten Ventilgröße ausgewertet werden kann.
In 11 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe während der Bewegung der Magnetanordnung 30 stattfindet, beispielsweise bereits nach 15 Millisekunden beginnt.
Hierüber lässt sich entsprechend schneller feststellen, ob ein Schaltvorgang stattgefunden hat oder nicht.
Die elektrische Größe wird beispielsweise über einen Messzeitraum oder mehrere diskrete Messzeitpunkte gemessen, wobei die gemessenen Werte aufsummiert werden.
Ein entsprechender Summenwert wird fortlaufend berechnet und in einem Speicher des Diagnosemoduls 40 zwischengespeichert, insbesondere in einem Ringpuffer.
Die im Ringpuffer gespeicherten Daten können verwendet werden, um den mittleren Endwert I_f abzuschätzen, beispielsweise als gleitendes Mittel. Hierdurch kann der mittlere Endwert I_f noch bei der Messung der elektrischen Größe ermittelt werden, insbesondere abgeschätzt werden.
Anschließend kann eine Berechnung der Fläche unterhalb der entsprechenden Kurve wie zuvor beschrieben erfolgen, wobei die ermittelte Fläche wiederum mit dem Schwellenwert verglichen wird, um die Stellung des Ventils 10 zu ermitteln.
Das Diagnosemodul 40 kann eine künstliche Intelligenz umfassen, die beispielsweise im Rechenmodul 46 vorgesehen ist.
Bei der künstlichen Intelligenz handelt es sich beispielsweise um ein Maschinenlernmodell, welches zuvor entsprechend trainiert worden ist, um basierend auf der Ventilgröße wenigstens einen Ventilparameter des Ventils 10 zu bestimmen.
Grundsätzlich kann es sich bei dem Ventilparameter um eine Spulentemperatur, eine Ventiltemperatur, ein Druckverhältnis im Ventil 10, einen Zustand der vom elektrodynamischen Aktor 24 betätigten Ventilelement 32, die Art des Ventilelements 32, eine Lebensdauervorhersage des Ventilelements 32, eine Einpresstiefe des Ventilelements 32 in den zugeordneten Ventilsitz 34 und/oder eine korrekte Einbaulage des Ventilelements 32 handeln, insbesondere wobei das Ventilelement 32 als Membran ausgebildet ist.
Die Diagnosefunktion kann auch zur Prozessüberwachung verwendet werden. In einem „stabilen Prozess“ wird zunächst der Referenzverlauf R aufgezeichnet. Im laufenden Betrieb können entsprechende zeitliche Verläufe der elektrischen Größe gemessen und mit dem gespeicherten Referenzverlauf R verglichen werden, um so Änderungen zu detektieren. Alle Einflussfaktoren, die den zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe beeinflussen, können somit überwacht werden.
Zudem ist es möglich, sehr präzise Informationen zur Ventilöffnung über die Zeit zu ermitteln. In hochpräzisen Dosieranwendungen kann so die dosierte Menge sehr genau bestimmt werden. Dies kann entweder (in Kombination mit anderen Prozesswerten) in absoluter Weise oder relativ zu vorherigen Dosiervorgängen erfolgen, die somit als Referenzverläufe R dienen.
Darüber hinaus ist es möglich, einen geschlossenen Regelkreis aufzubauen um ein immer gleiches Durchfahren einer Stromkurve zu ermöglichen und damit unabhängig von eventuell auftretenden Alterungseffekten im Ventil 10 die Dosierqualität langfristig stabil zu halten.
In 12 ist ein weiteres Diagramm gezeigt, das die vom Diagnosemodul 40 erfassten elektrischen Größen über einen Messzeitraum bei einer weiteren Ausführungsform zeigt, wobei der entsprechende zeitliche Verlauf der elektrischen Größen dargestellt ist.
Bei den gemessenen elektrischen Größen handelt es sich um die am elektrodynamischen Aktor 24 anliegende Spannung U sowie den durch den elektrodynamischen Aktor 24, insbesondere die Spule 26, fließenden Strom I. Darüber hinaus ist der zeitliche Referenzverlauf R dargestellt.
Der zeitliche Referenzverlauf R stellt eine Referenz für den Stromverlauf dar, der bei einer blockierten bzw. festgefahrenen Magnetanordnung 30 auftreten würde, also bei keiner Bewegung der Magnetanordnung 30.
Aus 12 wird ebenfalls deutlich, dass der zeitliche Verlauf des Stroms I vom zeitlichen Referenzverlauf R in einem Zeitraum abweicht, der zwischen t0 und t1 liegt, welcher dem Auswertezeitraum entspricht.
Der Stromverlauf, also der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe des Stroms I, bricht demnach zum Zeitpunkt t0 gegenüber dem Referenzverlauf R ein, wobei der Stromverlauf zum Zeitpunkt t1 seinen Endwert erreicht, der demjenigen des zeitlichen Referenzverlaufs R entspricht.
Der Einbruch des gemessenen Stromverlaufs I geht mit einer Bewegung des elektrodynamischen Aktors 24 einher.
Insofern entspricht der gemessene Strom zum Zeitpunkt t1 wieder dem Stromwert des Referenzverlaufs R, da die Bewegung der Magnetanordnung 30 zu diesem Zeitpunkt beendet ist.
In 13 ist eine Übersicht gezeigt, aus der die gemessenen elektrischen Größen Spannung und Strom eines elektrodynamischen Aktors eines anderen Ventils hervorgehen, die über einen Messzeitraum gemessen worden sind. Insofern sind die zeitlichen Verläufe der jeweiligen elektrischen Größen in 13 gezeigt.
In 14 ist dagegen eine Übersicht gezeigt, die die gemessene elektrische Größe, deren zeitlicher Verlauf in 13 gezeigt ist, in Bezug zu einer anderen Bezugsgröße als die Zeit darstellt, nämlich in Bezug zum verketteten Fluss („Psi“). Konkret ist der verkettete Fluss („Psi“) über die gemessene elektrische Größe in Form des Stroms („I“) dargestellt, wobei die daraus resultierende Kurve entsprechend ausgewertet werden kann, beispielsweise der Verlauf, die Form und/oder die Größe der Kurve.
Die Auswertung kann dabei in analoger Weise zu den zuvor erläuterten Beispielen erfolgen, indem eine Referenz herangezogen wird, mit dem die entsprechende Kurve verglichen wird, um beispielsweise Abweichungen zu identifizieren.
Insbesondere kann dabei von der Kurve, also der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße, und der Referenz(-kurve) eine Fläche eingeschlossen werden, deren Flächeninhalt und/oder Form bestimmt bzw. analysiert wird, um hierüber die wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors zugeordnet ist.
Wie vorstehend ebenfalls schon erläutert, kann die Referenz(-kurve) ebenso wie der zeitliche Referenzverlauf zuvor (empirisch) ermittelt, während des Verfahrens berechnet oder näherungsweise geschätzt worden sein.
Grundsätzlich ist die Form des Einbruchs, also die Abweichung des gemessenen zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe (Stromverlauf) von dem zeitlichen Referenzverlauf R, von der Geschwindigkeit/Beschleunigung der Magnetanordnung 30 abhängig, sodass beim Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Stroms I über den Auswertezeitraum wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße des Ventils 10 ermittelt werden kann, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors 24 zugeordnet ist.
Insofern ist es erfindungsgemäß möglich, mit der Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe des elektrodynamischen Aktors 24 wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors 24 zugeordnet ist. Hierdurch sind entsprechende Diagnosefunktionen des Ventils 10 in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, insbesondere nachrüstbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013110029 C5 [0003]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Ventils (10) mit einem elektrodynamischen Aktor (24), der eine Spule (26), eine bewegliche Magnetanordnung (30) zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein bewegliches Stellglied (28) umfasst, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung (30) gekoppelt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Messen zumindest einer elektrischen Größe des elektrodynamischen Aktors (24), und - Auswerten der elektrischen Größe in Bezug zu einer Bezugsgröße, um wenigstens eine induktionsabhängige Ventilgröße zu ermitteln, die dem Bewegungsprofil des elektrodynamischen Aktors (24) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe des elektrodynamischen Aktors (24) mittels eines Diagnosemoduls (40) gemessen wird, das elektrisch in einen Stromkreis (42) der Spule (26) des elektrodynamischen Aktors (24) eingefügt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventilgröße ein zurückgelegter Weg der Magnetanordnung (30), die Dauer der Bewegung der Magnetanordnung (30), ein Geschwindigkeitsprofil der Magnetanordnung (30) und/oder ein Beschleunigungsprofil der Magnetanordnung (30) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße eine Referenz herangezogen wird, wobei ein Vergleich vorgenommen wird, insbesondere wobei eine Differenz zwischen der elektrischen Größe in Bezug zur Bezugsgröße und der Referenz gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße, insbesondere der zeitliche Verlauf der elektrischen Größe, und die Referenz, insbesondere der zeitliche Referenzverlauf (R), zusammen eine Fläche (A) einschließen, deren Flächeninhalt und/oder Form bestimmt bzw. analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz eine zuvor gemessene elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße, eine während des Verfahrens berechnete elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße oder eine näherungsweise geschätzte elektrische Größe in Bezug zur Bezugsgröße ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Ventilgröße ausgewertet wird, um wenigstens einen Ventilparameter des Ventils (10) zu bestimmen, insbesondere eine Spulentemperatur, eine Ventiltemperatur, Druckverhältnisse im Ventil (10), einen Zustand eines vom elektrodynamischen Aktor (24) betätigten Ventilelements (32), die Art des Ventilelements (32), eine Lebensdauervorhersage des Ventilelements (32), eine Einpresstiefe des Ventilelements (32) in einen zugeordneten Ventilsitz (34) und/oder eine korrekte Einbaulage des Ventilelements (32).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine künstliche Intelligenz, insbesondere ein Maschinenlernmodell, bei der Auswertung verwendet wird, um den wenigstens einen Ventilparameter des Ventils (10) zu bestimmen.
Diagnosemodul für ein Ventil (10) mit einem elektrodynamischen Aktor (24), der eine Spule (26), eine bewegliche Magnetanordnung (30) zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein bewegliches Stellglied (28) umfasst, das mit der beweglich angeordneten Magnetanordnung (30) gekoppelt ist, wobei das Diagnosemodul (40) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Ventil mit einem Ventilelement (32), einem mit dem Ventilelement (32) gekoppelten elektrodynamischen Aktor (24) und einem Diagnosemodul (40) nach Anspruch 9.