DE19510519A1

DE19510519A1 - Anordnung sowie Schaltungsanordnung zur Diagnose, Überwachung und/oder Steuerung von Energiewandlungssystemen

Info

Publication number: DE19510519A1
Application number: DE19510519A
Authority: DE
Inventors: Klaus Michel; Horst Naumann; Peter Moszdorf
Original assignee: K MICHEL SENSORIK DR
Current assignee: K MICHEL SENSORIK DR
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2015-02-22
Also published as: WO1995024571A1; DE19510519C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie eine Schal tungsanordnung zur Diagnose, Überwachung und/oder Steuerung von Energiewandlungssystemen, vorzugsweise von elektromag netisch schaltbaren Kupplungen und Bremsen, mittels Sensor, der in Verbindung mit einer Ansteuerelektronik ein system spezifisches Signal erzeugt, das einer Auswerteelektronik zugeführt wird.

Die Erfindung ist anwendbar zur Erfassung und Auswertung von Parametern hinsichtlich der Funktionsweise sowie typi scher mechanischer Betriebszustände von Energiewandlungs systemen der eingangs genannten Art.

Stand der Technik

Zur Ankerlagenüberwachung von elektromagnetisch betätigten Energiewandlungssystemen der eingangs genannten Art ist es beispielsweise möglich, Vorrichtungen einzusetzen, die mittels Weg-, Positions-, Winkel- oder Drehzahlgebern vor zugsweise auf elektromechanischer, induktiver, kapazitiver oder optoelektronischer Basis arbeiten.

Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik weisen den Nachteil auf, daß unter anderem bei der Herstellung und bei der Wartung ein hoher Justageaufwand erforderlich ist. Da neben sind zusätzliche installations- und kostenaufwendige mechanische Elemente, wie Schaltscheiben oder Schaltgestän ge, notwendig. Derartige Systeme neigen besonders im "rau hen" Maschinenbetrieb zu Fehlfunktionen, da geringe Tole ranzen erforderlich sind, die den Einsatzbereich stark ein schränken.

Aus der DE 42 27 535 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Kupplung bekannt, die es ermöglicht, mittels eines Spannungssensors den Ein- und Ausrückzustand und die Winkelposition der kup pelnden Maschinenelemente zu überwachen.

In dieser Lösung wird ausgehend von dem Spannungssensor, der über einem in Reihe zur Wicklung des Elektromagneten der Kupplung geschalteten Meßwiderstand geschaltet ist, vorgeschlagen, als Spannungsquelle eine von einer periodi schen Wechselspannung überlagerte Gleichspannungsquelle einzusetzen, deren Gleichspannungsanteil in Abhängigkeit vom Kupplungsstand definierte Pegel aufweist. Die Wicklung der Kupplung ist dazu im Ein- und Ausschaltzustand mit der Spannungsquelle verbunden und der Spannungssensor steht mit einer Auswerteschaltung für die am Meßwiderstand anliegende Wechselspannung in Verbindung.

Diese Lösung weist den Nachteil auf, daß sie nur für solche Anordnungen der eingangs genannten Art möglich ist, bei denen eine Ansteuerung mit einem hinreichend konstanten Gleichstrom erfolgt. Wenn die Ansteuerung beispielsweise mit einem pulsierenden Gleichstrom durchgeführt wird, ergibt sich bei der Lösung nach dem Stand der Technik der Nachteil, daß sich Störspannungen mit dem Wechselspannung santeil überlagern und somit eine eindeutige Auswertung des durch die Induktivität der Kupplung beeinflußten Wechsel spannungsanteils erschwert oder nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil besteht darüber hinaus darin, daß in jedem Fall für das Betreiben der Kupplung eine separat auszuführende Form der Spannungsquelle erforderlich ist.

Schließlich besteht ein Nachteil darin, daß zwischen den stromführenden Teilen der elektromagnetischen Kupplung und der informationsverarbeitenden Elektronik keine galvanische Trennung erfolgt.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Verfügbarkeit von Energiewandlungssystemen erhöht, Kosten reduziert und der Anwendungsbereich erweitert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art vor, daß

- wenigstens ein magnetfeldauswertender Sensor vorgesehen und so im Bereich des Energiewandlungssystems angeordnet ist, daß ein Magnetfeld, das durch geometrische Diskonti nuitäten von funktionsbedingten Bauteilen des Energie wandlungssystems, beispielsweise an Spalten und Kanten, gebildet ist, den Sensor definiert durchsetzt oder
- daß der Sensor in die stromführende Leitung des Energie wandlungssystems über eine weitere magnetfeldverkoppelnde Einrichtung, beispielsweise eine Feldwicklung, eingebun den ist, wobei
- der Sensor magnet-induktiv ausgebildet und mit einer Im pulsspannungsquelle verbunden ist, die eine Rechteckim pulsfolge mit nur einer Polarität, kleiner Leistung, de finierter Periodendauer und definiertem Tastverhältnis erzeugt und
- daß der Sensor über einen Verstärker mit Filter und im weiteren mit einem Demodulator zur Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation verbunden ist, der am Ausgang ein typisches Signalmuster aufweist.

Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht eine ver schleißfreie Detektion sowie eine Überwachung und/oder Steuerung von Energiewandlungssystemen der eingangs genann ten Art, ohne daß eine galvanische Verbindung zwischen dem Sensor und den stromführenden Teilen erforderlich ist.

In vorteilhafter Weise wird dazu gegenüber dem Stand der Technik das vorhandene Magnetfeld, das an einem zu detek tierenden Energiewandlungssystem, beispielsweise einer Kup plung oder Bremse vorhanden ist, ausgenutzt. Der Sensor wird so in das durch Spalten oder auch Kanten gebildete Magnetfeld gebracht, daß das Magnetfeld den Sensor in einer definierten Größe durchsetzt. Die jeweils während des Be triebes einer Kupplung oder Bremse differierenden Magnet feldstärken werden somit vom Sensor erfaßt und die entspre chend aufbereiteten Signale werden zur Auswertung an die nachfolgenden elektronischen Baugruppen geleitet.

Mit Hilfe der alternativen Anordnung des Sensors im Bereich einer durch den Strom hervorgerufenen weiteren Magnetfeld komponente kann die Empfindlichkeit des Sensors in vorteil hafter Weise variiert und gesteuert werden.

Das als Rechteckimpulsfolge ausgebildete Ansteuersignal gemäß der genannten Art ermöglicht es, den Sensor vorteil haft sowohl zur Frequenz-, als auch zur Amplitudenbewertung des Antwortsignales einzusetzen. Dadurch ist es möglich, den Nutzsignalanteil und die Störsicherheit zu erhöhen. Die Wahl der Wiederholfrequenz und des Tastverhältnisses ermög lichen außerdem eine Schwellwert- und Zustandsdetektion.

Zur Bewertung der von dem Sensor ermittelten Signale und Größen ist in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen, daß

- der Ausgang des Demodulators oder der Ausgang einer ande ren magnetfeldauswertenden Sensoranordnung mit den Ein gängen von Komparatoren verbunden ist, die das in diese eingehende Signalmuster in zeitvariante binäre Variablen wandeln und
- die Ausgänge der Komparatoren mit einem Multiplexer in Verbindung stehen, der mit einer Ansteuereinheit verbun den ist, die bei Ansteuerung die Variablen aus dem Multi plexer in programmierter Reihenfolge an die Eingänge von nachgeschalteten Flipflops und einer kombinatorischen Schaltung zuführen.

Der Vorteil dieser Schaltung besteht insbesondere darin, daß die Bestimmung definierter Signalmuster flexibel ge staltet werden kann.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Steuereingänge der Flipflops von der Spannungsquelle für das Energiewandlungssystem über einen Spannungsteiler und einen Optokoppler sowie eine Ansteuereinheit Steuerva riablen erhalten.

Des weiteren ist alternativ mit einem Ausgang des einen Flipflops oder mit dem Ausgang des anderen Flipflops ein über einen Generator getakteter Zähler verbunden, der mit der vorgenannten Ansteuereinheit in Verbindung steht. Die Ausgänge des Zählers sind mit einem Codeumsetzer und einem D/A-Wandler verbunden, wobei deren Ansteuerung über eine weitere Ansteuereinheit erfolgt.

Mit dieser Schaltung sind in vorteilhafter Weise Störgrößen zu diskriminieren, die eine zeitliche Bewertung des Aus- oder Einschaltzeitpunktes der Kupplung oder Bremse mittels zeitvarianter binärer Variablen darstellen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Schaltungsanordnung sieht vor, daß

- der Multiplexer mit dem Betriebsspannungsanschluß über einen weiteren Spannungsteiler mit Tiefpaß, einen weite ren Optokoppler mit einem folgenden weiteren Tiefpaß verbunden ist,
- das Ausgangssignal des vorgenannten Tiefpasses Komparato ren zugeführt und in zeitvariante binäre Variablen gewan delt wird und
- daß die Ausgänge der Komparatoren an den Multiplexer geführt sind, der bei Ansteuerung die Variablen in pro grammierter Reihenfolge an die kombinatorische Schaltung leitet.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgese hen, daß die zeitinvarianten und die zeitvarianten binären Variablen einer kombinatorischen Schaltung zugeführt wer den, die mit der vorgenannten Ansteuereinheit in Verbindung steht und bei entsprechender Ansteuerung/Programmierung für das Energiewandlungssystem spezifische Variablen erzeugt.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Sensors weist in Verbin dung mit der Schaltungsanordnung den Vorteil auf, daß durch die Auswertung der charakteristischen Magnetfeldwirkungen, wie sie beispielsweise an Energiewandlungssystemen der genannten Art auftreten, mechanische und elektrische Zu stände umfangreich detektiert und zur Diagnostizierung von Funktionsstörungen und Verschleißerscheinungen verwertet werden können.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Sensor ver schleißfrei und galvanisch von den übrigen Bauteilen ge trennt, Wertegrößen ermittelt. Diese Größen werden problem los an die Signalverarbeitungseinheit weitergeleitet und verarbeitet, die konstruktiv und betriebswirtschaftlich vorteilhaft als integrierte Schaltung ausgebildet ist. Die Ausgangssignale der Verarbeitungseinheit ermöglichen es anschließend, die detektierten Größen im jeweiligen Ener giewandlungssystem zu signalisieren und direkt zu erkennen. Dadurch können beispielsweise frühzeitig funktionswichtige Bauteile repariert oder erneuert werden, ohne daß unerwar tete Störungen zu einem Ausfall des jeweiligen Energiewand lungssystems führen.

Darüber hinaus wird ein weiterer Vorteil dadurch erzielt, daß konstruktiver und Justageaufwand, der nach dem Stand der Technik mit Lösungen der eingangs genannten Art bei spielsweise durch Schaltscheiben und -gestänge erforderlich ist, eingespart und somit Kosten gesenkt werden können. Weiterhin ist die Schaltung in Verbindung mit dem Sensor für eine große Typenvielfalt von Energiewandlungssystemen einsetzbar und darüber hinaus können spezielle Kundenwün sche ohne weiteres berücksichtigt werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, eine Anzahl von Sensoren an lokal unterschied lichen Positionen von Energiewandlungssystemen anzuordnen, deren einzelne Signale gemeinsam ausgewertet werden.

Der Vorteil dieser Weiterbildung der Erfindung liegt insbe sondere darin, daß die Effektivität und Sicherheit von Energiewandlungssystemen der eingangs genannten Art weiter erhöht werden.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung wer den der Aufbau und die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbilder von Anordnungen zur Signalgewin nung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung verschiedener Größen in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke h;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der zeitlichen Ab hängigkeit zwischen der periodischen Impulsspannung und dem Antwortsignal des Sensors;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Signalgewinnung und -verarbeitung für eine elektro magnetisch schaltbare Bremse;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des durch die Magnet feldeinwirkung verursachten Zeitverlaufs verschie dener Größen und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Zeitverlaufs mar kanter Größen während eines Bremszyklus′.

Gemäß der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Energiewandlungssy stem mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, das beispielsweise eine elektromagnetisch schaltbare Bremse darstellt.

Wie aus der Fig. 1.1 ersichtlich ist, ist das Energiewand lungssystem 1 an einer Betriebsspannungsquelle u mit einem Strom i angeschlossen. Durch innerhalb des Energiewand lungssystemes 1 nicht dargestellte, technisch bedingt vorhandene Spalten oder Kanten ist ein Magnetfeld h in de finierter Größe vorhanden, in das ein magnetfeldauswerten der Sensor 2 eingesetzt ist. Der Sensor 2 ist mit einem Generator 3 elektrisch verbunden, der dem Sensor 2 eine Impulsspannung u₀ mit periodischer Impulsfolge einer Pola rität und kleiner Leistung zur Verfügung stellt, die als Impulsantwort u₁ abnehmbar ist.

Die Anordnung gemäß der Fig. 1.1 stellt eine Magnetfeldde tektion ohne Gleichfeldüberlagerung dar, die bevorzugt zur Detektion von magnetischen Feldwirkungen h eingesetzt wer den kann. Dabei wird die Impulsantwort u₁, die im wesentli chen durch die Amplitude U₁ und die Eigenfrequenz f₁ cha rakterisiert wird, ausgewertet. Da die Induktivität des Sensors 2 proportional zur magnetfeldabhängigen effektiven Permeabilität µ des Magnetkernes ist, sind die Amplitude U₁ ∼ √ und f₁ ∼ 1/√ in entsprechender Weise von µ und damit von h abhängig (vgl. hierzu Fig. 2.1 und 2.2).

Gemäß der Fig. 1.2 ist eine Anordnung zur Magnetfelddetek tion mit Gleichfeldüberlagerung dargestellt. Dem Sensor 2 ist dazu eine weitere Magnetfeldkomponente beigeordnet, die beispielsweise durch einen durch eine weitere Feldwicklung fließenden Gleichstrom I₌ erzeugt werden kann. Mit dieser Anordnung können die Kennlinien U₁(h) und f₁(h) in Richtung der h-Achse verschoben werden, womit die Empfindlichkeit des Sensors 2 variiert werden kann.

In der Fig. 1.3 ist eine Anordnung zur Stromdetektion dargestellt, wobei der Sensor 2 in den Strompfad des Ener giewandlungssystems 1 eingebunden ist.

In der Fig. 2 sind verschiedene Größen in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke h graphisch dargestellt.

Die Fig. 2.1 stellt dar, daß die effektive Permeabilität µ mit steigender Magnetfeldstärke h abnimmt, während die Fig. 2.2 erkennen läßt, wie sich die Amplitude U₁ und die Eigenfrequenz f₁ des Antwortsignales u₁ zueinander verhal ten.

In der Fig. 2.3 ist die Einhüllende û₁ des Antwortsignals u₁ für den Fall dargestellt, daß die Frequenz f₀ der Im pulsspannung u₀ gleich der Eigenfrequenz f₁ (H_A) des Ant wortsignals u₁ ist, wobei die Anfangsfeldstärke H_A bei spielsweise gleich 0 und ein Tastverhältnis τ₀ gleich 1 gegeben sind.

In der Fig. 2.4 ist die Einhüllende Q₁ des Antwortsignals u₁ für f₀ = f₁ (H) mit τ₀ = 1 dargestellt.

In der Fig. 2.5 ist die Einhüllende û₁ des Antwortsignals u₁ für f₀ = f₁ (H) mit τ₀ = 3 dargestellt.

Als Bedingung für die vorgenannten Größendarstellungen gilt dabei, daß f₀ = 1/T₀, T₀ = τ₀₁ + τ₀₂ und τ₀ = τ₀₁/τ₀₂ ist (vgl. Fig. 3).

Die Fig. 3 vermittelt die graphische Darstellung der perio dischen Impulsspannung und des Antwortsignals in Abhängig keit von der Zeit bei unterschiedlichen Bedingungen:
In der Fig. 3.1 ist die Magnetfeldstärke h gleich einer Anfangsfeldstärke H_A, beispielsweise 0. Die Wiederholfre quenz f₀ ist so gewählt, daß sie der Eigenfrequenz f₁ für h = H_A bei einem Tastverhältnis τ₀ = 1 entspricht.

In der Fig. 3.2 ist die Magnetfeldstärke h gleich der Feld stärke H, wobei die Anfangsfeldstärke H_A kleiner als die Feldstärke H und kleiner als die Sättigungsfeldstärke H_S ist. Die Wiederholfrequenz f₀ ist gleich der Eigenfrequenz f₁ bei h = H_A und das Tastverhältnis τ₀ ist gleich 1.

In der Fig. 3.3 ist h = H_S, f₀ = f₁(H_A) und τ₀ = 1,
in der Fig. 3.4 ist h = H_A, f₀ = f₁(H) und τ₀ = 1 und
in der Fig. 3.5 ist h = H, f₀ = f₁(H) und τ₀ = 1.

In der Fig. 3.6 entspricht bei gleichen übrigen Bedingun gen wie in Fig. 3.5 die Magnetfeldstärke h der Sättigungs feldstärke H_S.

In den Fig. 3.7 bis 3.9 ist bei gleicher Frequenz wie in der Fig. 3.6 das Tastverhältnis τ₀ jeweils gleich 3, wäh rend die Magnetfeldstärke h bei Fig. 3.7 der Anfangsfeld stärke H_A, bei Fig. 3.8 der Feldstärke H und bei Fig. 3.9 der Sättigungsfeldstärke H_S entspricht.

In Abhängigkeit von der Wahl der Wiederholfrequenz f₀ und des Tastverhältnisses τ₀ der Impulsspannung u₀ entsteht am Ausgang des Sensors 2 ein amplituden- und frequenzmodulier tes Antwortsignal u₁, dessen zeitlicher Verlauf für charak teristische Frequenzen f₀ und Tastverhältnisse τ₀ abgebil det ist.

Für den in den Fig. 3.4 bis 3.6 dargestellten Fall sind f₀ = f₁(H) und τ₀ = 1, wobei die Amplitude U₁ des Ant wortsignals u₁ für h = H maximal ist. Für den Fall, daß h < H ist, kommt es an den Flanken des Ansteuersignals u₀ zu Phasensprüngen und zur Dämpfung von u₁. Die Einhüllende û₁ des Antwortsignals u₁ ist in Abhängigkeit von der Mag netfeldstärke h in Fig. 2.4 dargestellt.

Eine Variation der Wiederholfrequenz f₀ führt dann in ent sprechender Weise zu dem in der Fig. 2.3 abgebildeten Verlauf der Einhüllenden û₁(h) mit dem zeitabhängigen Ant wortsignal u₁, wie sie in den Fig. 3.1 bis 3.3 darge stellt sind.

Wenn das Tastverhältnis τ₀ variiert wird, dann nimmt die Einhüllende û₁(h) den in Fig. 2.5 dargestellten Verlauf ein, wenn das Antwortsignal u₁ nach den Fig. 3.7 bis 3.9 gebildet ist.

Für einen genügend großen Frequenzhub, , wie in der Fig. 2.2 dargestellt ist, ergeben sich für f₁(h) = (2m+1)f₀, (m < 0, m ∈ N) Nebenmaxima im Verlauf der Einhüllenden û₁(h).

Bei dieser Betriebsart des Sensors 2 liegen die wesentli chen Vorteile insbesondere darin, daß der Sensor 2 mit ei ner periodischen Impulsfolge einer Polarität mit sehr klei ner Leistung angesteuert werden kann. Hierzu können bei spielsweise Taktgeneratoren, wie sie in digitalen elektro nischen Schaltungen üblicherweise integriert sind, verwen det werden. Weiterhin entstehen bei Wahl der Wiederholfre quenz f₀ mit einem Tastverhältnis τ₀ unterschiedlichste Signalverläufe von Einhüllenden û₁(h), die vorzüglich zur Schwellwert- oder Zustandsdetektion geeignet sind.

Des weiteren ist sowohl eine Frequenz- als auch eine Ampli tudenbewertung des Antwortsignales u₁ möglich, womit der Nutzsignalanteil und die Störsicherheit erhöht werden kön nen. Schließlich wird der Sensor 2 steuerbar, womit bei spielsweise sein Einsatzbereich erweitert wird.

In der Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsan ordnung zur Signalgewinnung wie in den Fig. 5 und 6 abgebildet, für eine elektromagnetisch schaltbare Bremse dargestellt. Für diese Schaltungsanordnung ist der Sensor 2 gemäß der Anordnung, wie sie in der Ausführung zu Fig. 1.1 beschrieben ist, eingesetzt und wird zur Auswertung des für einen Bremszyklus charakteristischen Signalverlauf û₁(t) verwendet (Fig. 5.1).

Im Bereich des Energiewandlungssystems 1 wird der Sensor 2 von dem Magnetfeld h in definierter Form umgeben. Durch ein aus dem Generator 3 zugeführtes Ansteuersignal u₀ wird im Sensor 2 ein Antwortsignal u₁ erzeugt, das in dem nachge schalteten Verstärker 7 mit Filter verstärkt wird, wodurch eine geeignete Anhebung typischer Signalpegel und eine Re duzierung des Störsignalanteils vorgenommen werden. Die Einhüllende û₂ des Signals u₂ ist in der Fig. 5.2 darge stellt, wobei nur der positive Signalanteil abgebildet ist.

In dem am Ausgang des Verstärkers 7 nachgeschalteten Demo dulator 9 wird ein Signalmuster u₃ gebildet, das in Fig. 5.3 dargestellt ist. Dieses Signal u₃ wird in nachgeschal teten Komparatoren 11; 12 vorzugsweise mit Schmitt-Trig gerverhalten in seiner Signalhöhe bewertet und in zeitva riante binäre Variablen X₁ und X₂ umgewandelt (Fig. 5.4 und 5.5).

Aus der Betriebsspannung u des Energiewandlungssystems 1 wird parallel zur Signalmustergewinnung u₃ über einen Span nungsteiler mit Tiefpaß 4 und einen Optokoppler 6 eine Steuervariable E gebildet (Fig. 6.5). Die Steuervariable E wird der Ansteuereinheit 17 zugeführt, in der mittels Mono flops zusätzlich in Abhängigkeit von der Steuervariablen E eine Steuervariable C erzeugt wird (Fig. 6.6).

Das Steuersignal E ist insofern erforderlich, als damit die zeitliche Bewertung, beispielsweise der Variablen X₁ auf den Einschaltzeitpunkt t₁ beziehungsweise den Ausschalt zeitpunkt t₂, abgestimmt wird (vgl. Fig. 5 und 6). Die Steuervariable C dient der Löschung der Inhalte der Flip flops 18 und 19 sowie des Zählers 21 zu Beginn eines Brems zyklus′, der Festlegung des Zeitintervalls, in dem die Flipflops 18 und 19 gesetzt werden sowie der Auslösung des Zählvorganges an den Zähler 21 und zur Störgrößendiskrimi nierung.

Zur Überwachung der Betriebsspannung u wird parallel über einen weiteren Spannungsteiler mit Tiefpaß 5 und einen mit diesem verbundenen Optokoppler 8 mit nachgeschaltetem Tief paß 10 ein hinreichend geglätteter Gleichspannungswert U erzeugt (Fig. 6.2), der dem Mittelwert der Betriebsspannung u entspricht. Der Gleichspannungswert U wird Komparatoren 13 und 14 zugeführt und in diesen in zeitvariante binäre Variablen X₃ und X₄ gewandelt (Fig. 6.3 und 6.4).

Die Ansteuerung eines mit den Komparatoren 11 und 12 sowie 13 und 14 verbundenen Multiplexers 16 erfolgt über eine mit diesem verbundene Ansteuereinheit 15 derart, daß die zeit variante binäre Variable X₁ an den Eingang des Flipflops 18 und die Variable ¬X₁ an den Eingang des Flipflops 19 geführt werden. Somit setzt die Flanke zum Zeitpunkt t₂ den Flipflop 18 und zum Zeitpunkt t₄ den Flipflop 19. Die binä ren Variablen Y₂ und Y₃ (Fig. 5.6 und 5.7) sind bezüg lich eines Bremszyklus′ zeitinvariant und ein Indikator dafür, ob sich beispielsweise die Bremse im gelüfteten beziehungsweise ungelüfteten Zustand befindet.

Das Zeitintervall t₂ - t₁ gemäß der Fig. 5 ist bedingt durch die Ankerdynamik ein Maß für die Luftspaltbreite. Die Bestimmung des Zeitintervalls von t₂ - t₁ erfolgt mit dem mittels Generator 20 getakteten Zähler 21, der durch das Steuersignal E und die Steuervariable C gestartet und durch die binäre Variable Y₂gestoppt wird. Das im Binärcode dargestellte Zählergebnis Y₁ ist bezüglich eines Bremszy klus′ zeitinvariant und ein Maß für die Luftspaltbreite, durch welche beispielsweise der Verschleißgrad der Bremse bestimmt wird. Der Verschleißgrad wird über den Codeumset zer 24 in binärer Form als Größe Z₂ oder über den Digital- Analogumsetzer 23 in analoger Form als Größe Z₁ direkt ausgegeben.

Durch die Ansteuerung der Ansteuereinheit 15 werden die Eingänge X₁ bis X₄ des Multiplexers 16 in programmierter Reihenfolge mit den Ausgängen Y₄ bis Y₇ verbunden. Mit die sen zeitvarianten binären Variablen erfolgt eine konti nuierliche Überwachung des elektrischen und des mechani schen Betriebszustandes der Bremse.

In einer kombinatorischen Schaltung 25 werden bei einer entsprechenden Ansteuerung durch die Ansteuereinheit 22 die zeitinvarianten Variablen Y₁ bis Y₃ und die zeitvarianten Variablen Y₄ bis Y₇ in entsprechender Weise verknüpft. Da mit werden für konkrete Überwachungs- oder Steueraufgaben die für das jeweilige Energiewandlungssystem 1 spezifischen Variablen Z₃ bis Z_n erzeugt, die beispielsweise eine Aussa ge, wie "Notaus" oder "Reibscheibe wechseln", darstellen.

Die in der Fig. 5 dargestellte Graphik zeigt den durch die Magnetfeldeinwirkung verursachten Zeitverlauf der Größen: In Fig. 5.1 die Einhüllende û des Antwortsignals u₁, in Fig. 5.2 die Einhüllende û des verstärkten und gefilterten Signalanteils u₂, die Fig. 5.3 zeigt ein charakteristisches Signalmuster u₃, die Fig. 5.4 eine zeitvariante binäre Va riable X₁ und die Fig. 5.5 bis 5.7 stellen in der Rei henfolge eine zeitvariante binäre Variable X₂, sowie die zeitinvarianten binären Variablen Y₂ und Y₃ während eines Bremszyklus′ dar.

Dabei stellen dar: t₁ den Einschaltzeitpunkt der Spannung u an der Bremse, t₂ den Zeitpunkt Ankerendlage erreicht ("Bremse gelüftet"), t₃ Umschaltung auf Haltestrom/Halte spannung, t₄ den Ausschaltzeitpunkt der Spannung u und t₅ den Zeitpunkt, an dem die Ankerscheibe abfällt ("Bremse ungelüftet").

In der Fig. 6 ist der Zeitverlauf markanter Größen gra phisch dargestellt, wobei in den Fig. 6.1 bis 6.6 in der Reihenfolge die Betriebsspannung u, der Mittelwert U der Betriebsspannung u, die zeitvarianten binären Variablen X₃ und X₄ sowie die Steuersignale E und C während eines Bremszyklus′ abgebildet sind.

Claims

1. Anordnung sowie Schaltungsanordnung zur Diagnose, Überwachung und/oder Steuerung von Energiewandlungssyste men, insbesondere von elektromagnetisch schaltbaren Kup plungen und Bremsen, mittels Sensor, der in Verbindung mit einer Ansteuerelektronik ein systemspezifisches Signal erzeugt, das einer Auswerteelektronik zugeführt wird, da durch gekennzeichnet, daß

- wenigstens ein magnetfeldauswertender Sensor (2) vorge sehen und so im Bereich des Energiewandlungssystems (1) angeordnet ist, daß ein Magnetfeld (h), das durch geome trische Diskontinuitäten von funktionsbedingten Bautei len des Energiewandlungssystems (1), beispielsweise an Spalten und Kanten, gebildet ist, den Sensor (2) defi niert durchsetzt oder
- daß der magnetfeldauswertende Sensor (2) in die strom führende Leitung des Energiewandlungssystems (1) über eine weitere magnetfeldverkoppelnde Einrichtung, bei spielsweise eine Feldwicklung, eingebunden ist, wobei
- der Sensor (2) magnet-induktiv ausgebildet und mit einer Impulsspannungsquelle (3) verbunden ist, die eine Recht eckimpulsfolge als Ansteuersignal (u₀) mit nur einer Polarität, kleiner Leistung, definierter Periodendauer (T₀) und definiertem Tastverhältnis (τ₀) erzeugt und
- daß der Sensor (2) über einen Verstärker mit Filter (7) und im weiteren mit einem Demodulator (9) zur Frequenz- und/oder Amplitudendemodulation verbunden ist, der am Ausgang ein typisches Signalmuster (u₃) aufweist.

2. Schaltungsanordnung zur Diagnose, Überwachung und/ oder Steuerung von Energiewandlungssystemen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ausgang des Demodulators (9) oder der Ausgang einer anderen magnetfeldauswertenden Sensoranordnung mit den Eingängen von Komparatoren (11; 12) verbunden ist, die das in diese eingehende Signalmuster (u₃) in zeitvarian te binäre Variablen (X₁; X₁; X₂; X₂) wandeln und
- daß die Ausgänge der Komparatoren (11; 12) mit den Ein gängen eines Multiplexers (16) in Verbindung stehen, der seinerseits mit einer Ansteuereinheit (15) verbunden ist und bei Ansteuerung/ Programmierung die Variablen (X₁; X₁; X₂; X₂) in programmierter Reihenfolge an die Ein gänge von Flipflops (18; 19) beziehungsweise an die Ausgänge (Y₄ bis Y₇) führt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zur zeitlichen Bewertung der zeitvarianten binären Variablen (X₁; X₂) die Steuereingänge der flanken getriggerten Flipflops (18; 19) über eine Ansteuereinheit (17), in der bezüglich eines Steuersignales (E) durch Mo noflops ein weiteres Steuersignal (C) erzeugt wird, über einen Optokoppler (6) und einen Spannungsteiler mit Tief paß (4) mit dem Betriebsspannungsanschluß (u) des Energie wandlungssystems (1) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Bestimmung eines Zeitintervalls (t₂-t₁) die Steuer eingänge eines mit einem Generator (20) getakteten Zäh lers (21) mit dem Ausgang (Y₂) des Flipflops (18) und/ oder dem Ausgang (Y₃) des Flipflops (19) und der An steuereinheit (17) verbunden sind,
- der Ausgang (Y₁) des Zählers (21) mit einem Digital- Analog-Umsetzer (23) zur Erzeugung eines Analogwertes (Z₁) und einem Codeumsetzer (24) zur Erzeugung eines codierten Wertes (Z₂) bei Ansteuerung/Programmierung einer Ansteuereinheit (22) in Verbindung stehen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Überwachung des elektrischen Betriebszustandes des Energiewandlungssystems (1) der Multiplexer (16) mit dem Betriebsspannungsanschluß (u) über einen Spannungsteiler mit Tiefpaß (5), einen Optokoppler (8) und einen weite ren Tiefpaß (10) verbunden ist,
- das Ausgangssignal des Tiefpasses (10) zur Bewertung der Signalhöhe Komparatoren (13; 14) zugeführt und in zeit variante binäre Variablen (X₃; X₄) gewandelt wird,
- die Ausgänge der Komparatoren (13; 14) mit den Eingängen des Multiplexers (16) verbunden sind, der bei Ansteue rung/Programmierung die Variablen (X₃; X₄) in program mierter Reihenfolge an die Ausgänge (Y₄ bis Y₇) führt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitinvarianten binären Variablen (Y₁ bis Y₃) und die zeitvarianten Variablen (Y₄ bis Y₇) einer kombinatorischen Schaltung (25) zuge führt werden, die mit der Ansteuereinheit (22) in Verbin dung steht und bei entsprechender Ansteuerung/Programmie rung der Ansteuereinheit (22) für das Energiewandlungssy stem (1) spezifische Variablen (Z₃ bis Z_n) erzeugt.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Senso ren (2) an lokal unterschiedlichen Positionen von Energie wandlungssystemen (1) angeordnet ist, wobei deren Einzel signale einer gemeinsamen Auswertung zugeführt sind.