DE3807278C2 - Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Magnetventilen und Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicherheitstechni­ schen Überprüfung von Magnetventilen und eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In Industrieanlagen werden Magnetventile in vielfältiger Form verwendet. Während die Funktion von Magnetventilen, die im Verfahrensablauf ständig betätigt werden, über die Kontrolle des Verfahrens selbst erkennbar wird, muß eine gesonderte Funktionskontrolle für Magnetventile vorgesehen werden, die nur in Ausnahmefällen betätigt werden. Dies gilt insbesondere für Magnetventile, die nur bei Störfällen geschaltet werden, die dann aber einwandfrei und zuverlässig funktionieren müssen. Eine einfache Funktionsprüfung durch Betätigen im Rahmen einer Sicherheitsüberprüfung der Anlage zeigt zwar, daß das betreffende Ventil noch arbeitet, eine Aussage über den Funktionszustand ist jedoch nur bei gleich­ zeitiger Sichtprüfung möglich. Eine derartige Sichtprüfung ist jedoch in einer Vielzahl von Fällen, beispielsweise in bestimmten Bereichen von Atomenergieanlagen nicht mög­ lich.

Aus der gattungsgemäßen DE-AS 27 28 666 ist eine Überwachungseinrichtung für Magnetventile bekannt, mit der der charakteristische Stromabfall des Erregerstroms des Betätigungsmagneten eines Magnetventils aufgrund einer Ankerbewegung erfaßt wird. Mit dieser Vorrichtung kann jedoch nur festgestellt werden, ob der Anker sich bewegt hat oder nicht. Aussagen über die An­ sprechzeit und die Art der Bewegung, d. h. ob der Anker ggf. nur zögernd angezogen hat, sind mit dieser Vorrichtung nicht möglich. Aus der DE-OS 34 23 505 und der DE-OS 36 15 908 sind Anordnungen bekannt, bei denen der Stromabfall des Er­ regerstroms aufgrund der Ankerbewegung des Betätigungsmagne­ ten zum Steuern des Erregerstroms verwendet wird. Da der Stromabfall ein Anzeichen für ein Anziehen des Ankers ist, kann anschließend der Erregerstrom z. B. reduziert werden, da für den Haltestrom des Ankers geringere Stromstärken er­ forderlich sind. Eine Überprüfung des Funktionszustandes der das Ventil betätigenden Teile kann mit diesen Anordnun­ gen nicht durchgeführt werden. Aus der Druckschrift "IBM Technical Disclosure Bulletin" Vol. 21, No. 3, August 1978, S. 1109, ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zur Kon­ trolle der Schaltzeit eines Betätigungsmagneten bekannt, bei welcher der Stromabfall des Erregerstroms beim Schalten des Betätigungsmagneten zur Ermittlung der Schaltzeit des Mag­ neten herangezogen wird. Der Erregerstrom des Magneten wird über eine Aufnahmespule erfaßt. Über eine direkte Differen­ tiation des Erregerstroms wird ein Meßsignal erzeugt, aus welchem die Schaltzeit abgeleitet wird. Mit dieser Schal­ tung ist jedoch nicht möglich und auch nicht beabsichtigt, den Bewegungsbeginn des Magneten zu ermitteln.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein meßtech­ nisches Überprüfungsverfahren zu schaffen, das nicht nur die Tatsache der Funktion des zu überprüfenden Magnetven­ tils angibt, sondern zugleich auch eine Aussage über den Funktionszustand der das Ventil betätigenden Teile ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß während eines Arbeitsspiels des Mag­ netventils die Veränderung des Erregerstroms über der Zeit als Kontrollfunktion I′ = dI/dt erfaßt wird, indem ein über eine elektrisch-induktive Messung die Kontrollfunktion I′ = dI/dt unmittelbar abbildendes Meßsignal gemessen wird, und daß das Meßsignal logarithmisch verstärkt und nach der Verstärkung im Vergleich mit Folgemessungen am gleichen Magnetventil gespeichert und/oder angezeigt wird.

Während über die Meßfunktion I = I(t) die Anzugszeit (Ansprech­ verzug und Hubzeit) bzw. die Abfallzeit (Abfallverzug und Rücklaufzeit) nur unvollkommen gemessen werden können, lassen sich aus der Kontrollfunktion I′ = dI/dt alle Be­ schleunigungen, wie beispielsweise der Beginn der Ankerbewe­ gung oder auch hakende Bewegungen während des Hubes deutlich sichtbar machen. Speichert man nun bei einem neuen Ventil diese Kontrollfunktion zu Vergleichszwecken als "SOLL- Kurve" ab, so lassen sich bei einem Vergleich mit jeder, bei einer späteren Überprüfung gewonnenen "IST-Kurve" aus den sich ergebenden Abweichungen Rückschlüsse über den Funktionszustand des überprüften Ventils ziehen. Bei einem neuen Ventil verläuft die Hubkurve nahezu geradlinig, d. h. mit einer geringen parabelähnlichen Krümmung. Wenn sich jedoch nach einiger Betriebszeit Ablagerungen gebildet haben, so würde dies bei einer einfachen Funktionsprüfung nur dann feststellbar sein, wenn die vorgegebene Hubzeit (unter Berücksichtigung der zulässigen Toleranzen) überschrit­ ten wird. Bei einer Überprüfung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren machen sich jedoch derartige Ablagerungen in Unregelmäßigkeiten im Verlauf der Hubkurve, aber auch in der Höhe der Hubkurve bemerkbar. Je nach dem Grad der Veränderung, der beispielsweise auch durch den Vergleich der gespeicherten Kontrollfunktionen aufeinanderfolgender Messungen feststellbar ist, kann dann das betreffende Magnetventil rechtzeitig ausgewechselt werden. Das Verfahren kann beispielsweise in der Weise durchgeführt werden, daß die Veränderung des Erregerstroms unmittelbar gemessen wird und dann das so gewonnene, die Meßfunktion I = I(t) darstellende Meßsignal über eine entsprechende Rechnerschal­ tung in die Kontrollfunktion I′ = dI/dt umgewandelt wird.

Die Verfahrenweise, daß das über eine elektrisch-induktive Messung die Kontrollfunktion I′ = dI/dt unmittelbar abbil­ dende Meßsignal logarithmisch verstärkt und nach der Verstär­ kung abgespeichert und/oder angezeigt wird, ist nicht nur schaltungstechnisch einfacher, da der zu messende Erregerstrom nicht nur berührungslos abgegriffen wird, sondern durch die Form des Abgriffs zugleich die Kontrollfunktion I′ = dI/dt als Signal gewonnen wird. Durch die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers ergibt sich ein sehr viel höheres Auflösungsvermögen der gewonnenen Kontrollfunktion, da durch die logarithmische Verstärkung gerade die hier interessierenden kleinen Abweichungen von der "SOLL-Kurve" verstärkt werden und damit die Zuverlässig­ keit der Bewertung des Funktionszustandes des untersuchten Magnetventils verbessert wird.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist ferner vorgesehen, daß die Veränderung des Erreger­ stroms zur Bildung der Kontrollfunktion I′ = dI/dt während eines Arbeitsspiels in kurzen Zeitabständen gemessen, ver­ stärkt und die Einzelmeßsignale als Kontrollfunktion abge­ speichert und/oder angezeigt werden. So ist es beispiels­ weise möglich, bei einem Arbeitsspiel von 60 Millisekunden die Messung in Takten von etwa 0,1 Millisekunden durchzuführen. Diese Verfahrensweise erlaubt es innerhalb der gegebenen kurzen Meßzeit trotz der begrenzten Datenverarbeitungsge­ schwindigkeit der einzusetzenden elektronischen Bauteile eine zuverlässige Erfassung und Abspeicherung der die Kon­ trollfunktion bildenden Meßwerte zu erreichen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Meßanordnung zur sicher­ heitstechnischen Überprüfung von Magnetventilen nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 2. Erfindungsgemäß ist vorge­ sehen, daß als Meßwertaufnehmer wenigstens ein eine Phase der elektrischen Zuleitung zum Betätigungsmagneten umschlies­ sender Ferritring vorgesehen ist, der mit wenigstens einer Spule bewickelt ist, daß die Enden der Spule auf die Ein­ gänge eines Verstärkers aufgeschaltet sind und daß der Signalausgang des Verstärkers mit der Datenspeicher- und/oder -Anzeigeeinrichtung verbunden ist. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung eines Ferritringes wegen der besonderen elektrischen Eigenschaften der Ferrite, nämlich der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit und damit des Ausbleibens von Wirbelströmen, bevorzugt. Anstelle von Ferriten werden auch solche Werkstoffe von der Erfindung erfaßt, die ver­ gleichbare magnetische und/oder elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Meßanordnung hat den Vorteil, daß durch die besondere Form des Meßwertaufnehmers die Veränderung des in der vom Ferritring umschlossenen Zuleitung fließenden Erregerstroms ohne die Anordnung zusätzlicher Schaltungsele­ mente bereits in der Form der Kontrollfunktion I′ = dI/dt abgegriffen und verstärkt werden kann. Der Verstärker ist zweckmäßigerweise als logarithmischer Verstärker ausgebildet.

Bei der Verwendung eines logarithmischen Verstärkers muß bei Verwendung von nur einer Spule diesem eine an sich be­ kannte Rechnerschaltung vorgeschaltet werden, die jeweils für die negative Halbwelle des Meßsignals eine Vorzeichen­ umkehr bewirkt.

In einer anderen, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei logarithmische Verstärker vorge­ sehen und der Meßwertaufnehmer mit zwei gegenläufig gewickel­ ten Spulen versehen, die an einem Ende auf einen gemeinsamen Kontaktpunkt zusammengeschaltet sind und der Kontaktpunkt jeweils mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist. Die beiden Verstärker sind mit ihrem Signalausgang wiederum zusammengeschaltet, so daß die Kontrollfunktion am Verstärker vorzeichenrichtig abgegriffen werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist der Signalaus­ gang des Verstärkers auf einen 1-Chip-Mikrorechner mit Analog/Digitalwandler und Datenspeicher als Datenspeicherein­ richtung aufgeschaltet. Diese Anordnung erlaubt es, insbeson­ dere bei fest installierten Meßanordnungen, verfahrenstech­ nisch miteinander verknüpfte Magnetventile zu überprüfen. Hierzu werden lediglich die betreffenden Magnetventile durch Schaltung des Verfahrensablaufes in der durch das Steuer- oder Regelprogramm vorgesehenen Weise betätigt.

Alle Meßdaten werden dann zeitgleich erfaßt und an jeder Meßstelle für sich abgespeichert. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein kompletter Verfahrensablauf bezüglich aller Elemente, also auch der Meß- und Regelein­ richtung selbst überprüft werden muß, beispielsweise durch eine Störfallsimulation, mit der die Funktionstüchtigkeit eines Sicherheitskreislaufes überprüft wird. Nachdem die Funktion des Verfahrens selbst auf diese Weise geprüft worden ist, können anschließend die Meßdaten jedes einzelnen, der in die Überprüfung einbezogenen Magnetventile abgerufen und mit den voraufgegangenen Messungen verglichen werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Magnetventil mit einer Meßanordnung,

Fig. 2 den Verlauf der Meßkurve I = I(t),

Fig. 3 den Verlauf der zugehörigen Kurve der Kontrollfunktion I′ = dI/dt,

Fig. 4 eine spätere Vergleichsmessung zur Messung gem. Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein in einer Rohrleitung 1 angeordnetes Ventil 2 schematisch dargestellt, das über einen elektrisch ansteuer­ baren Betätigungsmagneten 3 je nach Aufgabenstellung mit Hilfe des Betätigungsmagneten in Öffnungs- oder Schließstel­ lung gefahren werden kann. Der Betätigungsmagnet 3 ist mit einer Gleichspannung von beispielsweise 24 Volt beaufschlagbar und über die beiden Zuleitungsphasen 4 und 5 an eine Strom­ versorgung angeschlossen.

Für eine periodische Funktionskontrolle, beispielsweise wenn das Magnetventil 2 an einer unzugänglichen Stelle einer Anlage angeordnet ist, ist eine fest installierte Meßanordnung 6 vorgesehen. Die Meßanordnung 6 besteht im wesentlichen aus einem Ferritring 7, der die Zuleitungs­ phase 5 umschließt und der mit zwei gegenläufig gewickelten Spulen 8 und 9 versehen ist. Die beiden Spulen 8 und 9 sind an ihrem aneinandergrenzenden Ende auf einen gemeinsa­ men Kontaktpunkt 10 zusammengeschaltet. Der Kontaktpunkt 10 sowie die beiden anderen Spulenenden 11 und 12 sind auf eine Verstärkerschaltung 13 aufgeschaltet. Bei dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel wird die Verstärkerschaltung 13 durch zwei logarithmische Verstärker 13′ und 13′′ gebildet, so daß jeweils eine Halbwelle des vom Meßwertaufnehmer ausgehenden Meßsignals verstärkt werden kann. Der Meßwert­ aufnehmer besteht im vorliegenden Fall aus dem Ferritring 7 und den beiden gegenläufig gewickelten Spulen 8 und 9.

Der Signalausgang 14 der Verstärkerschaltung 13 kann nun auf ein Anzeigegerät 15, beispielsweise ein Speicheroszil­ loskop aufgeschaltet werden. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Signalausgang 14 auf eine Datenspeichereinrichtung 16 aufgeschaltet ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine sicherheitstechnische Überprüfung eines Störfall­ systems durchgeführt werden soll, das im Normalbetrieb nicht betätigt wird. Bei einer Störfallsimulation müssen dann alle zu dem betreffenden Kreislauf gehörenden Ventile in der durch die regelungs- oder steuerungstechnische Koppe­ lung vorgesehenen Weise betätigt werden, so daß zunächst nur die Funktion des Störfallsystems festgestellt werden kann. Durch die Abspeicherung der Funktionsdaten des einzel­ nen Magnetventils kann nun zusätzlich jedes Magnetventil anschließend in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise überprüft werden. Die Datenspeichereinheit 16 wird beispielsweise durch einen 1-Chip-Mikrorechner mit Analog/ Digitalwandler und Datenspeicher gebildet wird, dessen Signalausgang 17 auf einen Zentralrechner aufgeschaltet ist, so daß von einem zentralen Leitstand die Daten jedes der mit einer entsprechenden Meßanordnung 6 ausgestatteten Magnetventile abgerufen werden können.

In Fig. 2 ist nun der Kurvenverlauf der Meßfunktion I = I(t) dargestellt. Diese Meßfunktion erhält man, wenn man unmittelbar den in einer der Zuleitungsphasen 4, 5 zum Betätigungsmagneten 3 fließenden Strom beim Einschalten mißt. Der Zeitraum von t0 bis t1 stellt die sogenannte Ansprechzeit dar, d. h. die Zeit, in der sich das Magnetfeld in der Spule des Betätigungsmagneten soweit aufbaut, bis der Anker sich zu bewegen beginnt. Der Zeitraum Δt zwischen t1 und t2 stellt hierbei die Hubzeit dar, d. h. die Zeit, in der durch den Anker des Betätigungsmagneten der Stößel des Ventils bis in die Endlage geschoben wird. Dieser Kurven­ verlauf zeigt, daß sich eine Messung des Erregerstromes, die sich aus Ansprechverzug und Hubzeit zusammensetzende Anzugzeit bzw. im umgekehrten Fall die aus Abfallverzug und Rücklaufzeit zusammensetzende Abfallzeit des betreffen­ den Magnetventils abgelesen werden kann. Die Kurve zeigt jedoch nur ungenau den Zeitpunkt t1 des Beginns der Ankerbe­ wegung und erlaubt keinerlei Rückschlüsse über den Bewegungs­ ablauf während der Hubzeit. Der hierfür maßgebliche Kurvenver­ lauf im Zeitraum Δt läßt keinerlei Bewertung der Hubbewegung und damit keinerlei Rückschlüsse auf den mechanischen Zustand des betreffenden Magnetventils zu.

Man kann nun das durch eine direkte Messung des Erreger­ stroms gewonnene Meßsignal auf eine Rechenschaltung geben, die hieraus die gewünschte Kontrollfunktion It = dI/dt, also die erste Ableitung nach der Zeit der in Fig. 2 darge­ stellten Kurve bildet. Verwendet man jedoch die in Fig. 1 dargestellte Meßanordnung, dann ist das von den Spulenenden 10, 11, 12 abgegriffene, zusammengesetzte Meßsignal bereits die als Kontrollfunktion gewünschte erste Ableitung I′ = dI/dt. Schaltet man nun entsprechend dem anhand von Fig. 1 beschrie­ benen Ausführungsbeispiel das so gewonnene Meßsignal auf zwei logarithmische Verstärker auf, so erhält man den in Fig. 3 wiedergegebenen Kurvenverlauf für die Kontrollfunktion I′ = dI/dt. Wie die Zeichnung erkennen läßt, zeigt die Darstellung in der Form I′ = dI/dt in Verbindung mit einer logarithmischen Verstärkung des Meßsignals den Verlauf der Hubbewegung mit sehr hohem Auflösungsvermögen für den Zeitraum Δt. Das Auflösungsvermögen ist sogar so hoch, daß der im Zeitraum Δt wiedergegebene Kurventeil 18 im Anfangsbereich 19 zunächst die Bewegung des Ankers bis zum Anschlag am Ventilstößel erkennen läßt. Aus dem leicht gekrümmten, parabelähnlichen Verlauf des Kurventeils 20 ist zu erkennen, daß die Bewegung des Ventilstößels und damit die Betätigung des Magnetventils ohne jegliche Behin­ derung erfolgt. Der anhand von Fig. 3 dargestellte Kurvenver­ lauf entspricht einem einwandfrei funktionierenden, beispiels­ weise fabrikneuen Magnetventils mit Gleichstrommagneten.

Bei der Abnahme einer Anlage bzw. beim Einbau eines neuen Ventils wird dieses in der vorstehend beschriebenen Weise durchgemessen und der entsprechend von Fig. 3 registrierte Kurvenverlauf als "SOLL-Kurve" archiviert. Mit dieser "SOLL- Kurve" wird nun die bei allen nachfolgenden Überprüfungen gemessene "IST-Kurve" verglichen, so daß aus etwaigen Abwei­ chungen Rückschlüsse über den mechanischen Zustand des betreffenden Ventils gezogen werden können. Eine derartige "IST-Kurve" eines zu einem späteren Zeitpunkt überprüften Ventils ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Der Kurven­ verlauf 20′ ist hierbei gegenüber der "SOLL-Kurve" gem. Fig. 3 nicht mehr stetig sondern weist im Bereich 21 einen zackenförmigen Verlauf auf, der auf eine ruckweise Bewegung des Ventilstößels schließen läßt. Ferner ist im Vergleich zur "SOLL-Kurve" die tatsächliche Hubzeit Δt′ verlängert. Dieser Kurvenverlauf zeigt, daß die Bewegung des Stößels durch Ablagerungen und/oder Korrosion bzw. Verkleben von Ventildichtungen abgebremst wird und daß das Ventil unter Umständen nicht voll öffnet bzw. die spezifizierte Schließ­ zeit überschritten wird, d. h. also, daß zum Prüfzeitpunkt die volle Funktionsfähigkeit nicht mehr gegeben ist. Damit kann schon zum Prüfzeitpunkt die Entscheidung getroffen werden, das dieses Ventil ausgewechselt werden muß, was insbesondere für Störfallsysteme von entscheidender Bedeutung ist, da hier sichergestellt sein muß, daß jedes der im Störfallsystem verwendeten Magnetventile zuverlässig und vollständig öffnet bzw. schließt.

Vergleicht man nun das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Auflösungsvermögen entsprechend den Kurvenver­ läufen nach Fig. 3 und Fig. 4 mit dem Kurvenverlauf gem. Fig. 2, so läßt sich ohne weiteres erkennen, daß eine derart qualifizierende Aussage aufgrund eines Vergleichs mehrerer aufeinanderfolgender Meßkurven nicht möglich ist, und zwar auch dann nicht, wenn bei einer Messung des Erregerstroms das gewonnene Meßsignal erheblich verstärkt würde.

Claims (6)

1. Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Magnetventilen, bei welchen die Veränderung des Erreger­ stroms des Betätigungsmagneten gemessen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während eines Arbeitsspiels des Magnet­ ventils die Veränderung des Erregerstroms über der Zeit als Kontrollfunktion I′ = dI/dt erfaßt wird, indem ein über eine elektrisch-induktive Messung die Kontrollfunk­ tion I′ = dI/dt unmittelbar abbildendes Meßsignal gemes­ sen wird, und daß das Meßsignal logarithmisch verstärkt und nach der Verstärkung zum Vergleich mit Folgemessungen am gleichen Magnetventil gespeichert und/oder angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Erregerstroms I′ = dI/dt während eines Arbeitsspiels in kurzen Zeitabständen gemessen, verstärkt und die einzelnen Meßsignale als Kontrollfunktion abge­ speichert und/oder angezeigt werden.

3. Meßanordnung zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Magnetventilen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß­ wertaufnehmer wenigstens ein einen Leiter der elektrischen Zuleitung umschließender Ferritring (7) vorgesehen ist, der mit wenigstens einer Spule (8, 9) bewickelt ist, daß die Enden (10, 11, 12) der Spule (8, 9) auf die Eingänge eines logarithmischen Verstärkers (13) aufgeschaltet sind und daß der Signalausgang (14) des Verstärkers (13) mit der Datenspeicher- und/oder Anzeigeeinrichtung verbunden ist.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei logarithmische Verstärker (13′, 13′′) vorgesehen sind, daß der Meßwertaufnehmer mit zwei gegenläufig ge­ wickelten Spulen (8, 9) versehen ist, die an einem Ende auf einen gemeinsamen Kontaktpunkt (10) zusammengeschaltet sind und daß der Kontaktpunkt (10) jeweils mit dem Eingang eines der logarithmischen Verstärker (13′, 13′′) verbunden ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Verwendung nur einer Spule (8) dem logarithmi­ schen Verstärker (13) eine Rechenschaltung zur Vorzeichen­ umkehr eines Teils des Meßsignals vorgeschaltet ist.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang (14) des Verstärkers (13) auf eine 1-Chip-Mikrorechner mit Analog/Digitalwandler und Datenspeicher als Datenspeichereinrichtung (16) aufge­ schaltet ist.