DE3835397C2 - Überwachungsbaustein für fluidische Systeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überwachungsbaustein für fluidische Systeme gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Es sind bereits verschiedene Überwachungsmethoden für die Funk­ tionstüchtigkeit fluidischer Geräte oder ganzer Systeme bekannt. So dienen beispielsweise Leuchtdioden zur Überwachung von Magnetven­ tilen, wobei diese ein optisches Signal abgeben, wenn die Spule des Magnetventils von einem Strom durchflossen wird. Diese optische Erkennungsmethode hat den Nachteil, daß auch dann ein optisches Signal abgegeben wird und damit eine Funktionserfüllung signalisiert, wenn beispielsweise die Spule des Magnetventils defekt oder der durch den Elektromagneten des Magnetventils beeinflußbare Anker am Freigeben des fluidischen Querschnittes gehindert ist, z. B. durch ein Verkanten oder durch Schmutzpartikel.

Eine Erweiterung dieser bekannten Funktionskontrolle besteht darin, daß durch die Bewegung des Ankers eines Magnetventils ein elek­ tromechanischer Kontakt betätigt wird, der seinerseits die optische Anzeige beeinflußt. So kann der Kontakt beispielsweise bestehen aus dem Anker einerseits und einer leitenden Anschlagfläche im Ventilge­ häuse andererseits. Durch diesen Kontakt kann ein elektrischer Kreis geschlossen werden, in den beispielsweise eine Leuchtdiode geschaltet ist, die beim Schließen des Kontaktes ein zweites optisches Signal abgibt.

Gibt diese Leuchtdiode sowie die zuvor beschriebene Leuchtdiode im Ankerkreis des Magnetventils ein Signal ab, so wird damit angezeigt, daß zum einen die Magnetspule von einem Strom durchflossen wird, und zum anderen, daß der Anker die festgelegte Hubbewegung ausge­ führt hat.

Nachteilig an dieser Funktionskontrolle ist jedoch, daß auch hier­ durch die gewollte Ausgangsfunktion des fluidischen Gerätes oder Systems nicht erkannt wird, da diese Signale auch dann generiert werden, wenn das fluidische System drucklos ist.

Eine weitere Möglichkeit der Funktionskontrolle besteht darin, auf­ grund der Induktionsänderung durch die Ankerbewegung eine Aus­ sage dahingehend zu treffen, daß sich der Anker bewegt hat. Diese Funktionskontrolle birgt dieselben Nachteile wie die zuvor beschrie­ bene Kontrolle mittels eines durch die Ankerbewegung schließbaren Kontaktes.

Allen vorbeschriebenen Kontrollmethoden ist gemeinsam, daß sie ausschließlich bei Magnetventilen einsetzbar sind.

Eine weitergehende Funktionskontrolle gestattet ein kalorimetrischer Strömungswächter gemäß der DE-OS 24 47 617. Bei diesem Strö­ mungswächter wird die kalorimetrische Änderung aufgrund der Strö­ mung des Fluids in einer Leitung von zwei Meßfühlern erfaßt, von denen der eine aktiv, also beheizt, und der andere passiv, also unbe­ heizt ist. Die erfaßte kalorimetrische Änderung wird in einer Elek­ tronik dahingehend ausgewertet, daß zwei Leuchtdioden in Abhängig­ keit von der Strömungsgeschwindigkeit angesteuert werden. Gibt keine der beiden Leuchtdioden ein optisches Signal ab, so strömt das Fluid mit einer voreinstellbaren Sollgeschwindigkeit durch die Lei­ tung. Gibt hingegen nur eine der beiden Leuchtdioden ein Signal ab, weicht die Strömungsgeschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit nach oben bzw. unten ab.

Mit diesem vorbeschriebenen Strömungswächter sind zwar schon weitergehende Aussagen als mit den weiter oben beschriebenen Me­ thoden möglich, da direkt eine Aussage über die Strömungsgeschwin­ digkeit des Fluids getroffen werden kann und nicht nur aufgrund einer Messung elektrischer Größen eine indirekte Aussage über die momentanen Strömungsverhältnisse im fluidischen System gemacht werden kann, die zudem aus oben beschriebenen Gründen fehler­ behaftet sein kann.

Aus DE 32 24 136 A1 ist es bekannt, den Zustand eines Hydrospei­ chers mittels eines Druck- und eines Temperaturfühlers zu überwa­ chen. Die Überwachung von Schaltzuständen eines Ventils oder von Strömungszuständen ist damit nicht möglich.

Vor dem Hintergrund des an Bedeutung zunehmenden Aspekts der sogenannten vorbeugenden Wartung wird aber eine noch weitergehen­ de Aussage über den Zustand des fluidischen Systems gefordert. Dies ist insbesondere zur Vermeidung kostenintensiver Stillstandszeiten von Anlagen mit vielen fluidischen Geräten angezeigt, bei denen bisher bei Auftreten von Störungen ein erheblicher Zeitaufwand zur Lokalisierung der Störung aufgebracht werden mußte.

Ausgehend von einem Stand der Technik, wie er aus DE-OS 24 47 617 bekannt ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Überwachungsbaustein für fluidische Geräte so weiterzubilden, daß er unterschiedliche Zustände eines fluidischen Systems und Zustands­ änderungen zuverlässig angibt.

Diese Aufgabe wird durch einen Überwachungsbaustein mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Demgemäß wird vorgeschlagen, einen Überwachungsbaustein gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen so weiterzubilden, daß der Meßfühler ein elektronisches, elektromecha­ nisches, thermoelektrisches oder optoelektronisches Element ist, daß zusätzlich zum Meßfühler ein in der Fluidströmung liegender Refe­ renzmeßfühler vorgesehen ist, welcher ein elektrisches Kompensa­ tionssignal generiert, welches zur Erzeugung des Steuersignals mit dem elektrischen Signal vom Meßfühler einer Brückenschaltung in der elektronischen Schaltung zugeführt ist, daß die elektronische Schaltung die Ausgangssignale der Brückenschaltung in zeitverzögerte binäre Steuersignale umwandelt und daß ein elektrischer oder mecha­ nischer Speicher vorgesehen ist, in dem die digitalisierten Steuersi­ gnale bis zu ihrer möglichen Änderung gespeichert sind.

Mit diesem Baustein ist nicht nur die Erfassung von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten möglich, sondern auch die Umkehrung der Strömungsrichtung. Aufgrund der erfaßten Signale ist eine Aus­ sage über den Zustand des ganzen fluidischen Systems, aber auch einzelner fluidischer Geräte in dem System dahingehend möglich, ob das System bzw. Gerät einwandfrei arbeitet oder ob eine beispiels­ weise geringe Leckage, welche die Funktionstüchtigkeit des Systems bzw. des Gerätes noch nicht beeinträchtigt, eine Anzeige für einen Hinweis auf eine vorbeugende Wartungsmaßnahme angebracht er­ scheinen läßt.

Um den Überwachungsbaustein auch zur Überwachung beispielsweise von Magnetventilen einsetzen zu können, wird das Steuersignal zeitverzögert, denn es muß davon ausgegangen werden, daß die Ventile auch über prellende Relais und Schütze angesteuert werden und die Ventile dementsprechend gegebenenfalls dieses Prellen zeit­ verzögert nachvollziehen. Dies könnte sonst zu ungewollten Sprung­ signalen führen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Überwachungsbausteins ist nicht auf die Anwendung bei Magnetventilen beschränkt. Der Bau­ stein kann sowohl einzelne fluidische Geräte, als auch Gerätefunk­ tionsgruppen oder Systeme gleichzeitig überwachen. Bei Einzelgerä­ ten, wie z. B. bei Ventilen, wird nicht nur ein Teilmerkmal der Funk­ tion überwacht, sondern die tatsächliche Aufgabenerfüllung des Gerates, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit der zu steuernden Fluide erfaßt wird. Das Speichern der digitalisierten Steuersignale bis zu der Umkehr der Strömungsrichtung des Fluids hat den Vorteil, daß erkennbar bleibt, in welcher Schaltposition sich das System befindet. Dies wird weiter unten näher erläutert.

Die vorerwähnte Zeitverzögerung der Steuersignale vor ihrer Digita­ lisierung kann beispielsweise durch ein RC-Glied erreicht werden. Es können aber auch die digitalisierten Steuersignale zeitverzögert wer­ den, vorzugsweise mittels einer monostabilen Kippstufe, also mittels eines Mono-Flops, und zwar vorzugsweise bis zu einer Zeitdauer von 50 ms.

Für den Einsatz des Überwachungsbausteins in exgeschützten Berei­ chen ist es zweckmäßig, statt beispielsweise temperaturabhängiger Widerstände für den Meßfühler und den Referenzmeßfühler faser­ optische Temperatursensoren einzusetzen, deren Signale aus dem Exschutz-Bereich herausgeführt und in einer außerhalb des Exschutz-Be­ reiches angeordneten Elektronik ausgewertet werden können.

Je nach Anwendungsgebiet kann der Referenzmeßfühler vorteilhaft so angeordnet sein, daß er in der Fluidströmung liegt oder aber, daß er in dem Fluid in einer im wesentlichen strömungsberuhigten Zone liegt.

Die Schwelle, ab der eine vorbeugende Wartungsmaßnahme signali­ siert wird, kann geräte- oder systemtypisch einstellbar gehalten werden.

Der Überwachungsbaustein ist entweder in die fluidischen Geräte oder in das fluidische System direkt integrierbar oder aber als Ein­ zelbaustein in bereits bestehenden Systemen nachrüstbar.

Die Steuersignale können optisch erkennbar gemacht werden, bei­ spielsweise durch Leuchtdioden, und/oder in einer übergeordneten Steuerung weiterverarbeitet werden.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 und 2 Prinzipskizzen für die Anordnung des Überwa­ chungsbausteins in einem einfachen fluidischen System,

Fig. 3 die Anordnung des erfindungsgemäßen Überwa­ chungsbausteins in der Ausführungsform mit ei­ nem Meßfühler und einem Referenzmeßfühler in der Fluidströmung,

Fig. 4 einen beispielhaften Verlauf dreier verschiedener Ventilzustände und

Fig. 5 beispielhafte Zustände der Elektronik, die mit den Ventilzuständen aus Fig. 4 korrespondieren.

Fig. 1 stellt eine Prinzipskizze dar, wie mit einem Überwachungs­ baustein 22 die Funktion eines fluidischen Gerätes 33, hier ein Ventil, überwacht werden kann, an dessen Ausgang A ein einfach wirkender Zylinder 44 angeschlossen ist, der über das Ventil 33 von seiner fluidischen Anschlußseite her entlüftet ist.

Der Überwachungsbaustein 22 signalisiert, wenn das Ventil 33 in dem dargestellten Schaltzustand beispielsweise Leckage führen würde. Desgleichen kann vom Überwachungsbaustein 22 angezeigt werden, wenn das Ventil 33 durchschaltet, so daß das Fluid von P nach A strömt. Auch im durchgeschalteten Zustand ist eine Leckanzeige denkbar, und zwar in diesem Fall sowohl für das Ventil 33 als auch für den Zylinder 44.

Wenn beispielsweise der Zylinder 44 druckbeaufschlagt werden soll, wird während der Strömungsphase die Durchströmungsrichtung mit dem erfindungsgemäßen Überwachungsbaustein 22 zur Anzeige gebracht. Das Ventil 33 soll für einige Zeit geöffnet und der Zylinder 44 für einige Zeit ausgefahren bleiben. Nach dem Füllen des Zylinders 44 (und des Schlauchvolumens) wird die Fluidströmung reduziert und strebt schließlich gegen Null. Würde weder am Ventil 33, am Zylin­ der 44 oder an den Schläuchen eine Leckage auftreten, so würde der Überwachungsbaustein 22 den Ruhezustand der Strömung erkennbar machen.

Mit den Geräten gemäß dem Stand der Technik wäre eine Aussage darüber, ob beispielsweise das Ventil 33 noch geschaltet oder nicht geschaltet ist, nicht möglich. Durch das erfindungsgemäße Halten der erzeugten Steuersignale zum Erkennen der Strömungsrichtung des Fluids bis zu deren Umkehr bleibt mit dem erfindungsgemäßen Über­ wachungsbaustein 22 erkennbar, in welcher Schaltposition sich das gesamte fluidische System befindet. Würde beispielsweise durch eine außen auf die Kolbenstange des Zylinders 44 einwirkende Querkraft dieser Leckage führen, so würde der Überwachungsbaustein 22 Steu­ ersignale generieren, die zu einer Anzeige gebracht werden können, aus der heraus auf den Zustand des Systems geschlossen werden kann.

Das Prinzipschaltbild der Fig. 2 ist gegenüber dem Schaltbild aus Fig. 1 dadurch erweitert worden, daß zwischen dem Ventil 33 und dem einfach wirkenden Zylinder 44 ein weiterer Überwachungsbau­ stein 55 geschaltet worden ist.

Es ist verständlich, daß dieser weitere Überwachungsbaustein 55 ausschließlich die Belüftung und die Entlüftung, sowie eine etwaige Leckage des Zylinders 44 überwacht. Der Überwachungsbaustein 22 in Fig. 2 hingegen überwacht das gesamte fluidische System, beste­ hend aus dem Ventil 33 und dem Zylinder 44.

Fig. 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel des Überwachungsbau­ steins, bei dem zusätzlich zum Meßfühler 1 ein Referenzmeßfühler 3 vorgesehen ist, der hier wie der Meßfühler 1 in der Fluidströmung im Durchströmungskanal 12 in einem Gehäuse 11 in Richtung des Pfeiles F liegt.

Der Meßfühler 1 und der Referenzmeßfühler 3 sind in dem abgebil­ deten Beispiel Heißleiter, von denen der Meßfühler 1 beheizt, der Referenzmeßfühler 3 hingegen rein passiv ist. Durch den Meßfühler 1 wird in dem Ausführungsbeispiel die kalorimetrische Veränderung im Durchströmungskanal 12 aufgrund der Fluidströmung erfaßt und ein dementsprechendes Steuersignal generiert. Vom passiven Referenz­ meßfühler 3 stammt hingegen ein Kompensationssignal. Diese Signale vom Meßfühler 1 und vom Referenzmeßfühler 3 werden einer an sich bekannten Brückenschaltung zugeführt, die wie alle anderen elek­ tronischen Schaltungselemente in einer elektronischen Schaltung 2 untergebracht ist. Der Ausgang der erwähnten Brückenschaltung wird nun wiederum einer Digitalisierung zugeführt, woraufhin das digitali­ sierte Steuersignal wieder in einen Speicher abgelegt wird, und zwar bis zur Umkehrung der Strömungsrichtung.

Die elektronische Schaltung 2 vermag Leuchtdioden 28 anzusteuern, und zwar in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand des Systems. Die elektronische Schaltung 2 befindet sich im übrigen auf einer Lei­ terplatte 27, die in ein druckdichtes Einpaßteil 25 eingesetzt ist, welches seinerseits in das Gehäuse 11 eingepaßt ist. Ein geeigneter Verschluß 30 schützt die elektronische Schaltung 2 vor Umweltein­ flüssen. Die elektrischen Signale sind über Steckkontakte 29 von außen her abgreifbar.

Fig. 4 zeigt beispielhaft drei Ventilzustände über der Zeit, wobei die Ventilzustände durch die Fluidströmungsgeschwindigkeit ΔV repräsentiert werden.

Bis zum Zeitpunkt t₀ ist die Fluidströmungsgeschwindigkeit ΔV sehr klein bzw. gleich Null. Dies führt beispielhaft zu Schaltzuständen gemäß Fig. 5. Die Elektronik erkennt demnach, daß kein bzw. kaum Fluid durch die überwachte Leitung strömt. Im Zeitpunkt t₀ ändert sich der Ventilzustand gemäß Fig. 4 dahingehend, daß eine gewisse Fluid­ menge beginnt, durch das Ventil zu strömen. Diese Menge ist aber geringer als die Menge, die beim vollen Durchschalten des Ventils durch dieses strömen würde. Im Zeitpunkt t₀ strömt also eine Fluid­ menge, die einer Menge aufgrund einer Leckage entsprechen könnte. In diesem Zeitpunkt t₀ erkennt die Elektronik diesen Zustand. Ent­ sprechend ändert sich der Schaltzustand der Elektronik gemäß Fig. 5. Ein Signal LV führt nun den Wert der logischen "1".

Im Zeitpunkt t₁ schaltet nun das Ventil voll durch (vgl. durchgehende Kurve in Fig. 4). In diesem Zustand sollte selbstverständlich die elektronische Schaltung einen dementsprechenden Zustand annehmen. Vorliegend nimmt die Elektronik jedoch erst nach einer Zeitverzöge­ rung von 30 ms diesen Zustand an (vgl. Fig. 5). Vorliegend sind also die Steuersignale der Elektronik zeitverzögert. Dies ist insbeson­ dere dann zweckmäßig, wenn das zu überwachende Gerät ein Ma­ gnetventil ist. Dabei muß davon ausgegangen werden, daß es auch über prellende Relais oder Schütze angesteuert wird. Diese Ventile vollziehen dann dieses Prellen zeitverzögert nach. Um dieses Prellen nicht in dem Steuersignal wiederzufinden, sind die Signale vom Meßfühler vor oder nach ihrer Digitalisierung zeitverzögert worden, im vorliegenden Fall also um 30 ms.

Ein ungewollter Impuls ist in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet. Würde die Zeitverzögerung der Signale vom Meßfühler nicht vor­ genommen, so würde sich der Zustand des Signals LV der elektroni­ schen Schaltung ab dem Unterschreiten eines bestimmten Wertes für die Strömungsgeschwindigkeit wieder ändern, was jedoch unbeabsich­ tigt wäre.

Der Meßfühler 1 und der Referenzmeßfühler 3 können durch elek­ tronische, elektromechanische, thermoelektrische oder optoelektroni­ sche Elemente gebildet sein.

Claims (4)

1. Überwachungsbaustein für fluidische Systeme zur Erzeugung von Steuersignalen, die in eindeutiger Zuordnung zu unterschiedli­ chen Strömungsgeschwindigkeiten des durch das System strömenden Fluids von diesen abhängig sind, wobei die Steuersignale von einer einem in der Fluidströmung liegenden Meßfühler nachgeschalteten elektronischen Schaltung stammen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Meßfühler (1) ein elektronisches, elektromechanisches, thermoelektrisches oder optoelektronisches Element ist,
• - daß zusätzlich zum Meßfühler (1) ein in der Fluidströmung liegender Referenzmeßfühler (3) vorgesehen ist, welcher ein elektrisches Kompensationssignal generiert, welches zur Erzeu­ gung des Steuersignals mit dem elektrischen Signal vom Meß­ fühler (1) einer Brückenschaltung in der elektronischen Schal­ tung (2) zugeführt ist,
• - daß die elektronische Schaltung (2) die Ausgangssignale der Brückenschaltung in zeitverzögerte binäre Steuersignale um­ wandelt und
• - daß ein elektrischer oder mechanischer Speicher vorgesehen ist, in dem die digitalisierten Steuersignale bis zu ihrer mögli­ chen Änderung gespeichert sind.

2. Überwachungsbaustein nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die digitalisierten Steuersignale mittels einer monostabilen Kippstufe bis zu einer Zeitdauer von 50 ms zeitverzögert sind.

3. Überwachungsbaustein nach Anspruch 1 oder 2 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßfühler (1) und der Referenzmeßfühler (3) faseroptische Sensoren sind.

4. Überwachungsbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Referenzmeßfühler (3) in dem Fluid in einer im wesentlichen strömungsberuhigten Zone liegt.