DE3922900A1 - Verfahren und schaltung zur ueberwachung von elektromagneten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung von Elektromagneten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Elektromagnete können z.B. zur Betätigung der Ventilglieder in Magnetventilen dienen. Andere Anwen­ dungsformen sind magnetische Aktuatoren oder elektrische Schalt-Relais.

Bei diesen Bauteilen sind verschiedenen Fehlerarten möglich. So kann z.B. ein Kurzschluß oder eine Unter­ brechung in der Spule oder in der Zuleitung des Magneten auftreten. Derartige Fehler lassen sich mit einfachen Mitteln, z.B. einer Strom- oder Spannungsmessung an der Zuleitung, erkennen.

Es sind aber auch andere, weniger klare Fehler möglich, die sich mit den genannten einfachen Messungen nicht erkennen lassen.

So kann z.B. ein nur leicht erhöhter Widerstand, verursacht durch eine unzureichende Kontaktstelle, oder ein verringerter Widerstand, z.B. durch einen Windungs­ schluß, auf die genannte Weise nur mit sehr hohem Aufwand festgestellt werden.

Schließlich sind auch mechanische Fehler, z.B. ein klemmender Anker, nicht durch einfache Strom- oder Spannungsmessungen feststellbar.

Zur Erkennung eines klemmenden Magnetankers ist bekannt, die Stromanstiegskurve beim Einschalten des Magneten auf einen typischen, durch die Ankerbewegung verursachten Einbruch zu überwachen (DE-PS 27 28 666).

Durch die DE-OS 37 15 591 ist weiter bekannt, eine Schaltkontrolle von Magnetventilen in der Weise durchzu­ führen, daß die Induktivität ihrer Spule im Wege der Strommessung mittels einer Strommeßvorrichtung und einer Auswerteeinheit bestimmt wird, die Bestandteil der elektronischen Steuereinheit sein kann, über welche das zu messende Magnetventil angesteuert bzw. geschaltet wird.

Ferner sind auch fertigungsbedingte mechanische Fehler möglich, z.B. ein unzulässiger Luftspalt im magneti­ schen Kreis, welche die Funktion des Magneten ver­ schlechtern können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode bzw. eine Schaltung anzugeben, mit der ein defekter Elektromagnet bzw. eine defekte Zuleitung auch bei einer geringfügigen Störung sicher erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 enthaltenen Ausbildungen der Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.

Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in der genauen Überwachung von Elektromagneten. Hierdurch lassen sich die mit den bekannten Überwachungsmethoden gesetzten Grenzen überwinden, so daß eine Überwachung mit weit geringerer Toleranz möglich wird. Weiterhin ist es auch möglich, eine ohmsche Last von einer ohmschen/induktiven Last des Elektromagneten zu unterscheiden. Dies wäre mit einer reinen Strommessung nicht möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, und in

Fig. 2a bis 2d die zu einem Testvorgang gehörenden Strom- und Spannungsdiagramme.

Gemäß dem in der Fig. 1 dagestellten Blockschaltbild wird ein Elektromagnet (2), z.B. in einem Magnetventil, durch einen Endverstärker (1) angesteuert. Die Stromver­ sorgung des Endverstärkers (1) erfolgt durch die Batte­ riespannung (U_B) über eine Leitung (14). Die Ansteuerung des Endverstärkers (1) erfolgt über eine Leitung (13) durch einen Mikroprozessor (15). Etwaige weitere, zwischen dem Mikroprozessor (15) und dem Endverstärker (1) liegende Stufen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Als Endverstärker (1) kann beispielsweise der Typ BTS 412 A der Firma Siemens verwendet werden. Dieser gibt im durchgeschalteten Zustand die volle Betriebs­ spannung U_B, z.B. 12 V, an den Elektromagneten (2) weiter. Der Endverstärker (1) enthält weiter einen Schaltungsteil, welcher nach seiner Abschaltung die entstehende Spannungsspitze des Magneten (2) auf einen Wert von etwa -10 V begrenzt. Diese Begrenzung dient zum Schutz der im Endverstärker (1) enthaltenen Transisto­ ren. Der Mikroprozessor (15) steuert über den Endver­ stärker (1) bzw. weitere Endverstärker (3) die zuge­ hörigen Elektromagneten an.

Die eigentliche Testschaltung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus den Elementen (4) bis (12). Über Dioden (4), welche zur Potentialtrennung bei mehreren Elektromagneten dienen, wird die begrenzte Abschaltspannung des Elektromagneten (2) abgegriffen. Über einen Spannungsteiler (5, 6) wird diese Spannung einem Transistor (7) zugeleitet, der seinen Betriebsstrom über einen Widerstand (8) und eine Betriebsspannung (+5 V) erhält. Das Ausgangssignal des Transistors (7) wird über einen Widerstand (9) einem Schmitt Trigger Inverter zugeführt. Der Schmitt Trigger Inverter (11), z.B. vom Typ CD 40 106 der Fa. RCA, formt das Signal zu einem Rechteck und gibt es dann an den Mikroprozessor (15) weiter. Die Schalthysterese des Schmitt Trigger Inverters sorgt dafür, daß am Digital­ eingang des Mikroprozessors (16) ständig ein eindeutiger Logikpegel ansteht, d.h. entweder etwa 0 V (Low) oder etwa 5 V (High).

Eine Diode (10) begrenzt das Eingangssignal des Inverters (11) auf max. 5,7 V.

Der Mikroprozessor (15), z.B. vom Typ MCS 8797 BH der Fa. Intel, mißt die Dauer des erwähnten Rechteckimpulses, und steuert bei Abweichung von einem gespeicherten Sollwert eine Warnvorrichtung (12) an.

Die Funktionsweise bzw. das Meßverfahren der Schaltung nach der Fig. 1 wird im folgenden mit Hilfe der Fig. 2 näher erläutert. Die Abbildungen 2a, 2b, 2d zeigen Verläufe einer Spannung über der Zeit. Die Abbildung 2c zeigt den Verlauf eines Stromes über der Zeit.

In der Fig. 2a ist der vom Mikroprozessor (15) über die Leitung (13) gelieferte Testimpuls der Länge T₁ dargestellt, durch welchen die Batteriespannung U_B (etwa 12 V) kurzzeitig auf den Elektromagneten (2) geleitet wird. Dabei ist die Zeit T₁ vorzugsweise so bemessen, daß der Magnet (2) mechanisch noch nicht betätigt wird. Je nach Magnettyp (2) beträgt T₁ etwa 1 bis 8 ms. In der Fig. 2 b ist die von der Diode (4) abgetastete begrenzte Abschaltspannung dargestellt. Nach Ende des Testimpulses T₁ entsteht eine auf etwa -10 V begrenzte induzierte Spannung, welche vom zusammenbrechenden Magnetfeld des Magneten (2) erzeugt wird. Die Dauer dieser Spannung beträgt etwa T₂. Nach Ende dieser Zeit T₂ sinkt die Spannung in Form einer e-Funktion stark ab. Die Zeit T₂ beträgt etwa 2 bis 3 ms, je nach Typ des Elektromagneten (2).

In der Fig. 2c ist der Strom durch den Magneten (2) während des Testes dargestellt. Dieser steigt zunächst an, und fällt nach Ende des Testimpulses anschließend steil ab. Im Zeitpunkt t₁ hätte hier etwa die Bewegung des Ankers begonnen, falls der Testimpuls weiter ange­ dauert hätte.

In der Fig. 2d ist die Testspannung am Eingang (16) des Mikroprozessors (15) dargestellt. Deren vorherige Invertierung durch den Verstärker (11) wird im Programm des Mikroprozessors berücksichtigt.

Da sich die von dem Elektromagneten (2) aufgenommene Energie durch die oben erwähnten möglichen Fehler ändert, und zwar im allgemeinen verringert, ist aus der vom Mikroprozessor (15) ausgewerteten Zeit T₂ eine Aussage über Fehlerfreiheit des gesamten Elektromagneten (2) möglich. Insbesondere ist bei einer zu kurzen Zeit T₂ erkennbar, ob überhaupt eine induktive Last vorhanden ist, oder ob infolge eines Kurzschlusses, einer Unter­ brechung oder eines Windungsschlusses eine überwiegend ohmsche Last in fehlerhafter Weise vorhanden ist. In diesem Fall ist ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Magneten nicht gewährleistet.

Weiter ist noch erkennbar, ob die vom Magneten durch den Testimpuls aufgenommene Energie für einen ordnungsge­ mäßen Betrieb des Magneten ausgereicht hätte. Dies wäre z.B. nicht mehr der Fall, wenn die Betriebsspannung U_B unter einen Wert von z.B. 10 V abgefallen ist. Bei dieser Spannung ist nämlich ein sicheres Schalten der Magnete nicht mehr gewährleistet. Auf diese Weise läßt sich durch die erfindungsgemäße Testschaltung zusätzlich auch die Betriebsspannung U_B überprüfen.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann, wie in der Fig. 1 dargestellt, als Teil einer Gesamtschaltung, z.B. eines Antiblockiersystems, ausgeführt sein. Man kann eine Testschaltung aber auch als Einzelschaltung zur Über­ prüfung von Elektromagneten, z.B. in der Fertigung, verwenden.

Selbstverständlich kann die Testschaltung auch anders ausgeführt werden. So kann die Begrenzung der Abschalt­ spannung des Magneten (2) auch durch eine separate Zenerdiode erfolgen.

Anstelle der Verwendung eines besonderen Testimpulses kann auch die Stromabfallzeit nach einer regulären Betätigung des Magneten ausgewertet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überwachung eines oder mehrerer Elek­ tromagnete (2) auf Fehler in der Wicklung, der Zuleitung oder dem magnetischen Kreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabfallzeit des Elek­ tromagneten (2) nach dessen Abschaltung erfaßt wird, mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und bei einer Abweichung vom Sollwert ein Fehlersignal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (2) mit einem Spannungstestim­ puls U_B beaufschlagt wird, dessen Dauer T₁ nicht zur Betätigung des Elektromagneten (2) ausreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die nach der Abschaltung des Elektro­ magneten (2) entstehende induzierte Spannung auf einen konstanten Wert U₀ begrenzt wird, und die Zeit T₂, während der die Begrenzung wirksam ist, ausgewer­ tet wird.

4. Schaltung zur Überwachung eines oder mehrerer Elek­ tromagneten (2) auf Fehler in der Wicklung, der Zuleitung oder des magnetischen Kreises, mit einem Endverstärker (1) zur Ansteuerung des Elektromagneten (2), wobei der Endverstärker (1) eine Begrenzung der Abschaltspannung des Elektromagneten (2) bewirkt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Die Abschaltspannung wird mit einer Entkoppelungs­ diode (4) abgegriffen.
• b) Die Spannung wird durch einen Schmitt-Trigger (11) zu einem Rechteck geformt und auf Logikpegel gebracht.
• c) Die Spannung wird einem Mikroprozessor (15) zugeführt, welcher die Endstufe (1) mit dem Testimpuls ansteuert, die von den Elektromagneten erzeugte Abschaltspannung dem zugehörigen Magneten (2) zuordnet, die Abschaltzeit T₂ mit einem gespeicherten Sollwert vergleicht, und bei Ab­ weichung eine Warneinrichtung (12) ansteuert.