WO2001022453A1 - Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer der schaltkontakte in einem elektrischen schaltgerät und ein elektrisches schaltgerät mit einer auswerteeinrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer der schaltkontakte in einem elektrischen schaltgerät und ein elektrisches schaltgerät mit einer auswerteeinrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2001022453A1
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WO
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switching device
khz
sonogram
switching
detection means
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PCT/EP2000/008770
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Matthias Rosentreter
Frank Berger
Klaus-Jochen FRÖHLICH
Eckhardt PRIDÖHL
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Moeller Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
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    • G01N29/38—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by time filtering, e.g. using time gates
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    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the remaining service life of the switching contacts in an electrical switching device and an electrical switching device with an evaluation device for performing the method according to the preamble of the independent claim.
  • the invention has for its object a method and a
  • structure-borne noise signals of the switch contact arrangement generated by the switching process in the contact pieces are detected, the structure-borne noise signals detected are subjected to a Fourier transformation in individual time windows in order to generate a sonogram, and targeted individual ones Functional values are determined from the sonogram and evaluated by means of an evaluation device.
  • Preferred function values are the peak value of at least one sonogram amplitude, the rise time of a sonogram amplitude from the occurrence of the signal to its maximum value, the decay time of the sonogram amplitude and the amplitude area or amplitude space center of gravity of a sonogram amplitude or an amplitude space.
  • this is achieved in that an integral is formed in at least two of three frequency bands via the signals of the structure-borne sound waves of a switching contact, either an integral of the sound signals occurring is also formed in the third frequency band or only the amplitude value of the sonographically determined sound signal curve (sonogang) is determined and the values obtained in this way from the three frequency bands by means of a
  • Evaluation device can be evaluated. In this way, the structure-borne noise signals occurring during a switching process (opening and / or closing process of the switching contacts) within a switching contact are recorded and evaluated for assessing the remaining service life.
  • Characterized in that a contact piece in different frequency bands has particularly characteristic properties that change depending on its state of wear, a precise statement about the state of wear and the associated remaining service life of the switching contact can be made by evaluating these properties.
  • the bandwidths 20 kHz - 35 kHz, 50 kHz - 125 kHz and 175 kHz - 225 kHz have been determined as particularly preferred frequency ranges for the three frequency bands.
  • the amplitude response of the sonogram is advantageously determined from an associated sonogram within the first frequency band (20-35 kHz) and an integral value of the structure-borne noise signal amplitudes is formed within the second and third frequency bands (50-125 kHz and 175-225 kHz). In another procedure, the sound signal amplitudes can also be integrated in all three frequency bands and these values can then be evaluated.
  • the function values of the sonogram determined in an associated sonogram are preferably determined in a time range from three to six milliseconds after the switching contacts (or
  • Occurrence of the first structure-borne noise signal is determined.
  • a switching device with an evaluation device is used to carry out the method according to the invention.
  • the evaluation device is together with
  • Structure-borne noise sensors integrated in the switching device.
  • the structure-borne noise sensors are in the form of piezo elements with the
  • Coupled switching contact that sound waves generated can be detected in the switching contact or in the contact piece itself.
  • the structure-borne noise sensors are arranged on the contact piece carrier via a ceramic crystal carrier or by an element operatively connected to the latter in relation to the transmission of the structure-borne sound waves.
  • the evaluation device is designed as a separate device or as part of a multi-function device (multiple measurement or diagnostic device).
  • the sound sensors are arranged directly in the switching device and in the switching device itself Can be contacted from outside via an interface.
  • the expected remaining service life of the switching contacts of a switching device according to the invention can be determined via an external evaluation device.
  • Figure 1 a switching device according to the invention in the form of a contactor
  • Figure 2a, b the schematic representation of magnetic drive
  • Figure 3 schematic representation of a sonogram course
  • Figure 4 shows the mapping of the determined features
  • Fig. 1 shows a switching device according to the invention in the form of a contactor.
  • a contactor comprises a multi-part housing 2 in one
  • Positions AS1, AS2 and AS3 indicate positions at which sound detection means in the form of acoustic sensors (AS) can be positioned in the switching device. Preferred positions for attaching the
  • Structure-borne noise sensors are located directly on the contact piece 4d itself (e.g. between the contact piece and contact piece support), on the contact piece support 4c (in particular on the diametrically opposite side of the contact piece) or on the connection terminals of the switching device.
  • a contact system 4 with associated magnetic drive 6 is shown schematically in FIGS. 2a and 2b.
  • the contact system consists of essentially from a movable switch contact 4a, here in the form of a three-pole contact bridge, which is driven by the movable armature 6a of the magnetic drive 6 and fixed switch contacts 4b.
  • the switching device also has an evaluation unit, in particular a microprocessor, for determining the remaining service life of the switching contacts.
  • such a switching device is designed with means 8 for detecting structure-borne noise signals.
  • These structure-borne noise detection means 8 are advantageously formed by piezo elements. These are piezo elements which deliver precise measurement signals over a wide high-frequency range, preferably 20 kHz to 225 kHz or even 500 kHz.
  • At least one structure-borne sound detection means 8 is preferably assigned to at least one fixed switching contact 4b. As shown in FIG. 2b, such structure-borne noise detection means can be arranged on the contact carrier 4c of the associated contact piece 4d.
  • the structure-borne noise detection means 8 assigned to a switch contact 4a, 4b is mounted in such a way that galvanic isolation is ensured.
  • a ceramic crystal carrier is preferably mounted between contact piece carrier 4d and structure-borne sound detection means 8. As a result, a safe galvanic isolation is realized without a negative influence on the sound detection.
  • At least two structure-borne noise detection means 8 are assigned to a switching contact 4a, 4b or the respective switching element 4d. This enables the partial, spatially resolved examination of a switching element 4d. This is advantageous since contact pieces 4d are generally subject to only very uneven wear (erosion) and thus better quality
  • each detection means 8 detects one of four coordinate fields of a Cartesian coordinate system and so the entire contact piece area (or the (different) erosion of the entire contact piece surface) is imaged by the detection means 8 and the evaluation device.
  • the various detection means 8 here piezos assigned to a single contact piece 4d can be arranged in a ring-like manner. In this way, annular partial areas of a contact piece 4d can be evaluated differentially.
  • Various other geometrical embodiments are also conceivable depending on the application.
  • the invention further relates to a method for determining the remaining service life of the switching contacts in a switching device according to the invention described above.
  • switching devices are in particular low-voltage switching devices such as contactors, circuit breakers, motor protection switches, miniature circuit breakers or the like.
  • the structure-borne noise signals generated by the switching process within the contact pieces 4d are recorded, the structure-borne noise signals generated to generate a sonogram are subjected to a Fourier transformation in individual time windows, individual function values are specifically determined from the sonogram and evaluated by means of the evaluation device, a remaining service life is allocated and these are output and / or display provided.
  • a schematic sonogram representation is shown in FIG. 3. The sonogram is used across the entire frequency range and / or in one or more
  • Frequency bands M or individual frequencies over time determine the respective signal energy.
  • Preferred function values for the formation of features from the time profiles are the peak value of at least one Sonogram amplitude, the rise time of a sonogram amplitude from the occurrence of the signal to its maximum value, the decay time of the sonogram amplitude from its maximum value to a defined final value and the amplitude area or amplitude space center of gravity of a sonogram image.
  • the area or spatial center of gravity is fixed by the point in which the greatest signal intensity lies on average.
  • signal profiles can be mapped in a period of time (three-dimensional mapping) or at one point in time (two-dimensional mapping).
  • the current sonogram (from the recorded actual values) can be subjected to a cross-correlation with the courses of at least one corresponding reference sonogram to form features.
  • the structure-borne sound signal is recorded by a structure-borne sound transducer 8 described above, in particular a piezo element.
  • At least one frequency band (frequency range or a single frequency) is selected from the recorded sound signals.
  • interference is eliminated and only the information characteristic of the “monitored” contact piece 4d is filtered out.
  • the signals of the entire frequency band are then integrated and the integral value formed is evaluated by means of an evaluation unit. This is done, for example, with the aid of a microprocessor, reference data for unused and / or used contact pieces 4d being stored in the microprocessor. In this way, the integral value determined can be compared with the corresponding reference value and the expected remaining service life can be determined as a function of the deviation (actual value / target value) that occurs.
  • the reference values can be stored in the evaluation unit in the form of known or determined empirical values before commissioning.
  • the reference values can also be simply read in and saved when the new switching device is started up for the first time. If only one frequency band is evaluated, a frequency band with a bandwidth of 20 kHz to 225 kHz or even up to 500 kHz is preferably evaluated here.
  • the structure-borne noise signals are evaluated in at least two, preferably three different frequency bands.
  • the temporal integral of the sonogram amplitudes occurring is formed in each individual frequency band and the values thus obtained are compared and evaluated with corresponding reference values.
  • three different frequency bands are selected analogously to the second embodiment, but are only compressed in two of them by correspondingly forming the integral values.
  • For one of the frequency bands only the amplitude value of the sonographical curve is determined. Accordingly, two integral values and a sonagram amplitude value are processed and evaluated for an evaluation.
  • the preferred frequency band ranges are 20 kHz - 35 kHz, 50 kHz - 125 kHz and 150 kHz - 225 kHz.
  • the amplitude value of the signal waveform is preferably determined in the frequency range between 20 kHz and 35 kHz. This amplitude value is advantageously determined in a time interval of 3-6 milliseconds after the switching contacts 4a, 6a are closed.
  • FIG. 4 shows one possibility of mapping features for the method described, corresponding feature spaces being mapped by the previously determined values (two sonogram integral values and one sonogram amplitude value).
  • the feature spaces formed by the feature points U4, U5 and U6 indicate worn contact pieces 4d and the feature spaces formed by the feature points U7, U8 and U9 indicate almost wear-free contact pieces.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but also encompasses all embodiments having the same effect in the sense of the invention.
  • a sound detection means can also be designed in such a way that a defined sound generation and sound impression is ensured by means of this.
  • a switching device in the preferably de-energized state can be examined for its expected remaining service life by excitation of the contact piece 4d to be examined via the structure-borne sound detection means 8 (impression of a known sound spectrum) and almost simultaneously the change in the impressed sound waves due to a specific nature of the contact piece to be examined 4d is recorded and can be evaluated.
  • the structure-borne sound detection means 8 impression of a known sound spectrum
  • the change in the impressed sound waves due to a specific nature of the contact piece to be examined 4d is recorded and can be evaluated.
  • preferably at least two, in particular four, separate sound detection means 8 or one sound detection means 8 with independent detection areas are used.
  • individual local areas of a contact piece 4d can be detected and evaluated separately.
  • 8 different weightings can be assigned to the different detection means. This can be done by a different evaluation in the microprocessor or by
  • Detection means 8 can be realized with different sensitivity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte in einem elektrischen Schaltgerät. Hierbei werden die durch den Schaltvorgang erzeugten Körperschallsignale der Schaltkontaktanordnung erfaßt und zur Erzeugung eines Sonogrammes in einzelnen Zeitfenstern einer Fouriertransformation unterworfen. Anschließend werden gezielt einzelne Funktionswerte aus dem Sonogramm ermittelt und mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Ferner betrifft die Erfindung ein Schaltgerät zur Durchführung des Verfahrens, welches über entsprechende Mittel zur Schallerfassung verfügt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte in einem elektrischen Schaltgerät und ein elektrisches Schaltgerät mit einer Auswerteeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte in einem elektrischen Schaltgerät und ein elektrisches Schaltgerät mit einer Auswerteeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches.
Aus der Druckschrift DE 40 28 721 C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Restlebensdauer von Schaltgeräten und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden nur Meßwerte verwendet, die in den Zuleitungen des Gerätes gemessen werden können. Konstruktive Änderungen des Schaltgerätes sollen hier bewußt vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wodurch die Charakterisierung von Schaltkontaktzuständen in Bezug auf die zu erwartende Lebensdauer beziehungsweise in Bezug auf den jeweils aktuellen Zustand eines elektrischen Schaltkontaktes verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Hierfür werden durch den Schaltvorgang in den Kontaktstücken erzeugte Körperschallsignale der Schaltkontaktanordnung erfaßt, die erfaßten Körperschallsignale zur Erzeugung eines Sonogrammes in einzelnen Zeitfenstern einer Fouriertransformation unterworfen und gezielt einzelne Funktionswerte aus dem Sonogramm ermittelt und mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Bevorzugte Funktionswerte sind der Spitzenwert mindestens einer Sonogrammamplitude, die Anstiegszeit einer Sonogrammamplitude vom auftreten des Signals bis zu dessen Maximalwert, die Abklingzeit der Sonogrammamplitude sowie der Ampltudenflächen- beziehungsweise Amplitudenraumschwerpunkt einer Sonogrammamplitude beziehungsweise eines Amplitudenraumes.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch die gezielte Auswahl von drei verschiedenen Frequenzbändern (Frequenzbereiche), innerhalb derer Körperschallsignale der Kontaktstücke erfaßt und ausgewertet werden, Störeinflüsse weitestgehend unterdrückt (Frequenzbereiche mit hohen Störanteilen werden gezielt ausgeblendet) und aussagekräftige Signale für jeden Schaltkontakt individuell bestimmt. Gemäß der Erfindung wird dies erreicht, indem über die Signale der Körperschallwellen eines Schaltkontaktes in zumindest zwei von drei Frequenzbändern ein Integral gebildet wird, in dem dritten Frequenzband entweder ebenfalls ein Integral der auftretenden Schallsignale gebildet oder nur der Amplitudenwert des sonographisch ermittelten Schallsignalverlaufes (Sonogang) ermittelt wird und die so erhaltenen Werte aus den drei Frequenzbändern mittels einer
Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Auf diese Weise werden die, während eines Schaltvorganges (Öffnungs- und/oder Schließvorgang der Schaltkontakte) innerhalb eines Schaltkontaktes auftretenden Körperschallsignale erfaßt und zur Beurteilung der Restlebensdauer ausgewertet.
Dadurch, daß ein Kontaktstück in verschiedenen Frequenzbändern besonders charakteristische Eigenschaften aufweist, die sich in Abhängigkeit von seinem Verschleißzustand entsprechend ändern, kann durch die Auswertung dieser Eigenschaften eine präzise Aussage über den Verschleißzustand und die damit verbundene Restlebensdauer des Schaltkontaktes getroffen werden. Als besonders bevorzugte Frequenzbereiche für die drei Frequenzbänder sind die Bandbreiten 20 kHz - 35 kHz, 50 kHz - 125 kHz und 175 kHz - 225 kHz ermittelt worden. Dabei wird mit Vorteil innerhalb des ersten Frequenzbandes (20-35 kHz) der Amplitudengang des Sonoganges aus einem zugehörigen Sonogramm ermittelt und innerhalb des zweiten und dritten Frequenzbandes (50-125 kHz und 175-225 kHz) ein gebildeter Integralwert der Körperschallsignalamplituden gebildet. In einer anderen Verfahrensweise können auch in allen drei Frequenzbändern die Schallsignalamplituden integriert und diese Werte anschließend ausgewertet werden.
Die Ermittlung der Funktionswerte, des in einem zugehörigen Sonogramm ermittelten Sonoganges, wird vorzugsweise in einem Zeitbereich von drei bis sechs Millisekunden nach Schließen der Schaltkontakte (beziehungsweise
Auftreten des ersten Körperschallsignals) ermittelt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet ein Schaltgerät mit einer Auswerteeinrichtung Verwendung.
In einer ersten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung nebst
Körperschallsensoren in das Schaltgerät integriert. Dabei sind die Körperschallsensoren in Form von Piezoelementen derart mit dem
Schaltkontakt gekoppelt, daß im Schaltkontakt bzw. im Kontaktstück selbst, entstehende Schallwellen erfaßbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Körperschallsensoren über einen keramischen Kristallträger auf dem Kontaktstückträger oder einem mit diesem in Bezug auf die Übertragung der Körperschallwellen wirkverbundenen Element angeordnet. Hierdurch wird eine galvanische Trennung zwischen Schallsensor und Kontaktstückträger erreicht und gleichzeitig eine qualitativ hochwertige Weiterleitung der Körperschallwellen gewährleistet. In einer zweiten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung als separates Gerät oder als Bestandteil eines Mehrfunktionsgerätes (Mehrfachmeß- oder Diagnosegerät) ausgebildet. Dabei sind im Schaltgerät selbst, wie zuvor beschrieben, die Schallsensoren unmittelbar im Schaltgerät angeordnet und über eine Schnittstelle von außen kontaktierbar. Somit kann bei Bedarf über ein externes Auswertegerät die zu erwartende Restlebensdauer der Schaltkontakte eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes ermittelt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
Figur 1 : ein erfindungsgemäßes Schaltgerät in Form eines Schützes;
Figur 2a, b: die schematische Darstellung von Magnetantrieb und
Kontaktsystem eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes; und
Figur 3: schematische Darstellung eines Sonogrammverlaufes eines
Schaltgerätes gemäß Fig 1 und 2, und
Figur 4 die Abbildung der ermittelten Merkmale beziehungsweise
Merkmalsräume in einem dreidimensionalen Frequenzraum.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltgerät in Form eines Schützes. Ein derartiges Schütz umfaßt ein mehrteiliges Gehäuse 2 in dem ein
Kontaktsystem (hier dreipolig), ein auf dieses Kontaktsystem wirkender Magnetantrieb sowie elektronische und/oder mechanische Auslöseelemente angeordnet sind. Mit AS1 , AS2 und AS3 sind Positionen angedeutet, an denen in dem Schaltgerät Schallerfassungsmittel in Form akustischer Sensoren (AS) positioniert werden können. Bevorzugte Positionen zur Anbringung der
Körperschallsensoren sind die Anordnung unmittelbar am Kontaktstück 4d selbst (z.B. zwischen Kontaktstück und Kontaktstückträger), am Kontaktstückträger 4c (insbesondere auf der diametral dem Kontaktstück gegenüberliegenden Seite) oder aber an den Anschlußklemmen des Schaltgerätes.
In den Figuren 2a und 2b ist ein Kontaktsystem 4 mit zugehörigem Magnetantrieb 6 schematisch dargestellt. Dabei besteht das Kontaktsystem im wesentlichen aus einem beweglichen Schaltkontakt 4a, hier in Form einer dreipolig ausgebildeten Kontaktbrücke, die über den beweglichen Anker 6a des Magnetantriebes 6 angetrieben ist und feststehenden Schaltkontakten 4b.
Das erfindungsgemäße Schaltgerät weist ferner eine Auswerteeinheit, insbesondere Mikroprozessor, zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte auf.
Desweitern ist ein derartiges Schaltgerät mit Mitteln 8 zur Erfassung von Körperschallsignalen ausgebildet. Diese Körperschallerfassungsmittel 8 sind mit Vorteil durch Piezoelemente gebildet. Dabei handelt es sich um Piezoelemente die über einen weiten Hochfrequenzbereich, vorzugsweise 20 kHz bis 225 kHz oder gar 500 kHz, präzise Meßsignale liefern. Vorzugsweise ist zumindest einem feststehenden Schaltkontakt 4b mindestens ein Körperschallerfassungsmittel 8 zugeordnet. Wie in Fig. 2b dargestellt, kann solch ein Körperschallerfassungsmittel am Kontaktträger 4c des zugehörigen Kontaktstückes 4d angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das jeweils einem Schaltkontakt 4a, 4b zugeordnete Körperschallerfassungsmittel 8 derart montiert, daß eine galvanische Trennung gewährleistet wird. Vorzugsweise wird hierfür zwischen Kontaktstückträger 4d und Köperschallerfassungsmittel 8 ein keramischer Kristallträger montiert. Hierdurch wird ohne negativen Einfluß auf die Schallerfassung eine sichere galvanische Trennung realisiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind einem Schaltkontakt 4a, 4b beziehungsweise dem jeweiligen Schaltstück 4d mindestens zwei Körperschallerfassungsmittel 8 zugeordnet. Hierdurch wird die partielle, ortsaufgelöste Untersuchung eines Schaltstückes 4d ermöglicht. Dies ist von Vorteil, da Kontaktstücke 4d in der Regel nur sehr ungleichmäßigem Verschleiß (Abbrand) unterliegen und somit eine qualitativ bessere
Zustandsermittlung einzelner Teilbereiche des Kontaktstückes 4d ermöglicht wird. Für diese Ausführungsform ist von Vorteil, die einzelnen Körperschallerfassungsmittel 8 auf der dem Kontaktstück 4d gegenüberliegenden Seite auf dem Kontaktstückträger 4c selbst, unter dem zugehörigen Kontaktstück 4d, anzuordnen. Mit Vorteil werden einem Kontaktstück 4d vier Erfassungsmittel 8 zugeordnet. Dabei sind diese insbesondere derart angeordnet, daß jedes Erfassungsmittel 8 eines von vier Koordinatenfeldern eines karthesischen Koordinatensystems erfaßt und so der gesamte Kontaktstückbereich (bzw. der (unterschiedliche) Abbrand der gesamten Kontaktstückoberfläche) durch das Erfassungsmittel 8 und die Auswerteeinrichtung abgebildet wird. In einer anderen Ausführungsform können die verschiedenen, einem einzigen Kontaktstück 4d zugeordneten Erfassungsmittel 8 (hier Piezos), ringförmig verschachtelt angeordnet sein. So können kreisringförmige Teilbereiche eines Schaltstückes 4d differenziert ausgewertet werden. Verschiedenste andere geometrische Ausführungsformen sind je nach Anwendungsfall ebenfalls denkbar.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte in einem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltgerät. Derartige Schaltgeräte sind insbesondere Niederspannungsschaltgeräte wie Schütze, Leistungsschalter, Motorschutzschalter, Leitungsschutzschalter oder dergleichen.
Gemäß dem Verfahren werden die durch den Schaltvorgang innerhalb der Kontaktstücke 4d erzeugten Körperschallsignale erfaßt, die erfaßten Körperschallsignale zur Erzeugung eines Sonogrammes in einzelnen Zeitfenstern einer Fouriertransformation unterworfen, gezielt einzelne Funktionswerte aus dem Sonogramm ermittelt und mittels der Auswerteeinrichtung ausgewertet, eine Restlebensdauer zugeordnet und diese zur Ausgabe und/oder Anzeige bereitgestellt. Eine schematische Sonogrammdarstellung ist in Figur 3 gezeigt. Aus dem Sonogramm werden über die gesamte Frequenzbreite und/oder in einem oder mehreren
Frequenzbändern M beziehungsweise Einzelfrequenzen Zeitverläufe der jeweiligen Signalenergie ermittelt. Bevorzugte Funktionswerte für die Merkmalsbildung aus den Zeitverläufen sind der Spitzenwert mindestens einer Sonogrammamplitude, die Anstiegszeit einer Sonogrammamplitude vom Auftreten des Signals bis zu dessen Maximalwert, die Abklingzeit der Sonogrammamplitude von deren Maximalwert bis zu einem festgelegten Endwert sowie der Ampltudenflächen- beziehungsweise Amplitudenraumschwerpunkt einer Sonogrammabildung. Der Flächenbeziehungsweise Raumschwerpunkt wird durch den Punkt festgeigt, in dem im Durchschnitt die größte Signalintensität liegt. Hierbei können Signalverläufe in einem Zeitraum (dreidimensionale Abbildung) oder zu einem Zeitpunkt (zweidimensionale Abbildung) abgebildet werden. Desweiteren kann zur Merkmalsbildung das aktuelle Sonogramm (aus den erfaßten Istwerten) mit den Verläufen mindestens eines entsprechenden Referenzsonogrammes einer Kreuzkorrelation unterworfen werden.
Die Körperschallsignalerfassung erfolgt durch einen vorstehend beschriebenen Körperschallaufnehmer 8, insbesondere ein Piezoelement.
In einer ersten möglichen Ausführungsform wird mindestens ein Frequenzband (Frequenzbereich oder eine Einzelfrequenz) aus den erfaßten Schallsignalen selektiert. Hierdurch werden Störeinflüsse eleminiert und nur die, für das "überwachte" Kontaktstück 4d charakteristischen Informationen herausgefiltert. Die Signale des gesamten Frequenzbandes werden dann integriert und der gebildete Integralwert mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet. Das geschieht zum Beispiel mit Hilfe eines Mikroprozessors, wobei in dem Mikroprozessor Referenzdaten für unverbrauchte und/oder verbrauchte Kontaktstücke 4d hinterlegt sind. So kann der ermittelte Integralwert mit dem entsprechenden Referenzwert verglichen werden und in Abhängigkeit der auftretenden Abweichung (Istwert/Sollwert) die zu erwartende Restlebensdauer ermittelt werden. Die Referenzwerte können in Form von bekannten oder ermittelten Erfahrungswerten vor der Inbetriebnahme in der Auswerteeinheit hinterlegt werden. In einer alternativen Ausführung können die Referenzwerte auch bei der erstmaligen Inbetriebnahme des neuen Schaltgerätes einfach eingelesen und abgespeichert werden. Wird nur ein Frequenzband ausgewertet, wird hier vorzugsweise ein Frequenzband mit einer Bandbreite von 20 kHz bis 225 kHz oder gar bis 500 kHz ausgewertet.
In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens werden die erfaßten Körperschallsignale in mindestens zwei, vorzugweise drei verschiedenen Frequenzbändern ausgewertet. Dabei wird analog zu der ersten Ausführung in jedem einzelnen Frequenzband das zeitliche Integral der auftretenden Sonogrammamplituden gebildet und die so erhaltenen Werte mit entsprechenden Referenzwerten verglichen und ausgewertet.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden analog zu der zweiten Ausführung drei unterschiedliche Frequenzbänder selektiert, aber nur in zwei von ihnen durch entsprechende Bildung der Integralwerte verdichtet. Bei einem der Frequenzbänder wird lediglich der Amplitudenwert des sonagraphischen Verlaufes ermittelt. Entsprechend werden für eine Auswertung zwei Integralwerte und ein Sonagrammamplitudenwert weiterverarbeitet und ausgewertet.
Die bevorzugten Frequenzbandbereiche sind 20 kHz - 35 kHz, 50 kHz - 125 kHz und 150 kHz - 225 kHz. Dabei wird bei der zuletzt beschriebenen Ausführung des Verfahrens der Amplitudenwert des sonagrphischen Signalverlaufes vorzugsweise in dem Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 35 kHz ermittelt. Dieser Amplitudenwert wird mit Vorteil in einem Zeitintervall von 3-6 Millisekunden nach dem Schließen der Schaltkontakte 4a, 6a ermittelt. Figur 4 zeigt eine Möglichkeit der Merkmalsabbildung für das beschriebens Verfahren, wobei durch die zuvor ermittelten Werte (zwei Sonogramm- Integralwerte und ein Sonogramm-Amplitudenwert) entsprechende Merkmalsräume abgebildet werden. In der gezeigten Darstellung deuten die, durch die Merkmalspunkte U4, U5 und U6 gebildeten Merkmalsräume auf verschlissene Kontaktstücke 4d und die, durch die Merkmalspunkte U7, U8 und U9 gebildeten Merkmalsräume auf nahezu verschleißfreie Kontaktstücke hin. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. In einer weitem Ausführungsform kann ein Schallerfassungsmittel auch derart ausgebildet sein, daß mittels diesem eine definierte Schallerzeugung und Schalleinprägung gewährleistet ist. Hierdurch kann ein Schaltgerät im vorzugsweise stromlosen Zustand auf seine zu erwartende Restlebensdauer untersucht werden, indem über das Körperschallerfassungsmittel 8 das zu untersuchende Kontaktstückt 4d definiert erregt (Einprägung eines bekannten Schallspektrums) und nahezu gleichzeitig die Veränderung der eingeprägten Schallwellen durch eine bestimmte Beschaffenheit des zu untersuchenden Kontaktstückes 4d erfaßt wird und ausgewertet werden kann. Bevorzugt finden hierfür mindestens zwei, insbesondere vier separate Schallerfassungsmittel 8 bzw. ein Schallerfassungsmittel 8 mit unabhängigen Erfassungsbereichen Anwendung. Hierdurch können einzelne örtliche Bereiche eines Kontaktstückes 4d separat erfaßt und ausgewertet werden. In einer Weiterbildung können den unterschiedlichen Erfassungsmitteln 8 unterschiedliche Gewichtungen zugeordnet werden. Das kann durch eine unterschiedliche Auswertung im Mikroprozessor oder aber durch
Erfassungsmittel 8 mit unterschiedlicher Empfindlichkeit realisiert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer der Schaltkontakte in einem elektrischen Schaltgerät, insbesondere Niederspannungsschaltgerät, dadurch gekennzeichnet, daß
- durch den Schaltvorgang erzeugte Körperschallsignale der Schaltkontaktanordnung erfaßt werden,
- die erfaßten Körperschallsignale zur Erzeugung eines Sonogrammes in einzelnen Zeitfenstern einer Fouriertransformation unterworfen werden, und
- gezielt einzelne Funktionswerte aus dem Sonogramm ermittelt und mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionswerte innerhalb eines einzigen Frequenzbandes oder bei einer einzigen Einzelfrequenz ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband eine Bandbreite von 20 kHz bis 225 kHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionswerte innerhalb von mindestens zwei, vorzugsweise drei Frequenzbändern unterschiedlicher Frequenzbereiche und/oder bei unterschiedlichen Einzelfrequenzen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Frequenzband eine Bandbreite von 20 kHz bis 35 kHz, ein zweites Frequenzband eine Bandbreite von 50 kHz bis 125 kHz und ein drittes Frequenzband eine Bandbreite von 175 kHz bis 225 kHz aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Spitzenwert mindestens einer Sonogrammamplitude als Funktionswert ermittelt und ausgewertet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Anstiegszeit einer Sonogrammamplitude als Funktionswert ermittelt und ausgewertet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Abklingzeit einer Sonogrammamplitude als Funktionswert ermittelt und ausgewertet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Flächen- beziehungsweise Raumschwerpunkt einer Sonogrammabbildung ermittelt und ausgewertet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sonogrammamplituden in dem mindestens einen Frequenzband zumindest bereichsweise ein Integral über der Zeit gebildet und jeder gebildete Integralwert ausgewertet wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kreuzkorrelation eines Ist-Sonogrammes mit mindestens einem Referenz-Sonogramm erfolgt.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Öffnungs- und/oder Schließvorgangs der Schaltkontakte erzeugten Körperschallsignale erfaßt und ausgewertet werden.
13. Schaltgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, mit einem Kontaktsystem und einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Restlebensdauer, gekennzeichnet durch Mittel (8) zur Erfassung von Körperschallsignalen.
14. Schaltgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem feststehenden Kontakt (4b) und/oder einem beweglichen Kontakt (4b) mindestens ein Schallerfassungsmittel (8) zugeordnet ist.
15. Schaltgerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallerfassungsmittel (8) durch Piezoelemente gebildet werden.
16. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schallerfassungsmittel (8) derart ausgebildet ist, daß es eine definierte Schallerzeugung beziehungsweise Schalleinprägung gewährleistet.
17. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schaltkontakt mindestens zwei
Schallerfassungsmittel (8) zugeordnet sind, derart, das die Körperschallerfassung einzelner Teilbereiche eines Schaltkontaktes gewähleistet ist.
18. Schaltgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Schallerfassungsmittel (8) eine unterschiedliche Gewichtung für die Auswertung zukommt.
19. Schaltgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Schallerfassungsmittel (8) eine unterschiedliche Empfindlichkeit zur Schallerfassung aufweisen.
20. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-19, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schaltkontakt (4a, 4b) vier einzelne Schallerfassungsmittel (8) zugeordnet sind und diese in Viertelsegmenten die geometrische Form des Kontaktstückes nachbilden.
21. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-20, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen einem Schaltkontakt zugeordneten Schallerfassungsmittel (8) auf dem Kontaktstückträger auf dessen gegenüberliegenden Seite unmittelbar gegenüber dem Schaltkontakt angeordnet sind.
22. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-21 , dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schallerfassungsmittel (8) eine Bandbreite von mindestens 20 kHz - 225 kHz, vorzugsweise 20 kHz - 500 kHz, aufweist.
23. Schaltgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13-22, dadurch gekennzeichnet, daß jedes auf einem Kontakstückträger zu montierendes Schallerfassungsmittel (8) von dem Kontakstückträger galvanisch getrennt angeordnet ist.
24. Schaltgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schallerfassungsmittel (8) auf einem Keramikträger montiert ist.
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