DE3835397C2 - Überwachungsbaustein für fluidische Systeme - Google Patents
Überwachungsbaustein für fluidische SystemeInfo
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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.
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