电学地确定磁开关阀的特征值的制作方法
本发明涉及用于以电学方式确定磁开关阀的特征值的一种设备和一种方法。
背景技术：
通过如下方式打开磁开关阀：通电的开关磁体逆着回复力吸引可动开关元件(衔铁)。再通过如下方式关闭阀：中断开关阀的通电。则衔铁回落到其出发位置。
特别在这种方式的快速开关的阀的情况下必要的是：准确调节衔铁的开关行程。仅通过准确的调节可以同时优化控制速度和稳健性。在此，控制速度和稳健性具有相对立的要求：对于高控制速度来说，需要尽可能小的机械开关行程，其中，不允许低于确定的最小开关行程，以便避免节流效应。随着开关行程的增大，速度也增大，以该速度，衔铁在阀关闭时弹回其出发位置。在达到终止位置时，可能损伤阀的密封面的大的力现在作用。另一方面，大的开关行程使阀相对于使开关行程减小的影响——例如沉积(ablagerung)和沉淀
对于开关行程的每个优化的基础是：了解开关行程。但是，对于阀的就绪状态，衔铁用于开关行程的机械式或光学式测量是不可触及的。因此，借助由开关阀从一个终止位置至另一终止位置所需要的时间估计开关行程或借助磁通量的测量来应对该问题。通过阀中的摩擦或液压粘合可能使由时间测量的估计强烈地失真。为了可以由磁通量的测量推断出开关行程，磁回路和衔铁的详细的认知是必要的。
在阀的更长时间的使用中改变的并且因此应该监控的其他重要的特征值是回复力的弹簧常数和在阀运行时有效的摩擦系数。迄今，在阀的可交付使用的(betriebsfertig)状态中，这些特征值也没有充分准确的测量可触及。
技术实现要素：
因此，本发明的任务是，提供一种方法和一种设备，相比于根据至今的现有技术，借助所述方法，可以与根据现有技术相比更准确地和/或在设备方面更简单地确定所提及的特征值。
根据本发明通过根据独立权利要求的一种方法以及通过根据并列权利要求的一种设备解决所述任务。其他有利的构型由引用其的从属权利要求得出。
在本发明的范畴内，开发一种用于确定磁开关阀的特征值的方法。磁开关阀可以通过衔铁借助通电的开关磁体逆着保守回复力的运动来从关闭的开关状态切换到打开的开关状态。本发明完全与可以通过衔铁逆着回复力的运动从打开的开关状态切换到关闭的开关状态的开关阀类似地作用。
所述特征值属于如下的群组，该群组包括：
-用于将开关阀从打开的开关状态切换到关闭的开关状态所需要的时间，
-回复力的弹簧常数，
-在阀运行时有效的摩擦系数，以及
-衔铁在关闭状态与打开状态之间的过渡时经过的开关行程。
根据本发明，在从所述打开状态切换到所属关闭状态期间，在将所述开关磁体上的电压调节到恒定值的情况下，测量流过所述开关磁体的电流的和/或所述开关磁体上的电压的时间变化过程。从所述时间变化过程中分析处理带测量的特征值。
可看出，衔铁逆着开关磁体的每个运动在开关磁体中感应电压。如果现在将开关磁体上的电压调节到恒定值，则通过所述运动所感应的电压一方面可以短时间视为调节偏差。另一方面，感应的电压引起通过开关磁体的电流。从两个信号可以推断出衔铁的运动学特性(kinematik)。因为所述开关磁体具有欧姆电阻，所以，除此之外，还通过电流耗散能量。
该能量是用于确定衔铁在关闭状态与打开状态之间的过渡时经过的开关行程的关键。如果关闭阀并且在此通过在开关磁体上感应的电压耗散能量，则必须对于该能量存在来源。所述来源是在之前从关闭状态切换到打开状态时通过逆着回复力的机械做功已存储的势能。通过回复力的力定律，所述能量大小明确地配属有开关行程的一个值。回复力例如可以是弹簧力，但是也可以是作用于衔铁的重力。因此，在本发明的一种特别有利的构型中，从电流的和/或电压的时间变化过程中分析处理在从关闭状态切换到打开状态时通过逆着回复力的机械做功存储的势能，所述势能在从打开状态切换到关闭状态时通过衔铁逆着开关磁体的运动被转化成电能并且在其欧姆电阻上被耗散。
为此，开关磁体的欧姆电阻的认知是必须的。因此，有利地附加地测量该电阻值。但是，根据经验，该电阻值也在开关阀的长时间运行中是不变化或仅缓慢变化的参量。即足够的是，在再校准的意义上以更大的时间间距测量该电阻值。
当在开关阀从打开状态切换到关闭状态期间在将开关磁体上的电压调节到恒定值的情况下测量流过开关磁体的电流的时间变化过程时，分析处理是最简单的。这尤其当例如通过使开关磁体短路的方式将电压调节到0伏时适用。然后可以通过如下方式直接得到所寻找的能量：在开关阀的关闭过程上对通过所述开关磁体的欧姆电阻的经乘方的(quadriert)电流与该电阻的乘积进行积分。但是，也可以在开关磁体上将另一电压调节为0伏，或但是也可以通过如下方式完全放弃电压的主动调节：例如不是通过预给定开关磁体上的电压的时间变化过程实现开关阀的关闭，而是通过预给定通过开关磁体的电流的时间变化过程来实现开关阀的关闭。然后，通过积分所求取的能量用于修正在开关磁体上的电流与电压在关闭过程的相同的时间界限中的乘积的积分。
衔铁逆着开关磁体的运动最初感应电压信号。只有开关磁体的欧姆电阻才从中引起可测量的电流。如果附加地测量在从开关状态切换到关闭状态时的电压的时间变化过程并且将其考虑用于求取寻找的特征值，则改善测量的准确性。
对于分析处理的一些构型必要的是，识别用于将阀从关闭状态切换到打开状态所需要的电流或用于所述切换所需要的电压。因此，有利的是，也测量所述电流或所述电压。例如可以从在将阀从关闭状态切换到打开状态时的电流的和/或电压的时间变化过程中分析处理所述电流。在所述时间变化过程中的一个或两个中，可以在到达阀切换的所述电流值时例如表现为调节偏差或弯折。
在通过开关磁体的通电打开阀时，将不仅通过逆着回复力的机械做功的能量存储在所述阀中。与回复力的存在无关地，将小得多的能量值存储在由衔铁和开关磁体构成的磁回路中。在关闭阀时，所述能量也在开关磁体的欧姆电阻上被耗散。如果已知落在磁回路上的能量部分，则可以从总体上耗散的能量确定开关行程。对此，在本发明的特别有利的构型中，求取时间衰减变化过程，以所述时间衰减变化过程，在衔铁在打开状态和/或关闭状态中位置固定时，在由衔铁和开关磁体构成的磁回路中存储的能量被耗散。为了更简单的分析处理，在如下边界条件下有利地求取所述衰减变化过程：开关磁体短路或开关磁体上的电压调节到恒定值。
可以有利地通过对流过开关磁体的电流的变化过程的外插(extrapolation)求取所述衰减变化过程，以所述衰减变化过程，在所述衔铁在打开状态中位置固定时，所存储的能量被耗散。对于所述外插的基础是如下时间段：在所述时间段中已经中断开关磁体的通电，但是所述衔铁还没有通过回复力实施运动。
可以通过对通过开关磁体的电流的时间变化过程的和/或对开关磁体上的电压的时间变化过程的曲线拟合来求取如下的时间衰减变化过程：以所述时间衰减变化过程，在衔铁在关闭状态中位置固定时，在所述磁回路中存储的能量被耗散。在此要注意的是，衔铁在阀关闭时不是立刻一劳永逸地到达其关闭的终止位置，而是重复地在其终止位置上回弹(abprallen)。因为在回弹的瞬间，作用于衔铁的加速度是最大的，所以在所述瞬间，在开关磁体中感应的电压具有局部最大值并且因此流过的电流也具有局部最大值。因为视关闭状态中的磁性能量而定，所以将曲线拟合设置到如下最大值处：在流过开关磁体的电流的和/或开关磁体上的电压的变化过程中，在切换到关闭状态时通过衔铁在其终止位置上的重复地回弹引起所述最大值。
替代地或与之结合地，可以有利地通过分开的测量求取所述时间衰减变化过程，以所述时间衰减变化过程，在衔铁在关闭状态中位置固定时，在所述磁回路中存储的能量被耗散。在此，由开关磁体对在关闭状态中加载的不足以切换到打开状态的电压的时间上的电流响应来求取所述衰减变化过程。在此，所述磁回路的在所述衰减变化过程中考虑的特征也在开关阀的长时间运行中是缓慢或完全不变化的参量。因此足够的是，仅一次或但是在再校准的意义上以大的时间间距执行所述测量。
从总体上在开关磁体的欧姆电阻上耗散的能量大小中可以通过如下方式有利地提取通过逆着所述回复力的机械做功存储的势能：将所述势能分析处理为在第一时刻与第二时刻之间在对于衔铁的打开状态的衰减变化过程上的积分，在所述第一时刻衔铁在从打开状态切换到关闭状态中时通过回复力的作用开始运动，在所述第二时刻，衔铁在所述切换时第一次止挡在其终止位置上。
替代地或与之结合地，可以为了相同的目的通过以下方式提取通过逆着回复力的做功存储的势能：将所述势能分析处理为在第一时刻与第二时刻之间在测量的电流变化过程和/或电压变化过程上的积分，在所述第一时刻，衔铁在从打开状态切换到关闭状态时通过回复力的作用开始运动，在所述第二时刻，测量的电流变化过程或测量的电压变化过程具有与对于关闭状态的衰减变化过程在第一时刻相同的电流值或电压值。
在本发明的特别有利的构型中，将通过开关磁体的电流的和/或开关磁体上的电压的时间变化过程在从打开状态到关闭状态的切换的开始之后达到局部最大值的时刻视为衔铁止挡在其终止位置上的时刻。
在本发明的另一特别有利的构型中，将衔铁由此感应开关磁体中的电压信号或电流信号的时刻视为衔铁在从打开状态切换到关闭状态时通过回复力的作用开始运动的时刻t1。
以这种方式，直接求取用于将开关阀从打开的开关状态切换到关闭的开关状态所需要的时间。这又是对于如下的基础：也求取在阀运行时有效的摩擦系数：所述摩擦使衔铁在其终止位置中的重复止挡衰减，直到衔铁最终在那里停住。从通过开关磁体的电流中的或开关磁体上的电压中的通过所述重复止挡出现的最大值的衰减曲线中可以分析处理所述摩擦：关于所述摩擦的参量的信息基本上隐藏(stecken)在一个最大值到下一个最大值的幅度减小中。
在相同的衰减曲线中，也包含关于回复力的弹簧常数的信息：弹簧常数隐藏在各个最大值之间的时间差中。
只要仅对衰减曲线感兴趣，可以替代地在开关阀从打开状态切换到关闭状态期间替代开关磁体上的电压，将通过开关磁体的电流调节到恒定值。然后例如可以将开关磁体上的电压在切换期间的时间变化过程考虑为衰减曲线。替代地，也可以将电流调节的调节偏差考虑为衰减曲线。
原则上可以多种多样地改变在阀打开和关闭时预给定的电压特性(spannungsprofil)/电流特性(stromprofil)。例如可以对称地或周期性地操控开关磁体。通过周期性的操控，例如可以接收测量序列，在所述测量序列上求平均。只要在阀关闭后，求取开关磁体对在不足以切换到打开状态的电压的时间上的电流响应，则可以在测量前等待所定义的可自由选择的休息时间。由此可以确保，在测量开始前，衔铁在其终止位置上的重复回弹一定结束。
例如可以通过如下方式求取开关磁体的欧姆电阻：在阀的静态的、打开状态中，求取在开关磁体上存在的电压和流过其的电流。不必须直接在开关磁体上测量所述电压或将所述电压调节到恒定值。替代地，这例如也可以在网络设备输出端处的端电压上实现。然后，开关磁体的在其他分析处理中使用的欧姆电阻也包含网络设备与开关磁体之间的线路的电阻。
将开关磁体中耗散的能量逆算(rückrechnung)开关行程不必须通过回复力的弹簧常数实现。替代地，可以通过其他参量逆算开关行程，例如通过观察阀部件与开关磁体的核心之间的空气间隙中的磁通量。
本发明还涉及一种用于确定磁开关阀的特征值的设备，所述磁开关阀可以通过衔铁借助通电开关磁体逆着回复力的运动从关闭的开关状态切换到打开的开关状态。
根据本发明，所述设备具有以下部件：
-用于给开关磁体施加电压变化过程或电流变化过程的驱动单元，所述电压变化过程或电流变化过程将阀从关闭的开关状态切换到打开的开关状态；
-用于测量在关闭过程期间流过开关磁体的电流的和/或开关磁体上的电压的时间变化过程的测量装置，以及；
-分析处理单元，所述分析处理单元能够从所述时间变化过程中提取磁开关阀的特征值。
根据之前所述的，所述时间变化过程包含关于磁开关阀的多个特征值的信息，因为，所述衔铁逆着开关磁体的运动在所述开关磁体中感应电压并且因此也感应电流。因此，可以从所述电流的和/或所述电压的时间变化过程中推断出所述衔铁的运动学特性。
特别有利地，分析处理单元能够从所述电流的和/或所述电压的时间变化过程中提取如下群组的特征值，其中，所述群组包括：
-用户将所述开关阀从所述打开的开关状态切换到所述关闭的开关状态所需要的时间，
-回复力(4)的弹簧常数，
-在阀运行时有效的摩擦系数，以及
-衔铁(2)在关闭状态(a)与打开状态(b)之间的过渡时经过的开关行程(ah)。
这些一方面是磁开关阀的特别重要的特征值。另一方面，这些参量恰好可以从电流的和/或电压的时间变化过程中特别好地提取。
例如可以非常易于理解地求取在阀运行时有效的摩擦系数：在阀关闭时，所述衔铁重复地止挡在其终止位置中，直到所述衔铁最终在那里停住。所述运动通过所述摩擦衰减。在流过所述开关磁体的电流和/或在所述开关磁体上的电压中通过重复止挡产生的最大值的衰减曲线在从一个最大值至下一个最大值的幅度减小中包含关于所述摩擦的参量的信息。
另外，所述衰减曲线在各个最大值之间的时间差中也包含关于回复力的弹簧常数的信息。
特别有利地，所述分析处理单元能够从电流的和/或电压的时间变化过程中提取衔铁在关闭过程时实施运动的时刻和/或衔铁在关闭的开关状态中到达其终止位置的时刻。所述信息提供所提及的特征值的一部分并且是对于阀的开关特性随着时间的推移的变化的良好指标。也可以使用所述信息，以便在标称一致的开关阀的系列检查中识别偏差。
特别有利地，所述分析处理单元能够从所述电流(i)的和/或所述电压(u)的时间变化过程中不仅提取所述衔铁在关闭过程期间实施运动的时刻而且提取所述衔铁在关闭的开关状态中到达其终止位置的时刻。然后，已知用于所述开关过程所需要的时间并且因此已知开关速度。所述信息是对于磁开关阀的非常重要的特征值。
为此特别有利的是，如果所述设备在本发明的另一构型中包括用于测量在关闭过程期间在所述开关磁体上存在的电压的时间变化过程的或流过所述开关磁体的电流的时间变化过程的另一测量装置。然后，分析处理单元不仅获得所述电流的时间变化过程而且获得所述电压的时间变化过程作为输入。恰好由所述电压的时间变化过程可以特别好地确定衔铁在关闭过程时通过回复力开始运动的时刻。衔铁由于最初相对于开关磁体的低的速度首先在开关磁体中感应相对弱的信号，所述信号主要是电压信号并且作为这种信号可以最准确地探测。
在本发明的特别有利的构型中，所述分析处理单元具有用于在所述开关磁体上存在的电压的和/或用于流过其的电流的时间变化过程的积分器。则可以测量在关闭过程期间耗散的能量，所述能量在阀之前打开时通过逆着回复力的机械做功在阀中存储。例如可以借助力定律将所述能量换算为阀的开关行程(ah)。
所有对于所述方法给定的公开也明确地适用于所述设备，并且反之亦然。
附图说明
接下来，借助本发明的优选实施例的描述，根据附图，进一步示出改善本发明的其他措施。
附图示出：
图1：根据本发明的设备的实施例。
图2：在使用衰减变化过程的情况下确定开关行程，所述衰减变化过程拟合到通过开关磁体的电流的测量的时间变化过程上。
图3：在使用在关闭阀后分开测量的衰减变化过程的情况下确定开关行程。
图4：由通过开关磁体的电流的测量的时间变化过程确定对于回复力的弹簧常数和对于阀运行的摩擦系数。
具体实施方式
图1示出根据本发明的设备的一种实施例。在此，磁开关阀1在关闭的开关状态a中阻挡线路10；在打开的开关状态b中释放通过线路10的通流(durchfluss)。通过衔铁2控制开关阀1，可以借助通电的开关磁体3逆着弹簧4的力将衔铁2从关闭的开关状态a吸引到打开的开关状态b。在此，衔铁2经过开关行程(衔铁升降)ah。
设置具有可选电压或电流预给定参数的通用供电装置作为驱动单元5。所述驱动单元5能够给开关磁体3施加电压或电流变化过程，所述电压和电流变化过程将阀1从打开的开关状态b切换到关闭的开关状态a。
另外，设置数字电表6用于测量流过开关阀3的电流并且设置数字电压表8用于测量在开关磁体上存在的电压。将两个装置的数字输出端输送给测量计算器，所述测量计算器充当分析处理单元7并且分别记录时间变化过程。所述测量计算器配备有软件，该软件确定如下时刻：在所述时刻衔铁在关闭过程中实施运动并且在所述时刻衔铁在关闭的开关状态a中止挡在其终止位置中。因此，已知回复力4的弹簧常数、在阀运行时的摩擦系数和用于关闭阀1所需要的时间。所述软件也可以将电压u的和/或电流i的时间变化过程在数值上积分，使得也可以确定衔铁升降(ankerhub)ah。
因此，所述设备是一个紧凑型的测量点(messplatz)，借助所述紧凑型的测量点可以确定磁开关阀的所有重要的特征值。
图2示出根据根据本发明的方法的一种实施例确定开关行程ah。在通过曲线u描述的时间特性(zeitprofil)之后，将一电压加载到开关磁体3上。将该电压分别恒定地调节到期望值上。通过开关磁体的电流的测量的时间变化过程以曲线i说明。在测量开始时，开关磁体3施加有恒定的电压并且因此通电。该电流足以保持阀1打开。接下来，将用于开关磁体3的电压调节的期望值突然降到0。于是，以曲线u说明的、实际上在磁体3上存在的电压可以自然地仅以有限的侧沿陡度(flankensteilheit)反应。于是，通过磁体3的电流i几乎线性下降，直到衔铁2由于回复力4的作用开始运动，这以电流曲线中的转折点体现。曲线k1在转折点前的区域处拟合(anfitten)。曲线k1说明时间衰减变化过程，在衔铁2在打开状态中位置固定时，在由衔铁2和开关磁体3构成的磁回路中存储的能量被耗散。
通过衔铁2逆着开关磁体3的运动，感应出附加的电压并且因此也感应出通过开关磁体的附加的电流。这导致，通过开关磁体3的电流的下降首先平坦化，直到其最后逆转到上升中。在衔铁2第一次打入(einschlagen)其终止位置的时刻，作用于该衔铁的加速度是最大的并且感应的电流也因此是最大的。这以电流曲线i的时刻t2中的局部最大值示出。将时刻t1——在所述时刻，衔铁2由于回复力的作用开始实施运动——确定为如下时刻：在所述时刻，曲线k1具有与曲线k2在第一局部最大值的第二时刻t2相同的电流值。将时间t1与t2之间的曲线k1上的积分
分析处理为如下能量大小：所述能量大小在通过逆着回复力4进行机械做功打开阀1时存储为势能。在该实施例中，通过传统的阀弹簧提供所述回复力。
通过对于弹簧的力定律将求取的能量大小δe换算为开关行程(衔铁升降)ah，在打开阀时，弹簧被压缩了所述开关行程的长度。所述开关行程是当阀构件在上止档时弹簧的总张紧行程s1与在安装时阀弹簧的预张紧行程s0之间的差：
ah＝s1-s0
如下公式适用：
其中，e0是可能预张紧的弹簧中的能量。
因为根据现有技术非常准确地调节快速开关的磁性阀的预张紧力，所以根据如下公式
非常准确地已知能量e0。在此，d表示阀弹簧的弹簧常数，该弹簧常数同样非常准确地已知。
对于具有和没有通过弹簧的预张紧的开关阀：如下公式适用：
其中：
i…测量的电流
d…弹簧的弹簧常数
f0…弹簧的预张紧力。
所寻找的开关行程(衔铁升降)即可以由测量值i以及从阀的构造和组装中已知的值d和f0明确地确定。
在第一次打入终止位置中之后，衔铁2还多次回弹，以便接下来分别重新达到该终止位置，这又分别导致了电流曲线i中的其他局部最大值。在时刻t1与衔铁2最终将其终止位置接受为平衡位置的时刻t2之间，电流i近似地分段抛物线状地延伸，其中，在每个局部最大值之后，新的抛物线开始。这些抛物线中的一些在图2中点状地标记。
图3示出借助根据本发明的方法的另一实施例确定开关行程ah，所述根据本发明的方法在没有将曲线拟合到通过开关磁体的测量的电流变化过程上的情况下也可以应付。在所述曲线图中，绘制开关磁体上的电压u、流过开关磁体3的测量的电流i1以及在关闭阀1之后用于确定测量的电流i2的在关闭状态中的磁回路的衰减变化过程。
电压曲线u以向在电压调节上预给定的期望值的方向的急剧上升开始。该电压曲线在期望值上保持恒定之前，表现出超过期望值的超调
类似于图2，在图3中在测量的电流i1中示出一些局部最大值，所述局部最大值由衔铁2重复地止挡在其关闭的终止位置上而引起。在衔铁2最终到达其关闭位置之后，将开关磁体3的供能切换到电流调节并且调节电流值i3，该电流值位于用于打开阀1的电流值ian之下。实际流过的电流从曲线图的右边缘开始以电流曲线i2绘制，其中，在时间轴上朝反方向前进。曲线i2是开关磁体3对于在阀1的关闭状态中加载的电压的时间上的电流响应，该电流响应不足以切换到打开状态。该曲线被视为衰减变化过程，随着所述衰减变化过程，在衔铁2在关闭状态中位置固定时，在由衔铁2和开关磁体3构成的磁回路中存储的能量被耗散。
将在打开阀时通过逆着回复力4的机械做功存储的势能δe分析处理为在测量的电流i1上的积分：
积分上限是时刻t2，在该时刻，衔铁2开始向关闭位置的方向运动。积分下限t1是测量的电流i1具有与衰减曲线i3在时刻t2相同的电流值i4的时刻。曲线i1下面的相应于如此确定的能量大小δe的面积在图3中以阴影示出。类似于图2，在能量大小δe上确定开关行程ah，弹簧在打开阀时被压缩所述开关行程ah的长度。
如果开关磁体3的喷射器上的电压uinj在t1与t2之间不为0伏，那么将上面指出的用于计算能量差δe的公式如下面那样修正：
图4阐明回复力4的弹簧常数的确定以及用于根据在图3中示出的测量数据的阀运行的摩擦系数的确定。t1在这里标记衔铁2开始其向关闭位置的方向的运动的时刻；该时刻可以在电流曲线u中可以通过小的调节偏差识别。在时刻t2、t3和t4，衔铁2分别止挡在其终止位置上。在时刻t1、t2、t3以及t4之间的时间差中，获得关于阀弹簧4的弹簧常数的信息。对于阀运行的摩擦系数隐藏在电流曲线i1中的在时刻t2、t3和t4的各个最大值之间的幅度的减小中。
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