一种电磁阀动作状态在线监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及电磁阀监测技术领域，尤其涉及一种电磁阀动作状态在线监测装置。


背景技术：

2.在气体监测仪表中，经常采用电磁阀进行气路开闭或气路切换，受空间尺寸及型号规格的限制，经常无法使用带位置反馈的电磁阀，在仪表的使用过程中，就会面监电磁阀失效带来的安全风险；在有功能安全要求的安全类仪表中，增加电磁阀的动作状态在线监测就成会唯一可行的选择。
3.电磁阀的失效主要有线圈开路、短路、气路污染堵塞引起的动作不到位等；目前采用的电磁阀动作状态监测一般是测量线圈的电流，通过一个阈值来判定，电流大于某个阈值时，认为电磁阀动作了，反之未动作。这种方式实际上只能检出线圈开路的失效模式，对于发生概率更高的气路污染堵塞引起的不动作是无法检出的，对于线圈的少量匝间短路引起的不动作也不能检出。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种电磁阀动作状态在线监测装置，解决相关技术中存在的不能有效检测电磁阀的动作状态的问题。
5.作为本实用新型的一个方面，提供一种电磁阀动作状态在线监测装置，其中，包括：控制器、驱动电路、电压放大电路和采样电路，所述驱动电路的输入端与所述控制器电连接，所述驱动电路的输出端连接待监测的电磁阀的电磁铁线圈的一端，所述电磁铁线圈的另一端分别连接所述电压放大电路和所述采样电路，所述电压放大电路与所述控制器电连接；
6.所述控制器用于通过所述驱动电路发出脉冲以推动电磁阀的动作，通过所述采样电路以及所述电压放大电路采集所述电磁阀的电磁铁线圈的电流波形，并能够根据所述电磁铁线圈的电流波形计算得到纹波比，以根据所述纹波比监测所述电磁阀的动作状态。
7.进一步地，所述采样电路包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接所述电磁铁线圈的另一端，所述采样电阻的另一端连接信号地。
8.进一步地，所述控制器包括mcu。
9.进一步地，所述驱动电路包括：第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、开关管和二极管，所述第一电感的一端连接驱动供电电压，所述第一电感的另一端连接所述第一电容的一端以及所述第二电容的一端，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端均连接信号地，所述第一电阻的一端连接所述第一电容的一端以及所述第二电容的一端，所述第一电阻的另一端连接所述开关管的栅极，所述第二电阻的一端连接所述开关管的栅极，所述第二电阻的另一端连接所述控制器，所述开关管的源极连接所述第一电阻的一端，所述开关管的漏极连接所述第二电感的一端，所述第二电感
的另一端为所述驱动电路的输出端，所述二极管的阴极连接所述第二电感的一端，所述第二电感的另一端连接所述信号地，所述第三电容的一端连接所述第二电感的另一端，所述第三电容的另一端连接所述信号地。
10.进一步地，所述电压放大电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第四电容、第五电容和运算放大器，所述第三电阻的一端连接参考电压端，所述第三电阻的另一端分别连接所述第四电容的一端以及所述运算放大器的正相输入端，所述第四电容的另一端连接信号地，所述第四电阻的一端连接采样电路，所述第四电阻的另一端连接所述运算放大器的正相输入端，所述第五电阻的一端连接信号地，所述第五电阻的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述第五电容与所述第六电阻并联后的两端分别连接所述运算放大器的反相输入端以及所述运算放大器的输出端。
11.本实用新型提供的电磁阀动作状态在线监测装置，通过控制器、驱动电路、电压放大电路以及采样电路测量纹波比来实现电磁阀工作状态的监测，准确灵敏，能够检测电磁阀的各种原因引起的不动作状态，且无需使用专用的带位置反馈的电磁阀，提高了系统的安全性能，便于功能安全类仪表的设计与开发。
附图说明
12.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。
13.图1为本实用新型提供的电磁阀动作状态在线监测装置的结构框图。
14.图2为本实用新型提供的电磁阀的原理示意图。
15.图3为本实用新型提供的电磁铁线圈电压电流波形示意图。
16.图4为本实用新型提供的驱动电路的电路原理图。
17.图5为本实用新型提供的电压放大电路的电路原理图。
具体实施方式
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
19.为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
20.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
21.在本实施例中提供了一种电磁阀动作状态在线监测装置，图1是根据本实用新型
实施例提供的电磁阀动作状态在线监测装置的结构示意图，如图1所示，包括：控制器10、驱动电路20、电压放大电路30和采样电路40，所述驱动电路20的输入端与所述控制器10电连接，所述驱动电路20的输出端连接待监测的电磁阀的电磁铁线圈的一端，所述电磁铁线圈的另一端分别连接所述电压放大电路和所述采样电路40，所述电压放大电路30与所述控制器10电连接；
22.所述控制器10用于通过所述驱动电路20发出脉冲以推动电磁阀的动作，通过所述采样电路40以及所述电压放大电路30采集所述电磁阀的电磁铁线圈的电流波形，并能够根据所述电磁铁线圈的电流波形计算得到纹波比，以根据所述纹波比监测所述电磁阀的动作状态。
23.本实用新型实施例提供的电磁阀动作状态在线监测装置，通过控制器、驱动电路、电压放大电路以及采样电路测量纹波比来实现电磁阀工作状态的监测，准确灵敏，能够检测电磁阀的各种原因引起的不动作状态，且无需使用专用的带位置反馈的电磁阀，提高了系统的安全性能，便于功能安全类仪表的设计与开发。
24.需要说明的是，常用的电磁阀的原理示意图如附图2所示，电磁阀的驱动机构都是一个电磁铁，由电磁铁线圈和动铁芯组成(有的还有一个静铁芯)。当电磁铁线圈通电时，内部产生的磁场会吸引动铁芯克服弹簧的弹力而推动电磁阀动作；当电磁铁失电时，被压缩的弹簧会将动铁芯推到复位位置。
25.具体地，所述采样电路包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接所述电磁铁线圈的另一端，所述采样电阻的另一端连接信号地。
26.具体地，所述控制器包括mcu。
27.本实用新型实施例提供的电磁阀动作状态在线监测装置主要通过mcu、 pwm驱动电路、电流采样电阻和电压放大器以入被监视的电磁阀线圈组成。其中mcu可以独立mcu也可与仪表中的其它功能合用一个mcu；可以采用电流采样电阻采样线圈电流，当然也可以采用其它方法(如霍尔电流采样)来采样线圈电流。mcu通过内部的定时器产生指定占空比的pwm脉冲，经外部的 pwm驱动后加在线圈上，用于推动电磁阀动作或复位。线圈上的电流经采样放大后经过mcu内部的adc转换成数字信号。
28.mcu根据电磁阀的实际电感量预先确定pwm的工作频率，使得产生的线圈电流有一定的纹波，电流电压波形如附图3所示。
29.mcu通过发出占空比为100％脉冲来推动电磁阀动作，然后发出如90％占空比的脉冲来维持电磁阀的动作状态，同时用于监测电磁阀的动作状态。
30.mcu通过发出占空比为0％脉冲来推动电磁阀复位，然后发生如10％占空比的脉冲来维持电磁阀的复位状态，同时用于监测电磁阀的动作状态。
31.对于电磁阀动作状态的监测,是通过计算线圈电流的纹波比来实现的，具体算法如下：mcu通过adc采集线圈电流波形，计算出一段时间内的平均电流i。按下式计算出纹波电流：
32.33.最终计算出纹波比
34.由于电磁阀的动铁芯的位置表征了电磁阀的动作状态，动铁芯与线圈的相对位置影响了线圈的电感量，当电磁阀处于复位位置时动铁芯远离了线圈，线圈电感量最小，所以测得的纹波比最大；当电磁阀处于动作位置时动铁芯完全进入了线圈，线圈电感量最大，所以测得的纹波比最小，所以纹波比直接表征了磁阀的动铁芯的位置。通过预先好测量电磁阀动作和复位时的纹波比在线监测时，与当前测得纹波比比较就能确定当电磁阀的动作状态。
35.如图4所示，所述驱动电路包括：第一电感l1、第二电感l2、第一电容 c1、第二电容c2、第三电容c3、第一电阻r1、第二电阻r2、开关管q1和二极管d1，所述第一电感l1的一端连接驱动供电电压，所述第一电感l1的另一端连接所述第一电容c1的一端以及所述第二电容c2的一端，所述第一电容c1 的另一端和所述第二电容c2的另一端均连接信号地gnd，所述第一电阻r1的一端连接所述第一电容c1的一端以及所述第二电容c2的一端，所述第一电阻 r1的另一端连接所述开关管q1的栅极，所述第二电阻r2的一端连接所述开关管q1的栅极，所述第二电阻r2的另一端连接所述控制器，所述开关管q1的源极连接所述第一电阻r1的一端，所述开关管q1的漏极连接所述第二电感l2 的一端，所述第二电感l2的另一端为所述驱动电路的输出端，所述二极管d1 的阴极连接所述第二电感l2的一端，所述第二电感l2的另一端连接所述信号地gnd，所述第三电容c3的一端连接所述第二电感l2的另一端，所述第三电容c3的另一端连接所述信号地gnd。
36.如图5所示，所述电压放大电路包括：第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第四电容c4、第五电容c5和运算放大器a，所述第三电阻r3的一端连接参考电压端，所述第三电阻r3的另一端分别连接所述第四电容c4的一端以及所述运算放大器a的正相输入端，所述第四电容c4的另一端连接信号地agnd，所述第四电阻r4的一端连接采样电路，所述第四电阻r4 的另一端连接所述运算放大器a的正相输入端，所述第五电阻r5的一端连接信号地agnd，所述第五电阻r5的另一端连接所述运算放大器a的反相输入端，所述第五电容c5与所述第六电阻r6并联后的两端分别连接所述运算放大器a 的反相输入端以及所述运算放大器a的输出端。
37.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。