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Verfahren zum Prüfen einer elektromagnetischen Wirkvorrichtung, insbesondere
eines Relais mit in einem undurchsichtigen Gehäuse gekapselten Kontaktankern, durch
Darstellung und/oder Auswertung ihrer Ankerbewegung sowie Ananordnung zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Gattungsbegriff des Patentanspruches
1 beschriebenen Art sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es besteht das Bedürfnis, die Ankerbewegung in elektromagnetischen
Wirkvorrichtungen, z.B. in elektromagnetischen Relais, zerstörungsfrei-und unabhängig-von
der-optischen Zugänglichkeit-da-rzustellen und/oder. auszuwerten. Dieses Bedürfnis
tritt auf beider Untersuchung und Entwicklung derartiger Wirkvorrichtungen, aber
auch bei der Exemplarprüfung im Zuge der Fertigung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine
zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung anzugeben, die dem vorangehend
beschriebenen Bedürfnis Rechnung tragen und die keine mehr oder weniger aufwendige
Präparation des Prüflings, z.B. durch Aufbringen-von Sensorwicklungen oder dergleichen,
erfordern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird das im Patentanspruch 1 beschriebene
Verfahren vorgeschlagen.
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Vordteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfa-hrens
sind Gegenstand von Unteransprüchen, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung
ausdrücklich verwiesen wird.
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Ande-re Unteran-spruche haben die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser
Anordnung zum Gegenstand. Auf sie wird zur Verkürzung der Beschreibung hiermit ebenfalls
ausdrücklich verwiesen.
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Die Erfindung macht sich die unter der Bezeichnung Ankerrückwirkung-
bekannte Erscheinung zu Nutze, wonach sich die Induktivität einer elektromagnetischen
Wirkvorrichtung, z.B. eines Relais, bei der- Ankerbewegung, d.h.einer Vergrößerung
oder Verkleinerung des Arbeitsluftspaltes, ändert Durch diese Induktivitätsänderung
wird in der Erregerwicklung eine Spannung induziert, die eine entsprechende änderung
(Modulation) des Erregerstroms oder des Spannungsabfalles an der Wicklung zur Folge
hat. Die meßtechnische Ausnutzung dieser Erscheinung, die - wie erwähnt - unter
der Bezeichnung Ankerrückwirkung an sich jedem einschl-ägigem Fachmann bekannt ist,
wird ermöglicht durch d-ie erfindungsgemäß vorgesehene Auskopplung oder Extrahierung
des der Ankerrückwirkung entsprechenden Signalanteiles aus dem zeitlichen Verlauf
des Erregerstromes und/oder des an der Erregerwicklung auftretenden Spannung abfalles
Diese Auskopplung ermöglicht eine geeignete Signalbehandlung beispielsweise in Form
einer die tatsächl-i-che Ankerbewegung zumindest näherungsweise beschreibena den
oszillographischen Darstellung, woraus Rückschlüsse auf Zeitpunkt und Art der Ankerbewegung
gezogen werden können. Dies ist besonders bei sogenannten Doppel ankerkontakten
von Bedeutung, bei der durch das Verfahren bzw.
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die Anordnung gemäß der Erfindung das öffnen bzw.Schliessen der beiden
einen einzigen elektrischen Kontakt bildenden Kontaktanker verfolgt werden- kann.
Diese Erkenntnis, die auf anderem Wege, z.B. durch eine elektrische Durchgangsprüfung,
nicht ohne weiteres gewonnen werden kann, ist für die Qualitätssicherung besonders
wichtig, da die durch die Doppelkontaktgabe angestrebte Kontaktzuverläs-
sigkeit
nur dann gegeben ist, wenn beid-e Kontaktanker bei einem vorgegebenen Grenzwert
der Erregung mit Sicherheitangezogen sind bzw. bei einem bistabilen Relai-s bis
zu einem vorgegebenen Grenzwert der Gegenerregung mit Sicherheit noch gehalten sind.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine erste mit einer Brückenschaltung realisierte Anordnung zur Extraktion
des der Ankerrück-Wirkung entsprechenden Signalanteiles.
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Fig. 2 zeigt ein zweites mit einem Operationsverstärker realisiertes
Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur separaten Darstellung der Ankerrückwirkung,
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Anordnung, Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme
einiger bei der Anordnung gemäß Fig. 3 auftretender Signalspannungen in Abhängigkeit
von dem zeitliche-n Verlauf einer eingeprägten Erregungsgröße,~ Fig. 5 bis 8 zeigen
Oszillogramme der bei einer Anordnung gemäß Fig.- 1 auftretenden Signalspannungen
bzw.
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einer durch optoelektronische Mittel aufgenommenen Zeitkurve einer
tatsächlichen Ankerbewegung und der zugehörigen Ankergeschwindigkeit.
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Bei der in-Fig. 1 dargestellten Anordnung ist der mit A bezeichnete-
Prüfling, z.B. ein Relais mit gekapsel-ten Doppelkontaktankern, in den Brückenzweig
einer Brückenschaltung eingefügt. Der Wirkwiders-tand und die Induktivität des Prüflings
sind mit R bzw. L bezeichnet. In den angrenzenden Brückenzweig der Brückenschaltung
ist ein Vergleichsobjekt eingefügt, das im-vorliegenden Fall- aus einem baugleichen
Relais B besteht, dessen Anker in einem vorgegebenen Pol abstand hg festgeklemmt
ist. Die in den
diametral gegenüberliegenden Brückenzweigen wirksamen
(Ohmschen) Widerstände sind mit Ra bzw. -Rb bezeichnet.Der Wirkwiderstand R und
die Induktivität L de-r Erregerwicklung des Prüflings A stimmt wegen der Fertigungstoleranzen
in aller Regel selbst dann nicht mit den entsprechenden Werten RO, LO des baugleichen
Teiles B überein, wenn der Anker des Prüflings A denselben Polabstand hO besitzt
wie das Teil B. Solange L jedoch zeitlich konstant ist, d.h. solange bei Anker des
Prüflings A sich nicht bewegt, läßt sich die Brückenschaltu-ng mit Hilfe der in
den gegenüberliegenden Brückenzweigen wirksamen Potentiometer sowohl bezüglich des
Blindanteiles als auch des Wirkanteiles abg-leichen. Wenn die Abgleichbedingung
RA Ra L ## = ## = ## = k RB Rb L0 erfüllt ist, verschwindet die Spannung #U an der
Brückendiagonalen Wenn sich der Anker- des Prüflings A bewegt, ä-ndert sich die
Induktivität von A entsprechend, so daß die Brücke verstimmt wird Der Einfachheit
halber sei angenommen, daß die Induktivitäten L und LO nur von der Geometrie, d.
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h. dem Polabstand h bzw h0 nicht aber von dem Strom I abhängen, der
die Wicklungen von A und B durc-hfließt. Infolgedessen ist Lo =- const und dLO/dt
= O. Dann ist 1 [(L-kLO) dI + IdL] 1+k dt dt Mit k = 1 wird daraus U = 1/2 [(L-LO)
## + I## Der erste Summand dieses Ausdruckes kann für die folg-enden Betrachtungen
vernachlässigt werden, da L und LO sich nicht sehr voneinander unterscheiden und/oder
die zeitliche Änderung des Erregerstromes. d.h. der Faktor dI/dt,
durch
geeignete Schaltungsmaßnahmen klein gehalten werden kann.
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Der zweite Summand beinhaltet eine Information über d-ie Ankerbewegung.
Wegen L = L(h) kann nämlich I # ## = I # ## # ## geschrieben werden, worin dh/dt
ie- Ankergeschwindigkeit ist.
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Mit der in Fig. 1 dargestellten Brückenschaltung wurden die in Fig.
5 bis 8 dargestellten Oszillogramme aufgenommen. Sie zeigen das Verhalten eines
bistabilen Relais beim Abwerfen. Um die einzelnen Bewegungsphasen zu verdeutlichen,
wurde der Anstieg der Erregerspannung U durch eine Kapazität verlangsamt Die obere
Kurve in Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalles- an.-der Wicklung
des Prüflings A. Die untere Kurve-zeigt-die- Spannung AU am D-iagonalzweig der Brückenschaltung,
d.h. den extrahierten Signalanteil,der auf die von der Ankerbewegung verursachte
Änderung der Induktivität L zurückzuführen ist.
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In Fig. 6 sind ebenfalls oben der Spannungsabfall an der Wicklung
des Prüflings A und unten die Spannung #U U dargestellt, wobei letztere jedoch gegenüber
der Darstellung in Fig. 5 etwa um den Faktor 10 vergrößert ist und somit ein genaueres
Bild des tatsächlichen Bewegungsverlaufs bietet.
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In Fig. 7 sind oben der tatsächliche Ankerweg-und in der Mitte die
tatsächliche Ankergeschwindigkeit dargestellt.
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Diese beiden Größen wurden mit Hilfe eines optoelektronischen Verfahrens
an einem entsprechend präparierten Prüfling aufgenommen. Die untere Kurve von Fig.
7 zeigt wieder
die Differenzspannung # U am Diagonalzweig der -Brücke.Man
erkennt, daß sie ein sehr genaues Abbild der tatsächlichen Ankergeschwindigkeit
(mittlere Kurve von Fig. 7) ist.
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-In Fig. 8 schließlich sind wieder der tatsächliche Ankerweg (obere
Kurve) bzw. die Spannung A U dargestellt, wobei letztere in einem gegenüber der
Darstellung in- Fig. 7 stark vergrößerten Ordinatenmaßstab wiedergegeben ist.
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Gerade aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die untere Kurve recht g-enau
dem Differentialquotiente-n der oberen Kurve entspricht, d.h. daß ZkU ein sehr genaues
Maß für die Gescwindigkeit der Anke.rbewegung ist. Aus ihr lassen sich insbesondere
auch der Aufprall des Ankers an seinem Ruheanschlag sowie die diesem Aufprall folgenden
Prellbewegungen ablesen.
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Fig. 2 zeigt eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Schaltung.
Anstelle einer Brückenschaltung (Fig. 1), die ein präpariertes Vergleichsobjekt
B benötigt, verwendet die Schaltung gemäß Fig 2 einen Operationsverstärker. Der
Erregerstromkreis für den Prüfling, der wieder mit A und dessen Wirkwiderstand und
Induktivität wieder mit R bzw.
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L bezeichnet sind, besteht aus der Relaiswicklung und einem Vorwiderstand
Rv Der Operationsverstärker hat einen sehr hohen Eingangswiderstand, so daß seine
Rückwirkung auf den Erregerstromkreis vernachlässigt werden kann.Für letzteren gilt
daher: U = (Rv + R) # I + L # ## + I # ##.
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Die mit UK bezeichnete Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
ergibt sich nach den bekannten Regeln- als:
Die Schaltung kann so dimensioniert werden, daß
R1 # Rv = R und
Rv # R1 # C = LO.
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R0 worin L0:die einer-bestimmten Ankerstellung hO entsprechende Induktivität
der Erregerwicklung sein soll. Falls z.B. C vorgegeben wird, erhält man R1 = ###
# RO = #### = ##.
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Damit wird die Ausgangsspannung UK des Operationsverstärkers UK =
(Rv +-R)sE + L, dI DieDifferenzspannung #U zwischen-der Speisespannung U und der
Ausgangsspannung UK des Operationsverstärkers wird damit dI d:L = (L - LO) # dt
+ Ihr zeitlicher Verlauf entspricht also dem der Spannung am Diagonalzweig der Schaltung
gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, daß:die Amplitudenwerte doppelt so groß sind wie
bei der Brückenschaltung (Fig. 1) für den Fall, daß k = 1 ist.
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Falls die Anforderungen an eine verzerrungsfreie Wiedergabe des Nutzsignals
nicht sehr hoch sind und der Erregerstrom sich nicht sehr rasch ändert, kann auf
den individuellen Abgleich der Brückenschaltung (Fig. 1) bzw.
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der elektronischen Schaltung (Fig. 2) verzichtet werden, wenn die
durchden Abgleichsmangel verursachte Störung durch ein geeignetes Filter in Form
eines Hochpasses abgeriegelt wird.
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Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Es dient zur
Doppelkontaktgabeprüfung eines bistabilen Relais. Die links dargestellte Brückenschaltung
enthält
den Prüfling A sowie das baugleiche Teil B mit festgelegtem
Anker. Die beiden anderen Brückenzweige werden von gleichen ohmschen Widerständen
R1 gebildet-. Die Brücke wird von einem Stromgenerator SG mit einem eingeprägten
Strom-gespeist, der den in Fig. 5 oben dargestellten zeitlichen Verlauf hato. Der
Diagonalzweig der Brückenschaltung, an dem die Spannung ÄU U auftritt, ist mit den
Eingängen eines Differenzverstärkers-DV verbunden, dessen Ausgangsspannung mit U3
bezeichnet ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist mit einem Hochpaß HP-
verbunden, dessen Ausgangsspannung mit U4 bezeichnet ist.
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In Fig. 4, dritte und vierte Zeile, ist der zeitliche Verlauf der.
Ausgangsspannung U3 dargestellt, wobei R > R0 (Plustoleranz) bzw. R< <R
R0 (Minustoleranz) ist. Die unterste Kurve von Fig. 4 gibt den zeitlichen Verlauf
der Spannung U4 am Ausgang des Hochpasses für den Fall R> RO wie der.
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Der Prüfling A in der Schaltung gemäß Fig. 3 ist ein bistabiles Relais
mit Doppelkontaktgabe. Zu den PrUfvorschriften für ein solches Relais gehört die
Feststellung, ob bei einem vorbestimmten Grenzwert-der Gegenerregung beide. Kontaktanker
noch sicher gehalten sind. Wenn dies nicht der Fall ist, ist der Prüfling zu verwerfen.
Der genannte Grenzwert ist in der oberen Kurve von Fig. 4 dargestellt und als "Doppelkontaktprüfwert"
IDK bezeichnet. Aus der in der zweiten Zei.le.von Fig.'4 darg.estellten Kurve, die
den elektrischen Zustand (offen oder geschlossen) des Kontaktes wiedergibt, ist
nicht erkennbar, ob der erste der beiden Kontaktanker vor oder nach dem dem Prüfwert
IDK entsprechenden Zeitpunkt t1 abfällt. Aus der unteren Kurve von Fig. 4 lassen
sich hingegen die Bewegungen beider Anker erkennen. Es zeigt sich, daß der Abfall
des ersten Ankers nach dem Zeitpunkt t1 stattfindet, das Relais also der genannten
Prüfbedingung entspricht.
Läge der den Abfall des ersten Ankers
wiedergebende Ausgleichsvorgang von U4 zeitlich zwischen dem der Zeitkonstante-n'
des Hochpasses HP entpsrechenden Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt tl, müßte der Prüfling
verworfen werden,weil die Doppelkontaktgabe verloren geht, bevor die Gegenerregung
den Doppelkontaktprüfwert IDK erreicht- hat.
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Aus der in der vorangehend beschriebenen Weise gewonnenen Signalprobe,
die dem zeitlichen Verlauf der Ankergeschwindigkeit zumindest annähernd-proportional
ist, läßt sich durch Integration ein Kurvenverlauf gewinnen,der den zeitlichen Verlauf
der tatsächlichen Ankerposition wiedergibt.
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10 Patent ansprüche 8 Figuren