[發明專利]一種基于力傳感器信號的電磁閥故障診斷方法

在審

• 申請號: 201610932511.6
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN108019555A
• 公開（公告）日: 2018-05-11
• 發明（設計）人: 于海斌;王鍇;邁克爾·佩希特;徐皚冬;郭海豐;王志平;閆炳均;金妮
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: F16K37/00
• 分類號: F16K37/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李巨智

本發明涉及一種基于力傳感器信號的電磁閥故障診斷方法，向設置有力傳感器的電磁閥施加額定電子激勵信號，使柱塞運動；在柱塞運動過程中，測量力傳感器反饋的柱塞與閥體/線圈外殼之間的撞擊力，得到力信號；將力信號與異常狀態閾值、故障狀態閾值進行比較，判斷當前電磁閥狀態。本發明不僅能夠檢測到電磁閥能否正常工作，而且能夠準確監測電磁閥的實際退化狀態，進而為實現基于狀態的維護奠定基礎。

技術領域

本發明涉及電磁閥故障檢測領域，具體地說是一種基于力傳感器信號的電磁閥故障診斷方法。

背景技術

電磁閥是用來控制或調整工藝流體的方向、流量、速度等參數的自動化基礎元件，已被廣泛應用于流程工業、汽車、工程機械等各行各業。

●電磁閥失效原因分析

在電磁閥的運行過程中，設備會受到來自工藝流體、周圍環境和電磁線圈熱效應而產生的多重應力的影響。下面簡單描述電磁閥的主要失效模式及機理。

電磁閥柱塞主要起到通斷工藝流體的作用，通常情況下電磁閥活塞直接與工藝流體接觸。為了實現預期的通斷功能，柱塞必須由軟鐵磁性材料構成，目前最常用的材料是430F不銹鋼(即低碳、高鉻不銹鋼)，它專門為電磁閥應用而設計，適合在腐蝕性環境下工作。由于柱塞與工藝流體直接接觸，隨著使用時間的增加，柱塞會受到腐蝕。此外，由于柱塞與柱塞管直接接觸，因此在柱塞運動過程中會導致摩擦、磨損以及材料損耗等現象的發生。隨著摩擦、磨損以及材料耗損的加劇，將顯現出粘滑行為或造成閥門關閉時密封不嚴等問題。與此同時，柱塞長期暴露于電磁線圈產生的磁場之中，這可能會導致柱塞的永久性磁化，進而引起不正確的柱塞動作及工藝流體的不當計量等問題。上述柱塞行為變化將導致柱塞對于磁場激勵響應的變化，進而改變柱塞抵達操作位置時所產生的撞擊力大小，因此，使用力傳感器測量撞擊力為電磁閥設備故障診斷提供了新途徑。

柱塞管是柱塞與電磁線圈之間的一道屏障。柱塞管的功能是防止電磁線圈受到工藝流體的侵蝕，同時它也將磁通引入柱塞(而非環繞在活塞周圍)。柱塞管主要是鋁或順磁性不銹鋼構成(鐵磁性柱塞管提供磁場線分流路徑，從而降低電磁閥的效率)。侵蝕性的工藝流體以及柱塞運動過程中所產生的摩擦力將導致柱塞管發生磨損，這將產生可能抑制柱塞運動的磨損顆粒物。當柱塞接觸到磨損顆粒物時，柱塞在磁場中將顯現出異常的響應。因此，通過分析力傳感器信號同樣能夠有效檢測到上述柱塞對磁場響應的異常變化。

電磁線圈產生磁場，進而驅動柱塞運動。電磁線圈所用的金屬絲一般稱為磁絲，通常為銅制。在電磁閥領域，通常使用三種類型的匝間絕緣材料：絕緣級別E的溫度等級為120℃，絕緣級別F的溫度等級為155℃，絕緣級別H的溫度等級為180℃。線圈構造通常分為兩種：包纏線圈和封裝線圈。包纏線圈由繞線軸和線管構成，然后用絕緣膠帶保護繞組；封裝線圈也有一個在線軸或繞線周圍的線圈纏繞，不同的是線圈被封裝或通過合適的樹脂壓模。當電流通過線圈時，熱效應會使導線溫度升高。如果溫度過高，導線之間的介電材料可能會退化失效，兩根相鄰導線將形成電連接，進而產生匝間短路或層間短路。短路會引起線圈電阻降低，進而使電流增大。在短路的位置，將逐漸形成高溫的局部熱點，從而導致斷路。腐蝕會導致線圈頸縮及導電材料損耗，進而引起線圈失效。由于電磁線圈的退化，通電時所產生的磁場強度將會發生變化，進而導致電磁閥動作時柱塞與閥體或者線圈外殼之間的撞擊力發生變化，通過力傳感器能夠檢測到這一變化。

●現存的電磁閥故障檢測技術

一些閥門健康監測技術已經被提出，其中某些技術可應用于電磁閥。目前最為廣泛采用的閥門健康監測技術是部分行程測試。在該方法中，使用位置傳感器來檢測閥門柱塞位置的變化，借此實現閥門故障檢測。然而，部分行程測試的缺點在于由于許多電磁閥體積較小，因此沒有足夠的內部空間來容納一個位置傳感器。此外，從數學上來看，加速度是位置信號的二次微分，因此，基于位置變化的故障檢測方法無法檢測到那些僅對加速度信號敏感的故障。