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Prüfadapter für Relaisbaugruppen

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - Beschreibung

Der Prüfadapter wurde entwickelt um Relaiskontakte in Relaisstellwerken zu bewerten. Ziel war es, feststellen zu können, wie stark abgenutzt die Relaiskontakte in Relaisbaugruppen sind.

Die Herausforderung bei diesem Projekt war, eine Möglichkeit zu finden, wie das Alter bzw. die Vorschädigung von Relaiskontakten möglichst genau durchgeführt werden kann.

Im vorliegenden Projekt wurden Relais, die nur für maximal 30 V DC und rein ohmsch Last ausgelegt sind, mit 60 Volt DC und stark induktiver Last, über viele Jahre hinweg eingesetzt. Diese permanente Überlastung der Relaiskontakte ausserhalb des spezifizierten Bereichs, hat dazu geführt, dass die Relais lange vor dem berechneten Lebensende, ihren Dienst versagten. Da der Ausfall der Relais nicht offenbart wird, musste eine Prüfeinrichtung geschaffen werden, mit der alle 32 Kontakte der 16 Relais, möglichst exakt bewertet werden.

Eine weitere Herausforderung war, dass die Relaiskontakte nicht ohne mechanische Beschädigung des Relais-Gehäuse, einer optischen Prüfung unterzogen werden konnten. Daher musste eine Möglichkeit gefunden werden, über die bestehenden Schnittstellen der Baugruppe, die Kontakte zu prüfen. Hierzu musste ein Prüfadapter entwickelt werden, der die Relais einzeln ansteuert und die Relaiskontakte elektronisch bewertet.

Nachdem uns seitens des Kunden zwei defekte Baugruppen zur Verfügung gestellt wurden, konnte relativ schnell eine Messmethode gefunden werden, mit der man sehr exakt die guten Kontakte von den schlechten unterscheiden kann. Dabei half auch die Dokumentation des verbauten Relais, die klar definiert, dass neue Relais einen Kontakt Übergangswiderstand von weniger als 30 mOhm (0,03 Ohm) besitzen.

Beim Messen der defekten Musterleiterplatte fanden sich Kontakt Übergangswiderstände zwischen annähernd 0 Ohm und unendlich. Damit war schnell klar, dass der Prüfadapter eine sehr genaue Widerstandsmessung durchführen muss.

Aus diesen Erkenntnissen entstand der Prüfadapter, der in den nachfolgenden Bildern und Texten beschrieben ist.

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - Ausblick

Der Prüfadapter ist zur Zeit ganz speziell auf die Anforderungen einer speziellen Baugruppe, eines Herstellers zugeschnitten und kann auf Wunsch für jedes andere Relais und auch für jede andere Baugruppe erweitert werden.

Der Prüfadapter wurde in der Zwischenzeit an Dutzenden Baugruppen getestet und findet sehr exakt, zuverlässig und auch reproduzierbar, die defekten Kontakte in den Relaisbaugruppen.

Die erwartete Funktion des Prüfadapters konnte in der Zwischenzeit in unzähligen Tests bestätigt werden.

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - technischer Hintergrund

Bei der vorliegenden Baugruppe wurde häufig ein ST2 Relais von NAIS eingesetzt, dessen Datenblatt Sie hier (NAIS-ST2-DC24V.pdf) finden. Das Datenblatt zeigt ganz deutlich, dass es bei Kontaktbelastung mit AC (Wechselspannung) sowohl eine "resistive" Kurve als auch eine "inductiv" Kurve zeigt. Das heißt, das NAIS ST2 Relais ist bei Belastung mit AC sowohl für induktive als auch ohmsche Last ausgelegt. In der selben Kurve wird auch eine DC Kurve gezeigt. Diese Kurve hat aber nur noch eine Beschriftung für "resistiv". Eine induktive Belastung der NAIS ST2 Relais ist laut Datenblatt nicht vorgesehen.

Wenn der Strom der durch die induktive Last erzeugt wird, der mit den NAIS Relais geschaltet wird, mit einem Oszilloskop beobachtet wird, dann zeigen sich Stromspitzen bis zu 8 Ampere. Das NAIS Datenblatt sagt bei einer DC Belastung mit 8 A, dass nur noch eine maximale Spannung von 30 Volt DC zulässig ist. Die geschaltete Last hingegen wird mit 60 Volt betrieben. Das könnte ein weiterer Grund für die vorliegende Situation darstellen.

Wären in der Schaltung Relais des Herstellers Panasonic eingesetzt worden, dann hätten die von Panasonic gelieferten ST2 Relais die induktiven DC Lasten ausgehalten. Das Datenblatt des ST2 Relais von Panasonic finden Sie hier (PANASONIC_ds_61A09_en_st.pdf). Die Kontaktmaterialien des Panasonic Relais sind zwar ähnlich, jedoch die Belastungskurven der Kontakte zeigen, dass man die Relais mit induktiver DC Last belasten darf. Damit wäre vermutlich das Panasonic Relais, dem NAIS Relais vorzuziehen gewesen.

Das Ziel dieses Prüfadapters ist es nun, die defekten Kontakte zu finden und dem Erhaltungspersonal eine Möglichkeit zu geben, möglichst früh zu erkennen, welche Kontakte schon stark gealtert sind.

Das Prüfprotokoll am Ende der Seite zeigt eine der beiden Baugruppen die zur Entwicklung des Prüfadapters zur Verfügung stand. Auch das Bild im nächsten Kapitel zeigt die selbe Baugruppe.

Inwieweit sich das Prüfprotokoll der beiden Musterbaugruppen im "echten Leben" bestätigt, werden die Tests der nächsten Wochen zeigen.

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - Funktionsbeschreibung

Der Prüfadapter schaltet die 16 NAIS Relais nacheinander ein und prüft jeweils einen der beiden Kontakte, des jeweiligen gerade angesteuerten Relais.

Die Prüfung besteht aus einer Widerstandsmessung, die mit vier verschiedenen Messmethoden realisiert wird. Jede Messmethode verwendet verschiedene Prüfströme die über den zu prüfenden Relaiskontakt geleitet werden. Die Messungen werden mit einem 10 Bit A/D Wandler durchgeführt, wobei zu Verbreiterung der Auflösung, verschiedene Referenzspannungen bei den Messungen eingesetzt werden.

Es werden pro Kontakt und pro Messmethode jeweils 12 ADC Aufrufe durchgeführt, wobei jeweils die ersten beiden verworfen werden und die 10 verbleibenden ADC Werte arithmetisch gemittelt werden. Damit wird eine höchst mögliche Messgenauigkeit des 10 Bit ADC des Prozessors ATMEGA erreicht.

Mit all diesen Methoden konnte eine Messgenauigkeit von besser als 0.01 Ohm erreicht werden. Aufgrund dieser feinen Messung des Kontaktwiderstands, endet der Messbereich jedoch bereits bei ca. 27 Ohm.

Dieser Messbereich ist der Tatsache geschuldet, dass die Relaishersteller für die zu messenden ST2 Relais zum Großteil einen maximalen Kontaktwiderstand von 0,03 Ohm für das neue Relais angeben. Das heisst, ein neues ST2 Relais hat einen Kontaktwiderstand von besser als 30 Milli-Ohm. Damit wurde das untere Ende des Messbereichs mit 0.01 Ohm gewählt. Das obere Ende von ca. 27 Ohm hat sich aus der Messschaltung und der Messmethode ergeben und ist aus unserer Sicht ausreichend um die Qualität eines Kontaktes zu ermitteln. Zumal Kontaktwiderstände von größer als 3 Ohm, dem hundertfachen des Widerstands bei Auslieferung der Relais entspricht. Damit haben wir den Grenzwert für gute Kontakte, willkürlich auf 2 Ohm festgelegt und die obere Messbereichsgrenze von 27 Ohm als ausreichend erachtet.

Andere Messbereiche sind auf Kundenwunsch machbar.

Am Ende dieser Seite wird ein Messprotokoll gezeigt. Dort sehen Sie als letzten Block der Messung, die Prellzeitmessung der einzelnen Relaiskontakte. Bei der Prellzeitmessung wird untersucht, wie lange die Relais Kontakte beim Ein- und Ausschalten prellen. Die Prellzeit ist in vielen Fällen auch ein guter Indikator, wie gealtert und wie stark abgenutzt ein Relais-Kontakt ist. Stark gealterte Kontakte prellen scheinbar länger, wie neue Kontakte die noch eine saubere Goldbedampfung besitzen.

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - Auswertung

Bei der Auswertung der Messung werden folgende Grenzwerte herangezogen:

neue bzw. unbenutzte Kontakte:     0.000 Ohm - 0.030 Ohm
benutzte Kontakte, aber noch o.k.: 0.031 Ohm - 0.300 Ohm
stark gealterte Kontakte:          0.300 Ohm - 1.999 Ohm
defekte Kontakte:                  2.000 Ohm - unendlich Ohm
Ziel der Prüfungen des Adapters wird sein, diese freizügig gewählten Grenzwerte feiner abzustimmen.

Download

Das Zip - Archiv anrel-tools.zip enthält folgende Dateien:

reader.bat

reader.exe

cygwin1.dll

Entpacken Sie das Zip-File in einem beliebigen Directory und führen Sie einen Doppelklick auf reader.bat aus. Es wird reader.exe in einem DOS-Eingabeaaufforderungsfenster CMD.EXE gestartet. Als Parameter benötigt reader.exe den Dateinamen der USB-Schnittstelle an der der Prüfadapter angeschlossen ist.

reader.exe sucht nach verfügbaren Dateinamen und zeigt diese an. Üblicherweise heisst die Datei /dev/ttyS0.

Wird die USB-Schnittstelle von Windows anders benannt, dann müssen Sie die Datei reader.bat ändern und dort den Dateinamen von /dev/ttyS0 auf einen anderen Namen, der von reader.exe angezeigt wurde.

Die nachfolgende Abbildung zeigt einen solchen Start in CMD.EXE. Hierzu klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Windows Start-Knop, wählen den Menüpunkt "ausführen" und geben CMD.EXE ein. Danach wechseln Sie in das Directory, in dem Sie die Prüfadapter-Tools reader.exe und die cygwin-dll installiert haben und starten reader.exe. Das Bild zeigt Ihnen, wie reader.exe die gefundenen USB-Geräte anzeigt und wie Sie reader.exe starten müssen in dem Sie das USB-Gerät als Parameter übergeben.



Die nachfolgende Beispieldatei zeigt ein solches Messprotokoll einer geprüften Baugruppe. anrel-1234.pdf

PDF Dateien erzeugen

Das Erzeugen von PDF Dateien übernimmt reader.exe. Hierzu müssen Sie zunächst sicherstellen, dass keine Baugruppe im Prüfadapter angesteckt ist. Nun drücken Sie die Taste "m". Das Frontend reader.exe fordert Sie nun auf die Seriennummer der zu prüfenden Baugruppe einzugeben. Nach Eingabe der Seriennummer werden Sie aufgefordert die Seriennummer durch drücken der Taste j zu bestätigen.

Nach Eingabe und bestätigen der Seriennummer wartet das Program auf das Anstecken einer Baugruppe. Nun setzen Sie die zu prüfende Baugruppe ein. Die Prüfung der Baugruppe startet selbständig mit einer Wartezeit von 1 Sekunde. Die Wartezeit soll dem Bediener die Möglichkeit geben, dass alle Kontakte an allen Steckern sauber angesteckt sind und die Prüfung nicht schon zu früh startet, wenn der Stecker noch nicht vollständig angesteckt ist.

Es werden zwei Prüfläufe durchgeführt. Zuerst vier unterschiedliche Messmethoden je 12 Messungen für alle 32 Kontakte der 16 ST2 Relais. Das sind 1536 Einzelmessungen pro Baugruppe für die Kontaktwiderstandtsmessung. Danach startet ein zweiter Prüflauf mit 100 Messungen für alle 32 Relaiskontakte, das sind 3200 Einzelmessungen des Kontaktwiderstands, bei dem die Prellzeit der 32 Relaiskontakte ermittelt wird. Wobei 3200 Messungen beim einschalten der Kontakte und 3200 Messungen beim Ausschalten der Kontakte durchgeführt werden.

Das heisst, am Ende eines Messlaufs, wird ein PDF File erzeugt, dass die Seriennummer im Dateinamen enthält und das die Ergebnisse von 7936 Einzelmessungen auf zwei DIN A4 Seiten enthält.

Bevor der Prüflauf startet, werden auch noch Messungen durchgeführt, die sicherstellen dass der Kondensator auf der Baugruppe hochohmit ist und dass alle Relaiskontakte abgefallen sind, bevor die Messung startet. Diese Messungen sollen sicherstellen, dass sowohl niederohmige ELKOs, als auch verschweisste Relaiskontakte erkannt werden.

Prüfadapter für Relaisbaugruppen - Bilder



ANREL Pruefadapter V2.01 / 07.07.2018
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ANREL Ser.Nr.: '1234' / Protokoll vom/um 09.07.18 18:31:22

ELKO auf der ANREL ist hochohmig -> o.k.

alle Relais abgeschaltetet: alle Kontakte 8-7 sind offen -> Baugruppe o.k.
alle Relais abgeschaltetet: alle Kontakte 5-6 sind offen -> Baugruppe o.k.

          Messung:     1    2    3    4    Widerstand   Ergebnis
--------------------------------------------------------------------------
K00 / X2 D24  8-7:   21    8    0    0     0.193 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:  221   94   10    3     2.197 Ohm    Kontakt DEFEKT !
K01 / X2 Z24  8-7:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
              6-5:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
K02 / X2 D26  8-7:   30   12    0    0     0.285 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   15    6    0    0     0.142 Ohm    Kontakt o.k.
K03 / X2 Z26  8-7: 1023 1023 1023 1023 nicht messbar    Kontakt DEFEKT !
              6-5:    5    1    0    0     0.040 Ohm    Kontakt o.k.
K04 / X2 D28  8-7:   21    8    0    0     0.194 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   23    9    0    0     0.218 Ohm    Kontakt o.k.
K05 / X2 Z28  8-7:   15    5    0    0     0.143 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   28   11    0    0     0.265 Ohm    Kontakt o.k.
K06 / X2 D30  8-7:   23    9    0    0     0.219 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   34   14    0    0     0.322 Ohm    Kontakt gealtert
K07 / X2 Z30  8-7:   12    4    0    0     0.109 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
K10 / X2 D10  8-7:   23    9    0    0     0.218 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:  216   97   18    7     2.264 Ohm    Kontakt DEFEKT !
K11 / X2 Z10  8-7:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
              6-5:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
K12 / X2 D08  8-7:   14    5    0    0     0.128 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   76   31    0    0     0.724 Ohm    Kontakt gealtert
K13 / X2 Z08  8-7:    6    1    0    0     0.055 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:    9    3    0    0     0.085 Ohm    Kontakt o.k.
K14 / X2 D06  8-7:   22    8    0    0     0.208 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:   18    7    0    0     0.171 Ohm    Kontakt o.k.
K15 / X2 Z06  8-7:   18    7    0    0     0.170 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:    7    2    0    0     0.065 Ohm    Kontakt o.k.
K16 / X2 D04  8-7: 1023 1023 1023 1023 nicht messbar    Kontakt DEFEKT !
              6-5:   30   12    0    0     0.286 Ohm    Kontakt o.k.
K17 / X2 Z04  8-7:   10    3    0    0     0.089 Ohm    Kontakt o.k.
              6-5:    0    0    0    0     0.000 Ohm    Kontakt neu
Zusammenfassung der 32 Einzelkontaktmessungen:
     6 Kontakte sind neu/unbenutzt  (0.000 Ohm - 0.030 Ohm)
    20 Kontakte sind o.k.           (0.031 Ohm - 0.300 Ohm)
     2 sind stark gealtert          (0.300 Ohm - 1.999 Ohm)
     4 sind defekt                  (2.000 Ohm - unendlich Ohm)

Messung 1:  10 mA Messstrom mit 1,1  Volt Referenzspannung im ADC
Messung 2:  10 mA Messstrom mit 2,56 Volt Referenzspannung im ADC
Messung 3: 100 mA Messstrom mit 1,1  Volt Referenzspannung im ADC
Messung 4: 100 mA Messstrom mit 2,56 Volt Referenzspannung im ADC

Prelldauer der ANREL Relais-Kontakte:

                                  Kontakt 8-7                 Kontakt 6-5
          Prelldauer beim      aus-        ein-             aus-
          einschalten
Relais  0 K00 / X2 D24 :     2.3 msec    2.7 msec   /     2.4 msec    4.0 msec
Relais  1 K01 / X2 Z24 :     1.9 msec    2.9 msec   /     2.0 msec    3.4 msec
Relais  2 K02 / X2 D26 :     2.1 msec    2.8 msec   /     2.2 msec    3.1 msec
Relais  3 K03 / X2 Z26 :    10.0 msec   10.0 msec   /     1.9 msec    3.1 msec
Relais  4 K04 / X2 D28 :     2.5 msec    3.1 msec   /     2.2 msec    2.7 msec
Relais  5 K05 / X2 Z28 :     2.3 msec    3.5 msec   /     1.7 msec    3.1 msec
Relais  6 K06 / X2 D30 :     2.3 msec    3.0 msec   /     2.0 msec    2.7 msec
Relais  7 K07 / X2 Z30 :     2.3 msec    2.9 msec   /     1.9 msec    2.8 msec
Relais  8 K10 / X2 D10 :     2.6 msec    3.1 msec   /     1.3 msec    2.9 msec
Relais  9 K11 / X2 Z10 :     2.5 msec    2.9 msec   /     2.0 msec    3.2 msec
Relais 10 K12 / X2 D08 :     2.3 msec    3.2 msec   /     2.0 msec    2.9 msec
Relais 11 K13 / X2 Z08 :     2.2 msec    3.1 msec   /     1.9 msec    3.0 msec
Relais 12 K14 / X2 D06 :     1.5 msec    2.8 msec   /     1.5 msec    3.3 msec
Relais 13 K15 / X2 Z06 :     2.1 msec    3.4 msec   /     2.4 msec    3.9 msec
Relais 14 K16 / X2 D04 :    10.0 msec   10.0 msec   /     1.8 msec    2.7 msec
Relais 15 K17 / X2 Z04 :     1.7 msec    3.1 msec   /     1.7 msec    3.3 msec

Protokoll-Ende.


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