DE10100773A1 - Ölqualitätssensor für Getriebe und Motoren - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Sie dient der kontinuierlichen Überprüfung des Öls als
Früherkennungs- und Warnsystem für metallische Schwebstoffe und
Wasser.
Die Ölqualität in Getrieben und Motoren wird in der Regel nicht explizit
untersucht. Regelmäßige Serviceintervalle, bei denen das Öl getauscht
wird, sollen Lagerschäden verhindern.
Alternativ kann die Ölqualität in Getrieben und Motoren durch Ölproben
festgestellt werden. Bei dieser Methode wird das Öl in ein chemisches
Labor zur Untersuchung eingesendet. Hier werden Fremdstoffe im Öl,
wie metallische Späne aus Getriebeteilen, sowie der Wassergehalt
analysiert. Sollten sich metallische Bestandteile im Öl sich befinden,
deutet dieses auf mögliche Lagerschäden hin. Ein hoher Wassergehalt
im Öl kann zu ungleichmäßiger Ölschmierung führen und Lagerschäden
hervorrufen.
Die Wartung des Öls in Getrieben und Motoren erfolgt nach
vorgegebenen Serviceintervallen. Die Zeitabschnitte sind so gewählt, das
unabhängig vom Nutzungsgrad des Getriebes keine Schäden durch
unzureichende Ölschmierung auftreten. Dadurch wird das Öl in der Regel
früher, als es technisch notwendig gewechselt. Dieses Service-Verfahren
ist nur bedingt wirtschaftlich wegen des vermehrten Aufwandes. Auch
fällt durch die regelmäßigen Serviceintervalle unnötig viel Altöl an.
Ebenfalls gibt dieses Verfahren keine Informationen über einen
drohenden Getriebeschaden zwischen den einzelnen Serviceintervallen.
Eine Überprüfung der Ölqualität, bei dem eine Ölprobe gezogen werden
muß, ist Zeit- und kostenintensiv. Der Zeitpunkt der Entnahme erfolgt
eher zufällig, wenn Schäden vermutet werden.
Ein Sensor erfaß im Öl kontinuierlich den Wassergehalt, die Anzahl der
ferromagnetischen Bestandteile und die Neutralisationszahl nach dem
potentiometrischen Verfahren.
Der im Öl vorhandene Wassergehalt, die ferromagnetischen
Bestandteile und die Neutralisationszahl (pH-Wertmessung) werden in
zwei hintereinander aufgebauten Kondensatoren (1)(2) gemessen, durch
die das zu analysierende Öl (3) fließt.
Beide Kondensatoren (1) (2) messen jeweils die Kapazität des Öls. Sollte
Wasser im Öl vorhanden sein, erhöht sich die Dielektrizitätszahl des Öl-
Wassergemisches, da die Dielektrizitätszahl von Öl ca. 2, die des
Wassers ca. 80 beträgt.
Zusätzlich wird einer der beiden Kondensatoren mit eine
elektromagnetischen Spule (4) ausgerüstet. Eine an dieser Spule
angelegte Gleichspannungsquelle (5) erzeugt ein elektromagnetisches
Feld im Kondensator (2), welches ferromagnetische Bestandteile (6) im
Öl anzieht. Diese Teilchen (7) lagern sich im Kondensator (2) ab und
verändern dessen Kapazität bis hin zu einem elektrischen Kurzschluß.
Hierbei bilden die im Bereich der Spule im Kondensator (2) durch den
Magneten angezogenen ferromagnetischen Teilchen eine Brücke
zwischen den Kondensatorplatten (13).
Die Differenz der Kapazitäten von den Kondensatoren (1) und (2) zeigt
den Verschmutzungsgrad durch die ferromagnetischen Bestandteile an.
Da fast nur ferromagnetische Werkstoffe bei der Herstellung von Lagern
eingesetzt werden, ist diese Meßmethode geeignet, feinsten Abrieb in
Getrieben zu messen.
Um eine nachhaltige Verschmutzung des Kondensators zu verhindern,
wird anstelle der Gleichspannung an der Spule (4) eine
Wechselspannung (8) angelegt. Hierdurch werden die ferromagnetischen
Bestandteile nicht mehr angezogen und aus der Kondensator durch die
Ölströmung gespült. Nach erfolgter Reinigung des Kondensators (2)
messen die Kondensatoren (1) und (2) gleiche Kapazitäten.
Durch das erneute Anlegen der Gleichspannung an die Spule werden
wieder neue ferromagnetische Bestandteile aus dem Ölstrom
angezogen. Dieser Vorgang wird beliebig oft wiederholt.
Ebenfalls dienen die Kondensatoren (1) und (2) als
Leitfähigkeitssensoren. Eine an die Platten angelegte Gleichspannung
erzeugt einen Strom durch das Öl. Dieser gemessene Strom dient zur
potentiometrischen Messung und damit zur Ermittlung der
Neutralisationszahl.
Optional wird in einem dritten Kondensator (9) neues, ungebrauchtes Öl
(10) als Referenz parallel analysiert.
Eine thermische Kupplung (11) hält das Referenzöl auf die Temperatur
des zu messenden Öls.
Eine Differenzmessung der Kapazitäten zwischen dem Kondensator (9)
und den beiden Kondensatoren (1)(2) dient der Erhöhung der
Meßgenauigkeit.
Die Leitfähigkeit als Referenzöls (10) wird im Kondensator (9) wie bei den
Kondensatoren (1) und (2) gemessen und als Standard für die
Messungen in den Kondensatoren (1) und (2) verwendet.
Die elektronische Auswertung der Signale aus den Kondensatoren
(1), (2)und (3) sowie die Ansteuerung der Spule (4) und die
Leitfähigkeitsmessungen erflogen über eine am Messgerät angebrachte
Auswerteeinheit (12).
Mit dem kleinen und kostengünstigen Ölqualitätssensor werden
drohenden Lagerschäden frühzeitig diagnostiziert und gemeldet.
Unerwartete Ausfälle (Betriebsbereitschaft) sowie teuere Reparaturen am
Getriebe werden vermieden.
Die Lebensdauer der Getriebe wird erhöht, da sie immer mit optimalen
Schmiermittel betrieben werden.
Der Sensor bietet eine kontinuierliche Messdatenerfassung.
Die Kombination verschiedener Meßgrößen erlaubt eine differenzierte
Beurteilung der Ölqualität, die sonst nur durch eine Ölprobe möglich ist,
die in einem chemischen Labor analysiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen näher
dargestellt und beschrieben:
Fig. 1 zeigt zwei Öl durchströmte nacheinander geschaltete
Kondensatoren (1) und (2). Die als flache Platten oder halbrunde
(Rohrform) Kondensatorplatten (13) werden in einem Messrohr aus nicht
elektrisch leitfähigen Material (18) -Teflon, Glas, Kunststoff eingesetzt.
Durch das Messrohr fließt das zu analysierende Öl kontinuierlich. Im
Kondensator (1) wird die Kapazität des Öls gemessen. Zu
Referenzzwecken kann dieses auch parallel noch in den Kondensator (2)
gemessen werden. Befindet sich Wasser im Öl, erhöht sich die
Dielektritzitätszahl vom Öl-Wasser Gemisch, da die Dielektrizitätszahl
von Öl eine Größenordnung von 2 bis 3 besitzt und die des Wassers von
80. Mit dem Einsatz einer hoch empfindlichen Auswerteelektronik (12),
wie sie Handel erhältlich ist, werden die Kapazitäten (1) und (2)
gemessen. Um den störenden Einfluss außenliegender Kapazitäten
anzuschirmen, wird das gesamte Meßsystem in ein einfach oder
mehrfach abgeschirmtes, elektrisch leitendes Gehäuse (14) eingesetzt.
Das Gehäuse aus Stahl oder Aluminium wird mit der Erde elektrisch
verbunden.
Eine außenliegende Auswerteelektronik (12) erfasst die Messsignale,
wertet sie aus, zeigt sie an oder leitet sie per Telefon/Internet an eine
Zentrale.
Eine am Kondensator (2) angebrachte Spule, die mit Gleichstrom (5)
betrieben wird, erzeugt ein elektromagnetisches Feld. Dieses hat die
Aufgabe, die im Ölstrom befindliche ferromagnetische Bestandteile
anzuziehen, so das sie sich an einer der Kondensatorplatten des
Kondensators (2) ablagern (7). Hierdurch verändert sich die Dielektrizität
des Kondensators (2) und damit die gemessene Kapazität. Sie ein Maß
für die Verunreinigung des Öls durch Metallspäne und kann daher zur
Früherkennung von Getriebeschäden herangezogen werden.
Die Ansammlung von Metallspänen (7) kann im Extremfall zu einem
Kurzschluss des Kondensators (2) führen.
Damit der Kondensator (2) ein kontinuierliches Messsignal liefert, wird in
zeitlichen Abständen der Gleichstrom in der Spule (4) abgeschaltet und
ein eine Wechselspannung angelegt. Die Metallspäne werden dann nicht
mehr von der Spule (4) angezogen und entmagnetisiert. Die Strömung
des Öls trägt die Ansammlung von Metallspänen (7) ab. Nach dieser
Regenerationsphase ist der Kondensator wieder gereinigt und
Gleichstrom wird wieder an die Spule (4) angelegt. Dieser Prozess ist
beliebig häufig wiederholbar.
Die Kondensatoren (1) und (2) mit ihren Kondensatorplatten werden,
wenn sie nicht die Kapazität des Öls messen, als Leitfähigkeitssensoren
eingesetzt. Eine Gleichspannung, angelegt an die gegenüberliegenden
Kondensatorplatten (15)(16), dieses gilt auch für den Kondensator (1),
erzeugt einen Strom, der in der Auswerteelektronik (12) gemessen wird.
Veränderungen der Leitfähigkeit werden durch gebrauchsbedingte
Alterung des Öls erzeugt. Mit der Leitfähigkeitsmessung werden
schwache Säuren und Basen im Öl nachweisen (Neutralisationszahl)
Optional zu den beiden Kondensatoren (1) und (2) kann ein dritter
Kondensator (9) geschaltet werden. Dieser wird mit neuem,
unverbrauchten Öl gefüllt und dient als Referenz für die Kondensatoren
(1)(2) bzw. als Referenz für die Strommessung über die Messpunke (
15)(16).
Eine thermische Kupplung, bestehend aus einem massiven Metallblock
leitet die Wärme von den Kondensatoren (1)(2) zum Kondensator (9).
Anstelle des Metallblocks
kann auch ein Bypass, in dem das zu messende Öl fließt, den
Kondensator (9) temperieren. Auch ist es vorstellbar, mehrere ineinander
geführte Röhren für diese Messung heranzuziehen. Im inneren Rohr
befinden sich die Kapazitäten (1) und (2). Diese Rohr wird von einem
weiteren Rohr umgeben, in dem sich das Referenzöl befindet und die
Kapazität (9).
Die Referenzmessung erhöht in erster Linie die Messgenauigkeit, da mit
Differenzsignalen sowohl für die Kapazitäten, als auch für die
Leitfähigkeit gearbeitet werden kann. Die Signale aller Sensoren werden
in einer separaten Auswerteelektronik (12) verarbeitet und/oder
angezeigt bzw. weitergeleitet.
Claims (16)
1. Die Vorrichtung zur Messung der Ölqualität, bestehend aus mehren
öldurchströmten Kondensatoren, ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Kondensator (2) mit einer Spule (4) ausgerüstet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den
Kondensator (2) Öl (3) zu Messzwecken fließt.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die Spule (4) mit Gleichstrom betrieben, ferromagnetische Späne oder
ähnliche Schwebstoffe im Kondensator (2) sammelt und hierdurch die,
Dielektrizitätszahl verändert wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
mit der Spule (4) so viele Metallspäne im Kondensator (2) gesammelt
werden, dass zwischen den Kondensatorplatten (13) und (14) ein
Kurzschluss entsteht.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die Spule (4) zeitweise mit Wechselstrom betrieben wird, um angelagerte
Metallspäne aus dem Kondensator (4) zu spülen.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
der Vorgang des Sammelns und Abstoßen der Metallspäne beliebig oft
wiederholbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
eine Vergleichsmessung der Kapazitäten (1) und (2) Information über das
Vorhandensein von Metallspänen oder anderen Verunreinigungen im
Kondensator (2) gibt.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die Kondensatoren (1) und/oder (2) für eine Leitfähigkeitsmessung genutzt
werden.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die Leitfähigkeitsmessung im Kondensator (2) durch das Vorhandensein von
Metallspänen verändert wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die veränderte Leitfähigkeit im Kondensator (2) auf Verunreinigungen
hinweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
die Leitfähigkeitsveränderung im Kondensator (2) auch durch organische
Stoffe hervorgerufen werden kann, die sich mit den Metallspänen absetzten.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
eine Auswertelektronik (12) alle Messsignale auswertet.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
ein Referenzkondensator (9) mit ungebrauchtem Öl gefüllt, Referenzsignale
für die Kapazitäten der Kondensatoren (1) und (2) liefert.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
ein Referenzkondensator (9) mit ungebrauchtem Öl gefüllt, auch für die
Leitfähigkeitsmessung Referenzsignale liefert.
15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
der Referenzkondensator (9) mit einer thermischen Kupplung (11) an die
Kondensatoren (1) und (2) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet, dass
allen Sensoren in einem elektrisch geerdeten Gehäuse gegen Störeinflüsse
kapazitiver oder elektromagnetischer Art geschirmt sind.
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