DE102008018220A1

DE102008018220A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines dielektrischen Mediums

Info

Publication number: DE102008018220A1
Application number: DE200810018220
Authority: DE
Inventors: Thomas Hartmann; Volker Beck; Paolo Fontana
Original assignee: Robert Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-29
Also published as: WO2009124731A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erfassung der Eigenschaften des dielektrischen Mediums ist eine Sensoreinrichtung (1) derart angeordnet, dass diese in Wirkverbindung mit dem zu messenden dielektrischen Medium (2) steht. Es erfolgt das Ansteuern der Sensoreinrichtung mit einem vorbestimmten Ansteuerungssignal (AN) einer Ansteuerungseinrichtung (7), worauf ein Ausgangssignal (AS) der Sensoreinrichtung erfasst wird. Das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung wird danach in einer Auswertungseinheit (9) gleichgerichtet, wobei in Verbindung mit dem Gleichrichten ein Phasenwinkel erfasst wird. Es erfolgt danach ein Zuführen des Ausgangssignals (AF) der Auswertungseinheit, das ein Maß für den erfassten Phasenwinkel darstellt, zu einer Steuerungseinrichtung (8), worauf ein Vergleich des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten erfolgt zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft oder eines Parameters des dielektrischen Mediums.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines dielektrischen Mediums, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines dielektrischen Mediums mittels eines in Wirkverbindung mit diesem dielektrischen Mediums stehenden Sensors zur Erfassung zumindest eines Parameters des dielektrischen Mediums.
Als ein Dielektrikum wird im Allgemeinen ein von einem elektrischen Feld durchdrungener räumlicher Bereich oder eine Zone bezeichnet. Der Begriff Dielektrikum wird ebenfalls verwendet für ein dielektrisches Material oder dielektrisches Medium, das mit polarer oder unpolarer Eigenschaft elektrisch isolierend ist, wobei diese Materialeigenschaft auch als Permittivität bezeichnet wird.
Die elektrischen Medien sind im Allgemeinen isolierende Stoffe wie Kunststoffe oder technische Öle, die zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden können.
Besteht beispielsweise das dielektrische Medium aus einem Öl, und insbesondere einem Schmieröl für eine Maschine, dann wurde der Zeitpunkt, zu dem die in der Maschine vorhandene Ölmenge gewechselt wurde, in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Maschine bestimmt, die auf einfache Weise erfasst werden kann. Teilweise wurde auch die Belastung der Maschine berücksichtigt. Der tatsächliche Zustand des Öls wurde im Allgemeinen nicht oder nur wenig berücksichtigt, sodass durch unterschiedliche Betriebszustände und Belastungen der Maschine eine unterschiedliche Veränderung und insbesondere eine Alterung des jeweiligen Öls nicht berücksichtigt werden konnte.
Im Einzelnen unterliegen technische Öle einer Alterung, wobei sich ferner in dem Öl weitere Substanzen wie Metallpartikeln und Rückstände aus einem Verbrennungsprozess anreichern können. Um die Funktionsfähigkeit (Schmiereigenschaft) des Öls zu gewährleisten, werden den technischen Ölen häufig Additive beigefügt, die sich ebenfalls im Laufe der Betriebszeit der Maschine und auch der Standzeit des Öls verbrauchen oder verändern.
Zur besseren Erfassung des Zustands des jeweiligen Öls einer Maschine werden in jüngster Zeit Ölsensoren verwendet, die allgemeine und spezielle Daten in annähernd kontinuierlicher Weise über den Grad der Veränderung, und insbesondere bezüglich der Alterung und der Verschmutzung des Öls bereitstellen und es somit ermöglichen, den Ölwechsel in Abhängigkeit von dem Ölzustand und damit in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Bedarf zu steuern.
Derartige Sensoren werten im Allgemeinen den Verlustwinkel tanδ eines im Öl befindlichen Zylinderkondensators aus.
Ein derartiger Sensor ist aus der Druckschrift EP 0 980 522 A0 (entsprechend der Druckschrift WO 98/050790 ) bekannt, der zum Messen der Ölgüte auf der Basis der Dielektrizitätseigenschaft (Dielektrizitätskonstante, Permittivität) des Öls verwendet wird. Der Sensor in Form eines Kapazitätssensors steht in direktem Kontakt mit dem Öl und ist mit einer Oszillatorschaltung verbunden. Die Oszillatorschaltung beruht auf einem Colpitts-Oszillator und gibt ein Ausgangssignal ab, dessen Amplitude von dem dielektrischen Verlustverhältnis tanδ des Öls abhängt. Aus diesen Werten wird ein für den Anwender verwendbares Maß für die Ölgüte bestimmt. Im Einzelnen wird ein Strom bestimmt, der sich mit dem Verlustverhältnis tanδ des Öls ändert, und der schließlich den Parameter als ein Maß bezüglich der Ölgüte darstellt. Hierbei arbeitet der Colpitts-Oszillator in einem Frequenzbereich von etwa 20 bis 300 MHz. Das Ergebnis wird mittels einer Auswertung der Amplitude des Oszillators gewonnen.
Gemäß der Druckschrift EP 0 980 522 A0 wird mit der Anwendung eines Colpitts-Oszillators in einen Frequenzbereich von 20 bis 300 MHz zur Auswertung des Sensorsignals ein erheblicher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich, wobei nicht in allen Fällen eine ausreichende Genauigkeit erzielt wird.
Die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) setzt sich zusammen aus der Permittivität des Vakuums ϵ₀ sowie aus einer relativen Permittivität ϵ_r, die eine Eigenschaft eines dielektrischen Mediums in Bezug auf ein anliegendes elektrisches Feld bezeichnet (Materialeinfluss). Die relative Permittivität ist im Allgemeinen frequenzabhängig und stellt lediglich für isotrope Medien (konstante Temperatur und konstante Frequenz des elektrischen Feldes) eine statische skalare Größe dar. Im Allgemeinen ist die Permittivität komplexwertig. Elektrische Verluste in dem dielektrischen Medium in Folge eines schnellen wiederkehrenden Umpolarisierens des isolierenden Materials kann Wärmeverluste erzeugen, wobei diese dielektrischen Verluste über den jeweiligen Imaginärteil der relativen komplexen Permittivität erfasst werden.
Mit der Verwendung beispielsweise eines Schmieröls für eine Brennkraftmaschine als das dielektrische Medium ändern sich somit die Eigenschaften dieses Schmieröls, wobei dies sowohl den Realteil als auch den Imaginärteil der Permittiviät betrifft. Mit der Veränderung des Öls und insbesondere mit gelösten und suspendierten Bestandteilen des Öls und zusätzlichen Fremdbestandteilen wird die Veränderung der Eigenschaften des Öls als dielektrisches Medium (Real- und Imaginärteil) bewirkt. Im Einzelnen kann beispielsweise die Aufnahme von Wasser in das Öl über die Veränderung der dielektrischen Eigenschaften erkannt werden.
Hinsichtlich eines Verlustwinkels δ stellt tanδ das Verhältnis von ϵ''/ϵ' dar, wobei ϵ' der Realteil und ϵ'' der Imaginärteil der komplexen relativen Permittivität ist, sodass sich für der komplexe relative Permittivität ergibt ϵ_r = ϵ' – jϵ''.
Des Weiteren gilt tanδ = ϵ''/ϵ'. Der Verlustwinkel δ stellt somit ein Maß des dielektrischen Verlustverhältnisses oder des Verlustfaktors des dielektrischen Mediums dar, und es werden durch diesen Verlustwinkel δ die elektrischen Eigenschaften eines kapazitiven Sensors (Kondensator mit diesem dielektrischen Medium) beeinflusst.
Ist der Sensor als kapazitiver Sensor und insbesondere als ein einfacher Kondensator ausgeführt, und wird ein im Wesentlichen homogenes Feld im Kondensator (Sensor) vorausgesetzt, in welchem sich das betreffende dielektrische Medium befindet, dann gilt entsprechend der Proportionalität der Kapazität zu ϵ die Beziehung für die Kapazität eines derartigen Kondensators C = C₀ (1 – j tanδ), wobei C₀ der Kapazitätswert des Kondensators im Idealfall mit einem verlustfreien Dielektrikum darstellt.
Der Sensor in Form des Kondensators mit dem dielektrischen Medium (beispielsweise mit einem Schmieröl einer Maschine oder einem sonstigen Öl) wird mit einer Auswertungsschaltung verbunden, wobei in Verbindung mit Änderungen der dielektrischen Eigenschaften und damit Änderungen in dem Verlustwinkel δ oder dem Verlustfaktor tanδ des dielektrischen Mediums auf die Gründe für diese Änderung (Verschmutzungsgrad) und auch Art der Verschmutzung geschlossen werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines die lektrischen Mediums derart auszugestalten, dass bei einem verminderten Schaltungsaufwand auf einfache Weise ein genaues Ergebnis hinsichtlich der Eigenschaften des zu prüfenden dielektrischen Mediums gewährleistet ist.
Hinsichtlich eines Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst.
Hinsichtlich einer Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 8 angegebenen Mitteln gelöst.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums, wobei mit diesem Medium eine entsprechende Sensoreinrichtung zur Erfassung zumindest eines Parameters des dielektrischen Mediums in Wirkverbindung steht. Die in Verbindung mit dem dielektrischen Medium als einem zu messenden Medium bestehende Sensoreinrichtung wird in Verbindung mit einem vorbestimmten Ansteuerungssignal angesteuert und es wird ein Ausgangssignal erfasst. Das Ausgangssignal wird mittels einer entsprechenden Einrichtung gleichgerichtet, woraus ein Phasenwinkel bestimmt werden kann. Mittels des Gleichrichtens wird somit insbesondere ein Phasenwinkel erfasst. Der erfasste Phasenwinkel wird einer Steuerungseinrichtung zugeführt. Es erfolgt ein Vergleich des erfassten Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten, woraus zumindest eine Parameter des dielektrischen Mediums bestimmt werden kann.
Die Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums umfasst somit eine Sensoreinrichtung, die mit dem dielektrischen Medium in Verbindung steht, zur Erfassung zumindest eines Parameters des dielektrischen Mediums, sowie eine Ansteuerungseinrichtung, die zur Ansteuerung der Sensoreinrichtung mit einem vorbestimmten Ansteuerungssignal dient und mittels dessen ein Ausgangssignal der Sensoreinrichtung bewirkt wird. Ferner ist eine Auswertungseinheit mit einer Gleichrichtereinrichtung vorgesehen zum Gleichrichten des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung und zum Erfassen eines Phasenwinkels und Ausgeben eines entsprechenden Ausgangssignals. Dieses Aus gangssignal wird einer Steuerungseinrichtung zugeführt, und es erfolgt ein Vergleich des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft (in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter) des dielektrischen Mediums.
Auf diese Weise kann eine genaue Erfassung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums durchgeführt werden, wobei die Bestimmung zumindest einer der Eigenschaften des zur Messung vorgesehenen dielektrischen Mediums in Verbindung mit der Sensoreinrichtung in der Steuerungseinrichtung erfolgt. Im Einzelnen wird unter Berücksichtung von zuvor gespeicherten Werten (Signalen) in Verbindung mit dem genauen Messwert die zumindest eine gesuchte Eigenschaft des dielektrischen Mediums präzise bestimmt. Es bedarf erfindungsgemäß keiner hauptsächlichen Amplitudenauswertung zur Erfassung einer dielektrischen Eigenschaft. Erfindungsgemäß stellt die Auswertung der Phasenbeziehung (Phasenwinkel) zwischen Signalen die Grundlage zur Bestimmung der gewünschten Eigenschaft des dielektrischen Mediums dar.
Es kann ferner die Temperatur des dielektrischen Mediums erfasst und ein Temperaturerfassungssignal der Steuerungseinrichtung zugeführt werden, wobei der Vergleich des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten unter Berücksichtigung der erfassten Temperatur erfolgt. Das Vergleichen des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten kann ferner das Vergleichen des Phasenwinkels mit dem Ansteuerungssignal oder einem vorbestimmten Bezugssignal umfassen.
Das Ansteuerungssignal oder das vorbestimmte Bezugssignal können in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des dielektrischen Mediums veränderlich sein. Des Weiteren kann das Ansteuerungssignal oder das vorbestimmte Bezugssignal für einen Vergleich mit dem erfassten Phasenwinkel in Abhängigkeit von weiteren vorbestimmten Parametern des dielektrischen Mediums veränderlich sein. Die weiteren Parameter können beispielsweise die Art des dielektrischen Mediums, dessen Dichte oder dessen Druck umfassen.
Das gleichgerichtete Ausgangssignal kann einer Filterung mittels eines Tiefpassfilters unterzogen werden.
Die Vorrichtung kann ferner eine Temperaturerfassungseinrichtung aufweisen zur Erfassung der Temperatur des dielektrischen Mediums und Ausgeben eines entsprechenden Temperaturausgangssignals. Des Weiteren kann eine weitere Erfassungseinrichtung zur Erfassung weiterer Parameter des dielektrischen Mediums und Ausgeben eines entsprechenden Erfassungssignals vorgesehen sein.
Vorrichtung kann ferner eine in der Auswertungseinheit angeordneten Filtereinrichtung vorgesehen sein zum Filtern eines Ausgangssignals der Filtereinrichtung entsprechend einer vorbestimmten Filterkennlinie.
In Verbindung mit der Vorrichtung kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, den Vergleich des Phasenwinkels mit dem Ansteuerungssignal oder einem vorbestimmten Bezugssignal durchzuführen. Die Steuerungseinrichtung kann ferner vorgesehen sein, das Ansteuerungssignal oder das Bezugssignal für einen Vergleich mit dem Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer mittels eines Temperatursensors erfassten Temperatur zu ändern. Des Weiteren kann die Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, das Ansteuerungssignal oder das Bezugssignal in Abhängigkeit von den weiteren Parametern zu ändern.
Bei der Vorrichtung kann die Sensoreinrichtung einen in dem dielektrischen Medium angeordneten Sensor aufweisen.
Das dielektrische Medium kann beispielsweise ein Öl zum Schmieren einer Maschine, ein Transformatoröl oder auch in der industriellen Produktion ein Speiseöl, sowie eine Waschlauge einer industriellen oder zur Anwendung im Haushalt vorgesehenen Wascheinrichtung sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Aufbaus der Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums, und
2 eine detaillierte Darstellung der Auswertungseinheit gemäß 1.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird nachstehend die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums und das zugehörige Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die Darstellung in 1 zeigt eine Sensoreinrichtung 1, bei der ein mit dem zu messenden dielektrischen Medium 2 in Wirkverbindung stehender Sensor 3, beispielsweise in Form eines kapazitiven Sensors und insbesondere eines Kondensators angeordnet ist. In 1 ist der Sensor 3 vereinfacht mittels zweier Kondensatorplatten dargestellt. Vorzugsweise befindet sich der Sensor 1 vollständig in dem zu messenden dielektrischen Medium 2, sodass das dielektrische Medium das Dielektrikum innerhalb des Sensors 3 (innerhalb des Kondensators) bildet. Somit werden die elektrischen Eigenschaften des Sensors 3 und damit der Sensoreinrichtung 1 durch die Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 beeinflusst.
Da im Allgemeinen bezüglich des dielektrischen Mediums eine größere Menge zur Messung vorgesehen ist, kann ein Gehäuse 4 der Sensoreinrichtung 1 mit einem begrenzten Volumen des dielektrischen Mediums 2 eine Einlauföffnung 5 und eine Auslauföffnung 6 umfassen, sodass ein ausreichender Austausch des zu messenden dielektrischen Mediums 2 in dem Gehäuse 4 der Sensoreinrichtung 1 gewährleistet ist. Innerhalb des Gehäuses 4 der Sensoreinrichtung 1 steht somit für den Sensor 3 (Kondensator) eine ausreichende und ständig erneuerte Menge an zu messendem dielektrischen Medium 2 bereit, sodass die zur Mes sung anstehende Menge repräsentativ für die gesamte zu messende Menge an dielektrischem Medium 2 ist.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf die Anordnung der Sensoreinrichtung 1 in dem in 1 dargestellten Gehäuse 4 nicht festgelegt, sondern es kann bei einer entsprechenden Ausgestaltung auch der Sensor 3 selbst in ein größeres Volumen des zu messenden dielektrischen Mediums 2 eintauchen. In jedem Fall steht der Sensor 3 oder die Sensoreinrichtung 1 direkt in Wirkverbindung mit dem zu messenden dielektrischen Medium 2. Eine ausreichende Umströmung des Sensors 3 durch das dielektrische Medium 2 st erforderlich zur Ausrechterhaltung einer guten Messgenauigkeit, da bei einer nicht vollständigen Umströmung des Sensors 3 Messfehler auftreten können.
Die Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums umfasst des Weiteren eine Ansteuerungseinrichtung 7, die eine Verbindung zu der Sensoreinrichtung 1 aufweist und dem Sensor 3 der Sensoreinrichtung 1 ein vorbestimmtes Ansteuerungssignal AN, vorzugsweise in Form eines vorbestimmten elektrischen Signals zuführt.
Die Steuerung der Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 erfolgt durch eine Steuerungseinrichtung 8, die in Abhängigkeit von einer durchzuführenden Messung in vorbestimmter Weise der Ansteuerungseinrichtung 7 ein entsprechendes Befehlssignal AB zuführt, auf der Basis dessen die Ansteuerungseinrichtung 7 der Sensoreinrichtung 1 und insbesondere dem Sensor 3 das Ansteuerungssignal AN (das vorbestimmte elektrische Signal) zuführt.
In Abhängigkeit von dem Ansteuerungssignal AN gibt die Sensoreinrichtung 1 ein Ausgangssignal AS ab, das auch als Messsignal bezeichnet wird, und das einer Auswertungseinheit 9 zugeführt wird. In der Auswertungseinheit 9 erfolgt eine Verarbeitung und insbesondere eine Auswertung des Ausgangssignals AS der Sensoreinrichtung 1, und die Auswertungseinheit 9 erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal AF, das der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt wird. Durch die Steuerungseinrichtung 8 erfolgt die weitere Verarbeitung des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit auf der Basis des Sensorausgangssignals AS, und es wird auf der Basis dessen zumindest ein interessierender Parameter oder zumindest eine interessierende Eigenschaft des dielektrischen Mediums 2 bestimmt.
Mit der Steuerungseinrichtung 8 ist des Weiteren eine Anzeigeeinrichtung 10 verbunden, auf der für einen Benutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Ergebnis der Messung und eine Information bezüglich der Rahmenbedingungen der Messung angezeigt werden können.
In Abhängigkeit von dem Bedarf kann auch die Steuerungseinrichtung 8 mit weiteren Einrichtungen wie Computern, einem Drucker zur Ausgabe eines gedruckten Erfassungsergebnisses, und insbesondere einem Netzwerk 11 verbunden sein. Über das Netzwerk 11 oder weitere (in den Figuren nicht gezeigte) Geräte können zu verarbeitende Programme oder sonstige für die Bearbeitung notwendige Daten an die Steuerungseinrichtung 8 übermittelt oder eingegeben werden, und es können Ergebnisse auch dem Netzwerk 11 zur Verfügung gestellt werden.
1 zeigt des Weiteren in Verbindung mit dem Gehäuse 4 der Sensoreinrichtung 1 eine Temperaturerfassungseinrichtung, beispielsweise einen Temperatursensor 12, mittels dessen die tatsächliche Temperatur des zu messenden dielektrischen Mediums 2 erfasst werden kann. Vorzugsweise wird die Temperatur des dielektrischen Mediums 2 in einer ausreichenden Nähe zu dem Sensor 3 gemessen.
Der Temperatursensor 12 erzeugt in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur ein entsprechendes Ausgangssignal AT (Temperaturausgangssignal), das der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt wird. Mittels der Steuerungseinrichtung 8 kann bei der weiteren Verarbeitung des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit 9 somit auch die tatsächliche Temperatur des gemessenen dielektrischen Mediums 2 berücksichtigt werden.
In dem Gehäuse 4 der Sensoreinrichtung 1 kann ferner ein weiterer allgemeiner Sensor 13 vorgesehen sein, mittels dessen ein oder mehrere weitere Parameter des zu messenden dielektrischen Mediums 2 erfasst werden können. Dies kann beispielsweise den Druck des dielektrischen Mediums und beispielsweise seine optische Dichte oder weitere gleichartige Parameter betreffen, wie die Art des zu messenden dielektrischen Mediums (z. B. Typ, Hersteller). Der weitere allgemeine Sensor 13 erzeugt ebenfalls ein entsprechendes Ausgangssignal AI in Abhängigkeit von dem jeweils erfassten Parameter des dielektrischen Mediums, und es wird das Ausgangssignal AI des weiteren allgemeinen Sensors 13 ebenfalls der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt.
Bei der weiteren Verarbeitung des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit 9 ist die Steuerungseinrichtung 8 des Weiteren in der Lage, auch das Ausgangssignal des weiteren allgemeinen Sensors 13 zu berücksichtigen. Insbesondere kann das Ausgangssignal des weiteren allgemeinen Sensors 13 auch eine Information hinsichtlich der Art eines verwendeten Öls und seiner Eigenschaften im Neuzustand beinhalten, wenn beispielsweise das zu messende dielektrische Medium 2 ein Schmieröl für eine Maschine ist.
Der Steuerungseinrichtung 8 steht somit eine Gesamtheit von Informationen und Daten zur Verfügung, sodass ein entsprechendes Ausgangssignal AC zur Angabe zumindest eines interessierenden Parameters oder einer interessierenden Eigenschaft ausgegeben und der Anzeigeeinrichtung 10 für eine entsprechende Ausgabe dieser Information an den Benutzer zugeführt werden kann.
Die Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 umfasst gemäß 2 in der Auswertungseinheit eine Gleichrichtereinrichtung 14 zum Gleichrichten des Ausgangssignals AS der Sensoreinrichtung 1, sowie ein der Gleichrichtereinrichtung 14 nachgeschaltetes Tiefpassfilter 15, mittels dessen ein Ausgangssignal AG der Gleichrichtereinrichtung 14 mit einer entsprechenden Tiefpass-Filterkennlinie gefiltert wird. Das Tiefpassfilter 15 gibt das vorstehend beschriebene Ausgangssignal AF ab, das der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt wird.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 beschrieben.
Steht die Sensoreinrichtung 1 und insbesondere der Sensor 3 in Wirkverbindung mit dem zu messenden dielektrischen Medium 2, dann bildet das dielektrische Medium 2 für den vorzugsweise als Kondensator ausgeführten Sensor 3 ein Dielektrikum. Wie es bereits vorstehend angegeben ist, unterliegt das dielektrische Medium 2, das beispielsweise in Form eines Schmieröls für eine Maschine vorgesehen sein kann, einer Veränderung oder Alterung im Verlauf des Betriebs der Maschine. Die veränderten dielektrischen Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 werden durch den Sensor 3 erfasst.
Die Ansteuerungseinrichtung 7 führt in Abhängigkeit von einem Ansteuerungsbefehl AB (Ausgangssignal) der Steuerungseinrichtung 8 der Sensoreinrichtung 1 das vorbestimmte Ansteuerungssignal AN (das vorbestimmte elektrische Signal) zu. Das Ansteuerungssignal AN kann beispielsweise ein Sinussignal aus einem Frequenzbereich von mehreren Hertz (Hz) bis zu einigen kHz sein, und eine Spannung mit mehreren Volt (V) aufweisen. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Sinussignal eine Amplitude von beispielsweise etwa 5 Vss aufweisen. Das vorbestimmte Ansteuerungssignal AN wird hochohmig in den in direkter Wirkverbindung mit dem dielektrischen Medium 2 befindlichen Sensor 3 eingekoppelt. Zur Zeit der Ansteuerung des Sensors 3 und der Messung mittels der Sensoreinrichtung 1 werden ebenfalls die weiteren Sensoren 12 und 13 hinsichtlich entsprechender Ausgangssignale AT und AI abgefragt.
Das Ausgangssignal AS des Sensors 3 oder der Sensoreinrichtung 1, das der Auswertungseinheit 9 zugeführt wird, wird dort einer weiteren Verarbeitung unterzogen, wobei eine Messung oder Bestimmung eines Phasenwinkels α mittels einer phasenempfindlichen Gleichrichtung durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt mittels der Gleichrichtereinrichtung 14 ein Gleichrichten des Ausgangssignals AS (d. h. des Messsignals) der Sensoreinrichtung 1. Das den Phasenwinkel α bezeichnende Ausgangssignal AG der Gleichrichtereinrichtung 14 wird in das Tiefpassfilter 15 eingegeben und in entsprechender Weise, d. h. in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Filterkennlinie gefiltert. Das durch die Filterung weiter aufbereite Ausgangssignal AF, das ebenfalls den ermittelten oder bestimmten Phasenwinkel α bezeichnet, wird der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt.
Im Einzelnen wird mittels der Gleichrichtung des Ausgangssignals AS und anschließenden Filterung im Wesentlichen ein Mittelwert gebildet, der ein Maß für den Phasenwinkel α darstellt. Der aus der Gleichrichtung hervorgehende Mittelwert hängt von dem Phasenwinkel α ab, d. h. von der Phasenbeziehung oder Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal AS der Sensoreinrichtung 1 und entweder dem Ansteuerungssignal AN oder einem Bezugssignal BS, so dass aus der phasenempfindlichen Gleichrichtung das Ausgangssignal AF hervorgeht, das mit dem Phasenwinkel α somit die Phasenbeziehung zwischen verschiedenen Signalen (dem Sensorausgangssignal AS und entweder dem Ansteuerungssignal AN zur Ansteuerung des Sensors 3 der Sensoreinrichtung 1 oder dem Bezugssignal BS) repräsentiert. Das Bezugssignal BS kann in der Steuerungseinrichtung 8 gebildet oder von einer (nicht gezeigten) Einrichtung von außen zugeführt werden. Das Bezugssignal BS kann der Auswertungseinrichtung 9 zugeführt werden.
In der Steuerungseinrichtung 8 erfolgt eine weitere Verarbeitung des den Phasenwinkel α bezeichnenden Signals AF, wobei der Verlustfaktor tanδ und somit die Güte des Sensors 3 in Abhängigkeit von einer Verschiebung zwischen de Phase als Messergebnis und der Phase des Ursprungssignals, d. h. des Ansteuerungssignals AN bestimmt wird. Zu diesem Zweck wird der Steuerungseinrichtung 8 ebenfalls das Ansteuerungssignal AN zugeführt (siehe 1). Das ursprüngliche Ansteuerungssignal AN der Ansteuerungseinrichtung 7 dient somit als vorbestimmte Werte für einen Vergleich mit dem ermittelten Phasenwinkel α.
In Abhängigkeit von einer Auswertung des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit 9 (das den Phasenwinkel α repräsentiert) in Verbindung mit dem Ansteuerungssignal AN wird der Verlustfaktor tanδ und somit auch der Verlustwinkel δ bestimmt, sodass in Abhängigkeit von einem weiteren Vergleich mit zuvor gespeicherten Werten (Kennfelder, Wertetabellen, sonstige eingegebene Daten) des Verlustfaktors tanδ und des Verlustwinkels δ genau auf einen Zustand des zu messenden dielektrischen Mediums 2 geschlossen werden kann.
Im Ergebnis beruht somit die Bestimmung des Verlustfaktors tanδ oder des Verlustwinkels δ auf der Erfassung einer Phasendifferenz (Phasenverschiebung) zwischen dem ursprünglich an den Sensor 3 angelegten Ansteuerungssignal AN (Messsignal) und dem Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 1 in Form des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit 9 nach der entsprechenden Verarbeitung.
Zur Bestimmung des Verlustfaktors tanδ oder des Verlustwinkels δ kann auch ein Vergleich mit dem von dem ursprünglich an den Sensor 3 angelegten Ansteuerungssignal AN getrennten Bezugssignal BS (Referenzsignal) durchgeführt werden. Vorzugsweise mittels eines Signalgenerators (Signalprozessor) kann das vorbestimmte Bezugssignal BS gebildet werden, das dann als einer der vorbestimmten Werte für den Vergleich dient. Das Bezugssignal BS kann hierbei von dem ursprünglichen Ansteuerungssignal AN abhängig oder unabhängig sein. Vorzugsweise sind das Ansteuerungssignal AN und das vorbestimmte Bezugssignal BS unabhängig voneinander, da das Bezugssignal BS möglichst unbelastet und damit unverfälscht (neutral) sein soll. Dies kann die Messgenauigkeit verbessern.
Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, dass das Ansteuerungssignal AN oder das vorbestimmte Bezugssignal BS veränderlich sind. Insbesondere können das Ansteuerungssignal AN oder das vorbestimmte Bezugssignal BS in Abhängigkeit von den zusätzlich erfassten Messwerten (Sensoren 12 und 13) oder weiteren bekannten Daten des dielektrischen Mediums 2, wie beispielsweise der Temperatur, dem Druck, der Dichte und/oder der Art des dielektrischen Mediums 2 verändert und angepasst werden. Eine im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Messungen erfolgende laufende Veränderung (Anpassung) ist ebenfalls möglich, um eine gewünschte Messgenauigkeit im Verlauf der Messung zu erhalten.
Wird ein sogenannter idealer Kondensator betrachtet, bei dem keinerlei Verluste auftreten, was beispielsweise annähernd bei einem Kondensator im Vakuum der Fall ist, dann beträgt die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an diesem Kondensator 90° = π/2. Erfolgt nun ein Übergang auf einen realen Kondensator, bei dem dielektrische Verluste (und ebenfalls meist vernachlässigbare ohmsche Verluste auftreten), dann beträgt die übliche Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung nicht mehr 90°, sondern ist um den sogenannten Verlustwinkel δ kleiner. Daraus ergibt sich der Verlustfaktor tanδ.
Bei der Verarbeitung in der Steuerungseinrichtung 8 wird aus dem Phasenwinkel α in Abhängigkeit von vorbestimmten Werten (beispielsweise dem Bezugssignal BS, dem Ansteuerungssignal AN, von Wertetabellen oder Kennfeldern) auf die dielektrischen Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 und bei einem bekannten dielektrischen Medium 2 auf dessen Verschmutzungsgrad geschlossen. Aufgrund des ermittelten Verschmutzungsgrads kann dann in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation, wie dem Betrieb der Maschine oder den Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2, im vorliegenden Fall beispielsweise eines Schmieröls, entschieden werden, ob und wann eine Behandlung des dielektrischen Mediums 2 oder ein Austausch erforderlich ist.
In einem automatisierten System kann auch entsprechend der ermittelten Phasenverschiebung α als Maß für den Verschmutzungsgrad des betreffenden dielektrischen Mediums eine selbsttätig ablaufende Reinigungsmaßnahme oder ein selbsttätiger Austausch des dielektrischen Mediums durchgeführt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, in der Steuerungseinrichtung 8 für vorbestimmte bekannte dielektrische Medien 2, wie zum Beispiel für bestimmte Schmieröle für eine Maschine oder weitere dielektrische Medien, die einer erheblichen Abnutzung unterliegen können, einen entsprechenden Schwellenwert vorzusehen, sodass bei einem Überschreiten dieses Schwellenwerts durch einen Messwert in automatisierter Weise Maßnahmen zur Verbesserung oder zum Austausch des betreffenden dielektrischen Mediums 2 vorgenommen werden können.
Da sich die Eigenschaften eines dielektrischen Mediums 2, wie beispielsweise eines Öls, in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, wird gemäß der vorstehenden Beschreibung mittels des Temperatursensors 12 die Temperatur des dielektrischen Mediums 2 im Bereich der Messstelle (Ort des Sensors 3) gemessen und das Ergebnis in Form des Ausgangssignals AT der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt. In Abhängigkeit von der Temperatur können bestimmte von dem dielektrischen Medium aufgenommene Fremdstoffe wieder abgegeben werden (abhängig von der Betriebszeit einer Maschine), und es ändert sich ebenfalls mit der Temperatur die Viskosität des Öls. Die Erfassung der Temperatur mittels des Temperatursensors 12 dient somit der Steigerung der Genauigkeit der Erfassung des Phasenwinkels α mittels der Steuerungseinrichtung 8. Eine Temperaturerfassung ist beispielsweise hilfreich bei dem Fall, dass ein Transformatoröl als das dielektrische Medium 2 (insbesondere zur Kühlung der Wicklungen des Transformators) dient und der Messung und Gütebestimmung unterzogen wird.
Des Weiteren ist es erforderlich, wie es vorstehend angegeben ist, eine Information bezüglich der Art des dielektrischen Mediums 2 zu berücksichtigen, da mit einer Typenangabe bezüglich der Art des dielektrischen Mediums 2 auch grundlegende Parameter dieses dielektrischen Mediums 2 im sauberen (unverbrauchten) Zustand bekannt sind. Es ist ebenfalls möglich, eine Kalibrierung vorzusehen, indem unmittelbar nach einer vorbestimmten Reinigung des dielektrischen Mediums oder nach einem Austausch desselben die dann vorliegenden Eigenschaften (Parameter) gemessen und als grundlegende Parameter in einer Speichereinrichtung der Steuerungseinrichtung 8 gespeichert werden. Somit kann ein Benutzer nach der Reinigung oder dem Austausch des dielektrischen Mediums 2 diese Kalibrierung vornehmen, wobei relativ zu diesen gespeicherten Grundwerten die weiteren Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 bestimmt werden.
Mittels einer optischen Einrichtung kann des Weiteren auch beispielsweise ein Verschmutzungsgrad des dielektrischen Mediums 2 (vorzugsweise eines flüssigen oder viskosen dielektrischen Mediums) oder eine Dichte desselben erfasst werden. Dies kann das Messergebnis weiter verbessern und die Genauigkeit steigern.
Somit können durch die Erfassung der Temperatur und weiterer Parameter des dielektrischen Mediums, die Einfluss auf das Messergebnis (das Ausgangssignal AS der Sensoreinrichtung 3) haben, bei der Verarbeitung der Messergebnisse mittels der Steuerungseinrichtung 8 berücksichtigt werden.
Ist hinsichtlich der Vorgehensweise bei der Erfassung der Eigenschaften des dielektrischen Mediums die Sensoreinrichtung 1 und insbesondere der Sensor 3 derart angeordnet, dass er in Wirkverbindung mit dem zu messenden dielektrischen Medium 2 steht, und vorzugsweise von dem dielektrischen Medium 2 umgeben oder durchströmt ist, dann erfolgt das Ansteuern der Sensoreinrichtung 1 bzw. des Sensors 3 mit dem vorbestimmten Ansteuerungssignal AN der Ansteuerungseinrichtung 7, worauf das Ausgangssignal AS der Sensoreinrichtung 1 erfasst wird. Das Ausgangssignal AS der Sensoreinrichtung 3 wird danach in der Auswertungseinheit gleichgerichtet, wobei in Verbindung mit dem Gleichrichten der Phasenwinkel α erfasst wird. Der Phasenwinkel α zwischen Strom und Spannung an dem kapazitiven Sensor 3 stellt ein Maß für den Verlustwinkel δ und für den Verlustfaktor tanδ dar. Es erfolgt danach ein Zuführen des Ausgangssignals AF der Auswertungseinheit 9, das ein Maß für den erfassten Phasenwinkel α darstellt, zu der Steuerungseinrichtung, worauf ein Vergleich des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten erfolgt zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft oder eines Parameters des dielektrischen Mediums 2.
Das vorstehend beschriebene Messverfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums, das in Wirkverbindung mit der Sensoreinrichtung 1 steht, kann allgemein zur Ermittlung von Eigenschaften von dielektrischen Medien, und insbesondere von flüssigen dielektrischen Medien verwendet werden. Hierbei kann beispielsweise ein Mischungsverhältnis von polaren und nichtpolaren Flüssigkeiten ermittelt werden.
Neben der Bestimmung insbesondere eines Verschmutzungsgrads von dielektrischen Medien, wie beispielsweise Schmierölen, kann die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren auch verwendet werden zur Bestimmung der Eigenschaften von Waschlaugen in Waschmaschinen für den Endverbraucher oder in größeren Industriewaschmaschinen. Im Allgemeinen werden Waschlaugen im Verlauf des Waschvorgangs durch die aus der Wäsche gelösten und von der Waschlauge aufgenommenen Schmutzpartikel neutralisiert. Hierbei kann durch eine Messung der dielektrischen Eigenschaften und damit der Wascheigenschaften der Waschlauge über den vorstehend beschriebenen Phasenwinkel und den Verlustwinkel tanδ eine verbesserte Anpassung der Laugenkonzentration erreicht werden. Dies betrifft das Verhältnis des Verschmutzungsgrads der Wäsche zur Laugenmenge bzw. zur Waschmittelmenge in der Lauge.
Bei einem automatisierten System einer industriellen Großwaschanlage kann in Abhängigkeit von der Messung bei Bedarf die Laugenmenge mittels selbsttätiger Maßnahmen sowie die Waschmittelmenge in Abhängigkeit von dem Bedarf vergrößert werden, und es ist ebenfalls möglich, bei einer Haushalt-Waschmaschine für den Benutzer eine Anzeige vorzusehen, die ihn auf den Bedarf an einer Ergänzung von Waschmittel hinweist. In jedem Fall besteht die Möglichkeit der Einsparung von Lauge oder Waschmittel, da eine direkte Anpassung an den Verschmutzungsgrad durch eine laufende Messung mittels der vorstehend angegebenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren vorgenommen werden kann.
Das Ausgangssignal AF der Auswertungseinheit 9 stellt somit ein Maß für den Phasenwinkel α der am kapazitiven Sensor 3 auftretenden elektrischen Signale dar, woraus der Verlustwinkel δ und der Verlustfaktor tanδ als Maß für die Veränderung des dielektrischen Mediums 2 bestimmt werden können.
Die Steuerungseinrichtung 8 dient somit als zentrale Steuerungseinrichtung für die Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des dielektrischen Mediums 2 und beruht im Wesentlichen auf einem Mikroprozessorsystem zur Verarbeitung von Programmen und zugehörigen Daten.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann ebenfalls verwendet werden zur Überwachung der Produktion von verschiedenen Substanzen und Stoffen mit entsprechenden dielektrischen Eigenschaften, wobei insbesondere durch eine kontinuierliche Überwachung erfasst werden kann, ob die Fertigung des bestimmten Produkts eine gleichbleibende (innerhalb vorbestimmter Schwellenwerte oder Toleranzen liegende) Qualität hervorbringt. Somit besteht die Möglichkeit einer Anwendung in der industriellen Produktion. Die Anwendung bei Flüssigkeiten als dielektrisches Medium 2 ist nicht auf die vorstehend angegebenen Beispiele beschränkt sondern kann bei sämtlichen dielektrischen Fluiden angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben. Es ist jeweils jedoch selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränken auszulegen sind. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0980522 A0 [0008, 0009]
- WO 98/050790 [0008]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums (2), mit welchem eine Sensoreinrichtung in Wirkverbindung steht, zur Erfassung zumindest eines Parameters des dielektrischen Mediums, mit den Schritten: Ansteuern der Sensoreinrichtung mit einem vorbestimmten Ansteuerungssignal (AN) und Erfassen eines Ausgangssignals (AS), Gleichrichten des Ausgangssignals (AS) und Erfassen eines Phasenwinkels (α), und Zuführen des erfassten Phasenwinkels zu einer Steuerungseinrichtung und Vergleichen des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten zur Bestimmung der zumindest einen Eigenschaft des dielektrischen Mediums.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Erfassens der Temperatur des dielektrischen Mediums und Zuführen eines Temperaturerfassungssignals (AT) zu der Steuerungseinrichtung, wobei der Vergleich des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten unter Berücksichtigung der erfassten Temperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gleichgerichtete Ausgangssignal einer Filterung mittels eines Tiefpassfilters unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vergleichen des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten das Vergleichen des Phasenwinkels mit dem Ansteuerungssignal (AN) oder einem vorbestimmten Bezugssignal (BS) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Ansteuerungssignal (AN) oder das vorbestimmte Bezugssignal (BS) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des dielektrischen Mediums veränderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ansteuerungssignal oder das vorbestimmte Bezugssignal (BS) für einen Vergleich mit dem erfassten Phasenwinkel in Abhängigkeit von weiteren vorbestimmten Parametern des dielektrischen Mediums veränderlich sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die weiteren Parameter beispielsweise die Art des dielektrischen Mediums, dessen Dichte oder dessen Druck umfassen.
Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines dielektrischen Mediums, mit einer mit dem dielektrischen Medium (2) in Verbindung stehenden Sensoreinrichtung (1) zur Erfassung zumindest eines Parameters des dielektrischen Mediums, einer Ansteuerungseinrichtung (7, 8) zur Ansteuerung der Sensoreinrichtung mit einem vorbestimmten Ansteuerungssignal (AN) und Bewirken eines Ausgangssignals (AS) der Sensoreinrichtung, einer Auswertungseinheit (9) mit einer Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten des Ausgangssignals (AS) der Sensoreinrichtung, Erfassen eines Phasenwinkels (α) und Ausgeben eines Ausgangssignals (AF), und einer Steuerungseinrichtung (8), der das Ausgangssignal (AF) der Verarbeitungseinheit (9) zugeführt wird, zum Vergleichen des Phasenwinkels mit vorbestimmten Werten zur Bestimmung der zumindest einen Eigenschaft des dielektrischen Mediums.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner mit einer Temperaturerfassungseinrichtung (12) zur Erfassung der Temperatur des dielektrischen Mediums (2) und Ausgeben eines entsprechenden Temperaturausgangssignals (AT).
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner mit einer weiteren Erfassungseinrichtung (13) zur Erfassung weiterer Parameter des dielektrischen Mediums (2) und Ausgeben eines entsprechenden Erfassungssignals (AI).
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner mit einer in der Auswertungseinheit (9) angeordneten Filtereinrichtung (15) zum Filtern eines Ausgangssignals (AG) der Filtereinrichtung (14) entsprechend einer vorbestimmten Filterkennlinie.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuerungseinrichtung (8) ausgebildet ist, den Vergleich des Phasenwinkels mit dem Ansteuerungssignal (AN) oder einem vorbestimmten Bezugssignal (BS) durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuerungseinrichtung (8) vorgesehen ist, das Ansteuerungssignal (AN) oder das Bezugssignal (BS) für einen Vergleich mit dem Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer mittels eines Temperatursensors (12) erfassten Temperatur zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Steuerungseinrichtung (8) vorgesehen ist, das Ansteuerungssignal (AN) oder das Bezugssignal (BS) in Abhängigkeit von den weiteren Parametern zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Sensoreinrichtung (1) einen in dem dielektrischen Medium (2) angeordneten Sensor (3) aufweist.