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Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung für Flüssigkeiten von Maschinen, insbesondere Öl. Genauer gesagt handelt es sich um eine Bestimmung von Partikeln in der Flüssigkeit in Echtzeit. Die Analysevorrichtung ist dazu versehen mit einem Messrohr, durch welches eine aus einer zu überwachenden Komponente, insbesondere einem Motor entnommene und zu analysierende Flüssigkeit strömt, einem optischen Bildaufnehmer, der ein Bild von Partikeln in der durch das Messrohr strömenden Flüssigkeit erzeugt, und Pumpmitteln zum Rückführen der Flüssigkeit zu der Komponente.
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Zur Gewährleistung eines effizienten und sicheren Betriebs von Maschinen, insbesondere von Motoren, ist eine zuverlässige Schmierung erforderlich. Die Schmierung sorgt für eine Verringerung von Reibung zwischen verschiedenen bewegten Teilen der Maschine. Komplexe Maschinen, und hier gerade mehrzylindrige Verbrennungsmotoren, weisen eine Vielzahl von bewegten Teilen mit entsprechend vielen Stellen auf, die mit Flüssigkeit zur Schmierung versorgt werden müssen. Des Weiteren dient die Flüssigkeit häufig auch zur Kühlung, insbesondere zur kleinräumigen Kühlung von Komponenten, für die sich ein gesonderter Anschluss an ein Kühlsystem nicht lohnt.
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Dank der Schmierung durch die Flüssigkeit wird die Reibung zwischen den Teilen der Maschine minimiert. Dennoch lässt sich im Betrieb der Maschine das Entstehen von Abrieb zwischen gegenseitig zueinander bewegten Teilen nicht vermeiden. Dabei entstehen kleine Partikel, die in die Flüssigkeit eintreten und von dieser transportiert werden. Mit den Partikeln überträgt die Flüssigkeit also ein Abbild des Verschleißes in der Maschine.
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Um dieses Verschleißabbild in der Flüssigkeit sichtbar zu machen, sind verschiedene Methoden bekannt geworden. Die verbreiteste besteht darin, dass der Flüssigkeit in regelmäßigen Abständen eine Probe entnommen wird. Sie wird in einem Labor untersucht, indem die Metallzusammensetzung der darin enthaltenen Partikel analysiert wird (”Offline-Analyse”). Dies erfolgt mittels ICP-OES bzw. XFR Analyse, um so die Metallzusammensetzung zu bestimmen. Zusätzlich können optische Partikelzähler zur Anwendung kommen, um die Partikel gemäß ihrer Form zu klassifizieren. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass für die Analyse im Labor ein erheblicher Zeitbedarf erforderlich ist. So werden die Proben typischerweise nur in Abständen von mehreren Stunden genommen, wobei wegen des Zeitaufwands für die Analyse die Ergebnisse erst noch später vorliegen.
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Weiter ist es bekannt, zur Vermeidung dieser Verzögerung eine direkte Bestimmung an der Maschine vorzunehmen (”Online-Analyse”). Dazu werden ausgewählte Teile der Maschine radioaktiv markiert. Der an diesen Teilen entstehende Abrieb ist damit ebenfalls radioaktiv, und seine Präsenz im Fluid kann über an sich bekannte Detektoren direkt bestimmt werden. Eine Zeitverzögerung tritt hierbei nicht auf. Nachteilig ist aber, dass die Methode wegen des Umgangs mit strahlendem Material aufwendig ist und nur vorher ausgewählte, radioaktiv behandelte Teile überwacht werden können. Der Aufwand für diese Methode ist daher zu hoch und die Aussagekraft zu gering. Diese Methode ist daher auf Spezialanwendungen beschränkt und ist nicht für die allgemeine Entwicklungstätigkeit brauchbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Methode anzugeben, welche die Zeitvorteile der Offline-Analyse mit dem Vorteil geringen Aufwands der Online-Analyse verknüpft.
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Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einer Analysevorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere Öle von Motoren, mit einem Messrohr, durch welches eine von einer zu überwachenden Einheit, insbesondere einem Motor entnommene und zu analysierende Flüssigkeit strömt, und einem optischen Bildaufnehmer, der ein Bild von Partikeln in der durch das Messrohr strömenden Flüssigkeit macht, ist gemäß der Erfindung eine optische Vergrößerungseinrichtung vorgesehen, die mit dem optischen Bildaufnehmer zusammenwirkt, so dass der optische Bildaufnehmer zur Echtzeitaufnahme und Ausgabe von Bilddaten ausgebildet ist, und weiter ein erster Klassifikator vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, Partikeldaten aus den Bilddaten zu extrahieren und sie in Bezug auf deren geometrische Eigenschaften einzuteilen, und ein zweiter Klassifikator vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, die von dem ersten Klassifikator stammenden Daten hinsichtlich einer Mehrzahl von Fehlerarten zu klassifizieren, und bei dem Überschreiten einstellbarer Grenzen für die einzelnen Fehlerarten ein Ausgangssignal auszugeben.
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Kern der Erfindung ist der Gedanke, eine dynamische Analyse mittels einer Kombination aus Vergrößerungseinrichtung, optischen Bildaufnehmer und Klassifikator durchzuführen. Mittels des optischen Bildaufnehmers, üblicherweise eine Kamera, und einer zweckmäßigerweise als Lichtmikroskop ausgeführten Vergrößerungseinrichtung können auf besonders einfache und kostengünstige Weise Daten (hier: Bilddaten) über in der Flüssigkeit enthaltene Partikel gewonnen werden. Die gewonnenen Daten können unmittelbar klassifiziert und damit die verschiedenen Partikel bestimmt werden. Dazu ist der zweite Klassifikator vorgesehen. Er ist dazu ausgebildet, die Partikel in den verschiedenen Klassen in Bezug auf das Erreichen von Verschleißgrenzen zu überwachen, und bei Erreichen der Verschleißgrenze ein Abschaltsignal an die Maschine auszugeben. Damit ist eine Bestimmung des Verschleißgrads in Echtzeit ermöglicht, und zwar mit verhältnismäßig geringem Aufwand.
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Aus dem Stand der Technik sind zwar optische Partikelzähler bekannt, aber sie konnten bisher nur eine integrative Aussage über die Gesamtzahl der Partikel (genauer gesagt deren optische wirksame Dichte und der dadurch bewirkten Trübung) treffen. Eine Klassifikation war damit nicht möglich sondern blieb den eingangs beschriebenen langsamen Methoden mit Probenentnahme bzw. aufwendiger radioaktiver Markierung vorbehalten.
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Die Erfindung vermeidet die Abnahme von Flüssigkeit für die Proben und die damit einhergehende Veränderung der zu untersuchenden Flüssigkeit (nämlich von deren Menge). Die Erfindung führt die analysierte Flüssigkeit zu der Maschine zurück. Dies kann praktisch druckneutral mittels Pumpmittel erfolgen. Somit ist eine rückwirkungsfreie Analyse ermöglicht. Dies ist insbesondere für die Bestimmung von Gasgehalt von Bedeutung, da sich dieser bei Druckänderung ebenfalls verändert; dies war stets ein schwerer Nachteil der Offline-Probenentnahme, da diese praktisch drucklos erfolgte; die Online-Analyse mit radioaktiven Markierungen ist ohnehin blind hinsichtlich Gasgehalt. Die Erfindung ermöglicht somit auf einfachste Weise eine gleichzeitige Bestimmung des Gasgehalts. Pumpmittel sind aber nicht zwingend erforderlich, es können auch Druckdifferenzen der Maschine ausgenutzt werden, indem eine Rückführung an eine Stelle erfolgt, an der ein niedrigerer Druck als an der Stelle der Entnahme herrscht.
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Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, die Vorteile der genau klassifizierenden Analyse gemäß den bisherigen Probeentnahmemethoden mit anschließender Offline-Analyse zu kombinieren mit der hohen Messgeschwindigkeit der aufwendigen und aus Strahlenschutzgründen nur beschränkt durchführbaren radioaktiven Online-Markierungsmethode. Die Erfindung erreicht damit eine Verknüpfung der Vorteile zweier völlig gegensätzlicher Offline- und Online-Methoden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit der Verwendung von einfachen optischen Lichtmikroskopen eine kostengünstig verfügbare Komponente verwendet werden kann, die wenig Wartung und – anders als bei Radioaktivität – kein speziell geschultes Personal erfordert.
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Zudem bietet die Erfindung den Vorteil, dass sie einen hohen Grad an Automatisierung ermöglicht. Sie ist damit nicht nur in Bezug auf die benötigten Geräte, also in der Herstellung, sondern auch im Betrieb sehr kostengünstig und effizient. Außerdem erlaubt die Automatisierung eine hohe Reproduzierbarkeit und damit Vergleichbarkeit.
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Mit Vorteil ist der zweite Klassifikator so ausgeführt, dass die Verschleißgrenzen einstellbar sind. Damit kann die erfindungsgemäße Analysevorrichtung unmittelbar zum Schutz der überwachten Maschine dienen. Dies ermöglicht eine automatisierte Überwachung auch komplexer Maschinen mit geringem Aufwand, und zwar auch unter schwierigen Bedingungen, die herkömmlicherweise den Einsatz von Bedienungspersonal verhinderten. Die Erfindung eignet sich damit insbesondere zur Anwendung in nur schwer oder nur unter erheblichen Gefahren zugänglichen Bereichen, wie bei hochdrehenden Antriebsmotoren und in Motor-Prüfständen.
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Der erste Klassifikator ist mit Vorteil so ausgeführt, um die Partikel gemäß ihrer Abmessungen, Exzentrizität und/oder Geometrie zu unterteilen. Es hat sich gezeigt, dass mit solchen Klassen eine für die Zwecke der Verschleißerkennung optimale Erkennung ermöglicht ist, und zwar mit einem Minimum an Aufwand. Zu den Abmessungen zählt insbesondere der Durchmesser, wobei nicht runden Partikeln vorzugsweise ein flächengleicher Ersatzdurchmesser zugeschrieben wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den optischen Bildaufnehmer so auszuführen, dass pixelorientierte Parameter ausgegeben werden. Damit kann zur Bestimmung der Klassen auf an sich bekannte Bildbearbeitungsalgorithmen zurückgegriffen werden, so dass bei der Klassifizierung hochqualitative Ergebnisse erreicht werden können.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Blitzbeleuchtungseinrichtung für den optischen Bildaufnehmer vorgesehen. Sie ermöglicht eine kurze Beleuchtung der zu untersuchenden Flüssigkeit, wodurch auch bei strömender Flüssigkeit ein Standbild erzeugt werden kann. Dies ermöglicht eine genaue Analyse auch schnell fließender Flüssigkeiten, und zwar ohne dass aufwendige Einrichtungen zum Stoppen des Flusses benötigt werden. Die Blitzbeleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise mit dem Lichtmikroskop verbaut und sendet das Blitzlicht in den zu dem optischen Bildaufnehmer führenden Strahlengang.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass eine Flussstopeinrichtung für die Flüssigkeit am optischen Bildaufnehmer vorgesehen ist. Damit kann die Strömung zur Messung, d. h. zur Bildaufnahme durch den optischen Bildwandler, angehalten werden und damit ein stehendes Bild erzwungen werden; nach dem Ende der Messung wird die Strömung wieder freigegeben. Die Flussstopeinrichtung ist vorzugsweise mit fernbetätigten, insbesondere elektromagnetischen oder piezoelektrischen, Ventilen ausgeführt.
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Die Analysevorrichtung ist flexibel in Bezug auf den Ort, an dem das Messrohr mit der Messoptik angeordnet ist. Dies kann extern an der Maschine sein, jedoch kann auch eine interne Anordnung vorgesehen sein (in-situ Anordnung). Letzteres bietet den Vorteil einer besonders direkten Messung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
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1: eine schematische Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels an einem zu untersuchenden Motor,
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2: eine Blockansicht des Bildaufnehmers mit Klassifikatoren,
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3: ein Beispiel für ein Bild, wie es vom Bildaufnehmer aufgenommen wird; und
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4: eine Messergebnisanzeige.
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In 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung am Beispiel einer Analysevorrichtung für einen Verbrennungsmotor-Prüfstand dargestellt.
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Auf dem Prüfstand 9 ist ein zu prüfender Verbrennungsmotor 99 angeordnet. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Viertakt-Ottomotor oder -Dieselmotor handeln. Weiter umfasst der Prüfstand Einrichtungen 91 zur Überwachung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments bzw. Leistung und/oder Einrichtungen 92 zur Überwachung der Abgasqualität. Ferner ist eine Steueranlage 93 für den Prüfstand vorgesehen. Dies ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.
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Der Verbrennungsmotor 99 weist einen konventionellen Ölkreislauf auf, der in 1 symbolhaft durch seine Ölwanne 98 dargestellt ist. An diesen Ölkreislauf ist über eine Stichleitung 10 die Analysevorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung angeschlossen, welche nachfolgend näher erläutert wird.
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Die Analysevorrichtung 1 umfasst ein Messrohr 2, einen optischen Bildaufnehmer 3 mit einem Lichtmikroskop 30, einem ersten Klassifikator 4, einem zweiten Klassifikator 5 sowie einer Ölpumpe 6. Das Messrohr 2 ist mit der Stichleitung 10 und der Ölpumpe 6 so verbunden, dass zu analysierendes Öl aus dem Ölkreislauf 98 entnommen, durch das Messrohr zu dem optischen Bildaufnehmer 3 transportiert und anschließend von der Ölpumpe 6 über eine Rücklaufleitung 11 wieder dem Ölkreislauf 98 zugeführt wird.
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Der optische Bildaufnehmer 3 mit dem Lichtmikroskop 33 ist zusammen mit einer Beleuchtungseinrichtung 31 an dem Messrohr 2 in der Weise angeordnet, dass von der Beleuchtungseinrichtung abgegebenes Licht durch einen transparenten Bereich 20 des Messrohrs 2 strahlt und von dort in das Lichtmikroskop 33 gelangt. In dem Lichtmikroskop 33 entsteht damit ein vergrößertes virtuelles Bild des von der Beleuchtungseinrichtung 31 angestrahlten Öls. Dieses vergrößerte virtuelle Bild wird dem optischen Bildaufnehmer 3 zugeführt, der bei der dargestellten Ausführungsform als eine Digitalkamera 34 ausgeführt ist. Die Digitalkamera wandelt 34 das aufgenommene Bild in an sich bekannter Weise in pixelorientierte Bilddaten und gibt diese aus. Dies geschieht praktisch in Echtzeit (weniger als 5 Sekunden nach Aufnahme, vorzugsweise weniger als 1 Sekunde).
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Die Beleuchtung des Lichtmikroskops 33 kann an sich durch natürliches Licht erfolgen. Vorzugsweise ist aber eine Blitzbeleuchtungseinrichtung 31 vorgesehen. Sie umfasst eine Blitzröhre 32 und eine Ansteuerschaltung 30. Letztere steuert die Blitzröhre 32 in einstellbaren Zeitintervallen an, so dass die Blitzröhre 32 einen kurzen Lichtblitz erzeugt. Dieser erhellt das von dem Lichtmikroskop 33 in dem Messrohr 2 betrachtete Ölvolumen kurzzeitig (weniger als 1 ms), so dass sich für die Digitalkamera 34 ein praktisch stillstehendes Bild des Ölvolumens mit den darin enthaltenen Partikeln ergibt. Die Auswertung zur Gewinnung der Bilddaten ist dadurch erheblich vereinfacht. Bei einer alternativen Ausführungsform ist statt der Blitzbeleuchtungseinrichtung 31 eine Flussstopeinrichtung 35 vorgesehen, die mit einer modifizierten Ansteuerschaltung 30' zusammenwirkt. Sie weist ein Magnetventil im Zulauf 10 zum Messrohr 2 auf. Wie bei der Blitzbeleuchtungseinrichtung 31 erzeugt die Ansteuerschaltung 30' in einstellbaren Zeitabständen ein Signal zum Betätigen des Magnetventils 35, wodurch es schließt und den Fluss des Öls durch den Zulauf 10 und das Messrohr 2 stoppt. Damit entsteht wiederum ein stehendes Bild, das von dem Bildaufnehmer 3 aufgenommen wird.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messrohr praktisch vollständig durchstrahlt. Damit ergibt sich eine hohe Messempfindlichkeit. In vielen Fällen genügt jedoch auch eine geringere Empfindlichkeit, so dass nur ein Teil des Querschnitts des Messrohrs durchstrahlt wird. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung, die sich insbesondere auch zur Anordnung innerhalb der zu überwachenden Maschine, hier des Verbrennungsmotors 99, eignet.
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Die Bilddaten sind an den ersten Klassifikator 4 angelegt. Dieser ist dazu ausgebildet, eine Bildanalyse durchzuführen zur Extraktion geometrischer Daten aus den Bilddaten. Dabei werden mittels Algorithmen zur Bildverarbeitung, insbesondere zur Kanten und Grenzflächendetektion, die einzelnen Partikel in dem aufgenommenen Bild isoliert und jeweils zu den einzelnen Partikeln verschiedene geometrische Eigenschaften ermittelt. Der erste Klassifikator 4 ist so ausgeführt, dass die einzelnen Partikel jeweils in eine von mehreren vorbestimmten Klassen eingeteilt werden. Beispiele von Klassen sind a) langgestreckte dünne Partikel mit einem Dicke-/Längen-Verhältnis von mindestens 1:5, b) spiralförmige Partikel, c) kreisartige Partikel mit einem Durchmesser von mindestens 25 μm, d) punktförmige Partikel mit einem Durchmesser von höchstens 15 μm etc.
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Diese Daten zu den klassifizierten Partikeln werden angelegt an den zweiten Klassifikator 5. An diesen ist ein mehrkanaliger Grenzwertgeber 51 angeschlossen. Er ermöglicht die Vorgabe von Grenzwerten zu den einzelnen Klassen, und zwar hinsichtlich der Häufigkeit einer Klasse und/oder deren Anteil an allen Partikeln bzw. bezogen auf eine oder mehrere der anderen Klassen. Die Grenzwerte können also sowohl absolute sein wie auch relativ auf andere Klassen bezogen sein. Der zweite Klassifikator 5 vergleicht die einzelnen, vom ersten Klassifikator 4 bestimmten Klassen hinsichtlich der vom Grenzwertgeber 51 übermittelten Grenzwerte, und gibt bei Überschreiten eines oder mehrerer Grenzwerte ein Schaltsignal aus. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Schaltsignal ein Signalvektor S der Dimension n = 4, der für jede Klasse ein Element enthält. Überschreitet eine Klasse den Grenzwert, so wird das entsprechende Element auf den Wert +1 gesetzt, während es ansonsten den Wert 0 hätte bzw. bei Unterschreiten eines eventuell vorgesehenen unteren Grenzwerts den Wert –1 erhielte.
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Der Signalvektor S wird von dem zweiten Klassifikator 5 ausgegeben und an eine Abschalteinrichtung 6 angelegt. Sie verknüpft die in dem Signalvektor gespeicherten Grenzwertüberschreitungen mit einem vorgebbaren Limit. Dies geschieht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Signalvektor mit einer Fehlerbewertungsmatrix 61 mittels eines Matrizenmultiplizierers 62 multipliziert wird, wobei eine Dimensionsreduzierung auf den Wert eins oder bei mehreren abschaltbaren Komponenten der Maschine auf einen entsprechend höheren Wert durchgeführt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Reduzierung auf die Dimension m = 1. Mittels der Fehlerbewertungsmatrix wird eine Gewichtung der einzelnen Elemente des Signalvektors durchgeführt. Entspricht ein Element mit einem Wert von +1 oder –1 einem kritischen Parameter, so wird dieser so hoch gewichtet, dass allein deswegen ein Abschaltsignal 93 ausgegeben wird. Ist es ein relevanter oder weniger kritischer Parameter, so wird ein entsprechender Berechnungswert gebildet und, falls dies mehrfach auftritt, die Summe gebildet. Liegt sie über einem Schwellwert, erfolgt ebenfalls eine Abschaltung. Damit kann qualifiziert auf weniger schwerwiegende Störungen reagiert werden, nämlich beispielsweise erst dann, wenn zwei oder drei solcher weniger schwerwiegenden Störungen auftreten. Das daraufhin ausgegebene Abschaltsignal 93 ist angelegt an einen Schnellstop-Eingang 94 des Prüfstands und führt zur Abschaltung des Motors 99 sowie zur Betätigung einer Signaleinrichtung 64.
