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Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf Messungen an Fluiden.
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Es gibt eine Reihe von Fluiden, die zum Betrieb von Maschinen für bestimmte Verfahren erforderlich sind. Hierzu gehören insbesondere Kühl-Schmier-Stoffe, die in der spanenden Metallverarbeitung eingesetzt werden, um sowohl durch Schmierung die Reibung in Scherzonen herabzusetzen als auch die durch Verformung und Reibung entstehende Wärme abzuführen und so eine Kühlung zu bewirken. Zugleich werden Späne weggespült.
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Moderne Kühl-Schmier-Stoffe tragen damit wesentlich dazu bei, die hohe Leistungsfähigkeit moderner Werkzeugmaschinen und Werkzeuge auszunutzen.
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Typisch werden wassermischbare Kühl-Schmier-Stoffe aus natürlichen Ölen, synthetischen Stoffen und Wasser in der Form von Emulsionen verwendet, das heißt in Form eines dispersen Systems, das durch Mischen von Flüssigkeiten entsteht, die aber ineinander nicht löslich sind. Es werden dabei typisch Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendet, seltener auch Wasser-in-Öl-Emulsionen; die Erfindung ist aber sowohl auf emulgierbare als auch auf emulgierende Emulsionen anwendbar und zwar sowohl für Kühl-Schmiermittel als auch in anderen Bereichen.
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Problematisch ist nun, dass bei derartigen Emulsionen auf die Dauer eine Zersetzung auftritt, die auf Mikroorganismen, das heißt Bakterien, Hefen und Pilze, zurückgeführt werden kann. Die Zersetzung führt nicht nur zu einer Absenkung des pH-Wertes und damit zu einer unerwünschten Verringerung des Korrosionsschutzes, sondern bei starkem Befall tritt auch eine Geruchsbelästigung auf und die Emulsionen werden instabil, das heißt, es wird Oberflächenöl abgeschieden und es können sich zudem Ablagerungen bilden, welche wiederum zu Verstopfungen in den Maschinenleitungen führen und damit Betriebsstörungen verursachen können. Die Entsorgung derartig belasteter Emulsionen ist teuer und aufwändig, zumal eine gesundheitliche Gefährdung von Arbeitspersonal durch derartig zersetzte Emulsionen nicht ausgeschlossen werden kann.
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Es ist zwar bekannt, die Kühl-Schmierstoffe in einem Kreislauf zu führen und in diesem Fremdöle, Feststoffe usw. nach Möglichkeit abzutrennen; dies reicht jedoch für den Erhalt einer einwandfreien, leistungsfähigen Emulsion insbesondere dann nicht aus, wenn die Fremdöle zu dünnflüssig und/oder die eingetragenen Fremdstoffe wie Späne und Abrieb zu fein verteilt sind.
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Es ist daher wünschenswert, die Qualität der Emulsionen gewährleisten zu können und gegebenenfalls einen Austausch oder Gegenmaßnahmen gegen den Zerfall vornehmen zu können, bevor sich dieser durch Propfenbildung beziehungsweise Geruchsbelästigung bemerkbar macht.
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Die bisherige Überprüfung von Kühl-Schmier-Stoffen erfolgt zum Beispiel durch Refraktometer, ist aber aufwändig, da sie typisch manuell durchgeführt wird. Wünschenswert ist eine kontinuierliche oder zumindest häufige Messung, die eine automatische Überwachung ermöglicht.
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Dazu sind auch weitere Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und Kühlmittels, bekannt.
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So zeigt die
DE 101 52 777 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität eines Schmier- und/oder Kühlmittels mit mehreren in das Medium eintauchbaren Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben, wobei ein Sensor ein Temperatursensor ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das im Wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist und von der Qualität des Mediums im Wesentlichen unabhängig ist, und mindestens ein weiterer Sensor ein Ausgangssignal abgibt, das sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur des Mediums abhängig ist, wobei die mehreren Sensoren gemeinsam auf einem Substrat angeordnet und dadurch thermisch miteinander gekoppelt sein sollen. Es wird erwähnt, dass mit einem Sensor die Dielektrizitätskonstante des Mediums bestimmbar ist, die beispielsweise infolge der Anreicherung von Feuchtigkeit und/oder Abriebspartikeln als Maß für die Qualität des Mediums auswertbar sein soll. Der entsprechende Sensor soll vorzugsweise in Dünnschichttechnik auf dem Substrat aufgebracht sein, wobei eine elektrische Isolation der kammartig ineinandergreifenden beziehungsweise zinkenförmigen Elektroden des Kondensators als zwar nicht unbedingt erforderlich, jedoch als vorteilhaft angegeben wird. Zudem wird angegeben, dass die Kammelektroden mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung versehen sein können. Es soll vorteilhaft sein, die Kapazität bei verschiedenen Frequenzen messen zu können, da unterschiedliche Verschmutzungen die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante in verschiedenen Frequenzbereichen angeblich unterschiedlich beeinflussen.
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Weiter ist aus der
DE 198 50 799 A1 eine Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten bekannt. Es wird angegeben, dass insbesondere bei einer Anwendung zur Bestimmung der Qualität von Motor- oder Schmieröl in einem Kraftfahrzeug oft eine Vielzahl von Messgrößen erforderlich sei, um diese als Eingangsgrößen für Steuergeräte auszuwerten. Es wird die Verwendung von elektroakustischen Wandlern vorgeschlagen, sowie von einer Kondensatorstruktur zur Messung der Dielektrizitätskonstante. Die Kondensatorstruktur soll ebenso wie der dort vorgeschlagene elektroakustische Wandler die Form eines Interdigitalkondensators haben und gegebenenfalls durch eine zusätzliche Isolierschicht abgedeckt sein. Das Substrat soll direkt in zu messendes Kraftfahrzeug-Motoröl eintauchbar sein.
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Aus der
DE 35 42 238 C1 ist ein Verfahren zur Feststellung von Öl oder Benzin in Wasser bekannt, wobei eine Sonde eines auf die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von Wasser und Öl oder Benzin ansprechenden Signalgebers mit zeitlichen Zwischenabständen in die Wasseroberfläche eingetaucht und im eingetauchten Zustand eine elektrische Messung durchgeführt wird. Dabei soll ein Teil des zu überwachenden Wassers in oder durch einen Abscheidebehälter geleitet werden, in dessen Wasseroberfläche die Sonde eingetaucht wird, und es soll nach einer bestimmten Zeitdauer nach Erreichen einer bestimmten Eintauchstellung eine elektrische Messung durchgeführt werden. Als Anwendungsgebiet werden erwähnt Trinkwasseranlagen, Kläranlagen, Anlagen mit Abwasserrohrleitungen und Kühlwasser-Kreisläufen, zum Beispiel bei ölgekühlten Transformatoren usw. Es wird erwähnt, dass es schwierig sei, einen sehr kleinen Ölanteil zu entdecken, insbesondere bei Wasserrohrleitungen, wo sich das Öl in Form feinster Tröpfchen im Wasser verteilt, aber nicht an der Oberfläche vorgefunden wird. Es wird als problematisch ein Fall erwähnt, bei welchem infolge von Haarrissen in Wärmetauschern von Transformatoren Öl in feinen Tröpfchen in das Kühlwasser gelangt, dort bei laminarer Strömung fadenförmig mitgeführt oder in turbulenter Strömung im Wasser verwirbelt und emulgiert wird. Das vorbekannte Dokument schlägt daher einen periodisch gefluteten Abscheidebehälter vor, in den die Flüssigkeit gelangt.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Öl in Wasser ist auch aus der
US 2001/0003426 A1 bekannt. Es soll insbesondere eine Ölkonzentration in Wasser in einem Hochdruckseparatortank messbar gemacht werden. Die Messzelle soll regelmäßig kalibriert und/oder in periodischen Intervallen gespült werden.
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Aus der
US 2005/0007123 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der dispergierten wässrigen Phase einer Öl-Wasser-Emulsion bekannt. Es werden hochfrequente elektromagnetische Felder angelegt und der dielektrische Verlust der Emulsion wird gemessen. Das Schutzrecht schlägt vor, mit unterschiedlichen Frequenzen zu messen.
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Eine Vorrichtung zur Messung des Wasseranteils in einem Fluid, insbesondere Hydrauliköl, mit einer Filtereinheit, die eine hydrophobe Filterschicht aufweist, einer ersten Sensoreinheit vor der Filtereinheit, einer zweiten Sensoreinheit hinter der Filtereinheit, wobei die Sensoreinheiten empfindlich sind für eine für Wasser und den Hauptbestandteil des Fluids unterschiedliche Stoffeigenschaft, ist aus der
DE 196 47 201 C1 bekannt. Es wird angegeben, dass die Sensoreinheiten als in Dünnschichttechnik hergestellte Kondensatoren ausgebildet sind, die mehrere, auf einem Substrat aufgebrachte, parallele Leiterbahnen aufweisen, welche abwechselnd in der Art zweier ineinander greifender Kämme miteinander verbunden sind. Es wird weiter angegeben, dass eine Vorrichtung hinter einer Filtereinheit einen weiteren Ausgang für gefiltertes Fluid aufweisen soll, damit die Filtereinheit ständig von frischem Fluid durchströmt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Ein erster Grundgedanke der Erfindung ist somit darin zu sehen, dass bei einer Vorrichtung zur Messung von Fluideigenschaften mit einer Fluidleitung und zugeordneten Kondensatormesselektroden vorgesehen ist, dass die Kondensatormesselektroden mit fluiddurchströmbarem Elektrodenspalt um die Fluidleitungsachse herum angeordnet sind.
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Die Verwendung einer Kondensatormesselektrodenanordnung mit durchströmbaren Elektroden trägt dazu bei, dass über das gesamte Volumen des Fluidstroms gemessen werden kann und damit Wandeffekte etc. wesentlich geringer ausfallen werden. Indem die Kondensatormesselektroden zugleich um die Fluidleitungsachse herum angeordnet sind, also nicht nur auf einer Seite derselben liegen, wird eine über den Querschnitt vergleichmässigte und damit besonders repräsentative Messung erreicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Kondensatormesselektroden unmittelbar an der Fluidleitungsinnenwand anliegen bzw. dort angeschmiegt sind. Auf diese Weise wird einerseits erreicht, dass die Messung unter optimaler Ausnutzung des Fluidleitungsquerschnittes erfolgt. Andererseits können Ablagerungen zwischen Wand und Elektroden besser vermieden werden.
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Es ist möglich und bevorzugt, dass zwischen den Kondensatormesselektroden ein oder mehrere Distanzhalter vorgesehen sind: Dies erleichtert bei dünneren Elektroden die Montage, weil die beiden Elektroden und eventuell vorhandene Anschlüsse durch die Distanzhalter zugleich miteinander zu einer baulichen Einheit verbunden werden können. Bevorzugt ist es, wenn in Strömungsrichtung angeordnete Distanzhalter verwendet werden, weil dies die Durchströmung minimal beeinflusst.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden zur Fluidleitungswandung hin verdickt gebildet sind. Dies erlaubt es insbesondere bei spiralartig umeinander gewundenen Kondensatormesselektroden, dass diese sich im Außenbereich an die Fluidleitungswand anschmiegen und im Innenbereich ein durchgehend praktisch gleicher Spaltabstand über die gesamte Spirallänge verbleibt. Dies ist schon deswegen vorteilhaft, weil sich damit Differenzen der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt weniger stark auswirken. Zudem sind Montage und Herstellung gut möglich.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden um die Fluidleitungsachse gewunden sind. Dies kann schraubenartig der Fall sein; in einem solchen Fall wird das Fluid allerdings die Anordnung nicht geradlinig durchströmen. Daher kann es bevorzugt sein, wenn die Kondensatormesselektroden spiralartig gewunden sind, was eine in Strömungsrichtung lange Ausdehnung bei geringem konstruktivem Aufwand ermöglicht. So wird einerseits erreicht, dass die Strömung wenig durch die Messelektrodenanordnung gestört wird; demgemäß kann eine gleichmäßige Durchströmung erzielt werden, was wiederum vorteilhaft ist, um die Bildung von unerwünschten Totzonen oder Verwirbelungen zu vermeiden. Andererseits ist es möglich, durch eine in Fluidleitungsachse langgestreckte Ausführung und gegebenenfalls engen Spiralwickel eine große Kapazität zu erhalten, was messtechnisch bevorzugt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Verweis auf eine spiralartige Wicklung oder ein Sich-Winden usw. nicht als Beschreibung der Herstellung zu verstehen ist, sondern auf die fertige Form per se Bezug nimmt. Die Herstellung der Kondensatormesselektroden kann auch zum Beispiel durch Funkenerosion, durch Extrusion beziehungsweise Strangpressprozessen usw. geschehen.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden spiralartig umeinander gewunden sind, denn eine zweidimensionale Formgebung, wie sie die spiralförmige Ausführung beschreibt, begünstigt die Herstellbarkeit, insbesondere die nach den obben genannten, bevorzugten Verfahren.
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Abweichungen von einem gleichmäßigen Elektrodenabstand können sich an den Spiralenden ergeben.
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Eine gleichmäßige Ausbildung bedingt, dass ein bestimmtes Fluidvolumen unabhängig davon, wo es die Kondensatormesselektrodenanordnung bzw., präziser, den Kondensatormesselektrodenspalt durchströmt, stets die gleiche Auswirkung auf die Kondensatorkapazität besitzt, so dass sich nicht nur eine bessere Modellierbarkeit der Anordnung ergibt, sondern auch eine größere Unabhängigkeit von der Anströmung. Bevorzugt ist es, wenn über wesentliche Teile der Spiralarme nicht mehr als 10% Variation des Abstandes der Spiralarme zueinander vorliegen. Bevorzugt liegen die Abstandsvariationen noch darunter. So wurden mit üblichen Fertigungsmethoden bei 3 mm Spaltabstand Toleranzen von ±0,05 mm für unterschiedliche (Aluminium-)Elektroden erzielt; hinzu kommen aber weitere Toleranzen durch die Beschichtung, vor allem eine Tauchbeschichtung. Die real erzielbaren Toleranzen können aber ohne weiteres bei ca. 5% oder noch darunter liegen; welche Toleranzen akzeptabel sind, wird dabei auch von der Anwendung abhängen. Wichtig ist primär, dass der Fluidstrom zwischen den Elektroden allenfalls marginal gestört wird; insbesondere soll kein Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung begünstigt werden. Größere Toleranzen sind daher bei niedrigeren Volumenströmen und größeren Elektrodenabständen möglich. Zudem wirken sich Toleranzen eventuell dort noch stärker auf Messungen aus, wo starke mechanische Vibrationen mitauftreten. Sofern dann länger Messzeiten zur Mittelung hinnehmbar sind, etwa weil nur eine langsame Veränderung von Kühlmitteleigenschaften erfasst werden muss und eben zum Beispiel nicht eine schnelle Überwachung einer Emulsion in einem Fertigungsprozess erforderlich ist, sind höhere Toleranzen akzeptabel.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um Elektroden-Abstandsvariationen auch bei strömungsangeregten oder von einer Maschine übertragenen Vibrationen auf unter 10%, bevorzugt unter 5%, insbesondere bevorzugt unter 2% des Spaltabstands zu begrenzen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch bei schneller Anströmung keine Variation der Kondensatorabstände erzeugt wird und Messungen strömungsgeschwindigkeitsunabhängig werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vibrationsanregung von einer Vielzahl von Faktoren abhängen kann, beispielsweise davon, ob eine turbulente Strömung vorliegt, wie groß die Viskositäten und/oder Dichten der anströmenden Flüssigkeiten usw. sind. Es kann daher erforderlich sein, geeignete Dimensionierungen experimentell zu ermitteln; es versteht sich aber, dass dickere Kondensatormesselektroden weniger vibrationsanfällig sind, so dass durch hinreichend große Dicken eine Verringerung der Vibrationsneigung erhalten werden kann. Typische Elektrodendicken von 1 mm haben sich bei Spiraldurchmessern von ca. 15 cm bis 25 cm Durchmesser in üblichen Spaltabständen als ausreichend erwiesen.
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Weiter sei erwähnt, dass es möglich ist, durch eine Reihe von Abstandshaltern zwischen den Elektroden die Vibrationsneigung zu verringern, selbst wenn diese klein sind. Die Reduzierung der mechanischen Vibration auf unter 10% hat dort, wo elektrische Resonanzfrequenzen und dergleichen gemessen werden, Vorteile, weil diese Messungen ohne Vibrationseinfluss genauer und schneller erfolgen können. Wenn die Vibrationen noch geringer beziehungsweise von hinreichend hoher Frequenz sind, kann zudem eine ansonsten erforderliche und sinnvolle zeitliche Mittelung von Messwerten verkürzt werden oder ganz entfallen. Eine zusätzliche Vibrationsdämpfung kann durch eine Beschichtung auf den Kondensatormesselektroden bewirkt werden.
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Es ist bevorzugt, wenn der Spaltabstand der Kondensatormesselektroden zwischen 0,5 mm und 7 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 4 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 2 mm und 3,5 mm beträgt.
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Ein zu großer Elektrodenabstand nutzt ein zur Verfügung stehendes Messvolumen nicht optimal aus, weil die Gesamtfläche der Elektroden gering ist und die zu großen Abstände womöglich eine höhere Spannung erfordern, um messbare Effekte zu bewirken. Umgekehrt sind zu geringe Abstände nachteilig, wenn die Gefahr von Ablagerungen, Verstopfungen usw. besteht und/oder ein nur geringer Druckabfall über die Anordnung gewünscht wird. Die Gefahr der Verstopfung durch Feststoffe ist bei dem gewählten Spaltabstand also minimal und der realisierbare Massenstrom sehr hoch. Die angegebenen bevorzugten Bereiche sind für typische Kühl- und Schmiermittelemulsionen, wie sie in der metallverarbeitenden Industrie verwendet werden, besonders vorteilhaft, wobei die besonders bevorzugten Abstände auch leicht zu fertigende und zu montierende Anordnungen ergeben.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden nichtleitend und/oder korrosionshemmend und/oder abrasionsreduzierend beschichtet sind. Auf diese Weise können die Standzeiten erhöht und der Einsatzbereich verbreitert werden. Als abrasionsreduzierende Beschichtungen sind per se all jene Beschichtungen denkbar, die auch im Werkzeugbau eingesetzt werden; erwähnt seien als besonders bevorzugte Variationen Keramikbeschichtungen, insbesondere Aluminiumoxidkeramikbeschichtungen. Je nach Einsatzgebiet können unterschiedliche Eigenschaften wie Korrosionshemmung oder Abrasionsresistenz wichtiger sein und entsprechende Beschichtungen optimiert werden. Die Abrasionsresistenz ist insbesondere dann von Vorteil, wenn abrasive Stoffe im Fluid zu finden sind, wie zum Beispiel metallische Partikel im Einsatzbereich der spanenden Fertigung. Neben der Abrasionsresistenz ist die elektrische Isolation durch die Beschichtung je nach Anwendung vorteilhaft und wünschenswert. Dies trägt auch zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei; so sollte bei typischen Kühl-Schmiermitteln für eine Messgenauigkeit von 1 und üblichen Messbedingungen ein Beschichtungsleitwert von maximal 1 μS gewährleistet werden.
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So werden zum Beispiel Kühl- und Schmierstoffemulsionen oftmals mit unbehandeltem Leitungswasser angesetzt, dass schon vor Aufnahme von Werkstückverschmutzungen und Partikeln eine hier insbesondere für RC-Messungen, mit denen die Zeitkonstante einer Kondensatorelektrodenauf- oder -entladung bestimmt wird, oder bei LC-Messungen, in welchen Resonanzen von mit Induktivitäten und den Kondensatormesselektroden gebildeten Schwingkreisen erfasst werden, Beeinträchtigungen des Messergebnisses auftreten beziehungsweise ohne extrem hohen Signalauswerteaufwand gar keine Messungen mehr vorgenommen werden können. Hinzu kommt, dass durch die Metallpartikelbelastung in einem zur Zerspanung o. ä. benutzten Fluid und durch aufgenommene Verschmutzungen eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeit auftritt. Daher ist dann, wenn nicht zum Beispiel die Dämpfung einer elektrischen Resonanz durch Stromableitung in das Fluid als – gegebenenfalls zusätzlicher – Messwert bestimmt werden soll, eine Vollisolierung der Elektroden gegen das Fluid bevorzugt. Es sei aber erwähnt, dass gerade dort, wo hochreine Fluide benutzt werden, zum Beispiel in der Halbleiterfertigung oder der Pharmaindustrie, eventuell keine Isolation erforderlich ist.
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Dort, wo eine Isolation nötig ist, wird diese oftmals als Tauchbeschichtung aufgebracht. Dies hat fertigungstechnische Vorteile gegenüber anderen Beschichtungsverfahren wie PVD o. ä., die sich angesichts der komplexen Oberflächenform der Elektroden als schwierig erweisen können. Auch bei Tauchbeschichtung können im Übrigen gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen zur Beschichtungsvergleichsmäßigung hilfreich sein, zum Beispiel eine bevorzugt mehrachsige Taumelbewegung des Werkstücks während der Aushärtung. Infrage kommende Beschichtungen sind zum Beispiel Epoxy-Lacke.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden in einer allgemein vertikal verlaufenden (Strömungs-)Richtung angeordnet werden. Dadurch stören Luft- und Dampfblasen und dergleichen, die womöglich im Fluid mitgerissen werden, nur minimal, so dass auch unter derartigen Bedingungen Messungen nicht stark beeinträchtigt werden. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Strömung von unten nach oben verläuft, weil dann Luftblasen und dergleichen schnell aufsteigen und nicht von der Strömung zurückgehalten werden.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden in einem elektrischen Schwingkreis zur Bestimmung von Schwingkreiseigenschaften angeordnet werden. Die Messung von Eigenschaften eines Schwingkreises, insbesondere der Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) beziehungsweise der Dämpfung eines Schwingkreises ist besonders präzise möglich. Bei den angegebenen Kondensatorelektrodenabständen zwischen 0,5 mm und 7 mm, bevorzugt 2 mm bis 3,5 mm Abstand, typischen Rohrleitungsdurchmessern von zum Beispiel 5 cm bis 10 cm und Längen der Kondensatormesselektroden in Rohrrichtung, die an Maschinen, auch in geschlossenen Kreisläufen, insbesondere vertikal noch gut angeordnet werden können, von wenigstens 2 cm, bevorzugt zumindest 8 cm Länge und insbesondere zwischen 15 cm und 30 cm Länge der Kondensator eines Elektroden werden elektrische Schwingkreisfrequenzen mit typischen Emulsionen erhalten, die im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz liegen, typisch zwischen 50 kHz und 100 kHz. Derartige Frequenzen lassen sich ohne großen baulichen Aufwand erzeugen, gut entstören und leicht ausmessen. Es kann bevorzugt sein, entweder nur die Resonanzfrequenz zu messen, was bei bekanntem geometrischen Zusammenhang der Kondensatoranordnung einen Rückschluss auf die Dielektrizitätskonstante εr der Emulsion beziehungsweise einen relativen Vergleich ergibt; alternativ oder zusätzlich kann die Breite einer Resonanzkurve gemessen werden, die ebenfalls indikativ für die Qualität der Emulsion sein kann. Die Messung der Dämpfung kann dabei durch Digitalisieren einer Kurve und Bestimmung der Kurvenbreite der Resonanzkurve und/oder durch Messung des Abklingverhaltens erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Messwerten für die Bestimmung des Dämpfungswertes herangezogen werden, sich stochastische Variationen also weniger stark auswirken werden. Es sei im Übrigen erwähnt, dass die Verwendung der Kondensatormesselektroden in einem Schwingkreis nicht zwingend ist. So erlaubt zum Beispiel die Verwendung der erfindungsgemäßen Kondensatorelektroden in einer RC-Reihenschaltung die Anlegung von Rechteck-Signalen, wobei zum Beispiel das Lade- oder Entladeverhalten ermittelt werden kann oder eine sich am Kondensator bei gegebener Rechteckfrequenz einstellende Spannung als Messwert erfasst werden kann. Die Verwendung eines solchen RC-Kreises erlaubt eine besonders einfache Ausbildung der elektrischen Schaltkreise da nur mit (Transistor-)Schaltern, Widerständen und/oder Kondensatoren gearbeitet werden muss. Dass die Kondensatoren messtechnisch Teil einer Messbrücke sein dürfen, versteht sich im Übrigen.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kondensatormesselektroden in einem Schwingkreis, einem RC-Messkreis und/oder einer Messbrücke betrieben werden, bevorzugt in einem Niederfrequenz(schwing)-kreis, und Frequenzeigenschaften, bevorzugt zumindest eine Resonanzfrequenz und/oder eine Dämpfung ermittelt werden.
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Es ist bevorzugt, wenn die Fluidleitungen mit den Kondensatormesselektroden als bauliche Einheit gebildet werden, die in eine Fluidleitung einsetzbar ist. Dies erlaubt die Vormontage und den Test vor Einbau. Insbesondere ist es möglich, die Kondensatormesselektroden als bauliche Einheit in ein Rohleitungsstück einzusetzen, das über Muffen oder dergleichen in eine vorhandene Fluidleitung eingesetzt werden kann, gegebenenfalls unter Austausch und Entnahme eines entsprechend langen vorhandenen Rohrleitungsabschnittes. Die Anordnung kann im Durchmesser an standardisierte Rohrinnenquerschnitte angepasst werden. Dieses führt dazu, dass die Anordnung flexibel in verschiedenste Anlagenkonfigurationen einsetzbar ist und die Montage ohne jegliche Adaptierungen auskommt.
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Die Kondensatormesselektroden werden bevorzugt in einem Niederfrequenzschwingkreis betrieben, wie beschrieben. Schutz wird auch für ein entsprechendes Messverfahren beansprucht.
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Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch
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1 eine perspektivische Ansicht einer Fluidleitung mit einer eingesetzten erfindungsgemäßen Kondensatormesselektrodenanordnung;
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2 die Kondensatormesselektrodenanordnung im Fluidleitungsrohr in Fluidströmungsrichtung;
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3 die Kondensatormesselektrodenanordnung bei Einschieben in das Fluidleitungsrohr;
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4 die Kondensatormesselektrodenanordnung bei Einschieben eines Abstandhalters zwischen den Elektroden;
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5 eine repräsentative Kurve der aus dem Schwingkreis resultierenden Frequenz.
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Nach 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung 1 zur Messung von Fluideigenschaften eine Fluidleitung 2 und zugeordnete Kondensatormesselektroden 3a, 3b mit fluiddurchströmbarem Zwischenraum 4 um die Fluidleitungsachse, angedeutet durch eine strichpunktierte Linie 5, herum.
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Im vorliegenden Beispiel ist das Fluid, dessen Eigenschaften gemessen werden sollen, eine Kühl-Schmiermittelemulsion, die sich im Gebrauch insbesondere durch mikrobiologischen Angriff und/oder chemische Reaktionen zersetzen kann, beziehungsweise durch mitgenommene Späne, Schleifmittel, oberflächlich auf bearbeiteten Werkstücken vorhandene Öle usw. beeinträchtigt sein kann.
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Die Fluidleitung 2 besitzt einen Querschnitt von hier beispielsweise ca. 5 cm und ist hier als standardmäßig verfügbares PVC-Rohr ausgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zwar zur Messung von Kühl- und Schmiermittelemulsionseigenschaften besonders geeignet sind, aber auch um die Eigenschaften heißer und/oder chemisch aggressiver Fluide wie Säuren usw. erfindungsgemäß zu erfassen sind. In einem solchen Fall wird typisch ein Fluidleitungsrohr und die Beschichtung mit entsprechend höherer Beständigkeit gegen chemischen Angriff, erhöhte Temperaturen usw. verwendbar sein. Auch kann dort, wo unter besonders hohen Druck gemessen werden soll, eine hinreichend druckfeste Fluidleitung verwendet werden. Es sei erwähnt, dass nicht nur Flüssigkeiten und Emulsionen hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht werden können, sondern gegebenenfalls auch fließfähige, zum Beispiel feinkörnige Schüttgüter und/oder Gase.
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Wenn, wie vorliegend, als Fluide Flüssigkeiten und/oder Emulsionen hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht werden sollen, ist es bevorzugt, die Fluidleitung so einzubauen, dass die Achse 5 allgemein vertikal nach oben zeigt und die Fluidleitung 2 von unten nach oben durchströmt wird. Die Fluidleitung 2 kann mit Muffen oder dergleichen zur einfachen Einbringung in einen vorhandenen Fluidkreislauf wie einen Schmiermittelkreislauf versehen sein. Der Innendurchmesser der Fluidleitung 2 ist so gewählt, dass bei der gegebenen Fließgeschwindigkeit im Fluidkreislauf eine laminare Strömung durch das Fluidrohr gewährleistet ist. Dies ist nicht zwingend, jedoch vorteilhaft zur Vermeidung von Schwingungen der Kondensatormesselektrode anregenden Turbulenzen, um kondensatormesselektrodenschwingungsbedingte Messungenauigkeiten zu reduzieren und zu vermeiden. Bevorzugt wird die Fluidleitung so dimensioniert sein, dass auch bei Vorhandensein von Strömungsgeschwindigkeitsspitzen die etwa beim Ein- und Ausschalten einer Schmiermittelkühlung auftreten, die Strömung durch das Rohr laminar bleibt.
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Zugleich wird das Rohr so dimensioniert, dass sich ein in das Volumen der Fluidleitung eintretendes Fluidvolumen kurzfristig durch das Rohr hindurch bewegt hat. Erstrebenswert sind Transportzeiten für ein gegebenes Fluidvolumen durch das Rohr hindurch von unter 30 Sekunden. Dies stellt einen hinreichend großen Durchsatz sicher, so dass ein gegebenes Fluidvolumen in geschlossenen Kreisläufen typisch hinreichend schnell in seiner Gesamtheit erfasst werden kann. Dort, wo lediglich sehr geringe Änderungen der Fluideigenschaften erwartet werden können, die entsprechend schwer und nur durch zeitliche Mittelung zu messen sind und/oder bei hinreichend großen Elektrodenflächen, kann einsichtigerweise die Durchströmungszeit erhöht werden. Genauso ist es andererseits möglich, die Durchströmungszeit dann zu reduzieren, wenn sehr schnell auf Änderungen der Fluideigenschaften reagiert werden kann und muss.
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Die Kondensatormesselektroden 3a und 3b sind im vorliegenden Fall als Kondensatormesselektrodenpaar mit einer ersten Kondensatormesselektrode 3a und einer zweiten Kondensatormesselektrode 3b gebildet. Wie besonders gut in der Axialsicht von 2 zu erkennen ist, liegen beide Kondensatormesselektroden zunächst über ca. 180° an der Innenwand der Fluidleitung 2 an. Die Kondensatormesselektroden des Kondensatormesselektrodenpaars 3a, 3b sind spiralartig gewunden, und zwar dergestalt, dass der Abstand zwischen den Elektroden über im Wesentlichen die gesamte Länge der Spiralwicklung konstant ist, angedeutet in 2 mit den Abstand A. Um auch in den äußeren Randbereichen, d. h. wandnah, einen konstanten Spalt-Abstand zu gewährleisten, ist jede Kondensatormesselektrode zur Wand hin dicker geformt als im Inneren des Spiralwickels. Dies ist durch die Abstände B1, B2 und B2 in 2 dargestellt, wobei diese Abstände die jeweilige Wanddicke der Kondensatormesselektrode zu Beginn des Wickels, vergleiche B1, an jener Stelle, wo die Gegenelektrode beginnt, vorliegend Dicke B2 am Übergang zwischen Kondensatormesselektrode 3a zu 3b, und im Inneren des Spiralwicklungspakets, vergleiche Dicke B3 dargestellt.
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Die beiden Kondensatormesselektroden sind über Abstandstücke 6a, 6b gegeneinander ausgerichtet, um zu verhindern, dass die Kondensatormesselektroden 3a, 3b in direkten Kontakt miteinander kommen. Die Distanzstücke 6a, 6b sind vorliegend aus isolierendem Kunststoff, hier PTFE gebaut. Diese Distanzhalter halten einerseits die Kondensatormesselektroden des Kondensatormesselektrodenpaars 3a, 3b voneinander beabstandet und haben andererseits zugleich Kontakt zur Innenwand des Fluidleitungsrohres 2, vergleiche Stelle 2a, sowie der durch die Formgebung der Kondensatormesselektroden bedingten sprungartigen Verjüngung, vergleiche 3b1, für die Kondensatormesselektrode 3b. Durch die erhöhte Dicke am Außenbeginn des Spiralwickels an der Gegenelektrode, vergleiche 3a1, ist durch diese ebenfalls eine Anlage für das Distanzstück, hier 6a, definiert, so dass das Distanzstück insgesamt ohne Gefahr des Verkantens sicher in der Kondensatormesselektrodenspirale angeordnet und positioniert ist. Die spiralinnenseitigen Enden der Messelektroden, vergleiche 3a2 und 3b2, sind verjüngt geformt, damit sich dort kein Material ablagert. Anders als in 3 dargestellt, kann insbesondere anströmseitig eine Abrundung der Spitzen 3a2 und 3b2 nach innen hin an den Spitzen vorgesehen sein. Dies verringert Verzopfungen usw.
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Die Kondensatormesselektroden sind vorliegend aus elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise Aluminium gebildet und zwar jeweils aus einem Stück Vollmaterial durch Funkenerosion. Zudem sind sie isolierend beschichtet. Bevorzugt ist die Aufbringung anfänglich flüssiger Beschichtungen, zum Beispiel durch Tauchen; eine Trocknung unter die Schicht vergleichmäßigender Taumelbewegung des Werkstücks kann bevorzugt sein. Dass alternative Herstellungsmethoden und Materialien möglich sind, sei jedoch offenbart. Die Verwendbarkeit anderer elektrischer Leiter wie anderer Metalle sei offenbart. Auch wäre es möglich, Kunststoffkörper in der gewünschten Elektrodenform zu fertigen und diese leitfähig auszurüsten, zum Beispiel durch Beschichtungen o. ä.
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Nicht dargestellt ist, dass die Kondensatormesselektroden mit Leitungen verbunden sind, die zu einer Messelektronik führen, über welche die Kondensatormesselektroden mit durchstimmbaren Niederfrequenzen von beispielsweise zwischen 20 kHz und 150 kHz beaufschlagt werden können, und das elektrische Resonanzverhalten in einem elektrischen Schwingkreis gemessen wird, dessen Kapazität zumindest partiell durch die Kondensatormesselektroden gebildet wird, und der in üblicher Weise in weiteren Elementen wie eine Induktivität, Oszillatoren, usw. versehen ist. Es ist möglich, die Kondensatormesselektroden der vorliegenden Erfindung durch in insbesondere diametral entgegen gesetzten Richtungen vorgesehene Durchtrittlöcher in der Fluidleitungsrohrwand zu kontaktieren. Alternativ ist es möglich, Leitungen an den Elektroden vorzusehen, weg vom Kondensatormesselektrodenpaar im Rohr zu führen und entfernt davon durch die Fluidleitung hinaus zu führen. Die Kontaktierung kann in per se üblicher Weise geschehen, beispielsweise durch eine Stecker-Buchsenanordnung und dergleichen. Die Kondensatormesselektroden sind vorliegend überdies beschichtet, um Abrasion und dem Angriff durch Chemikalien besser widerstehen zu können. Zudem werden bevorzugt Beschichtungen verwendet, durch welche die Kondensatormess-elektroden gegen das Fluid elektrisch isoliert werden. So-fern durch im Fluid gelöste Salze oder dergleichen die Leitfähigkeit des Fluids erhöht wird, kann so das Auftreten von Kriechströmen etc. verringert werden; dass allerdings gegebenenfalls dann, wenn die Leitfähigkeit eine interessierende Fluideigenschaft ist, mit elektrisch nicht isolierenden Beschichtungen bearbeitet werden kann und/oder unbeschichtete Kondensatormesselektroden auch aus Kostengründen ganz prinzipiell verwendet könnten, sei erwähnt.
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Die Anordnung wird zusammengebaut und verwendet wie folgt:
Zunächst werden, vergleiche 3, die gegeneinander grob ausgerichteten Kondensatormesselektroden 3a und 3b des Kondensatormesselektrodenpaars partiell in das Fluidleitungsrohr 2 eingeschoben. Dann werden, vergleiche 4, die Distanzhalter 6a, 6b eingesetzt. Zur Kontaktierung im Rohr wird nun die vormontierte Einheit mit den Kontakten versehen und dann final ins Rohr eingeschoben. Alternativ könnte zur Kontaktierung über Buchsen die Einheit ins Rohr bis zu den dafür vorgesehenen Bohrungen eingeschoben und dann kontaktiert werden. Es kann dann durch elektrische Messungen, wie Bestimmung der Frequenz, der Dämpfung, von Kriechströmen usw. auf eine Eigenschaft des im Kondensatorelektrodenzwischenraums befindlichen Fluids geschlossen werden.
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Je nach Anwendung kann es ausreichen, die Anordnung nicht fest zu verbauen, sondern sie zum Beispiel nur temporär in den Kühlmittelkreislauf zu integrieren. So wird sich eine Kühl-Schmiermittelemulsion nur allmählich, also über Tage und Wochen verändern. Hier reicht eine tägliche oder wöchentliche Prüfung eines zum Beispiel an einer Maschine gegebenen Fluidvorrates. Diese Überprüfung ist etwa dann möglich, wenn das Fluid, wie durchaus gebräuchlich, seiner täglichen oder wöchentlichen Reinigung unterzogen wird. Es ist im Übrigen bevorzugt, die Messelektroden hinter einem (Grob-)Partikelfilter einzusetzen und, auch bevorzugt, eventuell eine Bypassleitung für die Messelektroden vorzusehen, um den Fluidstrom eventuell zu begrenzen. Bei Kühl-Schmiermittel-Emulsionen haben sich etwa Fluidströme von nicht mehr als 30 l/min als günstig erwiesen.
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5 zeigt beispielhaft, dass die aus dem Schwingkörper resultierende Frequenz stark von der Konzentration einer das Fluidleitungsrohr durchströmenden Emulsion abhängt. Aufgetragen ist dabei die Resonanzfrequenz in kHz in einem Schwingkreis, in den die Kondensatormesselektroden als Kapazität des Schwingkreises integriert sind, gegen die Konzentration von Stoffen in einer wässrigen Emulsion, welche durch die Messanordnung strömt.
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Vorstehend wurde an verschiedenen Stellen von Resonanzeigenschaften in einem Schwingkreis gesprochen; in einem solchen Fall kann die Elektroden-Anordnung gemeinsam mit einer Spule verwendet werden, die eine geeignete Induktivität besitzt. Alternativ und/oder zusätzlich können die erfindungsgemäßen Kondensatormesselektroden zum Beispiel als Kapazität in einem RC-Glied mit geeignetem Widerstand verwendet werden, wobei die Zeitkonstanten usw. des RC-Gliedes gemessen werden können. Es sei erwähnt, dass die absolute Größe der Kondensatorelektroden-Kapazität nicht zwingend bekannt sein muss; vielmehr kann es ausreichen, wenn diese für die Dauer der Emulsionsbewertung hinreichend konstant also zum Beispiel unbeeinflusst von Kabelkapazitätsvariationen usw. bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10152777 A1 [0010]
- DE 19850799 A1 [0011]
- DE 3542238 C1 [0012]
- US 2001/0003426 A1 [0013]
- US 2005/0007123 A1 [0014]
- DE 19647201 C1 [0015]
