DE102013017311A1

DE102013017311A1 - Vorrichtung zur Ermittlung von Leckagen in einem Hydrauliksystem

Info

Publication number: DE102013017311A1
Application number: DE102013017311.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Müller; Volker Baumbach; Andreas Helwig
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Leckagen in einem Hydrauliksystem mit einer lumineszenzfähigen Hydraulikflüssigkeit (38), umfassend einen für Hydraulikflüssigkeit (38) porösen Lichtwellenleiter (12), der mit mindestens einem Strahlungsemitter zur Einleitung von Emissionsstrahlung mit einer in der Hydraulikflüssigkeit (38) Lumineszenz auslösenden Wellenlänge optisch gekoppelt ist, ferner umfassend mindestens einen Lumineszenzsensor (18), der für erzeugte Lumineszenzstrahlung (46) sensitiv ist, und der mindestens eine Lumineszenzsensor (18) mit einer Kontrolleinheit zur Ausgabe eines Leckagesignals verbunden ist. Dies ermöglicht bei beliebig komplexen Hydrauliksystemen eine baulich einfache jedoch zugleich zuverlässige Überwachung auf Leckagen. Das System ist gewichtsmäßig leicht und kann daher ohne weiteres in Luftfahrzeugen eingebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Leckagen in einem Hydrauliksystem mit einer lumineszenzfähigen Hydraulikflüssigkeit.
Es ist bekannt, Leckagen in Hydrauliksystemen mit einer lumineszenzfähigen Hydraulikflüssigkeit, insbesondere solcher basisierend auf Phosphatester, durch Bestrahlung mittels UV-Licht zu detektieren. Dies geschieht üblicherweise mittels Beleuchtung der Hydraulikleitungen mittels UV-Taschenlampen. Insbesondere bei Luftfahrzeugen mit den meist sehr unzugänglich angeordneten Hydraulikleitungen ist eine Detektion von Leckagen daher sehr schwierig und aufwändig.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung von Leckagen in einem Hydrauliksystem mit einer lumineszenzfähigen Hydraulikflüssigkeit bereitzustellen, die bei beliebig umfangreichen und unzugänglich angeordneten Hydraulikleitungen eine baulich einfache, zuverlässige, wartungsarme und örtlich genaue Detektion von Leckagen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen für Hydraulikflüssigkeit porösen Lichtwellenleiter umfasst, mit mindestens einem Strahlungsemitter zur Einleitung von Emissionsstrahlung mit einer in der Hydraulikflüssigkeit Lumineszenz auslösenden Wellenlänge, ferner umfassend mindestens einen UV-Sensor, der für erzeugte Lumineszenzstrahlung sensitiv ist, und der mindestens einen Lumineszenzsensor mit einer Kontrolleinheit zur Ausgabe eines Leckagesignals verbindet.
Im Fall einer Leckage des Hydrauliksystems trifft Hydraulikflüssigkeit auf den Lichtwellenleiter und dringt in diesen ein. Der Lichtwellenleiter ist von der Emissionsstrahlung durchflutet, die beim Eindringen der Hydraulikflüssigkeit die Lumineszenzstrahlung erzeugt, deren Wellenlänge abweichend ist von der Emissionswellenlänge, vorzugsweise eine höhere Wellenlänge aufweist. Beispielsweise bei einer Hydraulikflüssigkeit mit der Bezeichnung „Skydrol LD4” der Fa. Eastman Chemical wird bei Beleuchtung mit Wellenlängen von 275 nm bzw. 360 nm Lumineszenzlicht mit Wellenlängen von 300 nm bzw. 400 nm erzeugt.
Durch die Erfindung ist bei beliebig komplexen Hydrauliksystemen eine baulich einfache, jedoch zugleich zuverlässige Überwachung auf Leckagen möglich. Das System ist gewichtsmäßig leicht und kann daher ohne weiteres in Luftfahrzeugen eingebaut werden. Es können weitestgehend Standardbauteile verwendet werden, so dass die Herstellungskosten gering sind. Das System ist außerdem nicht wartungsanfällig.
Der poröse Lichtwellenleiter kann mittels einfacher Montagemittel direkt unterhalb von Hydraulikleitungen angeordnet werden, so dass austretende Hydraulikflüssigkeit darauf tropft und in den porösen Wellenleiter eindringt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Lichtwellenleiter miteinander mechanisch koppelbar. So lässt sich aus mehreren Lichtwellenleitern mit jeweils eigenem Strahlungsemitter und Lumineszenzsensor eine „gliederkettenartige” oder netzartige Struktur erzeugen, die auch bei einem längeren oder verzweigten Hydrauliksystem eine lückenlose Leckagenüberwachung ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Lichtwellenleiter miteinander optisch koppelbar, so dass die Emissionsstrahlung aus einem Lichtwellenleiter in einen anderen Lichtwellenleiter eindringen kann. Auf diese Weise lassen sich alle Lichtwellenleiter über einen oder zwei an den Enden angeordnete Strahlungsemitter mit Emissionsstrahlung beschicken.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtwellenleiter durch beabstandet angeordnete Lumineszenzstrahlungsfilter in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei der Lumineszenzstrahlungsfilter für die Wellenlänge der Emissionsstrahlung transluzent und für die Lumineszenzstrahlung opak ist und in jedem Abschnitt mindestens ein Lumineszenzsensor angeordnet ist. Diese Ausbildung erfordert nur einen oder wenige Strahlungsemitter, während gleichzeitig die einzelnen Abschnitte unterschiedlich lang ausgebildet werden können, um eine an die Leckagegefahr angepasste Ortsbestimmung zu ermöglichen. Die einzelnen Abschnitte haben vorzugsweise jeweils Längen von 10 cm bis 5 m.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Lichtwellenleiter hohl ausgebildet. Ein hohl ausgebildeter poröser Lichtwellenleiter hat je nach Wandstärke bzw. Durchmesser des Hohlraumes unterschiedliches Lichtübertragungsverhalten. Vorzugsweise strahlt das Licht im Hohlraum und wird an dem Mantel reflektiert, so dass Lichtwellenleiter mit einer dünnen Wandung vorzuziehen sind, damit auch geringere Mengen austretender Hydraulikflüssigkeit in den Hohlraum eindringen und Lumineszenz hervorrufen kann. Vorzugsweise hat der Lichtwellenleiter einen Außendurchmesser von 200–500 μm und einen Innendurchmesser von 10–200 μm.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Lichtwellenleiter in mehrere Lichtwellenleiter verzweigbar. Das bedeutet, über eine Verzweigungsstelle, die beispielsweise mit Prismen ausgestattet ist, wird die Emissionsstrahlung in mehrere Lichtwellenleiter verzweigt. Diese Anordnung ist von Vorteil, wenn eine zu überwachende Hydraulikleitung ebenfalls verzweigt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Lumineszenzsensoren ausgebildet, neben der Lumineszenzstrahlung auch die Emissionsstrahlung zu detektieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Lumineszenzsensoren auch für die Emissionsstrahlung sensitiv, wobei bei Detektion von Emissionsstrahlung ein zweites Signal an die Kontrolleinheit zur Ausgabe eines Funktionsfähigkeitssignals sendbar ist. Damit ist eine Funktionsprüfung der gesamten Vorrichtung möglich, denn nur wenn alle Lumineszenzsensoren die Emissionsstrahlung detektieren ist die Vorrichtung in ordnungsgemäßem Zustand.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Emissionsstrahlung eine Wellenlänge von 250–400 nm auf. In diesem Wellenlängenbereich kann eine Lumineszenzstrahlung bei Hydraulikflüssigkeiten auf der Basis von Phosphatester erzeugt werden. Außerdem lassen sich für diesen Wellenlängenbereich preisgünstige LEDs oder Laserdioden verwenden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kontrolleinheit dazu ausgebildet, die Intensität der Lumineszenzstrahlung zu ermitteln und daraus ein Signal über das Maß der in den Lichtwellenleiter eingedrungenen Hydraulikflüssigkeit zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich ist die Kontrolleinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, aus der Anzahl der Lumineszenzstrahlung detektierenden Sensoren ein Signal über das Maß der in den Lichtwellenleiter eingedrungenen Hydraulikflüssigkeit zu bestimmen. Bei diesen beiden Weiterbildungen kann auch die Schwere der Leckage ermittelt werden, so dass die notwendigen Schritte eingeleitet werden können. Beispielsweise bei Feststellung einer geringen Leckage kann es ausreichen, bis zur nächsten Wartung mit der Behebung zu warten und bei schweren Leckagen oder Leckagen bei sicherheitsrelevanten Leistungen sofort Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfasst die Vorrichtung die Intensität des erfassten Lumineszenzlichts und ermittelt daraus ein Signal, welches die Schwere des Lecks anzeigt. Wenn nur wenig Hydraulikflüssigkeit austritt, wird nur wenig Lumineszenzstrahlung erzeugt. Bei größeren Mengen ist die Intensität der erzeugten Lumineszenzstrahlung wesentlich größer.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: eine schematische Darstellung einer Hydraulikleitung mit Leckage und einem Lichtwellenleiter.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, umfassend eine Anzahl Lichtwellenleiter 12a, 12b, 12c, die jeweils mit mindestens einem Strahlungsemitter 14 optisch gekoppelt sind zur Einspreisung von UV-Strahlung einer Wellenlänge, die bei der verwendeten Hydraulikflüssigkeit Lumineszenzstrahlung erzeugt. Die Strahlungsemitter 14 werden zu diesem Zweck von einer Kontrolleinheit 16 angesteuert. Vorzugsweise werden die Strahlungsemitter 14 derart angesteuert, dass Lumineszenzstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 250–400 nm erzeugt wird. Die Lumineszenzstrahlung pulsiert vorzugsweise zur Minimierung des Energieverbrauches. Wenngleich in der Zeichnung nur ein Strahlungsemitter 14 pro Lichtwellenleiter 12 dargestellt ist, so können auch mehrere Strahlungsemitter 14, insbesondere einer an jedem Ende des Lichtwellenleiters 12, vorgesehen werden.
Bei dem in 1 oben dargestellten Lichtwellenleiter 12a sind entlang der Erstreckung eine Anzahl Lumineszenzsensoren 18 angeordnet, die optisch an den Lichtwellenleiter 12a angekoppelt sind und die von dem mindestens einen Strahlungsemitter 14 in den Lichtwellenleiter 12 emittierte UV-Strahlung detektieren. Zwischen benachbarten Lumineszenzsensoren 18 sind jeweils Lumineszenzstrahlungsfilter 17 angeordnet, die für die Emissionsstrahlung transluzent und für die Lumineszenzstrahlung opak sind und damit den Lichtwellenleiter 12a in mehrere Lichtleiterabschnitte 19 unterteilen, in dem jeweils vorzugsweise nur ein Lumineszenzsensor 18 angeordnet ist.
Die Lichtleiterabschnitte 19 sind vorzugsweise nicht gleichmäßig beabstandet, sondern an die spezielle Konfiguration des zu überwachenden Hydrauliksystems angepasst. An Stellen erhöhter Leckagegefahr sind also vermehrt bzw. kürzere Lichtleiterabschnitte 19 angeordnet. Die Lumineszenzsensoren 18 sind – vorzugsweise mittels optischer Filter – eingerichtet, zwei UV-Spektralbereiche mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen, nämlich die Emissionsstrahlung des mindestens einen Strahlungsemitters 14 sowie die zur Lumineszenzeffekten an Hydraulikflüssigkeit erzeugte Lumineszenzstrahlung höherer Wellenlänge.
Jeder Lumineszenzsensor 18 ist mittels einer eigenen Detektorleitung 20 mit der Kontrolleinheit 16 gekoppelt zur Übergabe der für die beiden Wellenlängenbereiche erfassten Strahlungsmengen im jeweiligen Lichtleiterabschnitt 19. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Detektorleitungen der beiden in 1 weiter unten gezeigten Lichtwellenleiter 12b, 12c nicht eingezeichnet.
Der Lichtwellenleiter 12b besteht aus zwei optisch miteinander gekoppelten Lichtwellenleiterelementen 21a, 21b, die beide jeweils Lumineszenzsensoren 18 aufweisen, wobei das Lichtwellenleiterelement 21a zusätzlich einen Strahlungsemitter 14 und das Lichtwellenleiterelement 21b einen Lumineszenzstrahlungsfilter 17 aufweist.
Der Lichtwellenleiter 12c weist eine Verzweigungsstelle 22 auf, über die das Licht des Strahlungsemitter 14 in zwei Lichtwellenleiter 12d und Lichtwellenleiter 12e verzweigt wird. Der Lichtwellenleiter 12e umfasst einen zweiten Strahlungsemitter 14a.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Hydraulikleitung 30 und mit einem Lichtwellenleiter 12. Die dargestellte Hydraulikleitung 30 hat eine Wandung 32 und einen von Hydraulikfluid unter Druck durchströmten Innenraum 34. Die Hydraulikleitung 30 hat eine Stelle 36, an der eine Leckage auftreten kann. Eine solche Stelle 36 kann eine Verbindungsstelle zweier Leitungen oder eine Verzweigungsstelle sein. In dem in 2 dargestellten Zustand ist diese Stelle 36 undicht, so dass Hydraulikfluidtropfen 38 austreten. Schwerkraftbedingt fallen die Hydraulikfluidtropfen 38 auf den unterhalb der Hydraulikleitung 30 angeordneten porösen Lichtwellenleiter 12 und dringen in die Lichtleiterwandung 40 ein. Das Hydraulikfluid 38 kann dabei durch die Lichtleiterwandung 40 hindurch treten und in das Innere 42 des Lichtwellenleiters 12 eindringen.
Im Lichtwellenleiterinneren 42 breitet sich die von einem Strahlungsemitter (14 in 1) (anhand eines gestrichelt dargestellten Beispielsstrahls dargestellte) emittierte ultraviolette Emissionsstrahlung 44 in alle Richtungen aus und wird dabei innenseitig von der Lichtleiterwandung 40 reflektiert. Der dargestellte Lichtwellenleiter 12 ist in drei Lichtleiterabschnitte 19a, 19b, 19c unterteilt, die von Lumineszenzstrahlungsfiltern 17 von einander getrennt sind. Die Emissionsstrahlung 44 kann dabei diese auf deren Wellenlänge abgestimmte Lumineszenzstrahlungsfilter 17 weitgehend ungehindert passieren bzw. wird nicht stark gedämpft.
Sofern dieses – an der Auftreffstelle im Lichtleiterabschnitt 19b – auf ins Lichtwellenleiterinnere 42 eingedrungene Hydraulikfluid 38 trifft, wird dort aufgrund Lumineszenz langwelligere Lumineszenzstrahlung 46 erzeugt, die sich in beiden Richtungen innerhalb des Lichtleiterabschnitts 19b im Lichtwellenleiterinneren 42 ausbreitet. Diese Lumineszenzstrahlung 46 wird dabei von dem im Lichtleiterabschnitt 19b angeordneten Lumineszenzsensor 18b erfasst, während die benachbarten Lumineszenzsensoren 18a und 18c die erzeugte Lumineszenzstrahlung 46 nicht oder kaum erfassen, da die für die Lumineszenzstrahlung 46 opaken Lumineszenzstrahlungsfilter 17 keine oder fast keine Lumineszenzstrahlung 46 passieren lassen. Sofern die Lumineszenzsensoren 18a und 18c geringe Mengen an Lumineszenzstrahlung 46 detektieren, kann dies durch einen Schwellwertfilter in der Kontrolleinheit 16 herausgefiltert werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12a–e: Lichtwellenleiter
14, a: Strahlungsemitter
16: Kontrolleinheit
17: Lumineszenzstrahlungsfilter
18a, b, c: Lumineszenzsensoren
19a, b, c: Lichtleiterabschnitte
20: Detektorleitung
21a, b: Lichtwellenleiterelemente
22: Verzweigungsstelle
30: Hydraulikleitung
32: Wandung
34: Innenraum
36: Stelle
38: Hydraulikfluidtropfen
40: Lichtleiterwandung
42: Inneres
44: Emissionsstrahlung
46: Lumineszenzstrahlung

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung von Leckagen in einem Hydrauliksystem mit einer lumineszenzfähigen Hydraulikflüssigkeit (38), umfassend einen für Hydraulikflüssigkeit porösen Lichtwellenleiter (12), der mit mindestens einem Strahlungsemitter (14) zur Einleitung von Emissionsstrahlung mit einer in der Hydraulikflüssigkeit (38) Lumineszenz auslösenden Wellenlänge optisch gekoppelt ist, ferner umfassend mindestens einen Lumineszenzsensor (18), der für erzeugte Lumineszenzstrahlung (44) sensitiv ist, und der mindestens eine Lumineszenzsensor (18) mit einer Kontrolleinheit (16) zur Ausgabe eines Leckagesignals verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtwellenleiter (12) miteinander mechanisch koppelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtwellenleiter (21a, 21b) miteinander optisch koppelbar sind, so dass die Emissionsstrahlung (44) aus einem Lichtwellenleiter (21a) in einen anderen Lichtwellenleiter (21b) eindringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (12) durch beabstandet angeordnete Lumineszenzstrahlungsfilter (17) in mehrere Abschnitte (19) unterteilt ist, wobei die Lumineszenzstrahlungsfilter (17) für die Wellenlänge der Emissionsstrahlung transluzent und für die Lumineszenzstrahlung (44) opak ist und in jedem Abschnitt (19) mindestens ein Lumineszenzsensor (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (19) eine Länge von 10 cm bis 5 m aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter (12) hohl ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (12) einen Außendurchmesser von 200–500 μm und einen Innendurchmesser von 10–200 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtwellenleiter (12c) in mehrere Lichtwellenleiter (12d, 12e) verzweigbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter (12) unterhalb einer zu überwachenden Hydraulikleitung (30) anbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzsensoren (18) auch für die Emissionsstrahlung (44) sensitiv sind, wobei bei Detektion von Emissionsstrahlung ein zweites Signal zur Ausgabe eines Funktionsfähigkeitssignals an die Kontrolleinheit (16) sendbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstrahlung eine Wellenlänge von 250–400 nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (16) ausgebildet ist, die Intensität der Lumineszenzstrahlung (46) zu ermitteln und daraus ein Signal über das Maß der in den Lichtwellenleiter (12) eingedrungenen Hydraulikflüssigkeit (38) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (16) ausgebildet ist, aus der Anzahl der Lumineszenzstrahlung (46) detektierenden Lumineszenzsensoren (18) ein Signal über das Maß der in den Lichtwellenleiter (12) eingedrungenen Hydraulikflüssigkeit (38) zu bestimmen.
Hydrauliksystem mit Hydraulikleitungen und einer Einrichtung zur Ermittlung von Leckagen, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb von Verbindungsstellen der Hydraulikleitungen eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche angeordnet ist.
Luftfahrzeug mit mindestens einem Hydrauliksystem nach Anspruch 14.