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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Bestimmen von Eigenschaften eines Schmiermittels; beispielsweise eines Schmierfettes in einem Wälzlager. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoreinheit sowie ein Maschinenelement mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
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Die
DE 10 2007 042 254 A1 zeigt eine Messvorrichtung zur Analyse des Schmiermittels in einem Lager. Diese Messvorrichtung umfasst einen Sender zum Aussenden infraroter Strahlung, welche auf einen Probenbereich gerichtet ist und von der Probe zurück auf einen Empfänger trifft. Der Probenbereich ist im Inneren des Lagers angeordnet. Von dem Empfänger wird insbesondere IR-Strahlung im Bereich der Kombinationsmethoden der C-H-Schwingungen erfasst und spektral analysiert. Hierdurch kann das Schmiermittel während des Betriebes permanent überwacht werden und es kann ein Alarm ausgegeben werden, wenn das Schmiermittel zu wechseln ist.
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Aus dem Produktinformationsblatt „Zustandsüberwachung von Schmierfetten in Wälzlagern” der Schaeffler Technologies GmbH und Co. KG, September 2010 und aus dem Produktinformationsblatt „FAG GreaseCheck” der Schaeffler Technologies AG und Cc. KG, August 2013 ist ein Schmierfettsensor bekannt, welcher insbesondere zur Schmierfettüberwachung in Wälzlagern vorgesehen ist. Der Schmierfettsensor umfasst einen zylinderförmigen Sensorkopf, welcher unmittelbar in das Wälzlager ragt.
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Aus der
DE 10 2009 037 424 A1 ist eine Lageranordnung bekannt, bei welcher ein Schmiermittelsensor über einen Transmitter Informationen über den Zustand des Lagers zu einer zentralen Empfangsstation sendet.
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Die
DE 10 2010 015 084 A1 zeigt ein Sensorteil für einen Infrarot-Sensor zur beabstandeten Anordnung eines Infrarot-Senders, eines Infrarot-Detektors, einer Referenzquelle und eines Referenzdetektors.
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Die
DE 10 2010 031 919 A1 lehrt eine Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarotspektroskopie. Mit dieser Messsonde kann beispielsweise das Schmiermittel eines Lagers analysiert werden. Die Messsonde umfasst einen Infrarot-Sender und einen Infrarot-Detektor sowie einen Referenzdetektor. Der Infrarot-Detektor und der Referenzdetektor sind auf zueinander beabstandeten Flächen angeordnet. Vom Infrarot-Sender trifft IR-Strahlung auf das Medium und wird zurück auf den Infrarot-Detektor geworfen. Weiterhin trifft IR-Strahlung vom Infrarot-Sender auf eine Spiegelfläche und wird zurück auf den Referenzdetektor geworfen. Der Infrarot-Sender und der Referenzdetektor sind auf einem Träger angeordnet. Die Spiegelfläche und der Infrarot-Detektor sind auf entgegengesetzten Seiten eines Brückenelementes ausgebildet, wobei der Träger und das Brückenelement beabstandet sind. Es ergibt sich ein dreidimensionaler Aufbau der Komponenten. Die Möglichkeit der Referenzmessung führt zu einer Fehlerreduktion, jedoch ist der dreidimensionale Aufbau mit der Spiegelfläche und den beabstandeten Detektoren sehr aufwändig.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, bei einem Schmiermittelsensor die Möglichkeit einer Referenzmessung zu erleichtern.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoreinheit gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Maschinenelement gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit dient der Bestimmung von Eigenschaften eines Schmiermittels. Das Schmiermittel befindet sich bevorzugt in Verwendung, insbesondere zum Zwecke der Schmierung von beweglichen Komponenten eines Maschinenelementes. Hierzu ist die Sensoreinheit bevorzugt zur Montage an dem Maschinenelement bzw. in dem Maschinenelement ausgebildet. Die Sensoreinheit ist dabei bevorzugt zur Überwachung des Schmiermittels im Maschinenelement ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst zunächst einen ersten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung auf das Schmiermittel und einen ersten Empfänger zum Empfangen der vom ersten Sender ausgesendeten und vom Schmiermittel reflektierten elektromagnetischen Strahlung. Der erste Sender und der erste Empfänger sind gemeinsam auf einem ersten Träger angeordnet. Der erste Träger ist bevorzugt flächig ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst weiterhin einen zweiten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung und einen zweiten Empfänger zum Empfangen der vom zweiten Sender ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Der zweite Sender und der zweite Empfänger sind gemeinsam auf einem zweiten Träger angeordnet. Der zweite Träger ist bevorzugt flächig ausgebildet. Es sind somit zwei Messanordnungen vorhanden, wobei die erste Messanordnung für die eigentliche Messung des Schmiermittels ausgebildet ist, während die zweite Messanordnung für eine Referenzmessung ohne den Einfluss des Schmiermittels ausgebildet ist.
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Eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Sensoreinheit bildet eine Auswertelektronik, welche zumindest mit dem ersten Empfänger und mit dem zweiten Empfänger elektrisch verbunden ist und zur Generierung mindestens eines Sensorsignals ausgebildet ist. Hierbei beruht das mindestens eine Sensorsignal auf einem Vergleich zwischen dem Ausgangssignal des ersten Empfängers, welcher die vom Schmiermittel reflektierte Strahlung empfängt, und dem Ausgangssignal des zweiten Empfängers, welcher die nicht vom Schmiermittel beeinflusste Strahlung empfängt. Es werden somit Störgrößen, welche insbesondere durch die Sender und Empfänger bedingt sind, beispielsweis infolge einer Alterung der Sender und der Empfänger, eliminiert. Durch den genannten Vergleich ist der Einfluss des Schmiermittels auf die Strahlung als gewünschtes Signal der Messung frei von Störeinflüssen bestimmbar.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit weist den Vorteil auf, dass die Reduktion der Störeinflüsse keine dreidimensionale Anordnung der beiden Empfänger gegenüber dem Sender bzw. den Sendern erfordert. Insbesondere können die zugehörigen Sender und Empfänger jeweils eben auf einem flächigen Träger, beispielsweise auf einer Platine angeordnet sein, wodurch der Aufwand zur Herstellung der Sender-Empfänger-Anordnungen deutlich gemindert ist. Zudem können der zweite Empfänger und der zweite Sender völlig unabhängig vom ersten Empfänger und vom ersten Sender angeordnet werden, insbesondere in einem abgetrennten Bereich der Sensoreinheit. Grundsätzlich empfängt der erste Empfänger Strahlung, welche vom Schmierfett reflektiert wurde, während der zweite Empfänger Strahlung empfängt, welche nicht Schmierfett reflektiert wurde.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst bevorzugt weiterhin eine Spiegelfläche, an der die vom zweiten Sender aussendbare elektromagnetische Strahlung reflektierbar und dem zweiten Empfänger zuführbar ist. Die Spiegelfläche befindet sich bevorzugt parallel und beabstandet zum zweiten Träger. Alternativ sind der zweite Sender und der zweite Empfänger so angeordnet, dass die vom zweiten Sender aussendbare elektromagnetische Strahlung unmittelbar auf den zweiten Empfänger trifft.
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Die Störgrößen können insbesondere dann weitestgehend eliminiert werden, wenn sich die erste Messanordnung und die zweite Messanordnung gleichen. Folglich gleichen sich bevorzugt der erste Empfänger und der zweite Empfänger. Weiterhin gleichen sich bevorzugt auch der erste Sender und der zweite Sender. Ebenso gleichen sich bevorzugt auch der erste Träger und der zweite Träger. Im Übrigen gleichen sich bevorzugt die Anordnung des ersten Senders und des ersten Empfängers auf dem ersten Träger und die Anordnung des zweiten Senders und des zweiten Empfängers auf dem zweiten Träger.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst bevorzugt ein Sensorgehäuse, welches eine Außenhülle der Sensoreinheit bildet. Das Sensorgehäuse weist ein Fenster auf, welches auf das Schmiermittel ausrichtbar ist und bevorzugt in das Schmiermittel eintauchbar ist. Das Sensorgehäuse ist insbesondere zur Montage am bzw. im Maschinenelement ausgebildet. Das Fenster schließt einen Innenraum des Sensorgehäuses ab. Der erste Sender und der erste Empfänger befinden sich im Sensorgehäuse. Ebenso befinden sich der zweite Sender und der zweite Empfänger bevorzugt im Sensorgehäuse. Der erste Sender ist zum Aussenden der elektromagnetischen Strahlung durch das Fenster hindurch angeordnet. Der erste Empfänger ist zum Empfangen der durch das Fenster strahlenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet. Dabei handelt es sich um diejenige elektromagnetische Strahlung, welche vom ersten Sender gesendet und vom Schmiermittel reflektiert wurde. Das Fenster muss zumindest für diese elektromagnetische Strahlung transparent sein.
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Auch die Auswertelektronik befindet sich bevorzugt im Sensorgehäuse. Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst bevorzugt weiterhin einen elektrischen Anschluss, welcher durch das Sensorgehäuse hindurchgeführt ist und mit der Auswerteelektronik im Sensorgehäuse elektrisch verbunden ist. Folglich kann das Sensorsignal über den elektrischen Anschluss von außerhalb des Sensorgehäuses abgegriffen werden. Über den elektrischen Anschluss erfolgt bevorzugt auch eine Spannungsversorgung der Auswerteelektronik und der Sender.
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Alternativ kann die Auswertelektronik auch in einem separaten Gehäuse angeordnet sein.
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Der elektrische Anschluss ist bevorzugt durch ein Kabel gebildet. Das Kabel ist aus dem Sensorgehäuse herausgeführt und dient dem elektrischen Anschluss der Sensoreinheit.
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Der erste Empfänger, der zweite Empfänger, der erste Sender und der zweite Sender können jeweils einfach oder mehrfach vorhanden sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist die durch den ersten Sender und durch den zweiten Sender aussendbare elektromagnetische Strahlung durch infrarote Strahlung gebildet. Folglich sind der erste Empfänger und der zweite Empfänger zum Empfangen infraroter Strahlung ausgebildet. Das Fenster ist zumindest für infrarote Strahlung transparent. Die infrarote Strahlung ist besonders gut zur Bestimmung von Eigenschaften eines Schmiermittels geeignet. Die infrarote Strahlung liegt bevorzugt im nahen und/oder mittleren IR-Bereich. Grundsätzlich kann auch andere elektromagnetische Strahlung, wie zum Beispiel sichtbares Licht verwendet werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit sind der erste Empfänger, der zweite Empfänger und die Auswerteelektronik dazu konfiguriert, elektromagnetische Strahlung im Bereich des Infraroten, bevorzugt im Bereich des nahen und/oder mittleren IR zu erfassen und spektral zu analysieren. Durch die Erfassung und spektrale Auswertung der vom Schmiermittel reflektierten IR-Strahlung können mehrere Eigenschaften des Schmiermittels bestimmt werden. Hierzu sind der erste Empfänger und die Auswerteelektronik bevorzugt dazu konfiguriert, elektromagnetische Strahlung im Bereich der Kombinationsmethoden der C-H-Schwingungen zu erfassen und zu analysieren. Im Bereich der C-H-Kombinationsmoden lassen sich einzelne Absorptionslinien erkennen, die Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung des Schmiermittels zulassen.
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Der erste Sender und der zweite Sender sind bevorzugt elektrisch mit der Auswerteelektronik verbunden, wobei die Auswerteelektronik zur Ansteuerung der beiden Sender mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften der aussendbaren elektromagnetischen Strahlung konfiguriert ist. Die Ansteuerung der beiden Sender zur Ausstrahlung elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften unter Berücksichtigung der an den beiden Empfängern gemessenen Strahlung erlaubt eine spektrale Analyse der Reflexionseigenschaften des Schmiermittels.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist die Auswerteelektronik dazu konfiguriert, ausgehend von der Ansteuerung der beiden Sender und ausgehend von Ausgangsignalen der beiden Empfänger mindestens ein Signal zur Repräsentation einer Eigenschaft des Schmiermittels zu bestimmen, welches das digitale Sensorsignal bzw. eines der digitalen Sensorsignale bildet.
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Die durch eine spektrale Analyse zu bestimmenden Eigenschaften des Schmiermittels sind bevorzugt durch einen Zustand des Schmiermittels, insbesondere durch einen Wassergehalt des Schmiermittels, durch eine Trübung des Schmiermittels, durch eine Alterung des Schmiermittels und/oder durch eine Verwendbarkeit des Schmiermittels gebildet. Diese Eigenschaften werden bevorzugt quantitativ erfasst. Folglich repräsentiert das digitale Sensorsignal bzw. jeweils eines der digitalen Sensorsignale bevorzugt einen Wassergehalt des Schmiermittels, eine Trübung des Schmiermittels, eine Alterung des Schmiermittels oder eine Verwendbarkeit des Schmiermittels.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst bevorzugt weiterhin einen im Sensorgehäuse angeordneten Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Schmiermittels. Dabei ist eines der digitalen Sensorsignale bevorzugt aus einem Ausgangssignal des Temperatursensors gebildet. Im übrigen kann die gemessene Temperatur ergänzend zur Bestimmung der spektralen Reflexionseigenschaften des Schmiermittels herangezogen werden. Hierfür ist die Auswerteelektronik bevorzugt dazu konfiguriert, ausgehend von der Ansteuerung der beiden Sender und ausgehend von Ausgangsignalen der beiden Empfänger sowie ausgehend von einem Ausgangssignal des Temperatursensors mindestens ein Signal zur Repräsentation einer Eigenschaft des Schmiermittels zu bestimmen, welches das digitale Sensorsignal bzw. eines der digitalen Sensorsignale bildet.
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Die beiden Sender sind bevorzugt jeweils durch eine Diode, insbesondere durch eine LED gebildet.
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Die beiden Sender und die beiden Empfänger sind bevorzugt jeweils als ein DIE ausgebildet.
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Das Sensorgehäuse weist bevorzugt eine zylindrische Grundform auf, beispielsweise eine stiftartige Grundform. Das Fenster ist dabei an einem axialen Ende der zylindrischen Grundform angeordnet. Am anderen axialen Ende kann sich ein Befestigungselement befinden, beispielsweise ein Außengewinde mit aufgeschraubter Mutter und mit einem Anschlag, jedoch ist bevorzugt kein solches Befestigungselement vorhanden, wobei die Befestigung der Sensoreinheit durch die zylindrische Grundform des Sensorgehäuses formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgt, beispielsweise unter Verwendung einer Spannschraube.
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Das Schmiermittel ist bevorzugt durch ein Schmierfett gebildet.
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Das erfindungsgemäße Maschinenelement weist bewegliche Komponenten auf, zwischen denen ein Schmiermittel angeordnet ist. Das Schmiermittel dient dazu, die Reibung zwischen den beweglichen Komponenten zu mindern. Das Maschinenelement umfasst die erfindungsgemäße Sensoreinheit, wobei die vom ersten Sender aussendbare elektromagnetische Strahlung auf das im Maschinenelement befindliche Schmiermittel ausgerichtet ist. Bevorzugt ragt das ggf. vorhandene Fenster der Sensoreinheit in das Schmiermittel. Die Sensoreinheit ist bevorzugt im oder am Maschinenelement befestigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes umfassen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
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Das Maschinenelement ist bevorzugt durch ein Wälzlager gebildet, jedoch kommen auch andere Arten von Maschinenelementen infrage.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb der erfindungsgemäßen Sensoreinheit. Gemäß diesem Verfahren werden der ersten Sender und der zweite Sender zur Emission gleicher elektromagnetischer Strahlung angesteuert. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass die beiden Sender mit gleichen Spannungen bzw. gleichen Strömen nach einem gleichen Zeitverlauf oder sogar synchron angesteuert werden. Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Sensorsignal ausgehend von einem Ausgangssignal des ersten Empfängers generiert, wobei das Ausgangssignal des ersten Empfängers mit einem Ausgangssignal des zweiten Empfängers verglichen wird. Durch diesen Vergleich werden Störeinflüsse eliminiert oder zumindest weitestgehend reduziert. Es werden somit zwei Messungen durchgeführt, wobei die eine Messung die eigentliche Messung des Schmiermittels darstellt, während die andere Messung eine Referenzmessung ohne den Einfluss des Schmiermittels darstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zum Betrieb bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit angewendet.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Die einzige 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit in einer schematischen Darstellung. Die Sensoreinheit umfasst zunächst ein zylinderförmiges Sensorgehäuse 01, aus welchem ein mehrpoliges Kabel 02 zum elektrischen Anschluss der Sensoreinheit herausgeführt ist. An dem anderen axialen Ende der Zylinderform des Sensorgehäuses 01 bildet eine Saphirscheibe 03 einen Teil des Sensorgehäuses 01.
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Die gezeigte Sensoreinheit dient zum Bestimmen der Eigenschaften von Schmierfett, welches sich in Gebrauch befindet, z. B. in einem laufenden Wälzlager. Hierzu ist die Sensoreinheit im Wälzlager (nicht gezeigt) befestigt, wobei die Saphirscheibe 03 in das im Wälzlager angeordnete Schmierfett ragt, sodass sich das Schmierfett auf der Saphirscheibe 03 befindet. Die Saphirscheibe 03 bildet dabei ein Fenster des Sensorgehäuses 01.
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Im Inneren des Sensorgehäuses 01 befindet sich hinter Saphirscheibe 03 ein erster Träger 04, auf welchem zwei erste Infrarot-Sender 06 und ein erster Infrarot-Empfänger 07 angeordnet sind. Der erste Träger 04 ist eben und durch eine Platine gebildet. Der erste Träger 04 ist durch Abstandshalter 08 von der Saphirscheibe 03 beabstandet angeordnet. Mithilfe der ersten Infrarot-Sender 06 kann Infrarot-Strahlung auf das an der Saphirscheibe 03 befindliche Schmierfett (nicht gezeigt) gestrahlt werden, welche vom Schmierfett zurück zu dem ersten Infrarot-Empfänger 07 reflektiert wird. Durch die Reflexion am Schmierfett ändert sich die spektrale Zusammensetzung der Infrarot-Strahlung, wobei die auftretenden Änderungen Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Schmierfettes ermöglichen.
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Im Inneren des Sensorgehäuses 01 befindet sich weiterhin ein zweiter Träger 09 mit zwei zweiten Infrarot-Sendern 11 und mit einem zweiten Infrarot-Empfänger 12. Der zweite Träger 09 gleicht in seinem funktionellen Abschnitt dem ersten Träger 04. Insbesondere gleicht die Anordnung der zwei zweiten Infrarot-Sender 11 und des zweiten Infrarot-Empfängers 12 auf dem zweiten Träger 09 der Anordnung der zwei ersten Infrarot-Sender 06 und des ersten Infrarot-Empfängers 07 auf dem ersten Träger 04. Allerdings ist der zweite Träger 09 mit den darauf befindlichen zweiten Infrarot-Sendern 11 und dem darauf befindlichen zweiten Infrarot-Empfänger 12 nicht auf die Saphirscheibe 03 ausgerichtet, sodass keine von den zweiten Infrarot-Sendern 11 ausgesendete Strahlung durch die Saphirscheibe 03 fällt und keine durch die Saphirscheibe 03 fallende Strahlung auf den zweiten Infrarot-Empfänger 12 fällt. Auf der Rückseite des ersten Trägers 04 befindet sich eine Spiegelfläche 13, an welcher die Infrarot-Strahlung der zweiten Infrarot-Sender 11 zurück auf den zweiten Infrarot-Empfänger 12 geworfen wird.
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Im Inneren des Sensorgehäuses 01 befindet sich weiterhin eine Auswerteelektronik 14. Die Auswerteelektronik 14 ist mit den ersten Infrarot-Sendern 06, mit dem ersten Infrarot-Empfänger 07, mit den zweiten Infrarot-Sendern 11 und mit dem zweiten Infrarot-Empfänger 12 elektrisch verbunden. Eine gezielte Ansteuerung der ersten Infrarot-Sender 06 ermöglicht eine spektrale Auswertung der vom Schmierfett reflektierten Infrarot-Strahlung.
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Die Auswerteelektronik 14 ist dazu ausgebildet, aus dem Signal des ersten Infrarot-Empfängers 07 unter Berücksichtigung der Ansteuerung der ersten Infrarot-Sender 06 ein digitales Sensorsignal zu generieren, welches eine oder mehrere der ermittelten Eigenschaften des Schmierfettes repräsentiert. Hierbei werden die zweiten Infrarot-Sender 11 in gleicher Weise angesteuert und das Signal des zweiten Infrarot-Empfängers 12 wird von der Auswerteelektronik 14 berücksichtigt, um Fehlereinflüsse der ersten Infrarot-Sender 06 und des ersten Infrarot-Empfängers 07 zu eliminieren. Das Sensorsignal wird über das Kabel 02 übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Sensorgehäuse
- 02
- Kabel
- 03
- Saphirscheibe
- 04
- erster Träger
- 05
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- 06
- erste Infrarot-Sender
- 07
- erster Infrarot-Empfänger
- 08
- Abstandshalter
- 09
- zweiter Träger
- 10
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- 11
- zweite Infrarot-Sender
- 12
- zweiter Infrarot-Empfänger
- 13
- Spiegelfläche
- 14
- Auswerteelektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007042254 A1 [0002]
- DE 102009037424 A1 [0004]
- DE 102010015084 A1 [0005]
- DE 102010031919 A1 [0006]
