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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Untersuchen von rheologischen Eigenschaften, insbesondere der Pumpbarkeit von Schmierfett.
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Hintergrund der Erfindung
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Systemkomponenten, die für das System als Ganzes kritisch sind, benötigen eine zuverlässige Schmierung. Oft ist dies der Fall für (Gleit-)Lager. Bekannt ist der Einsatz von automatischen Schmiersystemen, die eine oder mehrere Schmierfettpumpen für diesen Zweck einschließen. Die Wahl der entsprechenden Schmierfette ist für das Funktionieren von automatischen Schmiersystemen entscheidend, da sichergestellt werden muss, dass das Schmiermittel sein gewünschtes Ziel erreicht. Selbst wenn ein zufrieden stellendes Schmiermittel ermittelt wurde, können ökologische und wirtschaftliche Anforderungen sowie neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Tribologie und Rheologie eine Veränderung des Typs des verwendeten Schmiermittels erfordern.
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Allerdings eignen sich zahlreiche Typen von Schmierfett nicht für ein Pumpen. Die Eigenschaft „Pumpbarkeit“ versteht sich als das Verhalten von Schmiermitteln, wenn sie unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen gepumpt werden.
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Unter den verschiedenen Schmiermitteltypen ist das rheologische Verhalten von Schmierfett besonders komplex, weil Schmierfett ein mehrphasiges Produkt ist, das Basisöle und ein oder mehrere Füllstoffmaterialien einschließt. Unter bestimmten Belastungen und innerhalb seines Temperaturanwendungsbereichs zeigt Schmierfett die Eigenschaften eines Festkörpers, erfährt eine plastische Verformung und beginnt wie eine Flüssigkeit zu fließen, sollte die Belastung den kritischen Punkt erreichen, und erlangt wieder Festkörpereigenschaften nach der Entfernung des Drucks bzw. der Spannung.
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Einer der Parameter, der häufig gemessen oder angegeben wird, ist die Schmierfettkonsistenz, die gemäß einer vom NLGI (Staatliches Schmierfett-Institut) entwickelten Skala klassifiziert wird. Die Skala basiert auf dem Penetrationsgrad, der erreicht wird, indem man einen Standardkegel in das Schmierfett einsinken lässt, das für 60 Hübe in einem Schmierfett-Kneter bei einer Temperatur von 25°C für einen Zeitraum von 5 Sekunden arbeiten gelassen wurde. Die Eindringtiefe wird auf einer Skala von 10-1 mm gemessen. Die weicheren Schmierfette erlauben dem Kegel ein weiteres Eindringen in das Schmierfett und haben von daher eine höhere Penetrationszahl. Das Testverfahren entspricht ISO 2137.
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Leider ist es praktisch unmöglich, die Schmierfettkonsistenz mit Hilfe des ISO 2137-Verfahrens unter Feldbedingungen zu bestimmen. Die Anmelder haben daher ein Schmierfett-Testkit mit einem einfachen Konsistenztest entwickelt, in dem eine Schmierfettprobe mit einem vorbestimmten Volumen und einer anfänglich kreisförmigen Gestalt zwischen zwei kreisförmige Glasplatten sandwichartig gelegt wird und dann 15 Sekunden lang durch Stellen eines Gewichts auf den Stapel gepresst wird. Der Schmierfettfleck breitet sich aufgrund des Gewichts aus, und der daraus resultierende Durchmesser wird gemessen und als ein Indikator für die ungefähre NLGI-Zahl verwendet.
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Allerdings ist die Schmierfettkonsistenz nicht ausreichend, um die Pumpbarkeit zu bestimmen, weil verschiedene Schmierfette mit der gleichen Konsistenz unterschiedliche Pumpbarkeiten haben können.
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Die Pumpbarkeit von Schmierfett wird heutzutage hauptsächlich in einem Labor mit Hilfe eines so genannten Ventmeters bestimmt, wobei das Schmierfett in einem langen Schlauch unter Druck gesetzt wird und dann durch Öffnen eines Entlüftungsventils entlassen wird. Der verbleibende Druck des Schmierfett in dem Schlauch wird als ein Indikator für die Pumpbarkeit und für Empfehlungen für einen Mindestschlauchdurchmesser genutzt, der für die Verwendung des getesteten Schmierfetts in einem Schmiersystem erforderlich ist.
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Ventmeter haben den Nachteil, komplex zu sein und häufig vor Ort nicht verfügbar zu sein. Jedoch müssen Hersteller von (Gleit-)Lagern oder von automatischen Schmiersystemen Empfehlungen hinsichtlich der Schmierfett-Pumpbarkeit und hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften von Schmierfett am Kundenstandort geben. Bei der Verwendung von Schmierfett mit guter Pumpbarkeit können die Mengen an Schmiermitteln, die für die Nachschmierung von (Gleit-)Lagern erforderlich sind, erheblich reduziert werden, was bedeutet, dass der Verbrauch an Schmiermitteln gesenkt wird und die Umweltbelastung verringert wird.
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US 2013/0152674 A1 offenbart ein System zum Untersuchen von rheologischen Eigenschaften von Schmierfett nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
JP S59-143937 A ist eine Vorrichtung zum Messen der Fließfähigkeit insbesondere einer Tinte bekannt, bei der eine Tintenprobe, während sie zwischen zwei Platten zusammengedrückt wird, durch ein Fenster beobachtbar ist.
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Allerdings verlangt ein Befolgen der Empfehlungen, dass einfache Mittel bzw. Vorrichtungen zum Überprüfen der Schmierfett-Pumpbarkeit vor Ort verfügbar sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen tragbaren Systems zum Messen der rheologischen Eigenschaften eines Schmierfetts, wie Viskosität, Fließfähigkeit und/oder Pumpbarkeit.
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Die Erfindung betrifft ein System zum Untersuchen der rheologischen Eigenschaften, insbesondere der Pumpbarkeit von Schmierfett, wie in Anspruch 1 definiert.
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In diesem Zusammenhang kann der Ausdruck „untersuchen“ das Beobachten der Bewertung oder des Messens einschließen. Da eine allgemein anerkannte Einheit für die Pumpbarkeit nicht existiert, sollen qualitative sowie quantitative Verfahrensweisen eingeschlossen sein. Zusätzlich zu der Pumpbarkeit können die untersuchten rheologischen Eigenschaften die scheinbare Viskosität (Rate bzw. Geschwindigkeit, mit welcher der Fleck anwächst), die Fließfähigkeit oder die Fließspannung (die letztendliche Größe des Flecks) einschließen. Mehrere von diesen Parametern können ebenfalls mit Hilfe des Systems und des Verfahrens gemäß der Erfindung in einem Einzelexperiment bestimmt werden.
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Die Erfindung schlägt die Bereitstellung der Belastungseinrichtung als ein Gewicht mit mindestens einem transparenten Bereich vor, welcher eine ständige Beobachtung der Ausbreitung des Flecks erlaubt, während die vorbestimmte Kraft auf die Schmierfettprobe einwirkt. Der transparente Bereich in Kombination mit der transparenten Probenhalterplatte erlaubt eine ständige Beobachtung der Fleckausbreitung, die dann evaluiert werden kann, um ergänzende Informationen über die rheologischen Eigenschaften des Schmierfetts zu erhalten, die über dessen NLGI-Zahl hinausgehen.
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Die Erfinder haben gezeigt, dass die dynamische Ausbreitung der Schmierfettprobe in einem Rheometer mit einem einfachen Design mit zwei Platten, zwischen denen die Probe eingeklemmt ist, von denselben relevanten rheologischen Parametern wie das Fließen in Ventmetern mit einer Rohrleitungsgeometrie bestimmt wird und dass die rheologischen Parameter von dieser dynamischen Ausbreitung, wenn sie beobachtet wird, abgeleitet werden können. Mit anderen Worten, die mit einer Vorrichtung mit einer Rohrleitungsgeometrie erzielten Resultate können in die Resultate, die mit einer Vorrichtung mit der Geometrie gemäß der Erfindung erhalten werden und umgekehrt, übersetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gewicht völlig aus Glas hergestellt, wobei schwere Metallteile bzw. Schwermetallteile in das Glas eingebettet sein können. Alternativ kann das Gewicht einen Metallkörper, z.B. aus rostfreiem Stahl, haben und weiter ein transparentes Fenster einschließen.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass das System einen Rahmen zum Ausrichten der Probenhalterplatten und die Belastungseinrichtung umfasst, wobei der Rahmen insbesondere die horizontale Orientierung des Gewichts unterstützen kann. Ferner kann der Rahmen mit seitlichen Vertiefungen mit einem Durchmesser von 1 - 3 cm versehen sein, was das Einführen von Fingern zum Herausnehmen des Gewichts aus dem Rahmen nach Abschluss der Messung oder das Einlegen der Komponenten in den Rahmen erlaubt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System eine Kamera zum Aufzeichnen der Ausbreitung des Flecks und/oder Haltevorrichtungen zum Fixieren der Kamera in einem vorbestimmten Abstand von der Schmierfettprobe. Die Haltevorrichtungen können in Kombination mit jeder Kamera, z.B. einer Kamera eines Mobiltelefons, verwendet werden.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass das System Mittel zur Datenverarbeitung umfasst, konfiguriert für die Bestimmung der Größe des Flecks für eine Vielzahl von Zeitpunkten aus den durch die Kamera aufgezeichneten Daten und zur Bestimmung eines Pumpbarkeitsparameters, der die Pumpbarkeit der Schmierfettprobe auf Basis der Entwicklung der Größe des Flecks im Zeitverlauf quantifiziert.
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Das Mittel zur Datenverarbeitung kann als Software eines PC oder vorzugsweise als Anwendungssoftware eines tragbaren Geräts, wie eines Tablet-Computers oder eines Mobiltelefons, realisiert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel zur Datenverarbeitung für die Berechnung eines Fleckdurchmessers als eine Funktion der Zeit und die Bestimmung eines Pumpbarkeitsparameters auf Basis einer zeitlichen Ableitung des Fleckdurchmessers konfiguriert.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das System Mittel zur Kontrolle bzw. zur Regulierung der Temperatur der Schmierfettprobe umfasst. Das Mittel zur Regulierung der Temperatur kann z.B. als ein Peltier-Element mit einer Batterie oder mit einer Stromversorgung, kombiniert mit der Stromversorgung des Mittels zur Datenverarbeitung, z.B. einer USB-Schnittstelle, ausgebildet sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Pumpbarkeit von Schmierfett unter Verwendung eines Systems gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte des Herstellens einer Schmierfettprobe mit einer vorbestimmten Menge an Schmierfett, des sandwichartigen Legens der Schmierfettprobe zwischen zwei Probenhalterplatten und des Ausübens eines vorbestimmten Drucks auf die Schmierfettprobe einschließt, so dass ein durch die Schmierfettprobe auf den Probenhalterplatten gebildeter Fleck ausgebreitet wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren weiter die Schritte des kontinuierlichen Beobachtens der Ausbreitung der Schmierfettprobe mittels des transparenten Bereichs der Belastungseinrichtung und des Ableitens der Schmierfett-Pumpbarkeit aus der Entwicklung der Fleckgröße der Schmierfettprobe im Zeitverlauf umfasst.
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Die oben stehenden Ausführungsformen der Erfindung sowie die anhängigen Ansprüche und Figuren zeigen mehrere charakterisierende Merkmale der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Der Fachmann ist ohne Weiteres in der Lage, weitere Kombinationen oder Subkombinationen von diesen Merkmalen zu berücksichtigen, um die Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, seinen oder ihren Bedürfnissen anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 veranschaulicht das Komponentensystem gemäß der Erfindung;
- 2a - 2c veranschaulichen die Schritte eines Verfahrens unter Verwendung des Systems gemäß der 1 zum Messen der Pumpbarkeit von Schmierfett; und
- 3 ist eine Grafik, die den Fleckdurchmesser der Schmierfettprobe für verschiedene Typen von Schmierfett zeigt.
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Detallierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Die 1 veranschaulicht das Komponentensystem zum Messen der Pumpbarkeit von Schmierfett gemäß der Erfindung. Das System schließt eine Glasmaske 10 mit einer kreisrunden Bohrung 12 als Mittel zur Herstellung einer Schmierfettprobe mit einer vorbestimmten Menge an Schmierfett und einen Stapel von Probenhalterplatten 14 zum Halten der Schmierfettprobe ein. Die Probenhalterplatten 14 sind einfache kreisförmige transparente Glasplatten.
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Außerdem umfasst das System ein massives kreisförmiges Gewicht 16 als Belastungseinrichtung zur Erzeugung einer vorbestimmten Kraft, die auf die Schmierfettprobe einwirkt, wie weiter unten detaillierter erläutert wird. Die Außendurchmesser des Gewichts 16, der Glasmaske 10 und der Probenhalterplatten 14 sind identisch, so dass diese Komponenten aufeinander gestapelt werden können, um so einen vollkommen zylindrischen Stapel zu bilden. Der Außendurchmesser des Stapels entspricht einem Innendurchmesser eines kreisrunden Lochs 18, das in einem Rahmen 20 des Systems gebildet ist. Das Loch 18 in dem Rahmen 20 hat zwei seitliche Vertiefungen 22, 22' auf gegenüberliegenden Seiten, was das Einführen von Fingern zum Einbringen des Gewichts 16, der Probenhalterplatten 14 oder der Maske 10 in den Rahmen 20 oder zum Herausnehmen von diesen ohne Bewegen des Rahmens 20 erlaubt.
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Ferner umfasst das System ein Maßstabsblatt 24 mit einem gedruckten kalibrierten Maßstab von Ringen mit vorbestimmten Durchmessern, die unterschiedlichen NLGI-Güteklassen entsprechen. Die Ringe haben unterschiedliche Farben, die jeweils Farben von Nummern entsprechen, welche eine auf das Maßstabsblatt 24 gedruckte NLGI-Güteklasse anzeigen.
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Ferner umfasst das System ein Mittel 26 zum Kontrollieren bzw. Regulieren der Temperatur der Schmierfettprobe, wobei das Mittel als ein Peltier-Element mit einer Batterie in der veranschaulichten Ausführungsform ausgebildet ist.
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Darüber hinaus umfasst das System eine Kamera 29a und eine Datenverarbeitungseinrichtung 29b, die beide in einem Smartphone 29 in der veranschaulichten Ausführungsform eingeschlossen sind. In dem Smartphon 29 ist eine Anwendungssoftware installiert, welche die Ausbreitung des Flecks aufzeichnet und die Größe des Flecks für mehrere Zeitpunkte von den durch seine Kamera 29a aufgezeichneten Daten bestimmt, und um einen Pumpbarkeitsparameter zu bestimmen, welcher die Pumpbarkeit der Schmierfettprobe auf Basis der Entwicklung der Größe des Flecks im Zeitverlauf quantifiziert.
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Schließlich schließt das System eine Haltevorrichtung 30 oder eine Kapsel zum Fixieren der Kamera 29a in einem vorbestimmten Abstand von der Schmierfettprobe ein.
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Gemäß der Erfindung wird die als ein Gewicht 16 ausgebildete Belastungseinrichtung in einem transparenten Bereich 32, der als ein Glasfenster ausgebildet ist, bereitgestellt, was eine kontinuierliche Beobachtung der Ausbreitung des Flecks erlaubt, während die vorbestimmte Kraft auf die Schmierfettprobe einwirkt.
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Ein Verfahren zur Bestimmung der Pumpbarkeit von Schmierfett durch Verwenden eines Systems, wie weiter oben zum Messen der Pumpbarkeit des Schmierfetts beschrieben, wird in der 2a - 2c veranschaulicht.
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Die 2a veranschaulicht den Schritt der Herstellung einer Schmierfettprobe 34 mit einer vorbestimmten Menge an Schmierfett. Der Anwender vergewissert sich, dass die Komponenten sauber sind, stellt den Rahmen 20 auf einen Tisch und führt das Gewicht 16, eine erste Probenhalterplatte 14 und die Glasmaske 10 in den Rahmen 20 in dieser Reihenfolge ein. Die Mittelbohrung 12 der Glasmaske 10 wird dann mit der zu untersuchenden Schmierfettprobe 34 mit Hilfe eines Spatels gefüllt, und überschüssiges Schmierfett, das über die Oberseite der Maske 10 herausragt, wird beseitigt (nicht veranschaulicht). Das Innenvolumen der Bohrung 12 in der Glasmaske 10 bestimmt das Volumen der Schmierfettprobe 34. Wenn die Glasmaske 10 dann abgenommen wird, bleibt ein kreisrunder Fleck von Schmierfett mit einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Bohrung entspricht, und einer Dicke, die der Dicke der Maske 10 entspricht, auf dem ersten Probenhalter 14 zurück.
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Das Gewicht 16 und der Probenhalter 14 mit der Schmierfettprobe 34 werden dann aus dem Rahmen 20 genommen und der Rahmen 20 wird auf die Blattskala 24 gelegt, so dass das Zentrum der konzentrischen Kreise auf der Blattskala im Zentrum des Rahmens 20 positioniert ist. Wenn eine Temperaturkontrolle erwünscht ist, kann die Blattskala 24 mit dem Rahmen 20 auf das Heizmittel 26 gelegt werden.
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Wie in der 2b veranschaulicht, wird die Kamera 29a dann auf dem Kamerahalter 30 montiert und über dem Zentrum des Rahmens 20 positioniert, so dass eine Betrachtung der Probe von oben erfolgt. Dann wird der Probenhalter 14 mit der Schmierfettprobe 34 in den Rahmen 20 mit der Schmierfettprobe 34 auf seiner Oberseite gesetzt, ein zweiter Probenhalter 14' wird behutsam auf die Schmierfettprobe 34 daraufgesetzt, so dass die Schmierfettprobe 34 zwischen den zwei Probenhalterplatten 14, 14' zu liegen kommt, und am Ende wird das Gewicht 16 oben auf den Stapel gelegt, während die Kamera 29a aufzeichnet. Beim Platzieren des Gewichts 16 auf die Oberseite des Stapels hat der Anwender darauf zu achten, dass kein Druck auf das Gewicht 16 ausgeübt wird und das Sichtfeld der Kamera 29a mit seinen Fingern nicht behindert wird.
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Während das Gewicht 16 auf der obersten Probenhalterplatte 14 liegt, übt es eine vorbestimmtenBelastung auf die Schmierfettprobe 34 in einer vertikalen Richtung aus, so dass der Außendurchmesser D(t) des durch die Schmierfettprobe 34 auf den Probenhalterplatten 14 gebildeten Flecks sich mit der Zeit auszubreiten beginnt, bis ein Maximum erreicht ist.
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Das System mit dem ausgebreiteten Fleck ist in der 2c veranschaulicht. Die Ausbreitung wird kontinuierlich durch die Kamera 29a mittels des transparenten Bereichs 32 des Gewichts 16 aufgezeichnet.
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Nach der Aufzeichnung der Ausbreitung kalibriert das Datenverarbeitungsgerät 29b die Messung, z.B. durch Berechnen einer Elliptizität und eines Durchmessers des Gewichts 16 oder des Lochs 18 in dem Rahmen 20 und durch Durchführen einer Bildumwandlung und Skalieren auf den durch die Kamera 29a aufgezeichneten Bildern, um so eine kreisförmige Gestalt mit einem vorbestimmten Durchmesser in dem umgewandelten Bild zu erreichen.
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Danach extrahiert das Datenverarbeitungsgerät 29b den Durchmesser D(t) des Flecks aus den durch die Kamera 29a aufgenommenen Bildern und speichert die so extrahierten Durchmesser D(t) in einer Zeitreihe.
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Die 3 ist eine Grafik, die den Fleckdurchmesser der Schmierfettprobe 34 für verschiedene Typen von Schmierfett zeigt. Die Grafik mit den rechteckigen Punkten entspricht einem Schmierfett mit einer guten Pumpbarkeit mit einem steilen anfänglichen Anstieg und einer relativ kurzen Zeit, um sein Maximum zu erreichen, wohingegen die Grafik mit den rautenförmigen Punkten einem Schmierfett mit einer geringeren Pumpbarkeit entspricht. Während der Enddurchmesser des Flecks nach 15 s Messzeit ein Wert ist, von dem eine gute Annäherung für die NLGI-Konsistenz abgeleitet werden kann, zeigt der Vergleich zwischen den Kurven in der 3, dass verschiedene Schmierfette mit mehr oder weniger der gleichen NLGI-Konsistenz bemerkenswerte Unterschiede in ihren jeweiligen Fließgeschwindigkeiten und Verhalten in Anfangs- und Zwischenphasen der Ausbreitung zeigen können.
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Das Datenverarbeitungsgerät 29b untersucht diese Parameter, um einen Parameter oder Informationen bezüglich der Schmierfett-Pumpbarkeit aus der Entwicklung der Fleckgröße der Schmierfettprobe 34 im Zeitverlauf abzuleiten. Zu diesem Zweck kann das Datenverarbeitungsgerät 29b z.B. die Steigung oder höhere zeitliche Ableitungen der Kurve in der Anfangsphase der Ausbreitung oder eine Konstante, die beschreibt, wie der Fleckdurchmesser sich seinem asymptotischen Wert annähert, berechnen. Die genaue Beziehung zwischen den Parametern der Kurven und der Pumpbarkeit können heuristisch unter Verwendung von Schmierfetten mit Pumpbarkeitswerten, die in einem Labor gemessen wurden, ermittelt werden.
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Auf der Grundlage dieser Daten zu den rheologischen Schmierfetteigenschaften zeigt das Datenverarbeitungsgerät 29b Empfehlungen hinsichtlich der Schmierfett-Pumpbarkeit, wie den Leitungsdurchmesser und die Leitungslänge, zusätzlich zu der NLGI-Konsistenzzahl an.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die automatische Untersuchung der Schmierfett-Pumpbarkeit, wie oben beschrieben, keine Blattskala erfordert, weil es möglich ist, die Kamera 29a bloß durch Bildverarbeitung zu kalibrieren. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die automatische Evaluierung beschränkt, und eine Blattskala kann einem menschlichen Beobachter das Beobachten der Ausbreitung und die Beurteilung der Pumpbarkeit ermöglichen. Wenn die Beurteilung durch einen Menschen als ausreichend zuverlässig gilt, könnte auf die Kamera 29a und den Halter der Kamera 29a sowie das Datenverarbeitungsgerät 29b verzichtet werden.
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Das Gerät ist billig herzustellen, ist tragbar und optisch. Es ist schnell und leicht im Gebrauch, einfach und von einem bereits existierenden Toolkit-Gerät zum Messen der Schmierfettkonsistenz abgeleitet.
