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Die Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Messwertes im Rahmen der Bestimmung eines Verschleißes einer Maschine.
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Motoren- und Getriebekomponenten, geschmierte tribologische Systeme im Antriebsstrang, tribologische Systeme generell in industriellen Anwendungen wie zum Beispiel Lager, Hydraulik bzw. Hydraulikgeräte, Werkzeugmaschinen, etc. unterliegen dem Verschleiß. Eine wichtige Aufgabe besteht in der Erkennung beziehungsweise Bestimmung eines Verschleißes bei derartigen Gegenständen.
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Aus „Radionuclide Technique in Mechanical Engineering, Fehsenfeld, P. et al., 2nd World Tribology Congress, Vienna, 03.–07.09.2001" ist es bekannt, in einem Verbrennungsmotor die Zylinderwand radioaktiv zu markieren und den Verschleiß durch Veränderung der Aktivität, verursacht durch Materialverlust, zu beobachten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verschleißbestimmung bzw. -erkennung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die beanspruchte Vorrichtung dient zur Bereitstellung eines Messwertes im Rahmen der Bestimmung eines Verschleißes einer Maschine. Die Maschine steht mit einem Zwischenmedium derart in Wirkverbindung, dass Verschleißpartikel der Maschine in das Zwischenmedium gelangen. In der Vorrichtung ist eine Prüfeinrichtung vorgesehen. Die Prüfeinrichtung steht mit dem Zwischenmedium in Wirkverbindung. Die Prüfeinrichtung ist elektrochemisch bezüglich zumindest einer Komponente eines Verschleißpartikels sensitiv. Die Prüfeinrichtung stellt einen Messwert bereit. Der Messwert hängt von der Konzentration der Komponente- bzw. der Zwischenpartikel, falls diese und nicht deren Komponente von der Prüfeinrichtung detektiert werden – im Zwischenmedium ab. Der Messwert ist elektrochemisch ermittelt.
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Die Prüfeinrichtung ist also bezüglich der Komponente oder des gesamten Verschleißpartikels selbst sensitiv. Der Verschleißpartikel kann auch nur eine Komponente enthalten. Der Verschleißpartikel muss also nicht aus verschiedenen Verschleißkomponenten bestehen. Die Komponenten bzw. Verschleißpartikel befinden sich z.B. frei in der Maschine bzw. der Maschinenanordnung, also im System oder sind mittels Van-Der-Waals Kräften, Magnetismus oder Kapillareffekt koaguliert.
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Steigt z.B. die Konzentration von Cu2+-Ionen als Komponenten im Zwischenmedium, so ist dies ein Hinweis darauf, dass Verschleiß in kupferhaltigen Maschinen- bzw. Anlagenteilen bzw. einem kupferhaltigen Tribosystem der Anlage oder Maschine entsteht.
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Die Maschine ist also eine mit Zwischenmedium geschmierte und/oder gekühlte und/oder beschickte Maschine, eine Werkzeugmaschine, ein Motor, ein Getriebeantriebsstrang, eine Hydraulikvorrichtung, ein Lager, ein geschmiertes tribologisches System im Antriebsstrang, ein System generell in industriellen Anwendungen beziehungsweise deren Komponenten, zum Beispiel ein Ventil. Die Prüfeinrichtung arbeitet also nach einem elektrochemischen Prinzip, das heißt die Messwertermittlung am Zwischenmedium geschieht elektrochemisch.
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"Verschleiß" bedeutet dabei einen Verschleißgrad, der insbesondere anhand eines Verschleißkennwertes ausgedrückt wird. Überschreitet z.B. der Kennwert einen Grenzwert, ist ein entsprechendes Bauteil etc. z.B. auszutauschen oder zu reparieren. Verschleiß geht mit dem Anfallen von Verschleißpartikeln einher, die sich im Verschleißfall von der Maschine lösen. Diese gelangen in das Zwischenmedium und verteilen sich in diesem. Mit zunehmendem Verschleiß gelangen mehr und mehr Partikel in das Zwischenmedium, so dass die Konzentration der Verschleißpartikel steigt.
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Die Prüfeinrichtung ist auf "zumindest" eine Komponente des Partikels, z.B. ein bestimmtes chemisches Element, eine Verbindung oder einen Materialanteil etc., oder auch auf den gesamten Partikel sensitiv. So kann also auch der gesamte Verschleißpartikel bzw. dessen Konzentration im Zwischenmedium detektiert werden, wenn die Prüfeinrichtung nicht auf dessen Komponente, sondern auf den Partikel an sich sensitiv ist. Im Folgenden wird stellvertretend stets von "Komponente" gesprochen und damit auch die Option angesprochen, dass der gesamte Partikel gemeint ist.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen:
Gegenwärtig gibt es noch keine Analysemethode, die online Informationen über im System befindliche Verschleißpartikel liefern beziehungsweise derartige Verschleißpartikel online detektieren kann. "Online" bedeutet in Echtzeit bzw. mit einer maximalen Verzögerung im Sekunden- oder Minutenbereich, also zeitnah im laufenden Betrieb. Derzeit muss aus dem entsprechenden System, zum Beispiel einer Maschine mit Ölkreislauf (Öl ist das Zwischenmedium), eine Ölprobe entnommen werden. Nach der Probeentnahme müssen die Verschleißpartikel beziehungsweise entsprechende Elemente dann mittels Spektroskopie, zum Beispiel Infrarotspektroskopie, oder Titration in einem externen Labor ermittelt werden. Diese Methoden sind sehr zeitaufwendig und kostspielig. Online-Analysemethoden können derzeit nur Masse und magnetische Eigenschaften analysieren.
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In Bezug auf Verschleiß sind große Verschleißpartikel erst bei fortgeschrittenem abrasivem Verschleiß nachweisbar. Der abrasive Verschleiß schädigt jedoch die Systemkomponenten, bis deren Funktion eingeschränkt oder irreversibel geschädigt ist. Aufgabe für ein Systemmonitoring ist es daher, den Verschleiß rechtzeitig zu erkennen, bevor der abrasive Verschleiß bei den Systemkomponenten eintritt und die Funktion der Baugruppe beeinträchtigt wird.
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Die Tribokorrosion ist die erste auftretende Verschleißform. Bei auftretender Tribokorrosion befinden sich bereits Verschleißpartikel im Zwischenmedium, beispielsweise im Ölkreislauf. Die Verschleißpartikel liegen dann in Ionenform vor. Diese Ionen können durch eine ionenselektive Membran diffundieren und können somit detektiert werden. Mit den existierenden bzw. bisher bekannten Messmethoden können Metallpartikel in einem System bisher nur durch Probeentnahme, wie oben beschrieben, bestimmt werden. Mittels der ionenselektiven Membran ist es im Gegensatz hierzu möglich, zeitnah, das heißt "online", einzelne Elemente wie beispielsweise Cu2+, Pb2+ oder Cd2+ und andere zu detektieren. Die oben genannten radioaktiv arbeitende bekannte Messmethode eignet sich zur zeitnahen, das heißt "Online"-Messung, benötigt jedoch radioaktiv dotierte Systemkomponenten, um eine Verschleißdiagnostik durchzuführen. Die erfindungsgemäße Messung mit einer ionenselektiven Membran kann den Verschleiß bei dotierten sowie auch bei nicht dotierten Systemkomponenten detektieren.
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Gemäß der Erfindung gelingt eine elektrochemische Analyse des Zwischenmediums direkt vor Ort am Zwischenmedium zeitnah und online, ohne eine Probenentnahme und separate Analyse der Probe durchführen zu müssen. Gemäß der Erfindung kann auch ohne radioaktive Dotierung eines zu überwachenden Bauteils eine zeitnahe beziehungsweise andauernde Verschleißmessung stattfinden. Der ermittelte Messwert kann mit bekannten Verfahren ausgewertet werden, um von der Konzentration der Verschleißpartikel auf den tatsächlichen Verschleiß der Komponente zu schließen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Prüfeinrichtung eine mit dem Zwischenmedium in Wirkverbindung stehende ionenselektive Membran. Insbesondere ist die Membran Teil einer ionenselektiven Elektrode. Die Prüfeinrichtung ist dann bezüglich der zu überwachenden Maschine so angeordnet, dass das Zwischenmedium mit der aktuellen Konzentration der Verschleißpartikel in, insbesondere ständigem, Kontakt mit der Membran beziehungsweise der ionenselektiven Elektrode ist. Die augenblickliche Konzentration der Verschleißpartikel im Zwischenmedium kann somit sofort auch über die Membran beziehungsweise die ionenselektive Elektrode erfasst und als Messwert zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden. Somit ist eine sofortige beziehungsweise zeitnahe Ermittlung des aktuellen Verschleißes ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zwischenmedium ein ölhaltiges Medium oder ein Öl, eine ionische Flüssigkeit oder ein wässriges Schmiermittel. Alle diese Medien sind als Schmiermittel in Anwendung und der Anteil von beiden letztgenannten steigt mit höher werdenden Naturschutzanforderungen stark an. Insbesondere ist das Zwischenmedium in einem mit der Maschine kommunizierenden Schmier- und/oder Ölkreislauf enthalten, im Folgenden stellvertretend alle als "Ölkreislauf" bezeichnet. Somit ergibt sich ein System aus Maschine, Ölkreislauf und Vorrichtung, bei der das im Ölkreislauf der Maschine verwendete Öl zeitnah beziehungsweise augenblicklich auf die Verschleißpartikelkonzentration hin ausgewertet wird. In einem Ölkreislauf ist eine entsprechende Vorrichtung besonders einfach einzubringen und wird stets mit Öl der aktuellen Partikelkonzentration versorgt.
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Gemäß einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit Ölkreislauf ist die Prüfeinrichtung fluidisch in den Ölkreislauf integriert. Dies bewirkt, dass die Prüfeinrichtung vom Öl des Ölkreislaufs durchströmt beziehungsweise umströmt wird. So wird eine dauerhafte und sichere Versorgung der Prüfeinrichtung mit aktuell in der Maschine verwendeten Öl sichergestellt. Somit ist auch sichergestellt, dass die Partikelkonzentration an der Prüfeinrichtung mit der aktuell in der gesamten Maschine beziehungsweise Maschinenanordnung bzw. Ölkreislauf vorhandenen Partikelkonzentration übereinstimmt, sodass verlässliche und aktuelle Messwerte in der Prüfeinrichtung erzeugt werden, die auch den aktuellen Verschleiß wiederspiegeln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Komponente des Verschleißpartikels Zink (Zn), Kupfer (Cu), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co). Derartige Materialien können besonders gut durch entsprechende Vorrichtungen detektiert und in Messwerte abgebildet werden. Andererseits sind derartige Verschleißanteile üblicherweise in verschleißbehafteten Maschinenteilen vorhanden, sodass hier eine gute Aussagequalität über den Verschleiß verschiedener Maschinenteile möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Komponente des Verschleißpartikels in Ionenform, insbesondere in Metallionenform, vor. Entsprechende Komponenten in Ionen- beziehungsweise Metallionenform können besonders einfach durch entsprechende Prüfeinrichtungen, insbesondere ionenselektive Elektroden, detektiert und somit auf Messwerte abgebildet werden. Andererseits entstehen entsprechende Ionen insbesondere während der Tribokorrosion, das heißt zu Beginn auftretenden Verschleißes und erlauben so eine frühzeitige Erkennung von beginnendem Verschleiß an Maschinenkomponenten.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Komponente des Verschleißpartikels Cu2+ (Kupfer-Ion) und/oder Pb2+ (Blei-Ion) und/oder Cd2+ (Kadmium-Ion). Die entsprechenden Ionen können besonders gut durch entsprechende Prüfeinrichtungen in Messwerte abgebildet werden und treten andererseits bei den meisten üblichen verschleißbehafteten Maschinenteilen im Verschleißfall auf.
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Gemäß der genannten Ausführungsformen ist die Vorrichtung daher für weite Bereiche vorhandener Maschinen beziehungsweise verschleißbehafteter Maschinenelemente einsetzbar.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Maschinenanordnung. Diese enthält die oben genannte Maschine und das Zwischenmedium und die Vorrichtung.
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Die Maschinenanordnung und deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9. Das Verfahren dient zur Bereitstellung eines Messwertes im Rahmen der Bestimmung eines Verschleißes einer Maschine. Die Maschine steht mit dem Zwischenmedium derart in Wirkverbindung, dass Verschleißpartikel der Maschine in das Zwischenmedium gelangen. Bei dem Verfahren wird ein von der Konzentration der Verschleißpartikel im Zwischenmedium abhängiger Messwert elektrochemisch ermittelt und bereitgestellt. Insbesondere geschieht dies mit Hilfe einer mit dem Zwischenmedium in Wirkverbindung stehenden elektrochemisch arbeitenden Prüfeinrichtung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7. Die Prüfeinrichtung ist bezüglich zumindest einer Komponente der Verschleißpartikel sensitiv. Das Verfahren und dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7. Bei der Verwendung wird die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Messwertes im Rahmen der Bestimmung eines Verschleißes einer Maschine verwendet, wobei die Maschine mit einem Zwischenmedium derart in Wirkverbindung steht, dass Verschleißpartikel der Maschine in das Zwischenmedium gelangen. Bei der Verwendung stellt die mit dem Zwischenmedium in Wirkverbindung stehende Prüfeirichtung, die elektrochemisch bezüglich zumindest einer Komponente eines Verschleißpartikels sensitiv ist, einen von der Konzentration der Verschleißpartikel im Zwischenmedium abhängigen und elektrochemisch ermittelten Messwert bereit. Gemäß der Erfindung wird also insbesondere eine ionenselektive Elektrode für die Verschleißmessung verwendet. Die Verwendung und deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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Ausführungsformen der Erfindung, auch in Kombination der oben genannten Ausführungsformen, gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen, werden wie folgt zusammengefasst:
Gemäß der Erfindung erfolgt also eine Umsetzung einer elektrochemisch basierenden Prüfeirichtung zur Messung der Konzentration von Verschleißpartikeln. Dies wird durch ionenselektive Elektroden erzielt, welche die spezifischen Verschleißanteile im Zwischenmedium, insbesondere Motorenöl, sowie Elemente wie Zink, Kupfer, Eisen, Kobalt erfassen. Daraus lassen sich indirekt Rückschlüsse auf den Verschleiß schließen.
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Die Erfindung ist anwendbar auf Motoren und Getriebekomponenten, geschmierte tribologische Systeme im Antriebsstrang. Die Erfindung lässt sich auch für Motorenprüfstände zur In-situ-Messung der Reibung verwenden.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich also eine Onlinemessung von Metallionenkonzentrationen in Ölkreisläufen unter der Verwendung ionenselektiver Elektroden. Solche Elektroden sind für Messungen in wässrigen Lösungen bereits bekannt.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 eine Maschinenanordnung,
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2 einen Verschleißpartikel.
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1 zeigt eine Maschinenanordnung 2, hier einen Motorenprüfstand, mit einer Maschine 4, hier einem Verbrennungsmotor und einem Zwischenmedium 6, hier Motoröl. Ein Kühlkreislauf 8 der Maschine 4, in dem das Zwischenmedium 6 zirkuliert, ist zusätzlich symbolisch und vergrößert dargestellt. An der Maschine 4 beziehungsweise deren Ventilen, welche in 1 ebenfalls symbolisch separat dargestellt sind, fallen Verschleißpartikel 10 an, welche sich von der Maschine 4 lösen und somit in den Ölkreislauf 8 beziehungsweise das Zwischenmedium 6 gelangen.
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2 zeigt einen Verschleißpartikel 10 in stark vereinfachter beziehungsweise symbolischer Darstellung. Dieser weist unter Anderem verschiedene Komponenten 16a–c auf, die Bestandteil des Partikels sind. Die Komponente 16a ist ein Cu2+-Ion, die Komponente 16b ein Pb2+-Ion und die Komponente 16c ist ein Cd2+-Ion. 2 zeigt einen Verschleißpartikel 10 mit Komponenten 16a–c. In alternativen Ausführungsformen besteht der Verschleißpartikel 10 einzig aus jeweils einer der Komponenten 16a–c.
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Die Maschine 4 steht mit dem Zwischenmedium 6 in Wirkverbindung, nämlich indem sie, beziehungsweise deren Ventile, vom Zwischenmedium 6 durch- bzw. umströmt sind bzw. mit diesem in Kontakt kommen, sodass die Verschleißpartikel 10 in das Zwischenmedium 6 gelangen.
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Die Maschinenanordnung 2 weist außerdem eine Vorrichtung 12 auf, hier ein Online-Mess-System zur Verschleißbestimmung. Die Vorrichtung 12 dient zur Bereitstellung von Messwerten 20a–c, welche im Rahmen der Bestimmung eines Verschleißes an der Maschine 4 verwendet werden. Die Vorrichtung 12 enthält eine Prüfeinrichtung 14, die mit dem Zwischenmedium 6 in Wirkverbindung steht. Dies ist dadurch bewerkstelligt, dass das Zwischenmedium 6 die Prüfeinrichtung 14 berührt beziehungsweise umspült. Die Prüfeinrichtung 14 ist elektrochemisch bezüglich einer Komponente 16a–c der Verschleißpartikel 10 sensitiv. Die Verschleißpartikel 10 sind Abrieb- bzw. Verschleißanteile der genannten Ventile, wobei der Abrieb bzw. Verschleiß durch Tribokorrosion erfolgt.
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Die Komponenten 16a–c liegen in jeweiligen Konzentrationen 18a–c im Zwischenmedium 6 vor. Die Prüfeinrichtung 14 ermittelt jeweilige Messwerte 20a–c auf elektrochemischem Weg, wobei jeder der Messwerte 20a–c von der jeweiligen Konzentration 18a–c der Komponente 16a–c im Zwischenmedium 6 abhängt. Die Prüfeinrichtung 14 enthält hierzu jeweilige, mit dem Zwischenmedium 6 in Wirkverbindung stehende, nämlich vom Zwischenmedium 6 umspülte, ionenselektive Membranen 22a–c, wobei jede der ionenselektiven Membranen 22a–c für eine jeweilige Komponente 16a–c durchlässig- und insbesondere für andere Substanzen undurchlässig – ist. Jede Membran 22a–c ist Teil einer ionenselektiven Elektrode 24a–c. Im Beispiel ist die Prüfeinrichtung 14 fluidisch in den Ölkreislauf 8 integriert. So sind die Elektroden 24a–c beziehungsweise Membranen 22a–c fluidisch vom Zwischenmedium 6 umspült.
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Die Vorrichtung 12 enthält im Beispiel eine Auswerteeinheit 26, hier symbolisch als Computerbildschirm dargestellt, in welcher die Messwerte 20a–c weiter verarbeitet werden. Dies geschieht, indem die Messwerte 20a–c (im Beispiel nur für den Messwert 20a dargestellt) über einer Zeit t aufgetragen werden. Mit anderen Worten wird also die Konzentration C der Cu2+-Ionen im Zwischenmedium 6 (Maschinenöl) über der Zeit t aufgetragen.
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Aus dem Zeitverlauf der Konzentration C wird in einem üblichen, nicht näher erläuterten Auswerteverfahren der Verschleiß V in der Maschine 4 bestimmt. Wie in 1 erkennbar, steigt ab einem Zeitpunkt t0 die Konzentration C an, sodass ab diesem Zeitpunkt t0 ein kritischer Verschleiß V festgestellt wird, weshalb das dem Verschleiß V unterliegende Bauteil beziehungsweise Komponente der Maschine 4 nun auszutauschen ist, was in einem demnächst stattfindenden Wartungsintervall beziehungsweise Wartungsstillstand der Maschine 4 erfolgen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Maschinenanordnung
- 4
- Maschine
- 6
- Zwischenmedium
- 8
- Kühlkreislauf
- 10
- Verschleißpartikel
- 12
- Vorrichtung
- 14
- Prüfeinrichtung
- 16a–c
- Komponente
- 18a–c
- Konzentration
- 20a–c
- Messwert
- 22a–c
- Membran
- 24a–c
- Elektrode
- 26
- Auswerteeinheit
- C
- Konzentration
- t
- Zeit
- t0
- Zeitpunkt
- V
- Verschleiß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Radionuclide Technique in Mechanical Engineering, Fehsenfeld, P. et al., 2nd World Tribology Congress, Vienna, 03.–07.09.2001“ [0003]
