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Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln, insbesondere einer Partikeldichte dieser magnetischen Partikel.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Verwendung der Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln.
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Die Verwendung von magnetischen Partikeln in Schmierstoffen ist für diverse Anwendungen, beispielsweise bei Lastkränen, Fahrstühlen, Skiliften, bekannt. Bei den hier explizit genannten Anwendungsbeispielen wird der Schmierstoff für Gerätschaften genutzt, die in der Regel „auf freiem Feld“ oder stationär montiert betrieben werden. Durch Ermitteln bestimmter Kenngrößen der im jeweiligen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikel kann eine Aussage über die sicherheitsrelevanten Eigenschaften des Schmierstoffs getroffen werden. Die Möglichkeit zur Ermittlung derartiger Kenngrößen vor Ort ist daher erstrebenswert.
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Die Detektion von magnetischen Partikeln selbst ist aus anderen Anwendungen durchaus bekannt. So beschreibt zum Beispiel die
US 8 728 825 B2 einen auf dem GMR-Effekt (GMR Giant Magneto Resistance - Riesenmagnetowiderstand) beruhenden magnetoresistiven Biosensor zum Detektieren von kleinen magnetischen Partikeln, die biologischen Molekülen anhaften. Die magnetischen Partikel können als eine Art magnetische Marker der biologischen Moleküle aufgefasst werden. Sie sind zum Beispiel superparamagnetische Partikel mit wohldefinierten Eigenschaften und werden auch als „Beads“ bezeichnet.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln bereitzustellen, die eine simpel durchführbare Messung ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln ist vorgesehen, dass die Detektionsvorrichtung die folgenden Komponenten aufweist:
- (a) eine Aufnahmeeinheit, in der ein Aufnahmeraum für eine Probe des Schmierstoffs ausgebildet ist,
- (b) eine Magneteinheit zur gezielten magnetischen Beeinflussung der magnetischen Partikel einer in den Aufnahmeraum eingebrachten Probe mittels eines von der Magneteinheit generierten veränderbaren Magnetfeldes, welches den Aufnahmeraum durchdringt,
- (c) einen XMR-Sensor zum Messen der magnetischen Flussdichte µ im Aufnahmeraum und
- (d) eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Kenngröße aus dem Sensorsignal des XMR-Sensors. Die Kenngröße der Partikel ist insbesondere eine Partikeldichte der magnetischen Partikel. Der XMR-Sensor kann auf jedem unter dem Begriff XMR (X-Magneto-Resistive) zusammengefassten magneto-resistiven Effekt beruhen. Dies sind die folgenden Sensortypen: Giant Magneto-Resistive (GMR: Riesenmagnetowiderstand), Anisotropic Magneto-Resistive (AMR), Colossal Magneto-Resistive (CMR), Tunneling Magneto-Resistive (TMR) und Extraordinary Magneto-Resistive (EMR) Sensoren. Die Verwendung eines GMR-Sensors zur Detektion mindestens einer Kenngröße von magnetischen Partikeln an sich ist - wie eingangs erwähnt - bekannt. Die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung ermöglicht es nun die Kenngrößen von magnetischen Partikeln, die in einen Schmierstoff eingebunden sind, auf einfache Weise vor Ort relativ genau zu ermitteln. Die Detektionsvorrichtung ist dazu eine mobile Detektionsvorrichtung, insbesondere eine tragbare Detektionsvorrichtung.
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Mit Vorteil weist die Detektionsvorrichtung zwei XMR-Sensoren auf, wovon einer die magnetische Flussdichte µ der Probe im Aufnahmeraum misst und der andere als Referenzsensor „vom Einfluss der Probe abgekoppelt ist“.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magneteinheit eine Magneteinheit für ein gezieltes Durchfahren einer Magnetfeldstärke-Schleife zur Aufnahme einer Hysteresekurve mittels des XMR-Sensors ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahmeeinheit abnehmbar und/oder austauschbar am Rest der Detektionsvorrichtung befestigt. Eine derartige Ausgestaltung der Detektionsvorrichtung erlaubt eine bequeme Durchführung einer Messung der magnetischen Flussdichte µ mit Probe und einer Referenzmessung der magnetischen Flussdichte µ ohne Probe.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Aufnahmeeinheit derart eingerichtet ist, dass mittels Rakeltechnik eine wohldefinierte Probe in den Aufnahmeraum einbringbar ist. Die Aufnahmeeinheit bildet dazu beispielsweise eine trogförmige Begrenzung des Aufnahmeraums mit ebenem Randbereich, über dem man mit einem entsprechenden Rakel streichen kann, um den Aufnahmeraum bis zum Rand mit Schmierstoff zu füllen. Die resultierende Probe nimmt den Aufnahmeraum dann vollständig ein.
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Die Detektionsvorrichtung weist bevorzugt ein Gehäuse auf, welches mindestens eine der Komponenten (i) XMR-Sensor, (ii) Auswerteeinheit und (iii) Magneteinheit einhaust. Bevorzugt haust das Gehäuse zumindest den XMR-Sensor und die Auswerteeinheit ein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetischen Partikel ferromagnetische Partikel und/oder superparamagnetische Partikel sind. Derartige Partikel finden in der Regel Anwendung in Schmierstoffen.
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Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die Kenngrößen von gleichzeitig in der Probe vorhandener ferromagnetischer Partikel und superparamagnetische Partikel getrennt zu ermitteln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetischen Partikel eine Partikelgröße im sub-Mikrometerbereich, insbesondere im Nanometerbereich, aufweisen. Unter dem Begriff sub-Mikrometerbereich sind insbesondere Abmessungen der Partikel zu verstehen, die kleiner als 1 Mikrometer (1 µm) sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Detektionsvorrichtung zur Detektion mindestens einer Kenngröße von magnetischen Partikeln, insbesondere einer Partikeldichte dieser Partikel, in einem Schmierstoff ist vorgesehen, dass die Detektionsvorrichtung als vorstehend genannte Detektionsvorrichtung ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln, insbesondere einer Partikeldichte, sind die folgenden Schritte vorgesehen:
- (a) Einbringen einer Probe des Schmierstoffs in einen Aufnahmeraum,
- (b) gezieltes magnetisches Beeinflussen der magnetischen Partikel der in den Aufnahmeraum eingebrachten Probe mittels eines veränderbaren Magnetfeldes H, welches den Aufnahmeraum durchdringt,
- (c) Messen der magnetischen Flussdichte µ im Aufnahmeraum mittels eines XMR-Sensors bei zumindest zwei unterschiedlichen Magnetfeldeinstellungen und
- (d) Ermitteln der Kenngröße aus dem Sensorsignal des XMR-Sensors.
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Bei dem Detektionsverfahren ist insbesondere vorgesehen, dass eine Messung der magnetischen Flussdichte µ mit Probe und eine Referenzmessung der magnetischen Flussdichte µ ohne Probe durchgeführt wird. Die Messung mit Probe wird anschließend ins Verhältnis zur Messung ohne Probe gesetzt. Im einfachsten Fall wird eine Differenzmessung vorgenommen. Auf diese Weise können mögliche magnetische Störeinflüsse eliminiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die gezielte magnetische Beeinflussung der magnetischen Partikel ein gezieltes Durchfahren einer Magnetfeld-Schleife und das Messen der magnetischen Flussdichte µ ein Aufnehmen einer entsprechenden Hysteresekurve mittels des XMR-Sensors ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich noch ein Computerprogrammprodukt umfassend Programmteile, die in einem Prozessor einer computerbasierten Steuer- und Auswerteeinheit geladen zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Detektionsvorrichtung zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einem Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine Draufsicht auf einen aktiven Sensorbereich eines als GMR-Sensor ausgebildeten XMR-Sensors der Detektionsvorrichtung.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Detektionsvorrichtung 10 zur Detektion mindestens einer Kenngröße von in einen Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln. Die gezeigte Detektionsvorrichtung 10 kann dabei grob in fünf Hauptkomponenten unterteilt werden. Dieses sind: (a) eine Aufnahmeeinheit 12 in der ein Aufnahmeraum 14 für eine Probe 16 des Schmierstoffs ausgebildet ist, (b) eine Magneteinheit 18 zur gezielten magnetischen Beeinflussung der magnetischen Partikel 20, 22 der in den Aufnahmeraum eingebrachten Probe 16 mittels eines von der Magneteinheit 18 generierten veränderbaren Magnetfeldes, welches den Aufnahmeraum 14 durchdringt, (c) ein als GMR-Sensor ausgebildeten XMR-Sensor 24 zum Messen der magnetischen Flussdichte µ im Aufnahmeraum 14, (d) eine computerbasierte Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 mit einer Steuereinheit 28 (auch Steuergerät oder Control Unit genannt) zur Steuerung des Detektionsprozesses der Detektionsvorrichtung 10 sowie eine Auswerteeinheit 30 zur Ermittlung der Kenngröße aus dem Sensorsignal des XMR-Sensors 24 und (e) ein - vorzugsweise öffenbares - Gehäuse 32, welches den XMR-Sensor 24, und die Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 einhaust. Die genannten Einheiten 28, 30 der computerbasierten Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 sind im wesentlichen Softwaremodule.
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Prinzipiell kann die Aufnahmeeinheit 12 ebenfalls innerhalb des Gehäuses 32 angeordnet sein oder auch vom Gehäuse 32 gebildet werden. Im gezeigten Beispiel ist die Aufnahmeeinheit 12 jedoch abnehmbar beziehungsweise austauschbar am Gehäuse 32 befestigt. Die Aufnahmeeinheit 12 ist dabei derart ausgestaltet, dass mittels Rakeltechnik eine wohldefinierte Probe 16 in den Aufnahmeraum 14 einbringbar ist. Die Aufnahmeeinheit 12 bildet dazu eine trogförmige Begrenzung des Aufnahmeraums 12 mit ebenem Randbereich 34, über dem man mit einem entsprechenden Rakel 36 streichen kann, um den Aufnahmeraum 14 bis zum Rand mit Schmierstoff zu füllen. Die resultierende Probe 16 nimmt den Aufnahmeraum 14 dann vollständig ein.
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Die Magneteinheit 18 weist einen Elektromagneten 38 auf, der bei der Messung von der Steuereinheit 28 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 angesteuert wird. Dank dieser Ansteuerung kann die Magneteinheit 18 für ein gezieltes Durchfahren einer Magnetfeldstärke-Schleife zur Aufnahme einer Hysteresekurve mittels des XMR-Sensors 24 genutzt werden. Im allereinfachsten Fall werden nur zwei wohldefinierte Punkte auf der Hysteresekurve angefahren und aus den Messungen der magnetischen Flussdichte µ bei diesen Punkten die Kenngröße der in dem Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikel 20, 22 bestimmt. Die Magneteinheit 18 ist im Beispiel fest am beziehungsweise im Gehäuse 32 montiert sein. In einer alternativen Ausgestaltung der Detektionsvorrichtung 10 ist auch die Magneteinheit 18 abnehmbar beziehungsweise austauschbar am/im Gehäuse 32 befestigt (nicht gezeigt). Die so ausgestaltete Magneteinheit 18 wird auch als Magnetaufsatz bezeichnet.
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Im gezeigten Beispiel weist der Elektromagnet 38 ein Spulenpaar 40 auf. Die Spulen des Spulenpaars 40 können dabei als Luftspulen oder als Spulen mit ferromagnetischem Kern ausgebildet sein. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 ein Netzteil 42 für die Spulen des Spulenpaares 40. Das Netzteil 42 wie auch die Auswerteeinheit 30 werden von der Steuereinheit 28 angesteuert (Pfeile). Die Auswerteeinheit 30 kommuniziert mit dem Sensor 24 (Doppelpfeil) und einer Ausgabe-Schnittstelle 44 (Doppelpfeil), zum Beispiel einem HMI-Interface wie einem Display, etc.
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Neben dem in 1 gezeigten Aufbau, bei dem das Magnetfeld bezüglich des XMR-Sensors 24 ein in-plane Feld ist, ist auch ein Aufbau möglich und durchaus auch erstrebenswert, bei dem das von der Magneteinheit 18 generierte Magnetfeld ein zum Sensor 24 senkrechtes Feld ist. Ein derartiges Magnetfeld lässt sich einfach mit einem Permanentmagneten generieren, den man unter den Sensor 24 schiebt. Die unterschiedlichen Magnetfeldeinstellungen lassen sich bei diesem Aufbau zum Beispiel durch Entfernen und/oder Austauschen des Permanentmagneten erzielen.
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Der XMR-Sensor 24 kann auf jedem unter dem Begriff XMR (X-Magneto-Resistive) zusammengefassten magneto-resistiven Effekten beruhen. Neben dem GMR-Sensor sind dies Sensoren, die auf folgenden Effekten beruhen: Anisotropic Magneto-Resistive (AMR), Colossal Magneto-Resistive (CMR), Tunneling Magneto-Resistive (TMR) und das Extraordinary Magneto-Resistive (EMR). Besonders bevorzugt werden GMR- und TMR-Sensoren.
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Der als GMR-Sensor ausgebildete XMR-Sensor 24 aus dem Beispiel besteht insbesondere aus einem Kobalt (Co)-Kupfer (Cu) GMR Schichtsystem, bei der die Cu-Schichtdicke so gewählt ist, dass sie beim ersten antiferromagnetischen RKKY-Maximum koppelt. Die Stapelfolge ergibt sich wie folgt: Substrat/(Co 3nm/Cu ~1 nm)39/Co 3nm/Ru 3nm.
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Die 2 zeigte den aktiven Sensorbereich 46 des GMR-Sensors 24. Der aktive Sensorbereich 46 besitzt eine Mäanderstruktur mit einer Leiterbahnbreite von 1 µm und wird über vier Leiterbahnen 48, 50, 52, 54 kontaktiert. Über zwei der Leiterbahnen 48, 50 wird ein konstanter Strom eingespeist, während über zwei weitere Leiterbahnen 52, 54 der Spannungsabfall über den Sensor 24 gemessen wird. Die entsprechende Widerstandsmessung ist also, wie üblich, als Vierpunktmessung realisiert, bei der Stromquelle und Spannungsabgriff separate Kontaktpunkte haben. Die Stromquelle ist bevorzugt eine Konstantstromquelle. Um Leckströme zu verhindern, wird der GMR-Sensor 24, ausgenommen der Kontaktpads, mit einer Ta2O2 Schicht passiviert, dessen Schichtdicke kleiner als der mittlere Partikeldurchmesser sein sollte, Beim in 2 gezeigten Sensor 24 beträgt die Ta2O5 Schicht 10 nm für magnetische Partikel 20, die als Co Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 20 nm ausgebildet sind.
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Die Größe des aktiven Sensorbereichs 44 (also der Mäanderfläche) und die Strukturbreite muss den Konzentrationsbereichen und verwendeten magnetischen Partikeln 20, 22 angepasst werden. Bei gegebener Messfläche muss das Messsignal für verschiedene Partikelkonzentrationen im Schmierstoff zur Qualitätsbestimmung geeicht werden. Zur Ermittlung der Qualität der Partikeldispersion im Schmierstoff, die zur Eichung notwendig ist, erfolgt dann über ein Dual Beam FIB System (FIB: Focused Ion Beam).
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Es ergibt sich das folgende Grundprinzip des Detektionsverfahrens:
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Zunächst wird eine wohldefinierte Probe 16 des Schmierstoffs in den Aufnahmeraum 14 eingebracht, anschließend werden die magnetischen Partikel 20, 22 der in den Aufnahmeraum 14 eingebrachten Probe 16 mittels eines veränderbaren Magnetfeldes H, welches den Aufnahmeraum 14 durchdringt, gezieltes magnetisch beeinflusst, dabei wird die magnetische Flussdichte µ im Aufnahmeraum 14 mittels des XMR-Sensors 24 bei zumindest zwei unterschiedlichen Magnetfeldeinstellungen gemessen und aus dem Sensorsignal des XMR-Sensors 24 schließlich die Kenngröße der im Schmierstoff eingebundenen magnetischen Partikeln 20, 22 ermittelt.
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Um möglich Störgrößen herausrechnen zu können, wird dieses Grundprinzip wie folgt ergänzt:
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Es wird das Differenzsignal zwischen dem XMR-Sensor 24 ohne Schmierstoff-Probe 16 und dem XMR-Sensor 24 mit Schmierstoff-Probe 16 einmal ohne den Magnetaufsatz 18 und einmal mit dem Magnetaufsatz 18 gemessen. Das Differenzsignal kann auf verschiedene Weisen gemessen werden:
- - Die Sensoren 24 können ohne Partikel einmal ohne und einmal mit Magnetaufsatz 18 gemessen und die Werte gespeichert werden. Danach werden diese Messungen für dieselben Sensoren 24 mit aufgetragener Schmierstoff-Probe 16 durchgeführt. Anschließend werden die Messergebnisse für den Sensor 24 mit Schmierstoff-Probe 16 von den gespeicherten Messergebnissen ohne Schmierstoff-Probe 16 abgezogen.
- - Ein Sensor 24 wird bedeckt, während ein Referenzsensor 24 von einer Schutzschicht bedeckt ist, sodass keine Streufelder den Referenzsensor 24 erreichen. Auch hier wird einmal ohne und einmal mit Magnetaufsatz 18 gemessen.
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Die Partikelkonzentration ist proportional zur Größe des Differenzsignals zwischen unbeschichtetem und beschichtetem XMR-Sensor 24.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Detektionsvorrichtung
- 12
- Aufnahmeeinheit
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Probe
- 18
- Magneteinheit
- 20
- ferromagnetische Partikel
- 22
- superparamagnetische Partikel
- 24
- XMR-Sensor
- 26
- Steuer- und Auswerteeinrichtung
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Auswerteeinheit
- 32
- Gehäuse
- 34
- Randbereich (Aufnahmeeinheit)
- 36
- Rakel
- 38
- Elektromagnet
- 40
- Spulenpaar
- 42
- Netzteil
- 44
- Ausgabe-Interface
- 46
- aktiver Sensorbereich
- 48
- Leiterbahn
- 50
- Leiterbahn
- 52
- Leiterbahn
- 54
- Leiterbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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