DE10208134A1 - Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids - Google Patents

Abstract

Vorrichtungen zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids weisen einen Körper (10') auf aus für elektromagnetische Strahlung durchlässigem Material. Die Strahlung wird intern im Körper (10') reflektiert. Änderungen von Eigenschaften eines Fluids, in welches der Körper eingetaucht ist, werden gemessen. Dies kann z. B. die Trübung von Wasser sein, oder auch die Änderung von Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung bei Ölen, Abwässern, Gasen etc. Um zuverlässige Messergebnisse zu erreichen, ist die Grenzfläche Körper/Fluid so mit einer Beschichtung (10b1, 10b2) versehen oder gestaltet, dass die Strahlung hier zumindest annähernd vollständig ohne Beeinflussung durch das Fluid oder andere Störgrößen reflektiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids mit einem Körper aus für elektromagnetische Strahlung durchlässigem Material, durch den die Strahlung geführt und intern reflektiert wird, um aus einer Änderung der Intensität der Strahlung ein Signal abzuleiten, das eine Aussage über die Eigenschaft des Fluids erlaubt.
• Solche Vorrichtungen sind insbesondere aus der DE 197 14 664 A1 und der PCT/EP 00/00874 bekannt. Dieser Stand der Technik wird nachfolgend als bekannt vorausgesetzt.
• Bei dem Kalk- oder Belagsensor auf Glasoberflächen gemäß der PCT/EP 00/00874 lagert sich auf dem für die elektromagnetische Strahlung transparenten Körper Material aus dem Fluid (z. B. Wasser in einer Wasch- oder Spülmaschine) ab und diese Ablagerung auf der Außenfläche bewirkt, dass an der Grenzfläche Körper/Fluid eine Änderung der Reflexionseigenschaften für die interne Reflexion der Strahlung erfolgt. Mittels eines Detektors wird die Strahlung empfangen und eine Änderung der Signalhöhe des Empfangssignals hängt von den Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche ab, so dass hieraus indirekt eine Aussage gewonnen werden kann über Ablagerungen auf der Oberfläche (also z. B. Kalkablagerungen oder dergleichen) und damit Eigenschaften des Fluids.
• Die DE 197 14 664 A1 verwendet ebenfalls einen Körper aus für elektromagnetische Strahlung durchlässigem Material, in dem die Strahlung geführt und intern reflektiert wird. Ziel jener Vorrichtung ist es, eine Trübung des Fluids (dort Wasser) zu ermitteln. Hierzu ist dort vorgesehen, dass die Strahlung außerhalb des genannten Körpers unterschiedlich lange Wegstrecken zurücklegt. Aus der Abschwächung der Strahlung durch das Fluid (außerhalb des Körpers) wird ein Signal abgeleitet, dass ein Maß für die gesuchte Eigenschaft des Fluids ist, also z. B. die Trübung.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Messvorrichtungen der vorstehend genannten Art hinsichtlich der Messgenauigkeit weiter zu verbessern.
• Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Ermittlung von Ablagerungen aus dem Fluid wird erfindungsgemäß dadurch hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Messergebnisses verbessert, dass an zumindest einer der folgenden Stellen die Grenzfläche Körper/Fluid so mit einer Beschichtung versehen oder gestaltet ist, dass die Strahlung hier zumindest annähernd vollständig ohne Beeinflussung durch Störgrößen reflektiert wird:
  
• - Stellen, an denen der Körper befestigt ist,
• - Stellen, an denen eine Dichtung am Körper anliegt,
• - Stellen, an denen der Körper regelmäßig durch Verschmutzung bezüglich seiner Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche verändert wird, und
• - Stellen, an denen am Körper eine nicht-lineare Belagbildung erfolgt.
• Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Messen von z. B. Trübungseigenschaften im Fluid wird erfindungsgemäß dadurch hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Messergebnisses verbessert, dass an zumindest solchen Stellen die Grenzfläche Körper/Fluid so mit einer Beschichtung versehen oder gestaltet ist, dass die Strahlung (I, II) hier zumindest annähernd vollständig ohne Beeinflussung durch das Fluid reflektiert wird.
• Die letztgenannte Variante der Erfindung eignet sich nicht nur für Trübungsmessungen in z. B. Wasser, sondern eignet sich bevorzugt auch allgemein für die Messung von Eigenschaften in einem Fluid, wobei diese Eigenschaften die Transmission von elektromagnetischer Strahlung durch das Fluid beeinflussen. Z. B. kann mit der Vorrichtung der Zustand von Hydraulikflüssigkeiten (z. B. Öl) gemessen werden, wie z. B. der Gehalt an Luftblasen, Wasser oder Schmutzstoffen etc.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei den oben genannten Vorrichtungen dadurch zu Verfälschungen des angestrebten Messergebnisses kommen kann, dass die Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche nicht nur durch den eigentlich zu messenden Parameter beeinflusst werden (also z. B. Ablagerungen an der Grenzfläche, die ein Maß sind für die gesuchte Eigenschaft des Fluids oder Änderungen der Trübung in der Meßstrecke), sondern auch durch Störungen die Reflexion beeinflusst werden kann.
• So kann bei einem Ablagerungssensor der oben beschriebenen Art ein Kontakt auf dem Körper eine Störung des Messergebnisses zur Folge haben. Eine Befestigung am Körper, eine Durchführung, oder eine Abstützung können z. B. derartige Kontakte darstellen. Eine andere Möglichkeit von Störungen bezüglich des Messsignals entsteht dadurch, dass an manchen Stellen des Körpers eine atypische Ablagerung auftritt, die nicht für das eigentlich angestrebte Messsignal repräsentativ ist. So kann es z. B. an bestimmten Stellen des transparenten Körpers zu einer extrem starken Ablagerung kommen, z. B. dann, wenn beim Abtropfen der Vorrichtung hier Resttropfen verbleiben, die erfahrungsgemäß das Ergebnis verfälschen können. Eine besondere Fehlerquelle, die durch die Erfindung ausgeschaltet wird, sind Abtrockenränder auf dem Niveau des Wasserstandes. Hier entstehen bevorzugt Ablagerungen, die das Messergebnis stören könnten und erfindungsgemäß vermieden werden. Auch kann aufgrund der Anordnung des Körpers im Fluid es an besonderen Stellen zu stärkeren Ablagerungen kommen und es hat sich gezeigt, dass hierdurch das Messergebnis ohne die besonderen erfindungsgemäßen Maßnahmen unzuverlässig werden kann. Es werden also gemäß der Erfindung bestimmte Bereiche der Grenzfläche Körper/Fluid, die sich erfahrungsgemäß als störend hinsichtlich der Zuverlässigkeit (Reproduzierbarkeit) des Messergebnisses erwiesen haben, für die Messung ausgeblendet. Diese störenden Grenzflächen werden in der Regel empirisch bei einem gegebenen System und in Abhängigkeit vom konkreten Einsatz ermittelt werden können.
• Bei der Vorrichtung, mit der insbesondere die Transmissionseigenschaften des Fluids gemessen werden, um eine Aussage über den Zustand des Fluids zu gewinnen, hat sich gezeigt, dass beim System gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik (DE 197 14 664) eine Verbesserung dadurch erreicht werden kann, dass in bestimmten Bereichen des transparenten Körpers, durch den die elektromagnetische Strahlung geführt wird, die Reflexionseigenschaften von vorneherein so festgelegt werden, dass sie weitestgehend unabhängig sind von Einflüssen durch das Fluid selbst, also insbesondere dem Brechungsindex des Fluids. Ist z. B. bei der erwähnten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik der Brechungsindex des Fluids nahe im Bereich des Brechungsindex des Materials des Körpers (z. B. ein Kunststoff), dann ist die Möglichkeit einer Totalreflexion an den Grenzflächen weitestgehend aufgehoben und die Strahlung hat nicht mehr den gewünschten Verlauf im Körper (wird nicht mehr wie gewünscht intern reflektiert). Auch hier leistet die Erfindung eine Verbesserung hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Messergebnisses dadurch, dass an diesen kritischen Stellen die Grenzfläche Körper/Fluid so beschichtet oder gestaltet wird, dass die Strahlung hier zumindest annähernd vollständig reflektiert wird, d. h. ohne Rückwirkung aufgrund von Eigenschaften des Fluids.
• Das Fluid im Sinne dieser Erfindung ist z. B. Wasser in einer Wasch- und Spülmaschine. Bevorzugte weitere Anwendungen sind auch Ermittlungen von Zuständen von Hydraulikflüssigkeit, Heizöl, Abwasser, Schmiermittel oder dergleichen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders geeignet sind, um auch solche Fluide zu untersuchen.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids;
• Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie B-B;
• Fig. 3 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A;
• Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids.
• Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung ist geeignet, Transmissionseigenschaften bezüglich elektromagnetischer Strahlung in einem Fluid zu ermitteln. Ein Fluid im Sinne dieser Anmeldung ist ein fließfähiges Medium, also insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas. In Betracht kommt z. B. Wasser in einer Wasch- oder Spülmasche, ein Öl in einem Hydrauliksystem (z. B. einer Bremse), Abwasser, Schmiermittel, sog. Prozeßwässer (Kühlwässer), z. B. für Betonschneiden und -bohren oder für die Filterüberwachung etc. All diese Fluide können durch mehr oder weniger unerwünschte Verunreinigungen (bei Hydrauliköl z. B. auch Luftbläschen) hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften für Strahlung verändert werden, so dass mittels der Erfindung die Verunreinigung oder sonstigen Parameter ermittelt werden können.
• Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung weist einen Körper 10 aus für Messstrahlung transparentem Material auf. Der Körper 10 hat eine Ausnehmung 12 und wird so in das Fluid eingetaucht, dass die Ausnehmung 12 mit dem Fluid ausgefüllt wird, dessen Änderung der Transmissionseigenschaften gemessen werden soll. Zur Montage kann der Körper 10 z. B. an seiner Bodenfläche 10d mit einem Flansch (nicht gezeigt) versehen sein, der eine Öffnung in einer Wandung des fluidführenden Bauteils einer Maschine abdeckt.
• In einem Sockelteil 10a des Körpers 10 sind ein Sender 14 und zwei Empfänger 16, 18 angeordnet. Der Sender 14 emittiert Strahlung I, II. Wie aus Fig. 1 deutlich wird, ist die Ausnehmung 12 im Körper 10 so gestaltet, dass die Strahlung II eine längere Wegstrecke durch das Wasser zurücklegt als die Strahlung I. Die vom Sender 14 abgegebene Strahlung hat die typische Form einer Keule, d. h. die Strahlungsanteile I und II werden gleichzeitig emittiert. Als Sender 14 kann z. B. eine lichtemittierende Diode (LED) verwendet werden.
• Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ist der Körper 10 bis auf die Ausnehmung 12 im unteren Teil kreiszylinderförmig. Sein oberes Ende hat die Form einer Halbkugel.
• In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispieles kann die obere Halbkugelfläche auch anders gestaltet werden, wesentlich ist, dass die obere Fläche so gekrümmt ist, dass die Strahlung auf dem Wege zwischen Sender und Empfänger durch eine oder mehrere Totalreflexionen umgelenkt wird, insbesondere um 180°, wie bei gezeigten Ausführungsbeispiel. Dabei werden Sender und Empfänger und die reflektierenden Flächen relativ zueinander so angeordnet, dass die Strahlung schräg auf die reflektierenden Flächen einfällt.
• Nachdem die Strahlungsanteile I und II die mit dem eventuell getrübten oder sonstwie hinsichtlich seiner Transmissionseigenschaften geänderten Fluid gefüllte Ausnehmung 12 durchlaufen haben, treffen sie auf Oberflächen 20 bzw. 22 des Körpers 10. An diesen Oberflächen tritt die Strahlung in das Material des Körpers 10 ein und wird dabei gebrochen, wie die Pfeile in den Fig. 1 und 2 zeigen. Die Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche zwischen Körper 10 und dem umgebenden Fluid hängen stark vom Brechungsindex des Körpers 10 und des Fluids ab.
• Um sicherzustellen, dass die Strahlung I, II im Körper 10 unabhängig vom gegebenen Brechungsindex und insbesondere unabhängig von möglichen Ablagerungen, Verunreinigungen, mechanischen Verkratzungen an der Oberfläche des Körpers 10 bleiben, ist vorgesehen, in ausgewählten Bereichen des Körpers 10, die besonders empfindlich sind für die vorstehend genannten Störungen, eine Beschichtung 10b aufzubringen oder die Oberfläche so zu gestalten (polieren), dass dafür gesorgt ist, dass die Übertragungsfunktion im Körper 10 im Laufe der Benutzung der Vorrichtung sich nicht in unerwünschter Weise verändert. Besteht der Körper 10 z. B. aus einem Kunststoff und ist das Fluid ein Öl, liegen die Brechungsindizes nahe beieinander. Problematisch ist auch der Fall, dass der Brechungsindex des Fluids nicht konstant ist. In diesen Fällen sorgt die Beschichtung 10b dafür, dass über die Lebensdauer der Messvorrichtung der Reflexionsgrad im kritischen Bereich der Halbkugel (oder auch entsprechend in anderen Bereichen) sich nicht verändert und damit auch die Übertragungsfunktion für die Strahlung im Körper 10 im wesentlichen gleich bleibt. Das Material der Beschichtung ist so gewählt, dass gut reflektierende Eigenschaften gegeben sind, damit der Reflexionsgrad konstant bei einem Wert von mindestens 90% bleibt. Es ist auch möglich, für die Beschichtung 10b ein Material auszuwählen, das einen Brechungsindex hat, der deutlich geringer ist als der des Körpers 10, so dass ebenfalls eine weitestgehende Reflexion mit gleichen Eigenschaften im kritischen Bereich (z. B. der gezeigten Halbkugel) von mindestens 90% gegeben ist.
• Fig. 2 zeigt den Verlauf des Strahlungsanteils I. Die Strahlung geht vom Sender 14 aus, passiert die mit Fluid gefüllte Ausnehmung 12, wird an der Oberfläche 20 gebrochen und läuft dann so durch den Körper 10 unter mehrfacher Totalreflexion an den Grenzflächen und gelangt so nach einer Umlenkung um 180° zum ersten Empfänger 16, z. B. einem Fotodetektor, der ein elektrisches Signal abgibt, das der einfallenden Lichtmenge entspricht. Je nach den Änderungen der Transmissionseigenschaften des Fluids in der Ausnehmung 12 wird die Strahlung mehr oder weniger abgeschwächt, so dass das vom Empfänger 16 abgegebene elektrische Signal ein Maß für bestimmte Eigenschaften des Fluids ist, z. B. seine Trübung oder das Vorhandensein anderer die Transmission der Strahlung beeinflussender Eigenschaften. Wie sich aus den Fig. 1 bis 3 ergibt, ist die Oberfläche 20 des Körpers so schräg gestellt, dass die Strahlung I aus der Zeichnungsebene von Fig. 1 heraus auch mit einer Komponente senkrecht zur Zeichnungsebene abgelenkt wird, und zwar so, dass sie zum ersten Empfänger 16 gelangt.
• Gemäß Fig. 3 liegt ein zweiter Empfänger 18 mit dem Sender 14 und dem ersten Empfänger 16 in einer gemeinsamen, zur Zylinderachse B-B senkrechten Ebene. Die Oberfläche 22 des Körpers 10, die die Ausnehmung 12 ebenso wie die Oberfläche 20 begrenzt, ist so in Bezug auf die einfallende Strahlung II schräg gestellt, dass die Strahlung nach Brechung an der Oberfläche 22 und mehreren Totalreflexionen an der äußeren Grenzfläche des Körpers 10 im Bereich der Halbkugel zum Empfänger 18 gelangt.
• Wenn die beiden Messsignale der Empfänger 16 und 18 zueinander in Beziehung gesetzt werden, z. B. durch Subtraktion, wird ein Messergebnis gewonnen, in dem systematische Messfehler aufgrund dauernder Verschmutzungen an der Oberfläche oder Änderungen der Sendeleistung weitestgehend eliminiert sind. Auch die angesprochenen Verfälschungen des Messergebnisses aufgrund von kaum kontrollierbaren Änderungen der Reflexionseigenschaft an der Grenzfläche zwischen dem Körper 10 und dem umgebenden Fluid sind durch die vorgesehene Beschichtung eliminiert, da die Beschichtung gleichbleibende Reflexionseigenschaften gewährleistet.
• Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften und Qualitäten eines Fluids. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Körper 10' zumindest zeitweise in das Fluid eingetaucht. Der Körper 10' ist für elektromagnetische Strahlung durchlässig. Diese Strahlung wird von einem Sender 30 erzeugt und in den Körper 10' eingekoppelt, und die durch den Körper 10 laufende Strahlung wird mittels eines Detektors 32 gemessen. Der Körper 10' ist in Fig. 4 nur schematisch dargestellt. Er kann alle Varianten aufweisen, wie sie in der eingangs genannten PCT/EP 00/00874 gezeigt oder beschrieben sind.
• Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 dient insbesondere auch für die im genannten Stand der Technik angegebenen Zwecke. Auch die dort angegebenen Anordnungen von Sendern und Empfängern für die elektromagnetische Strahlung sind voll auf die vorliegende Erfindung übertragbar, so dass auf eine Wiederholung der Beschreibung insoweit verzichtet werden kann.
• Es hat sich gezeigt, dass die Messergebnisse bei Vorrichtungen gemäß dem genannten Stand der Technik dadurch verfälscht werden können, dass die Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche Körper/Fluid durch Wechselwirkungen mit gewissen Störgrößen in unerwünschter Weise beeinflusst werden können. Es hat sich herausgestellt, dass solche Störgrößen insbesondere die folgenden sind: Stellen, an denen der Körper 10' befestigt ist; Stellen, an denen eine Dichtung 36 am Körper anliegt, Stellen, an denen der Körper typischerweise durch Verschmutzung bezüglich seiner internen Reflexionseigenschaften verändert wird, wobei diese Verschmutzungen nicht ein typisches Maß für die zu messenden Ablagerungen auf der Oberfläche des Körpers sind; und Stellen, an denen am Körper eine nicht-lineare Belagbildung stattfindet. Eine nicht-lineare Belagbildung ist eine solche, bei der die Ablagerung nicht entsprechend der eigentlich gesuchten Verunreinigung oder Veränderung des Fluids erfolgt. z. B. kann es Stellen am Körper 10' geben, in denen typischerweise eine zusätzliche Oberflächenverschmutzung stattfindet, die deutlich stärker ist als die typische Ablagerung in den anderen Bereichen des Körpers 10'. Ist z. B. der Körper 10' gemäß Fig. 4 hängend in eine Apparatur eingebaut, in der das Fluid strömt und wird die Apparatur regelmäßig von dem Fluid befreit, dann können an der unteren Stelle (in Fig. 4 also unten) Flüssigkeitstropfen hängen bleiben, die zu einer verstärkten Verschmutzung an dieser Stelle führen, ohne dass diese Verschmutzung direkt etwas zu tun hätte mit der eigentlichen Meßgröße, also den "normalen" Ablagerungen an der Oberfläche des Körpers 10' beim üblichen Betrieb der Maschine. Diesem Problem begegnet die Erfindung dadurch, dass an den ausgewählten kritischen Stellen des Körpers 10' eine Beschichtung 10b1, 10b2 angebracht ist, die dafür sorgt, dass an der Grenzfläche Körper/Fluid im Wesentlichen immer die gleichen Reflexionseigenschaften bezüglich der internen Reflexion der Strahlung im Körper 10' herrschen, und zwar auch über einen Langzeitbetrieb der Messvorrichtung. Die Fig. 4 zeigt zwei ausgewählte Stellen für eine solche Beschichtung bzw. Konstanthaltung des Reflexionsgrades, nämlich zum einen eine Stelle an einer kritischen Stelle des Körpers 10' die zu Tropfenbildungen neigt, wo die Beschichtung 10b1 aufgetragen ist. Zum anderen ist der Körper 10' an denjenigen Stellen mit der Beschichtung 10b2 versehen, wo der Körper 10' an der Maschine (nicht gezeigt) befestigt ist, also an Trägern 34 der Maschine, wo Dichtringe 36, 38 eine abgedichtete Montage des Körpers 10' im Fluid (in Fig. 4 wäre das Fluid unten im Bereich des U-förmigen Bogens des Körpers 10 angeordnet) und der Außenseite (in Fig. 4 oberhalb der Befestigungen 34 der Maschine) bewirken. Für die Beschichtungen 10b1, 10b2 etc. eignet sich z. B. eine Metallschicht, z. B. aus Silber oder dergleichen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids mit einem Körper (10') aus für elektromagnetische Strahlung durchlässigem Material, durch den die Strahlung geführt und intern reflektiert wird, wobei auf der Außenfläche des Körpers 10' Ablagerungen aus dem Fluid auftreten, die die Reflexionseigenschaften der Grenzfläche Körper/Fluid verändern und wobei diese Veränderung der Reflexionseigenschaften als Maß für die Eigenschaft des Fluids dient,
dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer der folgenden Stellen die Grenzfläche Körper/Fluid so mit einer Beschichtung (10b1, 10b2) versehen oder so gestaltet ist, dass die Strahlung hier zumindest annähernd vollständig ohne Beeinflussung durch Störgrößen reflektiert wird:
Stellen, an denen der Körper (10') befestigt ist,
Stellen, an denen eine Dichtung (36) am Körper anliegt,
Stellen, an denen der Körper (10') regelmäßig durch Verschmutzung bezüglich seiner Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche verändert wird, und
Stellen, an denen am Körper (10') eine nicht-lineare Belagbildung erfolgt.

2. Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenschaften eines Fluids mit einem Körper (10) aus für elektromagnetische Strahlung durchlässigem Material, durch den die Strahlung geführt und intern reflektiert wird, wobei zumindest zwei unterschiedlich lange Wegstrecken (I, II) für die Strahlung außerhalb des Körpers im Fluid vorgesehen sind, um aus der Abschwächung der Strahlung durch das Fluid ein Signal abzuleiten, das ein Maß ist für die Eigenschaft des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest solchen Stellen die Grenzfläche Körper/Fluid so mit einer Beschichtung (10b) versehen oder gestaltet ist, dass die Strahlung (I, II) hier zumindest annähernd vollständig ohne Beeinflussung durch Störgrößen reflektiert wird.